Lekcja 2. Pomiary natężenia oświetlenia

Wstęp

W tej lekcji omówiono podstawowe zasady wykonywania pomiarów natężenia oświetlenia. Pomiary te są ważne podczas oceny warunków pracy, użytkowania pomieszczeń oraz sprawdzania, czy zastosowane oświetlenie spełnia wymagania dla danego miejsca lub stanowiska.

Natężenie oświetlenia określa, ile światła pada na daną powierzchnię. W praktyce pomiar wykonuje się najczęściej na płaszczyźnie roboczej, na przykład na blacie stołu, biurka, stanowiska montażowego albo na powierzchni podłogi w ciągach komunikacyjnych.

Do pomiaru natężenia oświetlenia stosuje się luksomierz. Przyrząd ten mierzy natężenie oświetlenia w luksach [lx]. Sam odczyt wartości z luksomierza nie wystarcza jednak do pełnej oceny. Trzeba jeszcze wiedzieć, gdzie wykonano pomiar, na jakiej wysokości znajdowała się płaszczyzna pomiarowa, ile punktów pomiarowych przyjęto oraz z jakim wymaganiem porównano wynik.

W tej lekcji szczególną uwagę zwrócono na dobór przyrządu, przygotowanie stanowiska, rozmieszczenie punktów pomiarowych, zapis wyników w tabeli oraz interpretację pomiaru.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia, czym jest natężenie oświetlenia,
• podaje jednostkę natężenia oświetlenia,
• opisuje zastosowanie luksomierza,
• rozróżnia oświetlenie ogólne, miejscowe i złożone,
• wskazuje znaczenie płaszczyzny roboczej,
• wyjaśnia, czym jest siatka pomiarowa,
• wykonuje prosty zapis wyników pomiaru natężenia oświetlenia,
• oblicza średnie natężenie oświetlenia,
• ocenia równomierność oświetlenia,
• formułuje prosty wniosek na podstawie wyników pomiarów.

1. Czym jest natężenie oświetlenia?

Natężenie oświetlenia określa ilość strumienia świetlnego padającego na jednostkę powierzchni. W praktyce mówi ono, jak silnie oświetlona jest dana powierzchnia.

Natężenie oświetlenia oznacza się najczęściej symbolem:

Jednostką natężenia oświetlenia jest luks:

W uproszczeniu można powiedzieć, że im większa wartość natężenia oświetlenia, tym więcej światła pada na badaną powierzchnię.

Przykładowo innego poziomu oświetlenia wymaga korytarz, innego magazyn, a jeszcze innego stanowisko pracy precyzyjnej. Dlatego wynik pomiaru należy zawsze odnosić do rodzaju pomieszczenia, wykonywanej pracy oraz przyjętego wymagania.

W uproszczeniu, gdy strumień świetlny jest równomiernie rozłożony na powierzchni, natężenie oświetlenia można zapisać zależnością:

gdzie:

E - natężenie oświetlenia [lx],

Φ - strumień świetlny padający na powierzchnię [lm],

A - powierzchnia [m²].

W praktycznych pomiarach wykonywanych luksomierzem nie oblicza się zwykle natężenia oświetlenia ze strumienia świetlnego i powierzchni. Przyrząd pokazuje bezpośrednio wartość natężenia oświetlenia w luksach.

2. Po co wykonuje się pomiary natężenia oświetlenia?

Pomiary natężenia oświetlenia wykonuje się po to, aby ocenić, czy dane pomieszczenie lub stanowisko pracy jest oświetlone w sposób wystarczający i bezpieczny dla użytkownika.

Prawidłowe oświetlenie wpływa na:

• komfort pracy,
• szybkość wykonywania czynności,
• bezpieczeństwo użytkowników,
• zmęczenie wzroku,
• możliwość rozpoznawania szczegółów,
• ograniczenie ryzyka pomyłek i wypadków.

Pomiary natężenia oświetlenia mogą być wykonywane między innymi:

• po wykonaniu nowej instalacji oświetleniowej,
• po modernizacji opraw oświetleniowych,
• po wymianie źródeł światła,
• podczas okresowej kontroli stanowisk pracy,
• po zgłoszeniu zbyt słabego lub nierównomiernego oświetlenia,
• w ramach ćwiczeń laboratoryjnych i szkoleniowych.

Wyniki pomiarów pozwalają odpowiedzieć na pytania:

• czy na stanowisku pracy jest wystarczająco jasno,
• czy oświetlenie jest równomierne,
• czy nie występują miejsca wyraźnie niedoświetlone,
• czy konieczna jest wymiana źródeł światła lub opraw,
• czy rozmieszczenie opraw jest właściwe,
• czy wynik spełnia przyjęte wymaganie.

W praktyce wynik pomiaru należy porównać z wymaganiami dla danego rodzaju pracy lub pomieszczenia. W przypadku stanowisk pracy znaczenie ma nie tylko średnie natężenie oświetlenia, ale także rozkład światła w obszarze zadania i jego najbliższym otoczeniu. Zbyt duże różnice natężenia oświetlenia mogą powodować dyskomfort wzrokowy i utrudniać wykonywanie pracy.

3. Luksomierz jako przyrząd pomiarowy

Luksomierz jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru natężenia oświetlenia. Wynik pomiaru podawany jest w luksach [lx].

Rysunek 1. Przykład luksomierza stosowanego do pomiaru natężenia oświetlenia.

Typowy luksomierz składa się z:

• czujnika światła,
• układu pomiarowego,
• wyświetlacza,
• przycisków funkcyjnych,
• przewodu łączącego czujnik z miernikiem albo zintegrowanej sondy,
• osłony czujnika.

Pomiar natężenia oświetlenia może być wykonywany oddzielnym luksomierzem albo miernikiem wielofunkcyjnym wyposażonym w odpowiednią sondę światłoczułą. W takim przypadku miernik pełni funkcję jednostki pomiarowej, a sonda służy do odbioru światła padającego na badaną powierzchnię.

Rysunek 2. Przykład miernika wielofunkcyjnego współpracującego z sondą do pomiaru natężenia oświetlenia.

Czujnik luksomierza powinien być ustawiony w miejscu i w płaszczyźnie, w której oceniane jest oświetlenie. W przypadku stanowiska pracy może to być powierzchnia blatu, stołu albo innej płaszczyzny roboczej.

Przed użyciem luksomierza należy sprawdzić:

• stan techniczny przyrządu,
• stan czujnika i osłony,
• zakres pomiarowy,
• jednostkę wskazania,
• stan baterii,
• aktualność sprawdzenia lub wzorcowania, jeżeli jest wymagane,
• instrukcję obsługi przyrządu.

Przykładowe luksomierze mogą pracować w różnych zakresach pomiarowych i umożliwiać pomiar w luksach, a czasem także w innych jednostkach stosowanych w technice oświetleniowej. W praktyce przed pomiarem należy sprawdzić instrukcję obsługi konkretnego przyrządu.

Podczas pomiaru należy unikać zasłaniania czujnika ciałem lub ręką. Osoba wykonująca pomiar nie powinna również odbijać światła w kierunku czujnika, ponieważ może to zaburzyć wynik.

4. Rodzaje oświetlenia

W pomieszczeniach i na stanowiskach pracy można spotkać różne sposoby oświetlenia. Ich rozróżnienie jest ważne, ponieważ wpływa na sposób oceny warunków oświetleniowych.

Najczęściej wyróżnia się:

• oświetlenie ogólne,
• oświetlenie miejscowe,
• oświetlenie złożone.

Oświetlenie ogólne oświetla całe pomieszczenie lub większą jego część. Przykładem są oprawy zamontowane na suficie, które równomiernie oświetlają salę, pracownię, korytarz albo magazyn.

Oświetlenie miejscowe jest skierowane na określone miejsce pracy. Przykładem może być lampka stanowiskowa, oprawa nad stołem montażowym albo dodatkowe oświetlenie miejsca kontroli wzrokowej.

Oświetlenie złożone łączy oświetlenie ogólne i miejscowe. W takim przypadku podstawowe oświetlenie zapewniają oprawy ogólne, a dodatkowe źródła światła doświetlają wybrane stanowiska.

Podczas pomiaru należy ustalić, jaki rodzaj oświetlenia jest oceniany. Jeżeli badane jest stanowisko pracy, wynik powinien odnosić się do powierzchni, na której wykonywane jest zadanie wzrokowe. Jeżeli badane jest pomieszczenie jako całość, pomiary wykonuje się zwykle w większej liczbie punktów rozmieszczonych na badanej powierzchni.

5. Płaszczyzna robocza i punkt pomiarowy

Płaszczyzna robocza to powierzchnia, na której wykonywana jest praca wzrokowa. Może to być na przykład blat biurka, stół montażowy, pulpit sterowniczy, ławka szkoleniowa albo powierzchnia podłogi w ciągu komunikacyjnym.

Pomiar natężenia oświetlenia powinien być wykonywany w punktach reprezentujących badaną powierzchnię. Taki punkt nazywa się punktem pomiarowym.

Punkt pomiarowy powinien być dobrany tak, aby wynik był przydatny do oceny oświetlenia. Nie powinien być przypadkowy. Przykładowo, jeżeli oceniane jest stanowisko montażowe, czujnik luksomierza należy ustawić w miejscu, w którym rzeczywiście wykonywana jest praca.

Podczas doboru punktów pomiarowych należy zwrócić uwagę na:

• rodzaj pomieszczenia,
• miejsce wykonywania pracy,
• wysokość płaszczyzny roboczej,
• rozmieszczenie opraw oświetleniowych,
• obecność światła dziennego,
• miejsca potencjalnie niedoświetlone,
• przeszkody zasłaniające światło,
• wymagania instrukcji lub dokumentacji.

W przypadku pomieszczenia bez stałych stanowisk pracy można przyjąć pomiar na płaszczyźnie poziomej, na przykład na wysokości określonej w instrukcji ćwiczenia. W ciągach komunikacyjnych i korytarzach pomiar może być wykonywany na powierzchni podłogi lub na przyjętej płaszczyźnie odniesienia.

6. Siatka pomiarowa

Siatka pomiarowa to układ punktów pomiarowych rozmieszczonych na badanej powierzchni. Pozwala ona uporządkować pomiary i ocenić nie tylko pojedynczą wartość natężenia oświetlenia, ale także jego rozkład.

Siatkę pomiarową można nanieść na plan pomieszczenia, stanowiska albo fragmentu badanej powierzchni. Punkty pomiarowe tworzą układ, w którym wykonuje się kolejne odczyty luksomierzem.

Siatkę pomiarową można traktować jako graficzne przedstawienie punktów pomiarowych naniesionych na plan badanej powierzchni. Ułatwia ona zapis wyników, obliczenie wartości średniej oraz ocenę rozkładu natężenia oświetlenia.

Przykładowa siatka pomiarowa może obejmować:

• 4 punkty pomiarowe dla małej powierzchni,
• 6 punktów pomiarowych dla prostego stanowiska,
• 9 punktów pomiarowych dla pomieszczenia lub większej płaszczyzny,
• większą liczbę punktów dla rozbudowanych pomieszczeń.

W ćwiczeniach dydaktycznych można przyjąć prostą siatkę 3 × 3, czyli dziewięć punktów pomiarowych.

Przykład oznaczenia punktów:

W każdym punkcie należy ustawić czujnik luksomierza w tej samej płaszczyźnie i w taki sposób, aby nie zasłaniać padającego światła.

7. Przygotowanie do pomiaru natężenia oświetlenia

Przed rozpoczęciem pomiaru należy przygotować stanowisko i ustalić warunki wykonania pomiaru. Dzięki temu wyniki będą bardziej wiarygodne i łatwiejsze do interpretacji.

Przygotowanie do pomiaru obejmuje:

1. Ustalenie celu pomiaru.
2. Określenie badanego pomieszczenia lub stanowiska.
3. Ustalenie płaszczyzny pomiarowej.
4. Wyznaczenie punktów pomiarowych.
5. Przygotowanie luksomierza.
6. Sprawdzenie zakresu pomiarowego.
7. Ustalenie, czy pomiar obejmuje światło sztuczne, dzienne czy łączne.
8. Zapisanie warunków pomiaru.
9. Wykonanie pomiarów w kolejnych punktach.
10. Opracowanie wyników i wniosku.

Podczas pomiaru należy unikać przypadkowego zacieniania czujnika. Nie należy pochylać się nad luksomierzem ani zasłaniać światła własnym ciałem. Czujnik powinien być ustawiony poziomo, jeżeli oceniana jest pozioma płaszczyzna robocza.

Ważne jest również ustalenie, czy pomiar ma dotyczyć samego oświetlenia sztucznego, czy warunków rzeczywistych z udziałem światła dziennego. W pomiarach porównawczych należy zachować podobne warunki w każdym punkcie pomiarowym.

Jeżeli pomiar ma służyć ocenie oświetlenia sztucznego, należy ograniczyć wpływ światła dziennego albo jednoznacznie zapisać, że pomiar wykonano przy udziale światła dziennego.

8. Wykonanie pomiaru luksomierzem

Pomiar luksomierzem polega na ustawieniu czujnika w wybranym punkcie pomiarowym i odczytaniu wartości natężenia oświetlenia.

Typowa kolejność czynności może być następująca:

1. Włączyć luksomierz.
2. Zdjąć osłonę czujnika.
3. Wybrać właściwy zakres pomiarowy, jeżeli przyrząd nie robi tego automatycznie.
4. Ustawić czujnik w pierwszym punkcie pomiarowym.
5. Poczekać na ustabilizowanie wskazania.
6. Odczytać wynik w luksach [lx].
7. Zapisać wynik w tabeli.
8. Powtórzyć pomiar w kolejnych punktach.
9. Po zakończeniu pomiaru założyć osłonę czujnika.
10. Wyłączyć przyrząd.

Wyniki należy zapisywać na bieżąco. Nie powinno się ich odtwarzać z pamięci po zakończeniu pomiaru, ponieważ łatwo wtedy pomylić punkty pomiarowe.

9. Opracowanie wyników pomiaru

Po wykonaniu pomiarów w punktach siatki pomiarowej należy opracować wyniki. Najczęściej oblicza się średnie natężenie oświetlenia oraz ocenia równomierność oświetlenia.

Średnie natężenie oświetlenia można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

E_śr - średnie natężenie oświetlenia [lx],

E₁, E₂, ..., E_n - wyniki pomiarów w kolejnych punktach [lx],

n - liczba punktów pomiarowych.

W tym uproszczonym przykładzie równomierność oświetlenia przyjęto jako stosunek najmniejszej wartości do wartości średniej:

gdzie:

U₀ - równomierność oświetlenia [-],

E_min - najmniejsze zmierzone natężenie oświetlenia [lx],

E_śr - średnie natężenie oświetlenia [lx].

Jeżeli wartości w punktach pomiarowych są bardzo różne, może to oznaczać nierównomierne oświetlenie, niewłaściwe rozmieszczenie opraw, przepalone lub zabrudzone źródła światła albo zasłonięcie części powierzchni.

10. Przykład pomiaru natężenia oświetlenia

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący pomiaru natężenia oświetlenia na stanowisku pracy. Przyjęto prostą siatkę pomiarową 3 × 3.

Dane do przykładu

Przyjęto:

• badany obiekt: stanowisko pracy S1,
• przyrząd: luksomierz,
• jednostka: lx,
• liczba punktów pomiarowych: 9,
• przyjęte wymaganie dydaktyczne: E_wym = 500 lx,
• przyjęte wymaganie równomierności: U_0wym = 0,60.

Tabela wyników pomiarów

Obliczenie średniego natężenia oświetlenia

Najmniejsza zmierzona wartość wynosi:

Zgodnie z przyjętym sposobem oceny równomierność oświetlenia wynosi:

Ocena wyniku

Średnie natężenie oświetlenia wynosi:

Przyjęte wymaganie dydaktyczne wynosi:

Warunek:

jest spełniony, ponieważ:

Warunek równomierności również jest spełniony, ponieważ:

Przykładowy wniosek 

Na podstawie wykonanych pomiarów stwierdzono, że średnie natężenie oświetlenia na stanowisku S1 wynosi E_śr ≈ 514 lx i spełnia przyjęte wymaganie dydaktyczne E_wym = 500 lx. Równomierność oświetlenia wynosi U₀ ≈ 0,93 i również spełnia przyjęte wymaganie U_0wym = 0,60. W zakresie wykonanego pomiaru oświetlenie stanowiska można ocenić pozytywnie.

W rzeczywistych pomiarach wymagane wartości natężenia i równomierności oświetlenia należy dobrać do rodzaju pomieszczenia, stanowiska pracy i wykonywanego zadania.

11. Przykład protokołu pomiaru natężenia oświetlenia

Po wykonaniu pomiarów wyniki należy zapisać w protokole. Protokół powinien umożliwiać odtworzenie warunków pomiaru oraz sposobu oceny wyniku.

W rzeczywistym protokole należy podać dokładne dane przyrządu, warunki wykonania pomiaru, rozmieszczenie punktów pomiarowych oraz wymagania właściwe dla badanego pomieszczenia lub stanowiska.

12. Najczęstsze błędy podczas pomiaru oświetlenia

Podczas pomiaru natężenia oświetlenia można popełnić błędy, które wpływają na wynik. Do najczęstszych należą:

• ustawienie czujnika w niewłaściwej płaszczyźnie,
• zasłanianie czujnika przez osobę wykonującą pomiar,
• wykonanie pomiaru w zbyt małej liczbie punktów,
• brak informacji o miejscu pomiaru,
• brak jednostki przy wyniku,
• nieuwzględnienie wpływu światła dziennego,
• pomiar przy niestabilnych warunkach oświetleniowych,
• użycie luksomierza bez sprawdzenia zakresu,
• brak porównania wyniku z wymaganiem,
• wpisanie samego wyniku bez interpretacji.

Wynik pomiaru należy zawsze analizować razem z warunkami wykonania pomiaru. Jeżeli wynik jest nietypowy, należy sprawdzić ustawienie czujnika, warunki otoczenia, działanie opraw oświetleniowych oraz powtórzyć pomiar w wybranych punktach.

Podsumowanie lekcji

W tej lekcji omówiono podstawowe zasady pomiaru natężenia oświetlenia. Wyjaśniono, że natężenie oświetlenia określa ilość światła padającego na daną powierzchnię i jest wyrażane w luksach [lx].

Przedstawiono luksomierz jako podstawowy przyrząd do pomiaru natężenia oświetlenia. Zwrócono również uwagę, że pomiar może być wykonany oddzielnym luksomierzem albo miernikiem wielofunkcyjnym współpracującym z odpowiednią sondą światłoczułą.

Podkreślono, że czujnik luksomierza należy ustawić w odpowiedniej płaszczyźnie i w wybranym punkcie pomiarowym, bez zasłaniania światła przez osobę wykonującą pomiar.

Omówiono znaczenie płaszczyzny roboczej, punktów pomiarowych oraz siatki pomiarowej. Pokazano, że pomiar w wielu punktach pozwala ocenić nie tylko pojedynczą wartość natężenia oświetlenia, ale także rozkład światła na badanej powierzchni.

W części obliczeniowej przedstawiono sposób wyznaczania średniego natężenia oświetlenia oraz równomierności oświetlenia. Wyniki pomiarów należy porównać z przyjętymi wymaganiami dla danego stanowiska lub pomieszczenia.

Lekcja pokazuje, że poprawny pomiar oświetlenia wymaga nie tylko odczytu wskazania luksomierza, ale również właściwego przygotowania stanowiska, rozmieszczenia punktów pomiarowych, zapisu warunków pomiaru oraz sformułowania wniosku technicznego.