Pomiary fotometryczne…

Pomiary fotometryczne specjalnych lamp ostrzegawczych

Zadaniem specjalnych lamp ostrzegawczych jest informowanie uczestników ruchu drogowego w sposób jasny i czytelny, za pomocą ściśle określonych sygnałów świetlnych, o anormalnej sytuacji na drodze. Z jednej strony sygnały te muszą być dobrze widoczne przy różnych warunkach obserwacji, a z drugiej nie mogą powodować olśnienia kierowców. Pomimo, że wymagania fotometryczne dotyczące widoczności i olśnienia  są skrajnie przeciwstawne, to opracowano jednolite wymagania techniczne dotyczące specjalnych lamp ostrzegawczych. Zostały one opisane przez Europejską Komisję Gospodarczą w Regulaminie nr 65.

Niektóre wymagania fotometryczne i metodyka badań zawarte w Reg. 65 są mało precyzyjne i mogą prowadzić do różnych wyników pomiaru, w zależności od interpretacji zapisów Reg. 65 przez prowadzącego badanie. W referacie zostaną przeanalizowane przypadki, które mogą budzić najwięcej wątpliwości, tj. pomiar czasu świecenia i wygaszenia oraz rozsyłu światłości efektywnej. Dodatkowo przedstawiono także porównanie automatycznej i ręcznej metody szukania minimum i maksimum światłości efektywnej w danym kącie bryłowym.

Wstęp

Specjalne lampy ostrzegawcze świecące światłem barwy niebieskiej służą do oznakowania pojazdów uprzywilejowanych: m.in. straży pożarnej, policji, karetek pogotowia, natomiast lampy świecące światłem barwy żółtej samochodowej do oznakowania pojazdów wykonujących na drodze prace porządkowe, remontowe lub modernizacyjne. Dokumentem opisującym wymagania i badania dotyczące specjalnych lamp ostrzegawczych jest Regulamin nr 65 Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ (Reg. 65).

Pierwsze rozwiązania lamp ostrzegawczych wykorzystywały żarowe źródła światła, najczęściej w postaci żarówki typu H1. Następnie zastosowano źródła wyładowcze, czyli tzw. palnik ksenonowy. Obecnie dzięki szybkiemu rozwojowi optoelektroniki, który umożliwił wyprodukowanie diod o wystarczająco dużej światłości, najnowsze rozwiązania lamp ostrzegawczych wykorzystują źródła typu LED. Prace rozwojowe prowadzone w dziedzinie lamp ostrzegawczych mają na celu przede wszystkim poprawę widoczności światła i niezawodności urządzeń, przy jednoczesnym zmniejszeniu poboru energii elektrycznej. W efekcie tego lampy ze źródłami żarowymi są wypierane z rynku. Na zachodzie Europy stosuje się już praktycznie tylko źródła ksenonowe i LED.

Rozwój technologii, a także oczekiwań ze strony użytkowników dróg, znalazł odzwierciedlenie w kolejnych uzupełnieniach do Reg. 65. Najważniejszą zmianą, wprowadzoną w 2004 roku, jest możliwość stosowania specjalnych lamp ostrzegawczych kategorii X, które emitują światło kierunkowo. Jest to zupełna nowość, ponieważ do 2004 dopuszczano tylko przypadek, kiedy lampa świeci dookoła własnej osi.

Stanowisko do pomiarów fotometrycznych

Stanowisko do pomiaru parametrów fotometrycznych lamp błyskowych składa się z goniometru, na którym mocuje się badaną lampę i fotometru umieszczonego w odległości co najmniej 25 metrów. Średnica kątowa fotoogniwa powinna być taka, aby obserwowana z punktu widzenia mierzonej lampy wynosiła maksymalnie 10’. Mierzoną wielkością jest światłość efektywna określana wg wzoru uwzględniającego bezwładność oka ludzkiego:

gdzie

W przypadku lamp ostrzegawczych wyposażonych w źródła wyładowcze lub LED sygnał świetlny może być wysyłany w postaci tzw. "grupy błysków". Do obliczenia światłości efektywnej wykorzystywane są jedyni błyski, które spełniają odpowiednie warunki:

1. odległość pomiędzy nimi musi być mniejsza niż 0,04 sek.;

2. odległość jest ograniczona w zależności od stosunku maksymalnej jasności poszczególnych błysków wewnątrz grupy błysków zgodnie z zależnością:

dla       IH
/IL
>10

dla 1≤IH
/IL
≤10

Przykładowy przebieg światłości chwilowej dla lampy ze źródłem LED przedstawiono na rys. 1. Lampa emituje światło w postaci grupy czterech błysków, stosunek IH/IL wynosi 3. Dla lampy świecącej z częstotliwością 2Hz, maksymalny czas Δt(s), w ciągu którego zliczane są błyski wpływające na światłość efektywną wynosi 105 ms. W obrębie tego czasu mieszczą się tylko 3 z 4 błysków w grupie, ostatni jest pomijany w obliczeniach.

Wybrane wymagania Reg 65

Rozsył światłości

Lampy ostrzegawcze ze względu na kierunek rozsyłu światłości podzielono na dwie grupy:

- świecące dookoła własnej osi - kategoria T;

- kierunkowe - kategoria X.

Lampy świecące dookoła własnej osi mogą być wykonane w postaci belek lub lamp pojedynczych. W konstrukcji typu belka układ optyczny jest podzielony na dwie części umieszczone na końcach belki. Pomiędzy nimi znajduje się różnego rodzaju dodatkowe wyposażenie: głośniki, światła "szperacze", dodatkowe światło czerwone, podświetlane napisy "POLICJA", "STRAŻ" itp. Każda z części układu optycznego wysyła światło w kącie poziomym 180o po swojej stronie belki. Po zsumowaniu daje to wymaganą światłość w kącie poziomym 360o.

Przykładowe rozmieszczenie różnych typów lamp ostrzegawczych na pojeździe przedstawiono na rys. 2. Możliwości montażu są związane z kierunkiem rozsyłu światłości właściwym dla danego typu lampy. Lampy kategorii T muszą świecić dookoła własnej osi w kącie poziomym i w kącie pionowym ±4o dla lamp barwy niebieskiej (rys. 3) i ±8o dla lamp barwy żółtej samochodowej. Jedynym miejscem w jakim można zamontować lampę, tak aby była widoczna z każdego kierunku, jest dach pojazdu.

Lampy kategorii X, mają ograniczony kąt rozsyłu światłości, co przedstawiono na rys. 4. Wynosi on w pionie ±8o, a w poziomie ±30o lub ±90o dla lamp świecących szerokokątnie (wide angle effect). Wymagania są przedstawione w postaci siatki punktów pomiarowych, a pomiar jest podobny jak w przypadku lamp sygnałowych, z tym że zamiast światłości mierzona jest światłość efektywna. Z racji kierunkowego charakteru wysyłanej wiązki światła lampy kategorii X montowane są z przodu lub z tyłu pojazdu.

W Reg. 65 uwzględniono specyficzne właściwości nowych typów źródeł światła, szczególnie LED, które powodują zmianę strumienia świetlnego ze wzrostem temperatury źródła oraz zasilacza. Aby ocenić te zmiany pomiar światłości odbywa się po 1 minucie od włączenia lampy, a więc dla "zimnego" źródła oraz po 30 minutach od włączania dla ustabilizowanego termicznie "ciepłego" źródła oraz zasilacza. W obu przypadkach zmierzone wartości musza spełniać wymagania Reg. 65. Efekt zmiany światłości dla 10 przykładowych lamp badanych w laboratorium ITS przedstawiono na Rys. 5.

Charakterystyki czasowe

Światło specjalnej lampy ostrzegawczej oprócz odpowiedniej światłości musi także charakteryzować się odpowiednimi parametrami czasowymi błysków takimi jak: częstotliwość - f, czas świecenia - tH i czas wygaszenia - tD. Częstotliwość błysków musi zawierać się w przedziale od 2 do 4 Hz. Wymaganie powinno być spełnione dla zakresu temperatur zewnętrznych od -20oC do +50oC, oraz napięć zasilania w zakresie od 90% do 115% napięcia znamionowego. Aby pojedyncze błyski było dobrze widoczne i rozróżnialne muszą one spełniać wymagania dotyczące czasu świecenia i wygaszenia. Czas świecenia jest definiowany jako czas, w którym światłość chwilowa przekracza 1/10 światłości maksymalnej, natomiast czas wygaszenia jako czas, w którym światłość chwilowa jest mniejsza od 1/100 światłości maksymalnej i jednocześnie od 10 cd. W przypadku lamp emitujących grupę błysków czas wygaszenia jest liczony od ostatniego błysku grupy do pierwszego następnej grupy.

Potencjalne problemy w trakcie badań

Minimum i maksimum światłości

Reg. 65 określa minimalną światłość w zakresie kątów pionowych  ±4o dla lamp barwy niebieskiej lub ±8o dla lamp barwy żółtej  oraz w zakresie kątów poziomych wynoszącym 360o wokół osi pionowej lampy. W praktyce taki pomiar można zrealizować na dwa sposoby:

- zautomatyzowany pomiar z zadaną rozdzielczością kątową;

- pomiar z ręcznym sterowaniem goniometrem oparty na obserwacji przebiegu na oscyloskopie.

Pierwsza metoda jest obiektywna i nie budzi zastrzeżeń co do uzyskanego wyniku pomiaru. Wykonywany jest quasi-ciągły pomiar rozsyłu światłości, który przy doborze odpowiednio dużej rozdzielczości kątowej pomiaru pozwala na znalezienie minimum światłości efektywnej w rozpatrywanym kącie bryłowym. Ze zautomatyzowanym szukaniem minimum światłości efektywnej związane są trzy zasadnicze problemy:

- długi czas pomiaru, który np. przy rozdzielczości kątowej pionowej i poziomej równej 1o może wynosić do kilku godzin;

- znalezienie właściwej rozdzielczości kątowej, która z jednej strony będzie wystarczająco duża, aby wyszukać wszystkie minima lokalne, a następnie wśród nich minimum globalne, a z drugiej na tyle mała, aby umożliwić przeprowadzenie pomiaru w rozsądnym czasie;

- oscyloskop rejestrujący światłość chwilową musi prawidłowo wyzwolić się i zapisać 100% badanych przebiegów, w innym wypadku nawet jeden źle uchwycony (np. "ucięty") przebieg spowoduje wyznaczenie błędnej wartości minimum.

Druga metoda ma charakter zdecydowanie subiektywny, a dokładność i szybkość pomiaru zależy od wiedzy i doświadczenia osoby prowadzącej badanie. Jednak nawet w przypadku mało doświadczonego pracownika czas szukania minimum wynosi do kilkunastu minut. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest możliwość przeoczenia minimum globalnego. Podobny problem dotyczy także pomiaru światłości maksymalnej lamp zarówno dla kategorii T jak i kategorii X.

Czas świecenia i czas wygaszenia dla lamp ze źródłem żarowym

W Reg. 65 nie określono kierunku fotometrowania lampy, w którym należy zarejestrować przebieg, z którego wyznaczany jest czas świecenia i wygaszenia. W przypadku lamp ze źródłami ksenonowymi i LED jest to nieistotne, ponieważ czasowy przebieg światłości w różnych kierunkach ma taki sam kształt, różni się jedynie wartościami (jest przeskalowany). Specjalne lampy ostrzegawcze ze źródłem żarowym składają się zazwyczaj z nieruchomego źródła światła, obrotowego odbłyśnika oraz klosza. Wzajemne położenie żarnika emitującego światło i odbłyśnika z powodu niedokładności montażu i wykonania elementów lampy, ulega w trakcie obrotu zmianom, dodatkowo duży w porównaniu do wielkości zastosowanego układu optycznego rozmiar liniowy żarnika powodują, że kształt plamy świetlnej zmienia się w zależności od kąta obrotu odbłyśnika. W efekcie tego kształt chwilowego przebiegu światłości efektywnej zależy od kierunku obserwacji.. Ponieważ czas świecenia i wygaszenia zależy od kształtu przebiegu chwilowej światłości efektywnej, a zatem zależy także od kąta obserwacji lampy. Pomiar czasów świecenia i wygaszenia jest możliwy na kilka sposobów :

- szukanie najgorszego przypadku;

- pomiar w ściśle określonym kierunku, np. osi odniesienia lampy;

- pomiar w kącie odpowiadającym maksimum światłości.

Ostatnia metoda jest najprostsza do zdefiniowania i nie wymaga wielu ewentualnych zmian w Reg. 65. Problem na chwilę obecną jest istotny, jednak z uwagi na coraz rzadsze wykorzystanie źródeł żarowych w lampach ostrzegawczych będzie tracił na znaczeniu.

Podsumowanie

O)becnie szukanie minimalnych i maksymalnych wartości światłości efektywnej w określonym kącie bryłowym wymaga zmierzenia dużej liczby punktów pomiarowych lub przeprowadzenia subiektywnej "ręcznej" analizy obszarów. Rozwiązaniem problemu może być szczegółowe określenie rozdzielczości kątowej pomiarów przy automatycznym wyznaczaniu minimum i maksimum światłości. Określenie optymalnej wartości rozdzielczości kątowej będzie przedmiotem kolejnych badań. Wartość czasu świecenia i wygaszenia zależy od kierunku obserwacji. W Reg. 65 należy uściślić kąt pomiaru dla jakiego wyznaczane są czasy świecenia i wygaszenia. Proponowanym rozwiązaniem jest pomiar dla kąta obserwacji odpowiadającego maksimum światłości efektywnej.

Literatura:

 [1] "Uniform provisions concerning the approval of special warning lamps for motor vehicles", Regulamin 65 EKG ONZ, 2005