Измеритель светового потока из люксметра HS1010 и подручных материалов.

Мало красивых фото, много букв и занудства. Кому интересно, читаем дальше…

ВНИМАНИЕ! Это НЕ обзор, это сообщество метрологов-экспериментаторов!


"В той или иной степени врут все производители LED-светотехники.." ©
Особенно когда это касается такого известного параметра, как световой поток.

В обзоре множество ссылок на другие обзоры и ресурсы.
Рекомендую 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 приборчик 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." ©
Тут я полностью согласен, даже нечего добавить.

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, есть обзор,
в котором показано, почему не надо так поступать.

Не надо пытаться превратить любимую игрушку в измерительную лабораторию!


Следующий шаг — проверить идеи, изложенные в 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.»
Выражаясь простым языком, косинусный излучатель светит однинаково во все стороны.

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.




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 10Вт 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 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 (ссылка)
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ОПТИКА (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
Всё супер, кроме цены.

2. Интегрирующая сфера (измерительный комплекс)

Цена [удалено цензурой].



Изготовить стенд на базе ИС в домашних условиях, имхо, не так уж и просто.

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."


По ряду причин было решено отложить эксперименты с ИС в долгий ящик на потом.

4. Самодельные конструкции на фонарёвке показывают вполне достоверные значения.
Но замер светового потока фонариков также не решён.
Встречаются хорошие идеи и решения:
«Сфера для измерения фонарей должна иметь порт датчика и источника, расположенные друг к другу как минимум под углом 45 градусов, или в идеале — параллельные, чтобы не создавать область повышенной засветки в районе порта датчика.» ©

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 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


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
(из такого же пластика выполнен рассеиватель 20*20 см):

В результате получился рассеиватель с лучшей парой характеристик светорассеяние+светопропускание.

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

На этом было решено остановиться.

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 с углом светового потока 38 градусов (типичное значение для такого типоразмера ЛН).



Я опирался на обзор Алексея Надёжина 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 противоположной 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 10% 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 .

ВАЖНО!
Пересчётный коэффициент строго индивидуален для каждого лайтбокса и зависит от совокупности параметров (размеры коробки, коэффициент отражения белых поверхностей внутри, коэффициенты пропускания и рассеивания каждого рассеивателя внутри и т.д.).
Для любого другого лайтбокса этот коэффициент следует определить самостоятельно.

8. Замеры светового потока некоторых устройств.
8.1 Разломанная СДЛ, которая на фото выше (замер 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).


Потребляемая мощность (до драйвера) 3,7В * 1,65А = 6,1 Вт
По факту: 980 (лк) * 0,09143 = 90 (лм)

А продавец (или производитель, что не суть важно) обещал 480 лм:


Встречаются и такие фантастические цифры

10000 Вт и 6000 лм «Гусары, молчать!» ©

8.3 Самодельный фонарик, собранный около двух лет назад на базе СД cree Т6 (возможно, подделка)

Получилось 360 лм.

На этом всё.
Обзор предназначен всем, кто увлекается фонариками, фарами и всякого рода измерениями.

PS
Предвижу вопрос:
«А что делать с результатами замеров или как можно их сравнить с результатами, полученными другим человеком?»
А всё просто. Нужен эталон (ЛН или СДЛ, световой поток которой достоверно известен).
В идеале, если у всех будет одинаковый эталон и люксметр.
Претендент №1 на звание эталона — ЛН 20 Вт, как в обзоре выше. Они есть во многих магазинах.
И блок питания 12В 2А найти не проблема.
Претендент №2 — ЛН или СДЛ, которая была протестирована на лабораторном стенде.
Это предел желаний.
Претендент №3 — видеопроектор, у которого в характеристиках указан световой поток (достоверность параметра опять таки на совести производителя).

Дополнение 14.02.2020г.
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 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.