Măsurare a luminanței la punerea in funcțiune conform EN13201 (măsurări cu camera CCD), autor: S Matei, Prof Dr. Eng.-Laborator Fotometrie si Compatibilitate Electromagnetica SA 

Măsurare a luminanței la punerea in funcțiune conform EN13201 (măsurări cu camera CCD),

S Matei, Prof Dr. Eng.-Laborator Fotometrie si Compatibilitate Electromagnetica SA 

Introducere

Calitatea iluminatului rutier este un aspect important al siguranței traficului pe drumurilor publice. Pe traseele rutiere, un iluminat bun poate reduce accidentele nocturne cu 30% . Pentru a face acest lucru, suprafața drumului trebuie să fie luminată pentru șoferi, astfel încât calea din față și orice obiecte de pe suprafața drumului să fie vizibile. Această luminozitate, sau mai precis, luminanța suprafeței drumului, depinde de cantitatea de lumină proiectata de corpurile de iluminat pe drum și de proprietățile de reflexie ale suprafeței drumului însuși. Plasarea eficientă a corpurilor de iluminat de iluminat rutier necesită o cunoaștere detaliată a proprietăților de reflexie ale suprafeței drumului. Este necesar de asemeni ca înaintea evaluării practice sa se dezvolte un model ca referință in aprecierea rezultatelor. Pentru evaluarea complexă a scenelor iluminate este necesară cunoașterea distribuției luminanței în întregul câmp vizual sau cel puțin într-un număr mare de segmente ale acesteia. Prin urmare, pentru a îndeplini sarcinile de măsurare folosind o tehnică de măsurare punct-cu-punct, este nevoie de o cantitate enormă de timp sau poate fi realizată numai într-o rețea grosieră sau este imposibilă. Astfel, dezvoltarea fotometrelor de tipul camerelor CCD (Fig. 1), a făcut posibilă rezolvarea mai multor probleme de măsurare, cum ar fi măsurători pentru evaluarea orbirii conform metodei UGR, analiza condițiilor de vizibilitate în drum traficul pe timp de noapte, evaluarea emisiilor surselor de strălucire, înregistrarea contrastelor în diferite situații de iluminare (la locul de muncă) sau chiar pe surse (de exemplu lămpi / corpuri de iluminat, afișaje, elemente de indicare) și multe altele.

Fig.1  Luminanțmetru „clasic” (stânga) si tip camera CCD (dreapta)

 

Măsurarea luminanței cu camera tip CCD (Charged Coupled Device)

Măsurătorile de luminanță și culoare obținute prin analiza de imagine este cea mai recentă tehnică în utilizata in iluminatul rutier sau stradal. Dispozitivele CCD ale camerelor digitale, sunt calibrate și adaptate corespunzător măsurării luminii.

In proiectele de iluminat stradal, înaintea recepționarii proiectului este necesar dezvoltarea unui model teoretic care prin simulare cu programe software specifice, va genera valori de luminanță considerate de referință. Metodele teoretice însă, sunt de obicei dezvoltate pentru condiții ideale in determinarea iluminării sau luminanței . De asemenea, nivelul de vizibilitate este calculat prin utilizarea luminanței țintă și de fond, în condiții ideale (in Fig. 2 un model de simulare in Dialux). În realitate ar trebui luate în considerare toate condițiile, respectiv limitările impuse in proiectare. Există însă mulți factori care fac foarte dificilă estimarea și includerea în ecuația proiectului de iluminat și aspectele legate măsurarea luminanței. De asemenea, ochiul uman este un dispozitiv complex și este dificil să se proiecteze cu exactitate un sistem exterior de iluminat, bazat doar pe ipoteze teoretice. Camerele CCD de măsurare a luminanței înregistrează imaginile reale și calculează cu datele extrase din aceste imagini (valori gri pe pixel), luminanța in punctele respective ale drumului.

Fig. 2  Model teoretic

 

Aceste imagini de luminanță conțin informații despre lumină și geometrie, permițând astfel măsurarea simplu și eficient. In cazul drumurilor cu lungimi mari (Fig.3), se achiziționează serii de imagini care apoi sunt cumulate. In standardele pentru iluminatul stradal, instrumentația utilizată precum si erorile tolerate nu sunt însă explicit indicate. In Standardul EN 13201-3,  se menționează spre exemplu că:  „Luminanța suprafeței drumului trebuie să fie măsurată cu un luminanțmetru calibrat a cărui performanțe este adecvat scopului măsurătorilor”. Detalii legate de instrumentație însă, se fac sub forma următoarelor recomandări:

NOTA 1 – Iluminarea medie este calculată prin calculul mediei iluminării in puncte aflate la distanta egală in plan, iar Luminanța medie măsurați la o singură citire da de fapt ponderarea fiecărui punct. Aceasta nu trebuie să aibă rezultate foarte diferite. Recomandări privind performanța luminanțmetrelor este dată in publicațiile CIE 69:1987 si 53:1982. Pentru măsurarea luminanței intr-un punct din grilă, luminanțmetrul trebuie să poată limita unghiul total al conului de măsurare la 2 min arc in plan vertical si 20 min arc in plan orizontal. Pentru măsurarea luminanței medii cu ajutorul unei singure citiri, instrumentul de măsură trebuie să aibă un dispozitiv de mascare prin care este inclus in măsurare numai lumina provenind de la zona dată a suprafeței drumului. Unghiul de incidenta al aparatului de măsură trebuie să fie de (89±0,5)° fata de normala pe suprafața drumului. Dacă nu se acceptă o grilă alternativă ca fiind satisfăcătoare, grila punctelor de măsurare trebuie să fie conformă cu aleasă pentru calcule. Pozițiile luminanțmetrului trebuie să fie la fel ca cele date pentru observator in EN 13201-3.

NOTA2 – Câmpul de calcul specificat in EN 13201-3 începe la 60 m de la observator. Aceasta însemnând să se prevină suprapunerea zonelor de măsurare așa cum sunt observate ele prin luminanțmetrul lăsat la această distanță, iar unghiul subîntins de conul de măsurare să fie mic, așa cum s-a indicat mai sus. Ca altă soluție mai puțin riguroasă se poate utiliza un luminanțmetru cu un con de măsurare mai mare, la o distanța mai redusă si o înălțime mai mică. Se recomandă ca conul de măsurare al luminanțmetrului sa nu depășească 30 min de arc, iar mărimea zonei de măsurare de pe drum să nu fie mai mare de 0.5m transversa9li 2.5m longitudinal.

NOTA 3 – Datorită variațiilor proprietăților de reflexie a suprafeței de drum ,atât in spațiul cat si in timp, pot exista mari diferențe intre luminantele măsurate si cele calculate Prin urmare este de preferat să se compare iluminarea calculată cu iluminarea măsurată Acest lucru are si avantajul ca elimină necesitatea măsurării luminanței dificil de realizat la fata locului.

 

Fig. 3  Imagine de ansamblu după instalare

 

Erori de măsurare

Recomandările din standardele menționate, in ceea ce privește instrumentele utilizate, nu se referă numai la calitatea acestora, dar și la caracteristicile senzorului cu care sunt echipate. Astfel trebuie asigurat că acestea au, de exemplu, câmpul de detecție corect iar curba de răspuns este cat mai aproape de curba CIE V (λ). De asemenea, sunt recomandate si cerințele pentru calibrare a instrumentului, în special în cazul în care se efectuează măsurători în scopuri contractuale. Este recomandat de asemenea ca instrumentele utilizate pentru măsurarea parametrilor fotometrici trebuie să fie de tip F („Field” adică pentru utilizare în exterior), așa cum este menționat în CIE 69: 1987 și CIE 53: 1982.

Fotometrele sunt, în general, calibrate cu o sursă de lumină etalon cu filament de tungsten (adică calibrată de un laborator acreditat prin referire la standardele naționale). In trecut rezultatele măsurătorilor  se prelucrau, în general prin aplicarea unui factor de corecție a culorii (CCF), pentru a corecta performanțele spectrale ale sursei luminoase măsurate. Acest factor putea varia de la 1% până la câteva zeci de procente, în funcție de sursa de lumină și de apropierea spectrală a fotometrului de funcția V (λ). Această abordare însă a fost înlocuită cu o cerință pentru fotometre a căror performanță specifică de detecție a culorilor, este caracterizată prin așa-numitul index de neconcordanță f’1 si este definit în CIE 69: 1987.

Asta presupune faptul că atunci când se măsoară performanțele instalațiilor de iluminat cu LED trebuie luate în considerare toate aceste aspecte (in Tabelul 1 sunt specificate surse de erori pentru luminanțmetre). De altfel aceasta considerație este aplicabila tuturor surselor de lumină, nu numai LED-urilor. Pentru toate măsurătorile, indiferent dacă este vorba de o instalație LED sau de orice altă sursă de lumină, nepotrivirea spectrală a fotometrului va fi o sursă potențială de eroare de măsurare si care poate fi minimizată prin utilizarea unui instrument cu un indice mic de referință f’1.

Tabel 1. Erorile tolerate pentru luminanțmetre

 

Surse de erori

Eroarea maxima acceptabila in domeniu efectiv (% din citire)
Tip L de laborator Tip F de exterior
Incertitudinea calibrării (1) in domeniul 0.1cd/m2 pana la 1000cd/m2 2.5 3
Incertitudinea calibrării in domeniul 1000cd/m2 pana la 10000cd/m2 3 3.5
Linearitate in domeniul 1cd/m2 pana la 1000cd/m2 0.15 0.5
Linearitate in domeniul 1000cd/m2 pana la 10000cd/m2 0.25 1
Corecție spectrala (2) 3 4
Răspunsul in IR 0.05 0.1
Răspunsul in UV 0.05 0.1
Răspuns direcțional 2 4
Efectul de la câmpul înconjurător 0.3 1
Oboseala 0.2 0.4
Erori de focalizare 0.3 0.6
Schimbare de Temperatura 0.1 (3) 0.2 (3)
Schimbare domeniu 0.3 0.6
1-Standardul utilizat si erorile trebuie menționate
2-Eroarea maxima admisibila pentru orice sursa in publicația CIE53 Tab 1
3-Procent pe Kelvin

Din analiza tabelului rezulta ca incertitudinea maxima admisa pentru luminanțmetre de tip L trebuie sa fie ≥4.41% si ≥6.5% pentru cele de tip F.

 

Exemplu măsurare luminanță

Măsurarea luminanței cu camera CCD are mai multe avantaje in comparație cu utilizarea luminanțmetrului așa zis  convențional. In continuare este prezentat un exemplu de măsurare cu un luminanțmetru camera CCD a performantelor iluminatului stradal.

Camera luminanțmetru a fost poziționată la înălțimea de 1.5m in centrul benzi de circulație fără o referință de marcaj. Strada este asfaltata si se poate aprecia subiectiv un factor de retroreflexie pentru evaluare. Distanta de 60m  in conformitate cu Nota 2 din standard, a fost marcata cu o persoana ca in Fig 3. Imaginile realizate  au fost preluate de programul software LMK LabSoft in vederea pregătiri scenariilor de măsurare a luminanței. Determinarea uniformității medii globale și a uniformității luminanței longitudinale se face conform specificațiilor din standardul european EN 13201-4. Caracteristicile zonei de analizat sunt următoarele:

  • Înălțime de montare a aparatelor de iluminat :9m
  • Lățime strada:5m
  • Distanta dintre stâlpi: 35m

Fig. 3 Imagine perspectiva  a strazii

 

Imaginile pseudo color 3D, respectiv imaginile in perspectiva (Fig. 3), sunt transformate grafic in plan 2D, ilustrat in desenul din Fig 4. Suprafața de transformat este delimitată printr-un poligon marcat cu roșu ca in Fig 5. Valorile de luminanță ale imaginii complete din aceasta figura sunt afișate alături. La finalizarea procesului de transformare 3D in 2D, programul efectuează calculul de uniformitatea medie globală și uniformitatea longitudinală a luminanței suprafeței poligonului marcat .

Fig. 4 Transformare 3D (stânga imaginea de perspectiva) in 2D (dreapta transformare in plan)

 

Zona evaluată (poligonul marcat in Fig. 5) este aleasa in vederea reducerii efectului surselor de lumină externe nedorite sau a unor zone deosebite de pe suprafața drumului (mărci de culoare etc.). Programul LMK de evaluare a imaginii face posibilă si transformarea metrologică a informațiilor in coordonate x-y, a regiunii rectificate. Transformarea zonei selectate din 3D in perspectiva in 2D este echivalenta cu deplasarea observatorului deasupra zonei. Rezultatele transformării si valorile de luminanță obținute sunt menționate in Fig 6.

Fig.5  Poligonul suprafeței de analizat

 

Parametrii camerei luminanțmetru la momentul captării imaginii sunt detaliați in tabelul de mai jos:

Parametrii Valori
Seria Camera 1332721880
Lentila 11010295
Data Capturii 2/8/2018 12:40:52 PM
Tipul Capturii Canon
Timp Expunere 30.29 s
Apertura 3.564
Sensibilitate 100
Nr fișier 3541
Recalibrare 0.117
Filtru gri 1 (Fără filtru)
Factori de Culoare Standard
Amplitudine Relativa 123.5%
Suprareglaj 0.1%

 

 

Fig. 6  Imaginea transforma din 3D in 2D (stânga) si valorile de luminanță (dreapta)

Concluzii

Standardele specifice definesc indicii de calitate care caracterizează performanța luxmetrelor și a luminanțmetrelor atunci când sunt utilizate pentru măsurători generale de iluminat. De asemenea, sunt definite si procedurile de măsurare pentru fiecare dintre indicatori și condițiile de calibrare standard.

Măsurarea luminanței cu camera CCD pentru iluminatul stradal are mai multe avantaje in comparație cu utilizarea luminanțmetrului așa zis  convențional. Nivelul de incertitudine la măsurătorile de luminanță,  sunt influențate de diverși parametri, cum ar fi condițiile de funcționare/operare, proprietățile surselor de lumină, precum și de caracteristicile senzorilor cu care sunt echipate luminanțmetrele. Caracteristicile acestora nu permit determinarea incertitudinii de măsurare pentru o anumită acțiune de măsurare. In general un instrument cu caracteristici „mai bune”, în majoritatea cazurilor, are o incertitudine mai mică decât un instrument cu proprietăți „mai slabe”.

 

 

 

 

Share