Meracie metódy (1. časť: Meranie svetla a osvetlenia – základné pojmy)

Spoločnou požiadavkou noriem z oblasti svetla a osvetlenia je meranie svetelnotechnických vlastností svetelných zdrojov, svietidiel, osvetlených predmetov a osvetľovacích zariadení. Prvá časť článku prináša bližší pohľad na niektoré pojmy, ktoré sa využívajú pri meraní svetla a osvetlenia. Ďalšia časť sa bude venovať pravidlám hodnotenia a vyjadrovania neistôt pri svetelnotechnických meraniach.

Veličiny vzťahujúce sa na žiarenie, vyhodnocované v závislosti od jeho účinku na štandardného fotometrického pozorovateľa (CIE), možno merať – tieto veličiny sa nazývajú fotometrické.

Snímačmi žiarenia sú všetky látkové telesá živej aj neživej prírody – ako príklad možno uviesť ľudské oko alebo fotoelektrické snímače. V prípade fotoelektrickej premeny sa rozlišuje vonkajší fotoelektrický jav (emisná fotónka), fotoelektrická vodivosť (odporová fotónka) alebo fotovoltický jav (hradlová fotónka). Možnosť použiť fotoelektrickú premenu predstavuje základ viacerých operácií pri uskutočňovaní meraní vo všetkých svetelnotechnických aplikáciách. Navyše, treba si uvedomiť, že na jedinom fotovoltickom jave sa zakladá viac metód stanovenia hodnoty meranej veličiny. Napríklad, svetelný tok svetelných zdrojov a svietidiel možno určiť pomocou guľového integrátora alebo špirálového goniofotometra.

Pri meraní treba uvažovať aj o meracom postupe, pod ktorým sa rozumie sled úkonov, ktoré sú potrebné na uskutočnenie merania podľa určitej meracej metódy. Napríklad: Norma predpisuje postup merania svetelného toku zdrojov pomocou guľového integrátora. Na zabezpečenie jednotnosti meraní musia byť teda predpísané nielen meracie metódy, ale aj meracie postupy. My sa sústredíme predovšetkým na metódy merania fotometrických veličín.

Meracie metódy sledujú rozličné hľadiská, ktoré sa môžu pri meraní konkrétnej fotometrickej veličiny aj dopĺňať alebo prekrývať. Medzinárodná sústava jednotiek SI rozoznáva definičné (absolútne) meracie metódy a odvodené (relatívne) meracie metódy. Z hľadiska indikácie meranej veličiny možno metódy merania rozdeliť na priame a nepriame. Ďalej možno hovoriť o porovnávacích metódach, jednolúčových a dvojlúčových metódach či automatických alebo komplexných meracích metódach.

Definičné meracie metódy
Definičné meracie metódy sú metódy pre základné fotometrické veličiny, ktoré sú založené na ich definícii. Keďže definičné metódy vedú bezprostredne alebo cez ďalšie väzby k meraniu základných veličín, možno ich nazvať základnými metódami. Príkladom absolútnej metódy je meranie národného etalónu svietivosti.

Odvodené meracie metódy
Odvodené meracie metódy vyžadujú okrem meraného objektu ešte ďalší objekt, pri ktorom sú známe číselné hodnoty veličiny toho istého druhu, ako je meraná veličina. Tieto meracie metódy sa nazývajú relatívne (pomerné), pretože s ich pomocou sa získava pomer meranej veličiny a známej veličiny toho istého druhu.

Keďže pri relatívnych metódach ide o porovnanie meranej veličiny so stanovenou mierou, patria k širšej skupine porovnávacích metód. Prakticky je však každé meranie do určitej miery porovnávacie, lebo merať znamená určiť hodnotu meranej veličiny ako násobok meracej jednotky. Relatívne metódy však zisťujú nielen vzťah meranej veličiny k príslušnej meracej jednotke, ale aj vzťah k nejakej inej veličine toho istého druhu, ktorej hodnota je známa. Príkladom relatívnej metódy je meranie rozloženia svietivosti svetelných zdrojov a svietidiel pomocou goniofotometrov.

Priame meracie metódy
Priame merania sú tie, pri ktorých je výsledkom merania priamo hodnota meranej veličiny –  napríklad ak ide o meranie osvetlenosti alebo jasu na špecifikovanej ploche. Za priame metódy možno pokladať aj metódy využívajúce automatizované meracie zariadenia. Tieto zariadenia uskutočňujú s nainštalovaným programom meranie hodnôt rôznych veličín, ktoré sú viazané známymi funkčnými vzťahmi priamo na meranú veličinu. Ako príklad možno uviesť automatické goniofotometre. Priame metódy charakterizuje najmä to, že nevyžadujú ďalšie výpočty s výnimkou tých, ktoré slúžia na určenie korekcie (opravu) merania.

Nepriame meracie metódy
Nepriamou metódou sa nazýva taká metóda, pri ktorej sa hodnota určitej veličiny určuje na základe výsledku priameho merania pomocných veličín, ktoré sú s vlastnou meranou veličinou (nepriamo) viazané známym vzťahom. Medzi nepriame metódy možno rátať meranie svietivosti zdroja Lummerovou-Brodhunovou hlavicou na fotometrickej lavici.

Porovnávacie metódy
Na podstate merania, ktoré možno podľa definície chápať ako číselné porovnanie meranej veličiny so stanovenou mierou (jednotkou), je založená porovnávacia (komparačná) metóda. Metrologická kontrola meradiel fotometrických veličín pomocou etalónov príslušných jednotiek predstavuje vždy porovnávanie. Porovnávacia metóda má niekoľko variantov, z ktorých sa používajú nahradzovacie (substitučné) metódy a vyrovnávacie (kompenzačné) metódy.

Pri substitučnej metóde sa postupne porovnáva vplyv dvoch veličín jedného druhu na údaj meracieho prístroja, prípadne sa jedna veličina reguluje tak, aby v oboch prípadoch bola výchylka meracieho zariadenia rovnaká. Pri vizuálnej fotometrii sa svietivosť zdroja môže merať na fotometrickej lavici substitučnou metódou s použitím porovnávacieho svetelného zdroja. Pri fyzikálnej fotometrii sa svietivosť zdroja meria prevažne substitučnou metódou. Substitučnú metódu možno použiť s uspokojivým výsledkom, ak je postupnosť známych hodnôt porovnávacej veličiny dostatočne hustá.

Vyrovnávacia (kompenzačná) metóda sa používa ako časť postupu meranej veličiny. Meranú veličinu vyrovnávame (kompenzujeme) inou veličinou toho istého druhu, ktorej hodnota môže byť známa, v niektorých prípadoch však ani nemusí. Pri vyrovnávacích metódach sa spravidla predpokladá súčasné pôsobenie meranej a vyrovnávacej veličiny. Ak je vyrovnanie dokonalé, výchylka indikačného orgánu meradla pri pripojení meranej a vyrovnávacej veličiny príde do nulovej polohy. Táto vyrovnávacia (kompenzačná) metóda sa označuje ako nulová metóda. Kompenzačné metódy môžu byť optické (kompenzácia pred snímačom) alebo elektrické (kompenzácia za snímačom). Optická kompenzácia prebieha s využitím niektorej metódy zoslabovania svetla. Elektrická kompenzácia sa uskutočňuje s kompenzátormi (napríklad mostíkové metódy).

Jednolúčové a dvojlúčové metódy
Špeciálne zameranie majú jednolúčové a dvojlúčové metódy. Pri jednolúčovej metóde dopadá na snímač svetlo len z jedného smeru. Pri tejto metóde sa postupne  porovnáva vplyv etalónu a meraného zdroja na údaj meradla. Na dosiahnutie presných výsledkov merania pri jednolúčovej metóde treba v priebehu merania dbať na dodržanie stability všetkých prvkov meradla.

Vplyv nestabilnosti svetelného toku vylučuje dvojlúčová metóda. Pri tejto metóde sa súčasne porovnáva etalón a meraný zdroj. Na porovnávanie zdrojov možno použiť jeden alebo dva snímače. Základným predpokladom na použitie dvoch snímačov je zhodnosť ich vlastností, aj keď v obvyklých prípadoch sa táto požiadavka dá len ťažko dosiahnuť. Preto sa uprednostňuje porovnávanie zdrojov pomocou jedného snímača. Pri vizuálnej fotometrii možno porovnať dva zdroje výlučne pomocou jedného snímača – oka. Pri fyzikálnej fotometrii sa jeden snímač používa len pri metóde premenného svetla. Rozdiel medzi nameranou a konvenčne pravou hodnotou meranej veličiny pri dvojlúčovej metóde je spôsobený asymetriou meradla (napríklad asymetriou fotometrickej doštičky vizuálneho fotometra). Tento vplyv možno korigovať vhodným porovnávacím zdrojom.

Automatické meracie metódy
Meracie metódy, pri ktorých sa meranie uskutočňuje samočinne, sa nazývajú automatické meracie metódy. Príkladom môže byť úplné nahradenie pozorovateľa pri meraní kriviek svietivosti.
Automatizáciou meracích procesov možno vo všeobecnosti znížiť počet meračov, nemožno sa však bez nich obísť, pretože aj goniofotometre treba nastavovať a kontrolovať, čo vyžaduje spravidla vyššiu kvalifikáciu a skúsenosti pozorovateľov. 

Komplexné meracie metódy
Pod komplexnými meracími metódami sa rozumejú metódy, ktorými možno zistiť niekoľko hodnôt tej istej veličiny na jednom alebo na viacerých miestach meraného objektu. Technika kalibrovaných digitálnych kamier s vysokým rozlíšením a presne špecifikovanej skupiny programov prelomila všetky bariéry nielen v oblasti merania svetelnotechnických vlastností svetelných zdrojov a svietidiel, ale aj pri meraní osvetlených predmetov a osvetľovacích zariadení. Túto skutočnosť odráža aj nová európska norma STN EN 13032-1 Svetlo a osvetlenie. Meranie a uvádzanie fotometrických údajov svetelných zdrojov a svietidiel. Časť 1: Meranie a formát súborov. V tejto súvislosti sa ďalej  pripravujú aj návrhy európskych noriem Požiadavky, kalibrácia a klasifikácia luxmetrov a jasomerov a Požiadavky na goniofotometre.

Prístroje a fotometrické veličiny
Prevažná väčšina prístrojov na meranie fotometrických veličín má charakter indikačných (ukazovacích) zariadení. Indikačné zariadenie môže pritom pracovať buď analógovo (údaj ukazuje ručička ukazovateľa na stupnici) alebo digitálne (údaj tvorí postupnosť číslic).

Merajú sa časovo stále fotometrické veličiny (metódy konštantného svetla) alebo časovo premenné fotometrické veličiny (metódy premenného svetla). Pri vizuálnej fotometrii je stabilita svetla predpokladom porovnávania dvoch zdrojov s rovnakou farbou svetla. Vo fyzikálnej fotometrii sa metóda konštantného svetla používa pri dostatočnej intenzite osvetlenia a pri zotrvačnosti snímačov. O metóde premenného svetla sa hovorí pri meraní prerušovaného svetla, pričom na prerušovanie svetla možno použiť napríklad rotačné clony s nastaviteľnými segmentmi. Metóda premenného svetla sa používa pri meraní malých fotoelektrických prúdov, na priame porovnávanie farebne rozličných zdrojov alebo na neselektívne zoslabovanie svetla.

prof. Ing. Pavol Horňák, DrSc.

Autor bol v rokoch 1966 až 2008 pracovníkom Katedry elektroenergetiky FEI STU Bratislava. V rámci živnostenského podnikania sa naďalej orientuje­ na oblasť osvetlenia, na projektovanie osvetlenia a na proces merania svetla a farieb.

Foto: archív LMT Lichtmesstechnik (Berlin), TechnoTeam­ Bildverarbeitung (Ilmenau)

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.