Освещенность и яркость | Единицы измерения освещенности

Сегодня будет большой рассказ об освещенности и яркости. Теория и практические цифры. Сперва мы расскажем о датчиках освещенности, на которых построены приборы. Это небольшое вступление. Потом мы разберем подробно единицы измерения освещенности, ключевым инструментом для практической реализации которых является люксметр. 

Световые сенсоры являются основой не только для люксметров, но всевозможных электронных автоматических устройств, от детских игрушек до охранных систем. Автоматическое включение уличного освещения, когда вечер опускается плавной темнотой на город, равно как такую несложную в принципе или недорогую систему можно установить и в своем доме, что немаловажно с точки зрения как удобства, так и безопасности. Также датчики освещенности входят в состав целой группы измерительных приборов, причем прямо или опосредованно.

Правда жизни в том, что для разных задач, жизненных обстоятельств, производственных процессов, нам нужно строго дозированное количество света. Не больше и не меньше, а достаточно.
Слишком много тепла от солнца может обжечь нашу кожу, а если "жариться" без контроля, тем более если кожа чувствительная, то это может даже вызвать рак кожи.
Однако и слишком мало солнца в нашей жизни также может привести к проблемам со здоровьем. Поэтому наличие ИМЕННО ДОСТАТОЧНОГО количества света имеет первостепенное значение.
Вот тут и выходят на арену датчики света. Без цифрового значения уровня освещенности мы фактически слепы. В переносном смысле.

По определению, датчик освещенности — это фотоэлектрический прибор, который измеряет количество света (или интенсивность освещения) в заданной области пространства. Важно соблюдать нормативы, т.е. методику измерения, чтобы получить корректное значение.

Световой сенсор преобразует свет, т.е. поток фотонов в электрический сигнал.

Принцип действия датчиков света основан на фотоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что электромагнитное излучение (а свет это его разновидность – поддиапазон на шкале частот, как и рентгеновское излучение, инфракрасное, ультрафиолетовое) может возбуждать электроны в веществе при "бомбардировке" фотонами.
На контактах датчика возникает разность потенциалов, то есть при подключении в схему, проходит электрический ток, сила которого измеряется, величина усиливается и передается на цифровой преобразователь.

Чем больше освещенность, тем выше сила тока.

Но ведь ток не может увеличиваться бесконечно ? Точнее надо переформулировать вопрос так. "Есть ли максимальный предел освещенности, с которым мы сталкиваемся в нашей жизни ?"
Об этом можно судить по верхней границе люксметров, которые представлены в продаже на рынке Украины.

• простые и недорогие – до 100 К Люкс;
• средний диапазон – до 200 К Люкс;
• наивысший предел – до 400 К Люкс.

Но максимум он на то и максимум, то что он редко когда достижим, хотя покупатели часто берут не впритык, а с запасом. Хотя тех же 400 000 Люкс достичь почти невозможно.
Невозможно, в обычных, мирных условиях. "А причем здесь мирные условия ? Что значит “обычные” ? Как-то Вы витиевато выражаетесь !" ОК. Пусть так. Но не дай Бог кому бы то ни было в мире испытать "ядерные" рекорды яркости. Ведь при взрыве, только что приведенные, казалось бы производящие впечатление, цифры покажутся "цветочками"...

Единицы измерения освещенности

Канделы, Люмены, Люксы - как они связаны ?

Однако мы чуток забежали вперед, поскольку указали единицы измерения освещенности, но не сказали, что они означают. А единиц этих несколько. И этот раздел будет познавательно-образовательным, подробным, местами с повторениями, но лишь только для того, чтобы один раз и на всю жизнь (звучит как-то пафосно !) запомнить про единицы измерения освещенности, чтобы мозг рассортировал, записал бы все прочитанное по неведомым тайникам своих нейронных цепочек.

С канделой вам скорее всего не придется иметь дело.
С люменами вы сразу же столкнетесь, как только будет покупать себе например светодиодную лампу или накаливания, где сила светового потока в Люменах указывается в технических характеристиках и приводится зачастую сверху на упаковке.

Люксы, как мы уже отметили в предыдущем разделе, это ключевой и по сути единственный параметр для всевозможных измерителей освещенности.

Люкс и люмен связаны простой формулой: 1 лк равен 1 лм/м²

Углубимся в перечисленные три единицы измерения освещенности.

• Считается, что Кандела это яркость луча в одном направлении.
• Тогда как люмен это свет, распространяемый во всех напрвлениях.
• А вот Люкс (Lux) – это количество люменов на единицу площади, т.е. световой поток в 1 люмен, падающий на площадь в 1 кв.м.

Как видим, с канделой мы никак, ни в быту, ни в промышленности дела иметь не будем.
Хто работает с лучом? Ну разве что дети с огненным мечом !
Шутка в стихах.
А вот люмены и люксы совсем другое дело. Они объемные. Они заливают светом например комнату или заводской цех.
Так зачем тогда нужна кандела ? Она прародительница... Ладно, поясним на аналогии.
Эталон килограмма был произведен еще в конце XIX века. И на тот момент его точности хватало, чтобы сделать копии, разослать в другие места хранения и достоверность массы эталона с метрологической точки зрения устраивала всех. Уровень развития науки и технологий был таким (читай - невысоким).
Но поскольку за десятилетия, даже столетия, в каких бы идеальных условиях не хранился эталон массы, все равно он меняет свое эталонное значение (усыхает наверное !), поэтому в 2019 году физический эталон перестал играть свою роль. А единицу массы определили как:

Килограмм - эта величина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равной в точности 6,62607015*10⁻³⁴.

А кандела тут причем ?
А притом, что когда вы выбираете весы или уже что-то взвешиваете, вас не интересует, сколько там единиц этой таинственной “планка” в конкретном весе. Вы просто берете и измеряете. Получаете граммы, килограммы. И все довольны. Без раздражающих научных разлагольствований.
Точно также же даже самым опытным специалистам-практикам по измерению освещенности вряд ли когда-то в жизни понадобится определение канделы:

Кандела (кратко – кд) обозначается принятием фиксированного числового значения силы света монохроматического излучения частоты 540×10¹² световой отдачей K_cd , которая составляет 683 лм*Вт^-1

Вот так и со светом. Мудреные расчеты оставим их разработчикам. А вы просто берете и измеряете освещенность и получаете результат в люксах. Потому что  приведенное определение канделы поймут единицы. А если и поймут, то осознать масштаб цифр крайне сложно. И не нужно.
А зачем вообще так сложно - планки какие-то, монохроматические частоты ? Потому что они неизменны. Как атомные часы. Хотя, говорят и что и постоянная Планка не такая уж постоянная на самом деле и атомные часы имеют погрешность 1 секунду за 3,5 млрд. лет. Но для скромных масштабов человеческой жизни эта сущая чепуха. Не будем лезть в степенные страсти со многими нулями и вводящую в тоску и зевоту физическую терминологию, а постараемся все объяснить "на пальцах".

Как же все-таки “осознать” эту канделу ?! И потом подобраться к производным единицам освещенности - люменам и люксам.

Поскольку все дружное световое трио величин – и кандела, и люмен и люкс, повязаны связаны друг с другом !
Все-таки пусть эталон килограмма, изготовленный из платины и иридия, уже устарел, но его хотя бы теоретически можно физически потрогать. Но ведь канделу не пощупаешь. Тогда как хотя бы приблизиться к пониманию канделы ? Чтобы по-простому, по-житейскому. По шагово. И дело даже не в самой канделе, а чтобы потом перейти к формулам и зависимостям, связанным с канделой, производным от нее - Люменам и Люксам.
Ну давайте приступать потихоньку. Представьте, что кандела это идеальный луч света.
Хотя уже само это понятие ”луч света”, если в него вдуматься, уже содержит противоречие ! Любой источник, если конечно его не поместить в трубу, это не луч, а бесконечная совокупность лучей. Где Вы найдете "чистый" луч ? На на это мы сейчас закроем глаза, поскольку вопрос уходит больше в область филологии и словарного запаса. Но это важно для дальнейшего понимания.
И еще, кроме термина “луч”, обратим внимание на прилагательное “идеальный”.

1. Идеальный луч НЕ ДОЛЖЕН РАССЕИВАТЬСЯ с расстоянием.
2. Идеальный луч распространяется только по одной линии, а не во все стороны.

Хороший пример в этой части – лазерный дальномер. В пределах, его зоны действия (а это в среднем от 30 до 100 метров, во всяком случае для строительства, а для работы в “полевых” условиях, на местности, расстояния могут быть на порядок больше : 1000 и 1500 метров !), тоненький красненький лучик как раз, с определенной погрешностью конечно, и удовлетворяет этим условиям.
Не рассеивается и “бьет” строго по одной линии. А вот луч света от фонарика вночи, расходится в виде конуса.

Потому что так спроектирован отражатель (рефлектор). Чтобы подсвечивать интересующую зону площадью в несколько сантиметров, дециметров или даже метров на большом отдалении. То есть эта световая фигура уже не плоская, а пространственная. Острая вершина конуса исходит из фонарика, а круглое, расширяющееся основание – падает на объект, который мы и подсвечиваем.
Это все представить не сложно. И не просто представить, а даже увидеть хотя бы раз в жизни для тех, кто ходил с фонариком. Или хотя бы ездил на авто ночью с включенными фарами. Там не остроконечные "точечные" лучи, а световые конусы. И они, направлены на ограниченную область пространства. 

Кстати, фонарик это отличный пример связи люменов и люкс. Сила света фонарика измеряется в люменах (она неизменна ! И зависит от материалов светодиода или лампы накадливания, напряжения батарейки и др. конструктивных особенностей осветителя), а вот сила света на плоской широкой, круглой части конуса (области пространства куда падает свет, уже измеряется в люксах, и зависит от площади (см. формулу выше : 1 лк равен 1 лм/м² , т.е. Люкс=Люмен/Площадь).
Следовательно, чем дальше, чем меньше освещенность в люксах. Потому что числитель (Люмены) постоянный, а знаменатель  (площадь) увеличивается, тем самым уменьшая итоговое значение в Люксах. Вот почему мы выше акцентировали внимание на строгом следовании методике измерений в части расстояния. Потому что с увеличением расстояния от источника до точки измерения, свет рассеивается, соответственно растет площадь и значение в Люксах становится меньше.

Ну это понятно, но простите, получается, что для свечи (канделы), которая светит только в одном направлении и ее идеальный луч не рассивается, и показатель ее в люменах неизменный, то и показатель в люксах будет неизменный и не зависеть от расстояния, потому что луч не рассеивается и площадь постоянная, в отличие от примера с фонариком ?

Именно так ! В реальной жизни такого не бывает, но ведь кандела это памятник признанный стандарт.
Продолжаем двигаться далее к связи единиц измерения.
Представим себе, что эта условная свеча (кандела) находится в середине сферы (шар).

И предположим, что эта свеча светит не в виде луча, а распространяет свет во всех направлениях. Собственно ведь так и происходит ?
Что-то типа того, как распространялась материя и даже создавалось пространство в момент Большого взрыва, разлетаясь во все стороны 14 млрд. лет назад, в результате чего и возникла наша Вселенная. Хотя так оно было или нет, никто не знает. Свидетелей этого грандиозного события нет.
Или опять же другое космический пример – наше Солнце, как впрочем и другие звезды, внутри которых уже миллиарды лет бушуют термоядерные реакторы. Солнце светит равномерно во все стороны. 
Мы уже понимаем на примере расширяющегося луча фонаря, что такое пространественный угол. Это конус.
А теперь попробуем представить себе “угол”, образующийся, если свет распространяется из середины шара во все СТОРОНЫ, а не в одну, как в фонарике.
Это уже не угол, в нашем обыденном понимании ! Поэтому мы и взяли его в кавычки. И представить его себе как “угол” уже не просто. Так же не просто представить, как может существовать мир четырех, пяти измерений. Мы ведь живем в трехмерном мире (длина, ширина, высота)…. А вот таракан, убегающий от тапка по полу, ловко лавируя, влево-вправо, живет в двухмерном. Шутка.

Но не так важно представлять сам этот угол визуально ! Важнее просто знать, что этот так нызываемый телесный угол, то есть фактически сфера, заполненная светом, имеет размер 4 π ср (ср-стерадиан)

Так вот, если 1 кандела как мы, сказали, это единичный луч, то если умножить этот луч на телесный угол × 4π ср = 4π кд * ср и это произведение будет равно ≈12.57 лм.

Вот мы и нашли связь между канделами и люменами. Заодно и узнали, с какой яркостью светит эта гипотеческая и вдруг ставшая вполне реальной кандела.  С такой яркостью, скажем прямо, весьма и весьма скудной и бледной, и светит среднестатистическая свеча. 
Ну а про следующий шажок от люменов до люксов мы уже говорили. Напомним еще разок – нужно величину в люменах поделить на площадь, куда это световой поток падает.
Чтобы яснее понять взаимосвязи межлу единицами измерения освещенности, приведем еще один пример.
Представим себе светильник, который создает световой поток в 1 Кд. Следовательно, во все стороны распространяются лучи интенсивностью 12,5 Люменов (как мы посчитали выше).
Если мы закроем светильник наполовину, он слабее светить ведь от того не станет ! Поскольку исходящий из него свет определяется его технологическими особенностями. Поэтому он по-прежнему будет излучать 1 Кд. Но вот световой поток в люменах уменьшится в два раза и составит 6,25 лм. Потому что свет будет заполнять не всю сферу, а только ее половину.
Вообще и 6,25 и 12,5 Лм это очень мало света. Газету при них точно не прочитаешь. Если посмотреть на характеристики светодиодных лампочек и потолочных светильников, то там в порядке вещей 1000 лм и поболее.
Поскольку наше повествование все-таки больше нацелено на практическое измерение освещенности, то конечно наибольший интерес представляют именно люксы.
Ну вот представим например производственный цех и множество рабочих столов. Каждый стол пусть будет иметь определенную площадь. По столу размещены инструменты, расходные материалы. Так вот для того, чтобы сберечь глаза, с одной стороны и можно было качественно выполнять работу, четко видеть даже мелкую детальку на столешнице, а с другой нужно знать КАКОЙ УРОВЕНЬ ОСВЕЩЕННОСТИ В ЛЮКСАХ падает на поверхность стола.

Кроме здоровья глаз и качества работы, есть и третий, немаловажный, а в последние годы играющий очень важную роль – это стоимость электроэнергии.
Будем говорить откровенно, каждый работник может быть и хотел бы, чтобы свет заливал все в округе, вне его рабочего места, а не фокусировался только в рабочей зоне.
Но тут уже вступают в дело себестоимость продуктов/услуг и интересы хозяев производства, поскольку им придется все эту световую радость персонала оплачивать из собственного кармана.

Так что тут надо жонглировать и лавировать, обеспечивая яркостно-финансовый баланс интересов всех сторон.

А вот для того, чтобы достичь этой цели (достаточного, но не чрезмерного освещения ) стола, уже придется:

• во-первых, подбирать источники света на нужное количество люменов;
• во-вторых, располагать их на нужном расстоянии.

Вот здесь и пригодятся цифровые измерители света ! Измеряя на поверхности столов, в разных точках, освещенность, можно соблюсти все минимальные нормативы по охране труда.
Под минимальными понимается, чтобы не было жалоб со стороны персонала. Люди имеют право на безопасные условия труда. А дополнительное освещение (в смысле чрезмерное, не необходимое для проведения работ без брака), мы уже говорили – это перерасход электроэнергии.