Измерение светового потока фонариков, фар и светодиодов.
"В той или иной степени врут все производители LED-светотехники." (с)
Особенно когда это касается такого известного параметра, как световой поток.
В обзоре множество ссылок на другие обзоры и ресурсы.
Советую всем хотя бы бегло ознакомиться с материалами по ссылкам.
Сокращения, встречающиеся по тексту:
СД - светодиод
БП - блок питания
КИ - косинусный излучатель
ЛН - лампа накаливания
СДЛ - светодиодная лампа
ИС - интегрирующая сфера
С основными светотехническими понятиями можно ознакомиться по ссылкам:
Основные светотехнические понятия: световой поток, освещенность и яркость
или
Светотехнические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость.
Измерить световой поток – сложно. Необходимо собрать весь свет, испущенный источником и в равной степени учесть лучи по всем направлениям. То есть, нужен фотоприемник в виде полой сферы с одинаковой светочувствительностью каждого участка её поверхности. Изготовление такой фотометрической сферы и ее последующая калибровка – задача весьма непростая.
Другой подход – по точкам промерить диаграмму направленности источника света и проинтегрировать по всей сфере. Но и это непросто: надо иметь солидных размеров темное помещение с темными стенами. И гониометрическая головка с двумя осями нужна, желательно с автоматическим приводом, чтобы не задолбаться вручную выставлять углы для каждой из нескольких сотен точек.
И так есть задача: выполнить замер освещённости доступным способом.
Из доступных приборов у обычного пользователя есть только люксметр, который измеряет освещённость (ваш КО).
Требуется придумать, как бы замерить световой поток прибором, прямым образом для этого не предназначенным (т.е. люксметром).
1. Люксметр HS1010.
Достаточно качественный прибор за символическую цену 10 долларов.
Лень повторяться и даже копипастить.
Обзор 1
Обзор 2
О точности светотехнических измерений:
" Просто точность для каждой физической величины разная, и разная она для каждой конкретной задачи. Подходить к этому с точки зрения «электронный прибор, и этим все сказано» — не верно. Есть такие физические величины, которые и с 50 % точностью измерить — очень трудная задача. Возьмите к примеру те физические величины, которые человек воспринимает своими органами чувств. а не те, которые влияют на производственные процессы. Например звук. Его диапазон настолько большой, что его меряют не величинами, а порядками (децибеллами). Какая тут точность можете себе представить, если сама величина уже не важна, а важен ее порядок. Свет тоже воспринимается глазом в Оооочень большом диапазоне. Для чтения книги человеку достаточно 30-50 лк, однако он ее может читать и при 100 000 лк. Вам все еще нужна точность выше? Если да, то скажите себе для каких задач. Те люди, которые покупают это прибор, прекрасно знают какая точность нужна им. Если вам прибор нужен для сложного, технически подготовленного процесса, результат которого прямо зависит от точности люксметра, то да, вам нужна высокая точность. Лично я таких процессов не знаю. Мне для моих нужд этой точности достаточно (уж поверьте), и 99 %, покупающих, тоже достаточно, иначе не покупали бы. Согласитесь при диапазоне 30 и 100 000 лк, точность 16 % роли не сыграет."
2. Что есть в сети по измерению светового потока.
Поисковый запрос "Измерить световой поток в любительских условиях" выдаёт следующие ссылки:
- Как сделать измеритель светового потока за 87 рублей (№1)
- Разоблачаем мировой заговор или как измерить световой поток светодиодов на коленке (№2)
- Методика тестирования бытовых источников света (№3)
Начнём с простого: измерение светового потока СД без оптики.
Способ №1 интересен своей простотой, особенно что касается желания сэкономить 10 долларов на люксметре.
Особенности метода:
- годится для ЛН и СДЛ (источников света, близких по свойствам к косинусному излучателю)
- не годится для фонариков
Для тех, кто верит, что их любимый смартфон способен измерять всё и вся, привожу ссылку на обзор, в котором показано, почему не надо так поступать.
Не надо пытаться превратить любимую игрушку в измерительную лабораторию!
Следующий шаг - проверить идеи, изложенные обзоре №2.
По мнению автора, светодиодные матрицы являются косинусным излучателем.
"Косинусным называется такой излучатель, яркость которого не зависит от угла между нормалью к его поверхности и направлением на наблюдателя."
Для эксперимента был использован дешёвый 10Вт СД, установленный на радиаторе и запитанный от лабораторного БП (600 мА, 12,5В на СД). Для замеров использовался люксметр HS1010.
Сделано два замера:
1. Расстояние 50см: E1=506 лк
2. Расстояние 50см, радиатор со светодиодом повёрнут примерно на 45 градусов: E2=345 лк
Смотрим документацию на 10 Вт СД (красная пометка на рисунке слева) :
Всё сходится: световой поток под углом 45 градусов должен составить 0,65 от максимума:
Расчётное значение: 506 * 0,65 = 330 (лк), что недалеко от значения E2=345 лк.
ВЫВОД: 10Вт СД не является косинусным излучателем,
способ №2 годится только для сравнения СД с одинаковой диаграммой направленности.
И так, способы №1 и №2 "сошли с дистанции".
Плавно переходим к способу №3.
Авторы используют уменьшенный аналог интегрирующей сферы (ИС).
Теория
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ОПТИКА (ссылка на загрузку, см. стр. 147)
3. Заводские (готовые) решения.
Прежде, чем начать пилить глобус по экватору, чтобы смастерить ИС, посмотрим готовые решения.
1. Комплект TES-133
Цена на aliexpress
Оффсайт производителя
Всё супер, кроме цены.
2. Интегрирующая сфера (измерительный комплекс)
Цена - полный ПЭ.
Изготовить ИС в домашних условиях, имхо, не так уж и просто.
Надо или осваивать технологии работы с оргстеклом, чтобы выдавить половинки сферы. Или реально распилить глобус.
Авторы статьи в журнале ИСУП № 6(78) 2018г пишут следующее про ИС:
"...Сегодня проявился и второй недостаток: новые лампы направленного света при использовании такого метода дают огромную ошибку: 7–10 %. Они не могут равномерно осветить пространство внутри сферы, их излучение направлено в определенную область с максимальной интенсивностью, что приводит к неточности в измерениях потока."
Примечание: авторы статьи продвигают метод при использовании гониометра. Поэтому их можно понять.
По ряду причин было решено отложить эксперименты с ИСв долгий ящикна потом.
4. Самодельные конструкции на фонарёвке показывают вполне достоверные значения. Но замер светового потока фонариков также не решён.
5. Всё придумано до нас.
У меня нет привычки выдавать чужие решения под видом своих: идея с использованием лайтбокса (коробки, обклеенной изнутри белой бумагой) была также найдена в сети.
Для тех, кто не в теме светотехнических измерений, рекомендуется посмотреть это видео.
После просмотра ролика у меня возникли некоторые вопросы:
1) почему вырезы сделаны не по центру?
2) есть ли зависимость показаний люксметра из-за отклонения луча фонарика в сторону?
3) какой коэффициент светопропускания рассеивающей перегородки, установленной внутри лайтбокса?
6. Повторение конструкции. Была найдена коробка с внутренними размерами 20*30*20 см.
Для обклейки внутри подошли листы бумаги формата А4.
На первом шаге экспериментов в коробке было сделано одно отверстие диаметром 50 мм.
Рассеиватель 20*20 см с коэффициентом пропускания 0,75 (значение определено при помощи люксметра) :
Для оценки эффективности рассеивателя сделана пара кадров (использована настольная лампа со светодиодами)
Вид через рассеиватель
При освещении фонариком рассеивателя, установленного в лайтбокс по центру, получилось следующее нормированное распределение освещённости на торцевой стенке коробки:
0,3 0,5 0,3
0,5 1,0 0,5
0,3 0,5 0,3
Таким образом получен трёхкратный разброс показаний.
Значит требуется более высокая эффективность рассеивателя.
Новенькая СДЛ была зверски разломана с целью заполучить ещё один матовый рассеиватель:
Два рассеивателя (слева - от только что разломанной СДЛ) :
Рассеиватель, который слева, изначально обладал бОльшим коэффициентом пропускания, но худшим светорассеянием.
Вовнутрь был "интегрирован" дополнительный слой матового пластика (такого же, из которого выполнен рассеиватель 20*20 см):
В результате получился рассеиватель с лучшей парой характеристик светорассеяние + пропускание светового потока.
Установка в лайтбокс, закрепляем термоклеем:
Установка рассеивателя 20*20 см (второе отверстие ещё не сделано) :
Нормированное распределение освещённости на торцевой стенке лайтбокса:
0,8 0,9 0,8
0,9 1,0 0,9
0,8 0,9 0,8
Далее верхние "створки" коробки были обклеены белой бумагой и прорезано второе отверстие диаметром 50 мм.
Всё это дело заклеиваем скотчем так же, как обычную посылку.
Всё, лайтбокс собран:
7. Калибровка.
В качестве образцового источника с достоверно известным световым потоком выбрана 20 Вт лампа накаливания (ЛН) 12 В.
Угол светового потока: 38 градусов.
Я опирался на обзор Алексея Надёжина (ака ammo1) Тестирование ламп накаливания.
Вот цифры из обзора:
Лампа 40Вт - 330 Лм.
Лампа 60Вт - 550 Лм.
Лампа 75ВТ - 750 Лм.
Лампа 95Вт - 1100 Лм.
Тестирование проводилось при использовании тестового оборудования Viso LightSpion, поэтому нет причин не доверять результатам измерений.
Принимаем, что 20 Вт ЛН выдаёт световой поток 160 лм.
Примечание: при снижении мощности ЛН зависимость не совсем линейная.
ЛН устанавливается около отверстия с рассеивателем. Питание - от стабилизированного БП 12 В.
С противоположно стороны устанавливается люксметр.
Желательно использовать версию HS1010A с фотоприёмником в отдельном корпусе. Поскольку в моём распоряжении обычная версия HS1010, то используется кнопка удержания показаний "HOLD".
ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ:
была сделана серия замеров и сравнений, в результате чего достоверно определено: люксметр HS1010 обеспечивает заявленную производителем точность при замере освещённости, создаваемой лампами накаливания.
С выбранными ЛН люксметр выдал:
1) Muller Licht - 1706 лк
2) Electrum - 1750 лк
Разброс показаний на удивление мал. Меньшее значение для ЛН Muller Licht можно объяснить наличием встроенного матового стекла.
Для дальнейших расчётов принимается значение ЛН Electrum 1750 лк.
Расчётный коэффициент К = 160 /1750 = 0,09143 . См. ниже уточнённое значение коэффициента!
8. Замеры светового потока некоторых устройств.
8.1 Разломанная СДЛ, которая на фото выше (замер выполнен без рассеивателя).
Фактическая мощность на СД 9,1 Вт при заявленной мощности 10 Вт.
8410 (лк) * 0,09143 = 769 (лм)
Т.е. 85 лм/Вт (это т.н. "LED люмены") - вполне достоверно.
8.2 Светодиодный фонарик неизвестной породы (надпись на корпусе можно не комментировать).
Фонарик имеет регулировку угла светового потока почти от нуля градусов до 40 градусов.
Перед замерами был установлен угол 40 градусов.
Потребляемая мощность (до драйвера) 3,7В * 1,65А = 6,1 Вт
По факту: 980 (лк) * 0,09143 = 90 (лм), что соответствует 3 Вт СД.
Что за схемотехника драйвера - неизвестно. Но греется фонарик ощутимо.
Фонарик в работе уже несколько лет, поэтому СД уставший.
А продавец (или производитель, что не суть важно) обещал 480 лм
По этой модели встречаются и такие фантастические цифры:
10000 Вт и 6000 лм
8.3 Самодельный велофонарик, собранный около двух лет назад на базе СД cree Т6 (возможно, подделка)
Получилось 360 лм
Добавлю от себя.
Лично я доволен результатами замеров и достигнутой точности.
В планах найти и получить ещё одну лампу, значение светового потока которой определено каким-либо способом, внушающем доверие.
Я не успел проверить другие фонарики, которые есть в доме. Как говорится, не всё сразу.
Примечания.
Автор многих обзоров Алексей Надёжин (г. Москва) любезно предложил всем желающим "эталонные" СДЛ, которые проверены в лабораторных условиях.
Контакты Алексея спрашивайте в ЛС.
Дополнение от 26.02.2020г.
В обсуждении был подсказан ещё один способ калибровки.
Суть метода.
Световые параметры Солнца достоверно известны:
Освещённость, создаваемая Солнцем, без учёта ослабления атмосферным слоем 125000 лк,
с учётом ослабления атмосферным слоем - 100000 лк.
Как превратить прямой солнечный свет в источник известного светового потока?
Элементарно!
Достаточно взять любую непрозрачную пластину и вырезать в нет отверстие известной площади.
Формула из источника в начале обзора:
Ф = E * S,
где
Ф - световой поток (лм),
E - освещённость (лк),
S - площадь (кв.м)
В моём эксперименте - "калибровочное отверстие" диаметром 43,7 мм ( S=0,0015 кв.м) сделанное в основании от банки от компакт-дисков:
С нижней стороны имеется кольцевой буртик, по размеру которого и было вырезано отверстие.
Сегодня выдался солнечный день, и мне хватило 10 минут в обеденный перерыв выполнить замеры:
Е1=109800 лк -> 164,7 лм "по входу" лайтбокса -> 1655 лк "по выходу" лайтбокса
Е2=111700 лк -> 167,55 лм -> 1705 лк
Е3=111600 лк -> 167,4 лм -> 1684 лк
Соответственно:
К1 = 0,09952
К2 = 0,09827
К3 = 0,09941
Принимается среднее арифметическое: K = 0,09907.
Выводы:
1. Ошибка определения коэффициента лайтбокса изначально составила 9% в меньшую сторону из-за выбранного эталона.
2. Теперь можно указать правильное значение светового потока галогенной ЛН 20 Вт: 173,4 лм.
К обсуждению этого метода (других инструментальных методов тоже) и обмену результатами замеров приглашаются все желающие!
|
|
Ответить с цитированием
