Повышение точности измерения и представления малых уровней освещенности

При определении ресурса портативных светодиодных светильников и фонарей, питаемых от гальванических батарей, и выбора оптимального режима их эксплуатации на основе исследования их люкс-временных характеристик, имеется необходимость осуществления измерения освещенности при снижении ее уровня вплоть до 1 лк [1, 2]. Такой ее уровень и даже меньший вполне может быть использован в экстремальных условиях: при разного рода техногенных авариях, многосуточном отключении электроснабжения жилых массивов, больниц, детских садов и т. п., поскольку она позволяет не только хорошо ориентироваться в пределах небольших помещений, но и прочесть на небольшом расстоянии необходимые инструкции, документы и даже вести рабочие дневники, например геологам в условиях таежных экспедиций.

С измерением малых уровней освещенности приходится также иметь дело при исследовании характеристик светофоров на РЖД, дорожного покрытия автомагистралей, маломощных светодиодов и светильников.

Исследование характера линейности начального участка шкалы (1–10 лк) приборов ТКА-ПКМ/42 и ТКА-ПКМ/08 с использованием аттестованных нейтральных светофильтров ООО «ЛОМО ФОТОНИКА» с коэффициентами направленного пропускания 10 и 2,5% показало, что наибольшее занижение результатов измерения имеет место при освещенности в 1 лк, которое вместе с тем не превышает 10–15%. Это свидетельствует о достаточной линейности амплитудной характеристики фотоприемной части данных люксметров и открывает определенную возможность проведения в ряде опытов динамических измерений малых уровней освещенности. Однако следует иметь в виду, что при этом допускается дополнительная погрешность, заключающаяся в систематическом занижении/завышении результатов измерения, обусловленная выводом на дисплей данных с опережением/отставанием во времени. Кроме того, может иметь место высокая погрешность представления в публикациях таких результатов измерений, поскольку они выводятся на экран и регистрируются с одной значащей цифрой.

При исследовании длительных изменений малых уровней освещенности эти типы допускаемых погрешностей могут быть существенно нивелированы путем внесения соответствующими приемами поправок в результаты измерения.

В таблице для наглядности указаны предельные значения допускаемых погрешностей измерения и представления освещенности в случае использования начального участка шкалы люксметров.

Как следует из таблицы, погрешность измерения освещенности существенно растет по мере уменьшения ее уровня. Она, при уровнях освещенности менее 3 лк, регистрируется с отрицательным знаком и достигает 34–50 %. Например, показанию прибора, равному 2 лк, могут соответствовать самые разные значения от 2,9 до 2,0 лк. Причем результаты соответствуют своему истинному значению лишь в тот момент времени измерения, когда, например, цифра 2 или 1 на дисплее сменяется соответственно на 1 или 0. Погрешность представления освещенности также существенно возрастает по мере снижения ее уровня.

С целью возможности применения выпускаемых типов люксметров для измерения достаточно малых уровней освещенности имеется определенная необходимость в разработке методики и способов повышения точности результатов измерения и их представления на графиках и в таблицах.

Наглядная иллюстрация величины допускаемых погрешностей и методики их коррекции проведена на основе изучения зависимости освещенности от времени эксплуатации одного комплекта гальванических батарей светильника. В качестве объекта исследования взят светильник JAZZWAY T1-L24, предназначенный для дачников, туристов, геологов и др. Он содержит 24 светодиода, расположенных по окружности диаметром 12 см. Измерение освещенности проводилось люксметром ТКА-ПКМ/42 по оптической оси на расстоянии 50 см от светильника по ранее предложенной методике [1].

В заводском варианте исполнения данного светильника для питания используются четыре последовательно соединенных гальванических элемента типа R6 АA. В силу подачи на светодиоды исходного напряжения значительно выше номинального уже за первый час работы светильника обеспечиваемая им освещенность уменьшается в 10 раз, а через четверо суток (100 ч) становится меньше значения, ранее принятого за предельно допустимое (1 лк) [2]. При этом выявлено, что с момента первоначального включения нового светильника вначале происходит мигание одного-двух из 24 светодиодов, имеющих наибольшую крутизну вольт-амперной характеристики. Подключение следующих комплектов гальванических батарей приводит уже к перегоранию этих светодиодов.

После состоявшейся беседы с представителем фирмы JAZZWAY на выставке Interlight–2011 и нашей публикации [2] изготовители уже к маю 2012 г. ускоренно «модернизировали» данный светильник, дополнительно включив в электрическую цепь ограничительный низкоомный резистор (5 Ом).

С целью повышения длительности эксплуатации светильника в экстремальных условиях питание его, с учетом результатов ранних исследований [3], осуществили от двух гальванических элементов типа R 20 марки DAEWOO c электроемкостью, равной 5 А·ч.

Поскольку снижение освещенности в первые несколько суток происходит с большей скоростью, то вначале интервал измерения днем составлял 1–3 ч, а ночью — 5–8. Вместе с тем для повышения точности построения графиков по мере приближения к моменту смены показания оцениваемый по появлению неустойчивой индикации интервал измерения в ряде случаев уменьшался до 1–2 ч.

Для наглядности на рисунке представлены люкс-временные характеристики, снятые при двух режимах эксплуатации гальванических батарей.

Рисунок. Люкс-временная характеристика светильника и ее аппроксимация

При построении графиков непосредственно по всем экспериментальным значениям получаем на рисунке ступенчато понижающиеся кривые. Появление на графиках ступенек обусловлено скачкообразным уменьшением индикации прибора сразу на 1 лк. В первом опыте отсутствовал ограничительный резистор, а во втором в электрическую цепь был последовательно включен резистор с сопротивлением 22 Ом.

На этом же рисунке приведены графики, построенные методом наименьших квадратов с использованием значений освещенности, наиболее близких к истинным, то есть в моменты смены индикации на 1 лк. Такой прием позволяет представить графики с большей точностью, объективно отобразив характер снижения освещенности во времени. Кроме того, при тех или иных выбранных уровнях освещенности они позволяют определить с большей точностью время наработки светильника.

Данные графики представляют и самостоятельный интерес для выбора уровня освещенности в экстремальных условиях эксплуатации светильника. Из них следует, что при использовании ограничительного резистора в 22 Ом ресурс батарей возрастает с 350 до 460 ч.

В случае выбора предельного значения освещенности на некотором расстоянии от светильника, равного 0,3–0,5 лк, а не 1 лк, как говорилось выше, ресурс прибора при непрерывной его работе составит уже около 1000–1400 ч, или более полутора-двух месяцев. Измерения таких значений освещенности проводились косвенно, при смещении фотоприемной головки люксметра в направлении светильника до достижения значения освещенности в 1 лк, когда показания прибора более близки к истинным.

Данный уровень освещенности позволяет успешно видеть в экстремальных и полевых условиях окружающие предметы и ориентироваться в радиусе 3–5 м, а также прочесть содержание необходимого текста, но уже на расстоянии лишь 25 см.

Для дальнейшего повышения достоверности результатов необходимо усреднять данные не менее трех опытов. Поскольку в каждом опыте моменты регистрации освещенности обычно отличаются друг от друга, то для систематизации результатов следует выбрать ряд конкретных значений ординат по оси абсцисс для всех опытов и при помощи компьютерных средств методом наименьших квадратов определить соответствующие им значения ординат, регистрируя при этом их уже двузначными числами в соответствии с более высокой точностью их оценки. Далее результаты всех опытов суммируются, статистически обрабатываются и на основе полученных показателей строится усредненный график зависимости освещенности от времени непрерывной наработки одного комплекта гальванической батареи светильника с указанием доверительных интервалов или их отклонений [4]. Погрешность оценки освещенности по графикам и представление их в таблицах благодаря предложенной методике и кратности проведения опытов может быть снижена в три-четыре раза и не превышать ±3–6%.

При одноразовых измерениях малых уровней освещенности точность оценки данных также может быть повышена путем увеличения или уменьшения расстояния между источником и фотоприемной головкой люксметра до смены индикации дисплея на 1 лк. Поскольку интервал перемещения фотоприемной головки значительно меньше расстояния до светильника, это позволяет по месту ее положения относительно реперных точек с большей точностью оценить уровень освещенности.

При единичных или одноразовых измерениях освещенности точность ее измерения, но несколько в меньшей степени, может быть также повышена другим простым способом. Для этого следует повернуть светильник в любой плоскости на небольшой угол (15–20°) в обе стороны относительно исходного положения. Если при этом показание прибора (например, 2 лк) близко к 2,4–2,9 лк, то индикация на дисплее не изменится, а если оно близко к 2,2–2,1 лк, то сразу уменьшится на 1 лк. В первом случае результат измерения вполне правомерно записать равным 2,5 лк, а во втором случае — равным только 2 лк.

Таким образом, в результате проведенных исследований были разработаны методика и простые способы, позволяющие повысить точность оценки и представления малых уровней освещенности при ее измерении с помощью типовых отечественных люксметров.

Литература

1. Тукшаитов Р. Х. Алхамсс Я. Ш., Иванова В. Р., Шириев Р. Р. Обеспечение энергоресурсосбережения при питании светодиодных светильников от гальванических батарей // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 3.
2. Киямутдинова А. Р., Айхайти Исыхакэфу, Тукшаитов Р. Х. Исследования эксплуатационных характеристик светильника JAZZWAY, питаемого от гальванических элементов / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Тез. докл. 18-й МНТК студентов и аспирантов. М.: МЭИ. 2012.
3. Тукшаитов Р. Х., Нигматуллин Р. М., Недзвецкая Р. Я. Повышение продолжительности работы приборов на основе определения разрядных характеристик гальванических элементов типа R6 АA и R3 АAA // Труды Академэнерго. 2009. № 5–6.
4. Тукшаитов Р. Х. Основы оптимального представления статистических показателей на графиках, диаграммах и в таблицах. Казань: КГЭУ. 2006.