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Art.-Nr. - ELV

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Beleuchtungsmessgerät
ULM 500
Bedienungsanleitung
ELV Elektronik AG • Postfach 1000 • D-26787 Leer
Telefon 04 91/600 888 • Telefax 04 91/6008-244
Bitte lesen Sie diese Bedienungsanleitung vor der Inbetriebnahme komplett und bewahren
Sie die Bedienungsanleitung für späteres Nachlesen auf. Wenn Sie das Gerät anderen
Personen zur Nutzung überlassen, übergeben Sie auch diese Bedienungsanleitung.
ELV - www.elv.com - Art.-Nr. 84452
Inhalt
1. Beschreibung und Funktion................................................................. 3
2.
Sicherheits- und Wartungshinweise.................................................... 4
3.
Bedien- und Anzeigeelemente, Anschlüsse........................................ 5
4. Bedienung............................................................................................ 6
4.1. Batterie einlegen, Ein- und Ausschalten, Batteriemanagement.......... 6
4.2. Sensoren und allgemeine Bedienung.................................................. 7
4.3. Datenspeicherung................................................................................ 9
4.4. PC-Anschluss.................................................................................... 12
4.5. Die PC-Software................................................................................ 13
5.
Technische Daten.............................................................................. 17
6.
Entsorgungshinweise......................................................................... 17
7.
Anhang: Grundlagen zum Messen lichttechnischer Größen............. 18
1. Ausgabe Deutsch
1/2011
Dokumentation © 2011 eQ-3 Ltd. Hongkong
Alle Rechte vorbehalten. Ohne schriftliche Zustimmung des Herausgebers darf dieses Handbuch auch nicht auszugsweise
in irgendeiner Form reproduziert werden oder unter Verwendung elektronischer, mechanischer oder chemischer Verfahren
vervielfältigt oder verarbeitet werden.
Es ist möglich, dass das vorliegende Handbuch noch druck­tech­nische Mängel oder Druckfehler aufweist. Die Angaben
in diesem Handbuch werden jedoch regelmäßig überprüft und Korrekturen in der nächsten Ausgabe vorgenommen. Für
Fehler technischer oder drucktechnischer Art und ihre Folgen übernehmen wir keine Haftung.
Alle Warenzeichen und Schutzrechte werden anerkannt.
Printed in Hong Kong
Änderungen im Sinne des technischen Fortschritts können ohne Vorankündigung vorgenommen werden.
84456Y2011V1.0
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1. Beschreibung und Funktion
Das Beleuchtungsmessgerät dient der spezifischen, professionellen Bewertung verschiedener Beleuchtungs-/Strahlungsarten, z. B. in der Umwelttechnik, in der Lichttechnik, für die Planung, Einrichtung und Kontrolle
von Arbeitsplätzen.
Es ist sowohl eine aktuelle Messung als auch das Sammeln von Daten über
einen längeren Zeitraum und die Übergabe an einen PC zur Auswertung und
Aufbereitung der Daten möglich..
Durch schnell wechselbare, auf eine bestimmte Aufgabe spezialisierte und
einzeln kalibrierbare Sensoren ergeben sich universelle Einsatzmöglichkeiten
des Beleuchtungsmessgerätes.
Es ermöglicht die Messung folgender Licht-/Strahlungsarten:
· visuelle Beleuchtungsstärke (Lux)
· Lichtstärke (cd)
· UV-A. -B, -C (W/m2)
· VUV (W/m2)
· Globalstrahlung (W/m2)
Die Sensorschnittstelle ist so gestaltet, dass sowohl analoge als auch digitale
Sensoren (via I2C) anschließbar sind.
Das Gerät verfügt über Speicherplätze für die Parameter von bis zu
20 Sensoren.
Neben einer Hold- und Min./Max-Speicherfunktion verfügt das Gerät über
35.000 Datenlogger-Speicherplätze in 21 Speicherbänken, die Messdaten
in verschiedenen Modi (manuelle oder automatische Aufzeichnung) und
Aufzeichnungsintervallen aufnehmen können.
Die Daten werden im universell auswertbaren .csv-Format per USBSchnittstelle an einen PC ausgegeben und sind damit z. B. via MS Excel
visualisierbar.
Über die mitgelieferte PC-Software ist auch eine Konfiguration des Messgerätes und des jeweils eingesetzten Sensors möglich.
Die umfangreichen Konfigurations- und Voreinstellmöglichkeiten, z. B. zu
den Sensorparametern und Lichtarten, machen einen einfachen Feldeinsatz
ua. auch durch Angelernte möglich. Hier müssen dann nur noch wenige
Bedienschritte in der ersten Bedienebene ausgeführt werden.
3
Bestimmungsgemäßer Einsatz
Das Beleuchtungsmessgerät ist ausschließlich für Messung von Licht- und
Strahlungsarten, die in dieser Bedienungsanleitung aufgeführt sind, vorgesehen. Für die jeweilige Messart ist nur der hierfür vorgesehene Sensor
einzusetzen.
Zur Spannungsversorgung ist eine 9-V-Blockbatterie 6LR61 (Alkaline-Typ)
einzusetzen, eine andere Art der Spannungsversorgung ist unzulässig.
Reparaturen sind nur durch autorisiertes Fachpersonal vorzunehmen.
Für Folgeschäden, die aus Nichtbeachtung dieser Gebrauchsregeln und der
Bedienungsanleitung resultieren, übernehmen wir keine Haftung, Gewährleistungsansprüche erlöschen ebenfalls.
2. Sicherheits- und Wartungshinweise
- Bei Zweifel über die Arbeitsweise, die Sicherheit oder den Anschluss des
Gerätes eine Fachkraft oder unseren Service kontaktieren.
- Das Gerät nicht verwenden, wenn es von außen erkennbare Schäden,
z. B. am Gehäuse, an Bedienelementen oder an den Anschlussleitungen
bzw. eine Funktionsstörung aufweist. Im Zweifelsfall das Gerät von einer
Fachkraft oder unserem Service prüfen lassen.
- Das Gerät darf nicht verändert oder umgebaut werden.
- Vermeiden Sie den Einfluss von Feuchtigkeit, Staub sowie unmittelbare
Sonnenbestrahlung.
- Starke mechanische Beanspruchungen, wie z. B. Druck oder Vibration sind
zu vermeiden.
- Das Gerät ist in trockener Umgebung zu betreiben.
- Das Gerät ist kein Spielzeug. Es darf nicht im Zugriffsbereich von Kindern
aufbewahrt oder betrieben werden.
- Verpackungsmaterial nicht achtlos liegen lassen. Plastikfolien/-tüten, Styroporteile etc. könnten für Kinder zu einem gefährlichen Spielzeug werden.
- Das Gerät nur mit einem trockenen Leinentuch reinigen, das bei starken
Verschmutzungen leicht angefeuchtet sein darf. Zur Reinigung keine lösemittelhaltigen und abrasiven Reinigungsmittel verwenden. Darauf achten,
dass keine Feuchtigkeit in das Geräteinnere gelangt. Beim Reinigen nicht
auf das Display drücken.
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3. Bedien- und Anzeigeelemente, Anschlüsse
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Display mit Messwert-, Messart-, Batterie- und Speicheranzeige
Ein-/Aus-Taste
Sensorauswahl
Auswahl der Anzeigeeinheit
Bereichswahl
Hold-Funktion und Min-/Max-Speicher auslesen, Plus-Taste
Speichertaste, Minus-Taste
Start/Stopp Datenlogger-Funktion
Umschaltung zwischen erster und zweiter (2nd) Bedienebene
Batteriefach (Geräterückseite)
USB-Anschluss, Mini-USB, Unterseite
Sensoranschluss, Western-Modular, Oberseite
Die hier aufgeführten Tastenfunktionen sind die Hauptfunktionen der ersten
Bedienebene, weitere Funktionen siehe „Bedienung”.
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4. Bedienung
4.1. Batterie einlegen, Ein- und Ausschalten, Batteriemanagement
Batterie einlegen
- Öffnen Sie das Batteriefach auf der Geräterückseite durch leichtes Eindrücken der geriffelten Fläche und Aufschieben nach unten.
- Schließen Sie eine 9-V-Blockbatterie (6LR61) an den Batterieclip an und
legen Sie die Batterie in das Batteriefach ein.
- Schließen Sie das Batteriefach. Achten Sie dabei darauf, dass die Batteriezuleitung nicht eingeklemmt wird.
Ein- und Ausschalten
- Drücken Sie die Taste „On/Off” so lange, bis im Display die Anzeige aller
Segmente erfolgt. Lassen Sie dann die Taste los.
- Zum Ausschalten drücken Sie die Taste „On/Off” so lange, bis im Display
„oFF” erscheint. Lassen Sie dann die Taste los.
Das lange Drücken der Taste beim Ein-und Ausschalten soll verhindern,
dass das Gerät durch einen kurzen Tastendruck versehentlich eingeschaltet
wird.
Automatisches Abschalten
Das Gerät schaltet sich 5 Minuten nach der letzten Bedienung automatisch
aus, um die Batterie nicht unnötig zu entladen.
Dieses Abschalten erfolgt auch dann, wenn sich das Gerät im Datenloggerbetrieb befindet und der Speicher des Datenloggers voll und der Datenloggerbetrieb somit beendet ist.
Stromsparbetrieb
Im Datenloggerbetrieb schaltet das Gerät zwischen den einzelnen Messungen in den Stromsparbetrieb, wodurch die Lebensdauer der Batterie
erhöht werden kann.
Batterie-Wechselanzeige
Ist die Batterie leer, wird dies am unteren Displayrand mit dem Symbol „Bat”
signalisiert.
Nach Erscheinen dieser Warnanzeige ist die Batterie zum bald möglichsten
Zeitpunkt zu wechseln, um Messwertverfälschungen zu vermeiden.
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4.2. Sensoren und allgemeine Bedienung
Die Sensoren besitzen eine Reihe Parameter, die zum Teil fest eingestellt, zum
Teil über die PC-Software einstellbar sind. Sie sind werkseitig abgeglichen
und somit sofort einsetzbar.
Der Parameter-Satz besteht aus folgenden Angaben:
– Sensor-Name, über die PC-Software frei einstellbar
– Sensortyp/-Code (Lux, UV-A usw.)
– Kalibrierwerte für unterschiedliche Lichtarten (Normlicht A/B/C, D50/55 usw.)
– Sensor-Nullpunkt-Wert
– Messbereiche
– Messbereichs-Endwerte
Die Parameter sind mit Standardwerten vorbelegt und entsprechend den
Angaben in der Bedienungsanleitung des jeweiligen Sensors anzupassen.
Im Gerät stehen 20 Speicherplätze für beliebige Sensortypen und Kalibrierwerte zur Verfügung, die über die PC-Software verwaltet werden.
- Schließen Sie den Sensor an der Buchse „Sensor” an. Achten Sie dabei
darauf, dass die Rastung des Steckers einrastet, um ein versehentliches
Lösen des Steckers zu verhindern.
Auswahl und Kalibrierung des Sensors
- Wählen Sie durch wiederholtes Drücken der Taste „Sensor” den angeschlossenen Sensor aus. Im Display erscheinen die Gerätebezeichnungen
der Sensoren.
- Für die Einstellung des im Datenblatt des Sensors aufgeführten Kalibrierwertes drücken Sie zunächst die Taste „„2nd” und rufen dann mit der Taste
„Sensor” die Kalibrierung auf. Im Display erscheint „CAL”.
- Stellen Sie nun mit den Tasten „+” bzw. „—” den im Datenblatt des Sensors
aufgeführten Kalibrierwert ein. Im Auslieferungszustand des Messgerätes
sind alle Kalibrierwerte auf 1,00 eingestellt.
- Durch kurzes Drücken der Taste „On/Off” gelangen Sie danach wieder
zurück zur Grundanzeige.
Hinweis
Auf die oben beschriebene Weise wird der Kalibrierwert für die aktuell eingestellte Lichtart geändert. Um den Kalibrierwert für eine weitere Lichtart
zu ändern, muss zunächst die Lichtart, wie nächsten Absatz beschrieben,
gewechselt werden.
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Die hier beschriebene Bedienung am Messgerät soll lediglich die mögliche
Einstellung am Einsatzort beschreiben, wesentlich komfortabler lassen sich
die Kalibrierwerte über die PC-Software einstellen.
Anzeigeeinheit und Lichtart einstellen
- Ist ein Lux-Sensor angeschlossen, wählen Sie mit der Taste „Unit” die
gewünschte Anzeigeeinheit (Lux (lx/klx) bzw. Candela (cd)) aus.
Bei den UV-Sensoren erfolgt die Anzeige immer in W/m2.
- Nach Anwahl der zweiten Bedienebene über die Taste „2nd” ist über die
Taste „Unit” die jeweilige Lichtart einstellbar. Der jeweilige Name für die
Lichtart ist über die PC-Software individuell wählbar. Je Sensortyp stehen
jeweils sechs Namen zur Verfügung, unter denen zu jedem Sensor ein
Kalibrierwert abgelegt werden kann. Auch dies erleichtert den im Kapitel
1 beschriebenen Feldeinsatz, das Gerät ist genau an den aktuellen Einsatzzweck anpassbar.
Messbereich und Offset einstellen
Im Normalfall wird die Messbereichseinstellung nicht benötigt, das Gerät ist
auf automatische Messbereichswahl „AUTO” eingestellt.
- Zum manuellen Anwählen eines Messbereichs drücken Sie die Taste
„Range” so oft, bis der gewünschte Messbereich eingestellt ist.
- Überschreitet der Messwert den eingestellten Messbereichs, erfolgt eine
Bereichswarnung mit „hi”. Wählen Sie dann nächst höheren Messbereich.
Ist im Gerät ein falscher Offsetwert für den angeschlossenen Sensor abgelegt,
so kann es u. U. zur Anzeige eines negativen Anzeigewertes („lo”) kommen.
Dann ist der Offsetwert des Sensors wie folgend beschrieben zu korrigieren. Für jeden der 20 im Gerätespeicher speicherbaren Sensoren kann der
Offsetwert individuell eingestellt werden.
- Nach Anwahl der zweiten Bedienebene über die Taste „2nd” ist über die
Taste „Range” ein Offset für den jeweiligen Sensor einstellbar (Anzeige
„oFFS”).
- Zeigt das Display „oFFS” an, decken sie den angeschlossenen Sensor ab,
so dass er kein Licht erhält, und speichern mit der Taste „+“ den aktuellen
Messwert als Null-Wert. Hiermit können leichte Abweichnungen von Sensoren ausgeglichen werden.
- Mit der Taste „–” können Sie einen eingestellten Offset-Wert wieder löschen.
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Hold- und Min-/Max-Funktion
- Zum Zwischenspeichern des aktuellen Messwertes im Display drücken
Sie während der Messung die Taste „Hold/Min/Max” einmal kurz. Jetzt
erscheint „Hold” unten im Display und es wird der Messwert dauerhaft
angezeigt.
- Durch wiederholtes, weiteres Drücken der Taste erscheint zunächst der
Minimalwert der laufenden Messung (Anzeige „Min”), dann nach nochmaligem Drücken der Maximalwert der laufenden Messung (Anzeige
„Max”).
- Durch nochmaliges Drücken der Taste gelangen Sie wieder zur laufenden
Messwertanzeige (Hauptanzeige).
Gerät auf Werkseinstellung zurücksetzen (Reset)
Das Gerät kann auf die Werkseinstellung zurückgesetzt werden. Dabei
werden den Sensoren und Lichtarten Standardnamen zugewiesen, alle
Kalibrierwerte werden auf 1,00 gesetzt, und alle Speicherbänke des Datenloggers werden gelöscht.
- Nach Anwahl der zweiten Bedienebene über die Taste „2nd” ist über die
Taste „Hold/Min/Max” die Reset-Funktion anzuwählen. Im Display wird
„rESE” angezeigt.
- Bestätigen Sie das Zurücksetzen mit der Taste „+”. Jetzt schaltet sich das
Gerät aus.
- Beim nächsten Einschalten wird die Werkseinstellung hergestellt, dies
wird durch die Anzeige „init” während des Startvorgangs angezeigt.
- Wollen Sie hingegen nach Anwahl der Reset-Funktion das Gerät doch
nicht zurücksetzen, drücken Sie nach Anzeige von „rESE” entweder die
Taste „+” oder „on/Off”. Damit wird der Rücksetzvorgang abgebrochen
und das Gerät kehrt mit den eingestellten Parametern und ohne Löschen
von Daten zur laufenden Messwertanzeige zurück.
4.3. Datenspeicherung
Die Datenspeicherung von Messdaten kann auf zwei Arten erfolgen: einmal
als manuelle Einzelwertspeicherung in einer von 20 wählbaren Speicherbänken, und einmal als automatische Speicherung von Messwerten in wählbaren
Intervallen, bis der zugehörige Speicher voll ist.
Einzelwertspeicherung
Nach jedem Einschalten des Gerätes erscheint der erste freie Speicher als
Segment der Bargraph-Anzeige am oberen Display-Rand und markiert so,
dass dieser Speicher für die Einzelwertspeicherung zur Verfügung steht und
die davor liegenden Speicher bereits Daten enthalten.
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Sind alle 20 Speicher voll, beginnt das Gerät wieder bei Speicherbank 1. In
dieser Speicherbank können entweder Daten angehängt werden (die Bedingungen dafür werden im Folgenden noch beschrieben), oder es muss eine
Speicherbank für weitere Datenaufzeichnungen gelöscht werden.
- Zur Speicherung eines Messwert-Datensatzes drücken Sie die Taste
„Store”. Es erscheint dabei kurz als optische Quittung der Abspeicherung
das Speichersymbol unten rechts im Display:
Aktuelle Speicherbank
Speichersymbol
- Sie können auf diese Weise bis zu 264 Messwerte je Speicherbank ablegen.
Ist die Speicherbank voll, erscheint „FULL” im Display.
Eine Ausnahme ist die Speicherbank 21, hier können bis zu 26.730
Datensätze abgelegt werden, wobei diese Speicherbank eher für den
Datenlogger-Betrieb vorgesehen ist.
- Wollen Sie weitere Messwerte speichern, so wählen Sie zunächst durch
Drücken der Taste „2nd” die zweite Bedienebene an.
Jetzt können Sie mit den Tasten „+” bzw. „–” die gewünschte nächste
Speicherbank anhand der Bargraphsegmente oben im Display bzw. der
Speicherbankbezeichnung rechts unten im Display auswählen.
Je nach deren jeweiligen Füllstand wird „FULL” (voll = 100%), „FrEE” (leer
= 0%) oder „dAtA” (Es sind bereits Daten in der Speicherbank abgelegt,
der belegte Speicher wird in Prozent angezeigt) im Wechsel mit dem prozentualen Füllstand angezeigt.
- Durch kurzes Drücken der Taste „On/Off” wird die zuvor eingestellte Speicherbank angewählt und in der aktuellen Messwertanzeige oben in der
Bargraphanzeige angezeigt.
- Jetzt können Sie die Speicherung wie oben beschrieben fortsetzen.
Hinweis
Man muss nicht für jede neue Speicherung eine neue Speicherbank wählen.
Soll lediglich die Messdatenerfassung einer vorangegangenen Messung mit
dem gleichen Sensor fortgesetzt werden, so ist das Gerät in der Lage, neue
Messwerte einfach an die vorhandenen Daten „hinten anzuhängen“. Damit es
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hier keine Fehlbedienung, also eine falsche Sensorwahl, geben kann, speichert das Gerät mit dem Schreiben des ersten Messwertes in der Speicherbank die zugehörigen Systemparameter (Sensordaten und Aufzeichnungsmodus). Will man hier dennoch z. B. mit einem anderen Sensor speichern,
erfolgt eine Warnmeldung und das Speichern wird solange verhindert, bis
der Speicher gelöscht ist. So ist eine sehr effiziente Speicherauslastung
möglich, immerhin fasst jede Speicherbank 264 Datensätze.
Automatische Datenspeicherung (Datenlogger-Betrieb)
Alternativ zur manuellen Einzelwertspeicherung kann eine automatische
Datenspeicherung in einem definierbaren Intervall erfolgen. Dabei wird
die gewählte Speicherbank beschrieben, bis sie voll ist. Danach wird die
Datenspeicherung automatisch beendet.
Im Datenlogger-Betrieb ist je Speicherbank 1 bis 20 das Ablegen von 352
Datensätzen möglich. Der Füllstand des jeweiligen Speichers wird über die
Bargraph-Anzeige mitgeteilt, ebenso der laufende Datenlogger-Betrieb über
das Speichersymbol (siehe Bild linke Seite) unten rechts im Display.
Viel prädestinierter, vor allem für sehr lange Aufzeichnungen, ist jedoch die
Speicherbank 21. Sie ist dann präsent, wenn bei der Speicherbankauswahl
statt eines einzelnen alle Bargraph-Segmente angezeigt werden. Auf ihr sind
im Datenlogger-Betrieb bis zu 35.640 Datensätze speicherbar.
Wählen Sie zunächst das gewünschte Aufzeichnungsintervall. Hier stehen
Intervalle von 1 Sek. bis 600 Sek. zur Verfügung. Beachten Sie dabei, dass
bei Nutzung der Speicherbank 21 eine theoretische Aufzeichnungslänge von
247 Tagen möglich ist. Dieser setzt jedoch die Batteriekapazität, die bei einer
Marken-Alkaline-Batterie max. 1000 Std. = ca. 42 Tage beträgt, Grenzen.
- Wählen Sie nach Auswahl des Speicherplatzes (siehe Einzelwertspeicherung, Abschluss mit Taste „On/Off”) aus der aktuellen Messwertanzeige
heraus zunächst mit der Taste „2nd” die zweite Ebene an und drücken
Sie dann die Taste „Data Log.”.
Im Display erscheint „int” und danach in der Grundeinstellung „10 s”.
Stellen Sie mit dem Tasten „+” bzw. „–” das gewünschte Aufzeichnungsintervall (1 Sek. bis 600 Sek.) ein und bestätigen Sie die Eingabe mit der
Taste „On/Off”.
Das Gerät kehrt zur laufenden Messwertanzeige zurück.
- Starten Sie nun die automatische Aufzeichnung mit der Taste „Data Log.”.
Rechts unten im Display wird die nun laufende Datenaufzeichnung durch
das Speichersymbol angezeigt.
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In der Bargraphanzeige wird der aktuelle Füllstand der gewählten Speicherbank angezeigt.
Ist der Speicher voll, erscheint „FULL” und der Datenloggerbetrieb wird
beendet (Speichersymbol verschwindet).
- Die Aufzeichnung ist jederzeit durch erneutes Betätigen der Taste „Data
Log” manuell unterbrechbar. Im Display erscheint „StoP”.
Bitte beachten!
Während der Datenaufzeichnung ist kein Wechsel der Maßeinheit möglich!
Daten löschen
Neben dem Reset auf die Werkseinstellung, wobei der Inhalt aller Speicherbänke auf einmal gelöscht wird, kann man auch die Daten einzelner
Speicherbänke löschen.
Dabei ist zur Vermeidung von versehentlichen Datenverlusten eine dritte
Bedienebene angelegt.
- Wählen Sie aus der laufenden Messung (Hauptanzeige) heraus mit der
Taste „2nd” die zweite Bedienebene an (Anzeige „2nd”).
- Drücken Sie jetzt die Taste „Store” und wählen Sie mit den Tasten „+” bzw.
„–” den gewünschten Speicherplatz an.
- Während dessen Zustand angezeigt wird, drücken Sie nochmals die Taste
„2nd” und danach die Taste „–”.
Jetzt ist der Inhalt dieser Speicherbank gelöscht, dies wird mit „FrEE”
quittiert.
- Durch kurzes Drücken der Taste „On/Off” gelangen Sie wieder zurück zur
Messwertanzeige (Hauptanzeige).
4.4. PC-Anschluss
Über den USB-Port des ULM 500 sind sowohl die aufgezeichneten Daten auslesbar wie auch die Parameter der Sensoren an das Messgerät übertragbar.
- Verbinden Sie Messgerät und PC mit einem USB-Kabel. Das Messgerät
verfügt über einen Mini-USB-Anschluss.
- Das Gerät geht automatisch in den USB-Modus, auch wenn es zuvor nicht
eingeschaltet war.
Bitte beachten!
Befindet sich das Gerät im Datenloggerbetrieb, muss dieser zunächst beendet oder abgewartet werden, bis die Datenerfassung automatisch endet
(Speicherbank voll).
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- Wenn Sie das USB-Kabel wieder entfernen, schaltet sich das Messgerät
in jedem Fall aus. So vermeidet man, dass eventuell neu übertragene
Parameter nicht beachtet werden. Erst nach dem nächsten Einschalten
startet das Messgerät dann mit den neuen Parametern.
4.5. Die PC-Software
Die mitgelieferte Software ist auf allen USB-fähigen Betriebssystemversionen
von MS Windows, inklusive Windows 7, lauffähig.
- Installieren Sie zunächst, nachdem das Messgerät an den PC angeschlossen ist (Datenloggerbetrieb zuvor beenden, siehe 4.5.), den mitgelieferten
USB-Gerätetreiber nach dem Verfahren der jeweiligen Betriebssystemversion.
- Installieren Sie dann die PC-Software ULM500 und starten Sie das Programm.
Menü „Info”
Hier erscheinen Informationen über Hersteller, Software-Stand des PCProgramms und Firmware-Stand des ULM 500.
Über den Button „Firmware-Version auslesen” kann jederzeit die FirmwareVersion des jeweils angeschlossenen ULM 500 ausgelesen werden, nützlich
z. B. bei Einsatz mehrerer ULM 500.
Menü „Speicherbänke”
Über dieses Menü erfolgt das Auslesen und ggf. Löschen der Speicherbänke
des Datenloggers im ULM 500.
Die Tabelle links dient als Übersicht über alle Speicherbänke, hier wird die
Anzahl der genutzten Datensätze pro Speicherbank dargestellt und hier
erfolgt die Auswahl einzelner Speicherbänke zum Auslesen oder Löschen.
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Wenn man in der Tabelle eine Speicherbank auswählt, erfolgt die Anzeige der
Hauptinformationen dieser Datensätze bzw. der Speicherbank im unteren
rechten Bereich.
- Wollen Sie eine einzelne Speicherbank auslesen, so wählen Sie diese
zunächst links in der Tabelle an und klicken dann auf den Button „Speicherbank auslesen”.
- Wollen Sie die Daten aller Speicherbänke auslesen, so klicken Sie nur den
Button „Alle Speicherbänke auslesen” an.
- Die ausgelesenen Daten werden jeweils automatisch als Excel-kompatible
.csv-Datei abgespeichert. Diese kann von verschiedenen Tabellenkalkulationsprogrammen direkt weiterverarbeitet werden.
- Wollen Sie den Inhalt einer einzelnen Speicherbank löschen, so wählen
Sie diese zunächst links in der Tabelle an und klicken dann auf den Button
„Speicherbank löschen”.
- Wollen Sie die Daten aller Speicherbänke löschen, so klicken Sie nur den
Button „Alle Speicherbänke löschen” an.
Menü „Sensoreinstellungen”
In diesem Bereich werden die Einstellungen der einzelnen Sensoren angezeigt
und sind zum Teil individuell einstellbar.
- Wählen Sie die Sensornummer über die Combo-Box „Sensornummer” an.
Hierdurch werden die Informationen des Sensors automatisch geladen. Dies
kann auch über den Button „Sensoreinstellungen auslesen” erfolgen.
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- Über die Combobox „Sensortyp” wählen Sie den Sensortyp und somit
auch die Lichtart (Bezeichner der Kalibrierwerte) aus.
- In das folgende Textfeld „Sensorname” tragen Sie den individuell vergebbaren Sensornamen ein.
- Der eingestellte Offset-Wert ist durch Anklicken des Buttons auf Null
zurücksetzbar (siehe dazu „Messbereich und Offset einstellen” im Kapitel
4.2.
- Durch die Eingabe von Kalibrierwerten sowie der Anzahl der Messbereiche
und Messbereichsendwerte richten Sie verschiedene Sensoren entsprechend den Daten in deren Bedienungsanleitung/Datenblatt ein.
Hinweis:
Bei der Eingabe der Messbereichsendwerte ist bei „Endwert Messbereich
1“ immer der größte Wert einzutragen und danach, je nach Anzahl der
Messbereiche, die folgenden Endwerte in absteigender Reihenfolge.
- Sind alle Einstellungen abgeschlossen, so übertragen Sie die Daten über
den Button „Sensoreinstellungen übertragen” an das Messgerät.
Menü „Lichtarten”
Hier erfolgt die Festlegung zu den Bezeichnern der Lichtarten im
ULM 500.
- Wählen Sie über die Combo-Box „Sensortyp” zunächst die Sensorart, zu
der die Lichtarten editiert bzw. angezeigt werden sollen.
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- In die einzelnen Textboxen tragen Sie mit 4 Zeichen die Lichtart ein, so wie
sie später im Display des ULM 500 erscheinen soll. Damit wird mit dem
angezeigten Namen später beim Einsatz des Messgerätes eine Lichtart
und somit automatisch der zugehörige Kalibrierwert (siehe Menü „Sensoreinstellungen”) ausgewählt.
- Über die beiden Buttons unten erfolgt das Auslesen der LichtartenBezeichner aus dem Gerät bzw. das Übertragen der editierten Daten an
dieses.
Menü „Auto OFF”
Ab Werk schaltet das ULM 500 sich nach 5 Minuten ohne Bedienung automatisch aus. Diese Abschaltzeit ist über das „AutoOff”-Menü individuell
festlegbar.
- Legen Sie durch Auswahl in der Combo-Box de gewünschte Zeit zum
automatischen Abschalten fest und übertragen Sie diese Einstellung über
den Button „Einstellung übertragen” zum Messgerät.
- Über den Button „Einstellung auslesen” können Sie die im Gerät gespeicherte Abschaltzeit auslesen.
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5. Technische Daten
Messrate:.......................................................................... max. 1 je Sekunde
Auflösung AD-Wandler:........................................................................ 16 Bit
Spannungsbereich Messeingang:....................................................0 bis 2 V
Anzahl Speicherbänke Einzelmessungen:..................................................20
Speicherbare Datensätze je Speicherbank:..................264 (Einzelmessung)
352 (Datenlogger)
Speicherbare Datensätze im Datenlogger...........................................35.640
Messintervall:..................................................................1 Sek. bis 600 Sek.
Sensoranschluss:.................................................. Western-Modular, 6-polig
USB-Port:......................................................................Mini-USB-B-Buchse
Spannungsversorgung:......................... 9 VDC, 1 x 9-V-Blockbatterie 6LR61
Batterielebensdauer:..................................... bei Handmessung: ca. 40 Std.
als Datenlogger: ca. 1000 Std. bei 60 s Messintervall
Umgebungstemperaturbereich:..............................................0°C bis +50°C
Abmessungen (B x H x T)..................................................70 x 170 x 28 mm
6. Entsorgungshinweis
Gerät nicht im Hausmüll entsorgen!
Elektronische Geräte sind entsprechend der Richtlinie über
Elektro- und Elektronik-Altgeräte über die örtlichen Sammelstellen
für Elektronik-Altgeräte zu entsorgen!
Batterieverordnung beachten!
Batterien gehören nicht in den Hausmüll.
Nach der Batterieverordnung sind Sie verpflichtet,
verbrauchte oder defekte Batterien an den
örtlichen Batteriesammelstellen bzw.
an Ihren Händler zurückzugeben!
Das CE-Zeichen ist ein Freiverkehrszeichen, das sich ausschließlich
an die Behörden wendet und keine Zusicherung von Eigenschaften
beinhaltet.
17
7. Anhang
Grundlagen zum Messen lichttechnischer Größen
Photometrische und radiometrische Größen
Für die Messung von Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung verwendet man allgemein fünf sogenannte radiometrische Größen. Für sichtbares
Licht, d. h. für Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 bis 740 nm, existieren darüber hinaus fünf äquivalente photometrische Größen. Während
die radiometrischen Größen rein physikalische Eigenschaften beschreiben,
berücksichtigen photometrische Größen außerdem die spektrale Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges.
Unser subjektives Helligkeitsempfinden ist nämlich abhängig von der Wellenlänge des Lichts und wird mit der sogenannten Vλ-Kurve beschrieben.
So reagiert unser Auge z. B. viel stärker auf grünes Licht als auf blaues oder
rotes, d. h. bei Lichtquellen mit radiometrisch gleicher Leistung erscheint
uns eine grüne Lampe trotzdem heller als eine blaue.
Für die Entscheidung, ob nun radiometrische oder photometrische Größen
zur Bewertung einer Strahlungsquelle gemessen werden sollen, muss daher
neben dem Spektrum der jeweilige Einsatzfall der Lichtquelle betrachtet
werden. Soll etwas sichtbar beleuchtet werden, z. B. zur Signalisierung,
dann sollten photometrische Größen herangezogen werden, wird auf die
physikalischen Eigenschaften Wert gelegt, z. B. bei einem Infrarot-Laser
für optische Kommunikation, dann sind die radiometrischen Eigenschaften
sinnvoll. Angaben in radiometrischen Größen sind darüber hinaus für die
Bewertung monochromatischer, d. h. einfarbiger Lichtquellen wie LEDs geeignet, wogegen bei gemischtem Licht (z. B. weißem Licht) photometrische
Größen meist aussagekräftiger sind.
Umrechnung photometrischer und radiometrischer Größen
Eine Umrechnung zwischen radiometrischen und photometrischen Größen ist
theoretisch möglich, jedoch nur, wenn das Spektrum der Lichtquelle bekannt
ist. Bei monochromatischen Strahlungsquellen ist dies kein Problem, hierfür
existieren verschiedene Umrechnungsformeln.
Beispielsweise gilt für den Zusammenhang zwischen Strahlungsleistung und
Lichtstrom bei Wellenlänge λ die Formel:
Vλ (λ) (bzw. auch C[λ] genannt) ist hierbei der Wert für die Augenempfind18
lichkeit bei Wellenlänge λ, so wie im Diagramm in folgender Abbildung
dargestellt:
Der Wert 683 lm/W stellt das sogenannte photometrische Strahlungsäquivalent Km dar, dieser Faktor entspricht der maximalen Empfindlichkeit des
menschlichen Auges bei Tagsehen. Die anderen Messgrößen können in
gleicher Weise ineinander umgerechnet werden.
Mit dieser Formel kann man auch sehr schön den Unterschied zwischen
photometrischen und radiometrischen Größen demonstrieren. Nimmt man
z. B. zwei rote Laserdioden mit Wellenlängen von 650 nm und 670 nm an,
welche beide die gleiche Lichtleistung von Φe = 20 mW besitzen sollen, so
erhält man nach dieser Formel für die 650-nm-Diode einen Lichtstrom von
Φv = 1,46 lm (Vλ[650] = 0,107), während die 670-nm-Diode trotz gleicher
Leistung weniger als ein Drittel dieses Lichtstroms von Φv = 0,44 lm (Vλ[670]
= 0,032) besitzt!
Schwieriger stellt sich eine Umrechnung von radiometrischen zu photometrischen Größen bei breitbandigen Lichtquellen dar, da hier die jeweiligen
unterschiedlichen Anteile der einzelnen Wellenlängen in die Berechnungen
eingehen.
Hierfür müssen mathematische Verfahren wie Integration und Faltung zur
Anwendung kommen und das Spektrum der Lichtquelle muss bekannt
sein. Eine Umrechnung von photometrischen zu radiometrischen Größen
bei breitbandigen Lichtquellen ist überhaupt nicht möglich, hierfür müssen
Messungen erfolgen.
19
Lichttechnische Größen und ihre Messung
Nachfolgend werden nun kurz die fünf radiometrischen bzw. photometrischen
Größen vorgestellt und die Möglichkeiten ihrer Messung beschrieben. Die
Formelzeichen der radiometrischen Größen werden meist mit dem Index „e“
(elektrisch) und die entsprechenden photometrischen Größen zur Unterscheidung mit dem Index „v“ (visuell) gekennzeichnet.
1. Strahlungsleistung/Strahlungsfluss, Einheit W (Watt) (Radiometrie)
Lichtleistung/Lichtstrom, Einheit lm (Lumen) (Photometrie)
Bedeutung: Die Strahlungsleistung Φe (bzw. der Lichtstrom Φv) ist die optische Energie, welche von der Strahlungsquelle pro Zeiteinheit in den Raum
abgestrahlt wird. Da die Strahlung meist in fast alle Richtungen abgestrahlt
wird, gibt diese Größe nur eine Aussage über die generelle Leistung einer
Lichtquelle, wichtig zur Bestimmung des Wirkungsgrads und zum direkten
Vergleich von Lasern, Lampen und von ansonsten identisch aufgebauten
Leuchten (d. h. gleiche Größe, Linsen etc.).
Messung: Zur Messung der Strahlungsleistung wird meist eine sogenannte
Ulbricht-Kugel (siehe unten) verwendet, um die Strahlung aus allen Richtungen rund um die Quelle erfassen zu können.
Hierbei wird die Lichtquelle innerhalb einer Kugel platziert, welche von innen
mit einem diffus reflektierenden Material beschichtet ist. Dieses Material muss
einen möglichst hohen Reflexionskoeffizienten besitzen und wellenlängenunabhängig sein. Hierfür wird vorwiegend Bariumsulfat verwendet. Die Kugel
besitzt eine kleine Öffnung mit einem Photodetektor, diese Öffnung sollte
20
nicht größer als 5 % der Kugeloberfläche sein. Ein in der Kugel angebrachter
sogenannter Shutter verhindert, dass direkte Strahlung von der Quelle auf
den Detektor trifft. Durch die Beschichtung ist die Lichtmenge an jeder Stelle
der Kugel gleich, also auch auf dem Detektor, und damit proportional zur
gesamten Lichtleistung.
2. Bestrahlungsstärke, Einheit W/m² (Radiometrie)
Beleuchtungsstärke, Einheit lx (Lux) (Photometrie)
Bedeutung: Als Bestrahlungsstärke Ee bzw. Beleuchtungsstärke Ev bezeichnet man die Strahlungsleistung, welche auf eine bestimmte Fläche
abgestrahlt wird. Die auf eine Fläche auftreffende Strahlungsenergie nimmt
quadratisch mit dem Abstand zur Quelle ab, daher ist die Bestrahlungsstärke
ebenfalls abhängig vom Abstand. Sie ist außerdem abhängig von der Position der Strahlungsquelle, da diese selten in alle Richtungen gleich stark
abstrahlt. Überall, wo eine Fläche beleuchtet werden soll, z. B. Solarzellen,
Photodetektoren etc., ist die Angabe der Bestrahlungsstärke von Interesse
und meist aussagekräftiger als die reine Strahlungsleistung der Quelle. Zur
quantitativen Beurteilung von Licht weit entfernter Quellen, z. B. Sonnenlicht,
wird ebenfalls die Bestrahlungsstärke angewendet.
Messung: Zur Messung wird einfach die auf einen Photodetektor auftreffende Strahlungsleistung auf dessen aktive Fläche bezogen. Wichtig ist,
dass der Detektor durch die Lichtquelle möglichst homogen ausgeleuchtet
wird und sich in genügend großem Abstand zur Lichtquelle befindet. Fast
alle Licht-Messgeräte messen im Prinzip die Bestrahlungsstärke und leiten
die anderen Größen in geeigneter Weise daraus ab.
3. Strahlstärke, Einheit W/sr (Watt pro Steradian) (Radiometrie)
Lichtstärke, Einheit cd (candela) (Photometrie)
Bedeutung: Die Strahlstärke Ie bzw. Lichtstärke Iv ist ein Maß dafür, wie groß
der Anteil der Strahlungsleistung ist, die in einen bestimmten Raumwinkel
abgestrahlt wird, also wie stark gerichtet, d. h. gebündelt die Abstrahlung in
einer Richtung ist. Diese Angabe ist daher immer auf eine bestimmte Richtung bezogen, z. B. die geometrische Achse eines Bauelements. Meist wird
jedoch die maximale Strahlstärke einer Lichtquelle angegeben, die Richtung,
in der diese auftritt, nennt man dann optische Achse. Die Strahlstärke einer
Quelle ist im Gegensatz zur Bestrahlungsstärke (Achtung, Verwechslungsgefahr!) nicht vom Abstand zur Quelle abhängig. Mit der Strahlstärke lassen sich
gerichtet abstrahlende Quellen (z. B. LEDs, Laser, aber auch Scheinwerfer
21
etc.) beurteilen, für ungerichtet strahlende Quellen wie Glühlampen oder
Leuchtstofflampen ist die Strahlstärke wenig aussagekräftig.
Messung: Die Strahlstärke wird in Leistung pro Raumwinkel gemessen und
meist aus der gemessenen Bestrahlungsstärke abgeleitet, es gilt: 1 W/m² in
1 m Abstand entspricht 1 W/sr. Dies gilt jedoch nur bei genügend großem
Abstand zur Lichtquelle (mindestens das 10fache der Ausdehnung der
Lichtquelle) und einer homogenen Ausleuchtung des Detektors.
Die folgende Abbildung gibt die Beziehung zwischen Raumwinkel, Abstand
und Flächen wieder:
4. Strahldichte, Einheit W
(Watt pro Quadratmeter und Steradian)
m2 · sr
(Radiometrie)
Leuchtdichte, Einheit cd/m² (candela pro Quadratmeter) (Photometrie)
Bedeutung: Als Strahldichte Le bzw. Leuchtdichte Lv bezeichnet man die
Strahlstärke einer Lichtquelle bezogen auf deren emittierende Fläche. Die
Leuchtdichte ist die Eigenschaft, die der Mensch allgemein als Helligkeit
wahrnimmt.
Die Strahl- bzw. Leuchtdichte wird zur Beschreibung ausgedehnter, flächiger
Lichtquellen verwendet, wie z. B. Lichtkacheln, während Strahlstärke und
Lichtleistung meist bei punktförmigen Lichtquellen zur Anwendung kommen.
Messung: Zur Bestimmung der Strahldichte wird die Strahlstärke gemessen
und durch die leuchtende Fläche geteilt.
22
5. Strahlungsenergie, Einheit J (Joule) (Radiometrie)
Lichtmenge, Einheit lm·s (Lumensekunde) (Photometrie)
Bedeutung: Die Strahlungsenergie EPh bzw. Lichtmenge entspricht der
Leistung innerhalb einer bestimmten Zeit, also der Energie der in dieser
Zeit ausgesendeten Photonen. Diese Werte werden z. B. in der Astronomie
verwendet oder zur Berechnung von Dosisleistungen. Manchmal wird die
Strahlungsenergie auch selbst als Dosis bezeichnet, die Dosis ist jedoch
strenggenommen Energie pro Volumeneinheit. Bei sehr dünnen bestrahlten
Flächen, wie z. B. Photodetektoren, fällt das Volumen jedoch meist nicht
ins Gewicht.
Messung: Die Messung erfolgt analog zur Messung der Strahlungsleistung,
nur dass die Messwerte über eine bestimmte Zeit integriert werden, z. B.
mit einem Datenlogger.
Zur Messung der Energie pro Fläche (Energiedichte bzw. Flächendosis) wird
die Bestrahlungsstärke gemessen und über die Zeit integriert.
Messfehler und Abweichungen
Die Messung lichttechnischer Größen ist in viel stärkerem Maße abhängig
von den Messbedingungen und den Messgeräten, als dies z. B. bei der
Messung elektrischer Größen der Fall ist. Daher kann es immer wieder
vorkommen, dass bei Messungen ein und derselben Lichtquelle jeweils
unterschiedliche Werte ermittelt werden oder zwei Messgeräte verschiedener
Hersteller stark voneinander abweichende Werte anzeigen.
Temperaturabhängigkeit
Sowohl die opto-elektronischen Eigenschaften der Strahlungsquellen als
auch die der Fotodetektoren sind abhängig von der Umgebungstemperatur.
Bei Lichtquellen verschiebt sich z. B. die Peak-Wellenlänge (die am stärksten
ausgestrahlte Wellenlänge) des Lichts mit steigender Temperatur, d. h., die
Farbe ändert sich. Zudem nimmt die Lichtleistung einer Quelle mit steigender
Umgebungstemperatur ab.
Bei Halbleiterdioden ist die Empfindlichkeit im Allgemeinen bei höheren
Temperaturen schlechter (ca. -0,2 %/K), außerdem steigt das „Dunkelsignal“
an, d. h., das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich.
Somit ist speziell für sehr genaue Messungen und bei Messungen kleiner
Signale auf eine möglichst konstante Umgebungstemperatur zu achten bzw.
eine zu starke Erwärmung von Lichtquellen durch eine geeignete Kühlung
zu verhindern.
23
Wellenlängenabhängigkeit
Bei den meisten zur optischen Strahlungsmessung verwendeten Fotodetektoren ist die Empfindlichkeit stark wellenlängenabhängig. Für hochwertige lichttechnische Messgeräte wird daher je nach Wellenlänge des
zu messenden Lichts ein entsprechender Korrekturfaktor angegeben. Mit
Ausnahme von Lasern emittieren Lichtquellen jedoch ein mehr oder weniger
breites Spektrum verschiedener Wellenlängen. Daher werden zur Anpassung
des Spektrums der Lichtquelle an das Empfangsspektrum des Detektors
häufig spezielle Filter vor die Detektoren gesetzt. Die Qualität der Filter und
die Anpassung an den jeweiligen Detektor bestimmen somit wesentlich
die erreichbare Genauigkeit und entscheiden auch den Preis. Die größten
Messfehler im optischen Bereich entstehen durch ungenügende derartige
Anpassung bzw. Fehlanpassung.
Die folgende Grafik zeigt die mögliche Fehlanpassung des Empfangsspektrums eines Fotometers (rote Kurve) bei Messungen unterschiedlicher
Lichtquellen:
Richtungsabhängigkeit
Viele lichttechnische Größen beziehen sich auf Licht mit annähernd parallelem Strahlungsverlauf, was in der Praxis jedoch nur schwer zu erreichen ist.
Lichtstrahlen, welche nicht rechtwinklig auf den Detektor treffen können, z. B.
gebeugt oder gebrochen oder teilweise reflektiert werden, beeinflussen
das Mess-Ergebnis je nach Einfallswinkel der auftreffenden Strahlung unterschiedlich. Für präzise Messungen sollten Lichtquelle und Detektor daher möglichst genau positioniert werden. In lichttechnischen Labors werden diese daher
meist auf einer langen Stahlschiene, der sog. optischen Bank, montiert.
Zur Messung ungerichteter Strahlung, z. B. der Beleuchtungsstärke an
Arbeitsplätzen, werden vor die Detektoren Streuscheiben (z. B. aus Teflon),
sog. Diffusoren, gesetzt.
24
Damit erhält der Fotodetektor eine definierte Richtungsempfindlichkeit
mit Cosinusverlauf. Dieses Verfahren wird als cos-Korrektur bezeichnet.
Es beruht auf dem sogenannten lambertschen Gesetz, nach dem sich die
Stärke einer auf eine Fläche auftreffenden Strahlung mit dem Cosinus des
Einfallswinkels ändert. Folgt die Richtungsempfindlichkeit eines Detektors
nun ebenfalls einem Cosinusverlauf, so wird dadurch für jeden Einfallswinkel
das gleiche Signal erzeugt.
Entfernungsabhängigkeit
Die auf eine Fläche auftreffende Licht- bzw. Strahlungsenergie ist, wie bei
allen elektromagnetischen Wellen, abhängig von der Entfernung der Fläche
zur Strahlungsquelle. Ein elektromagnetisches Feld ist erst in einigem Abstand zur Quelle vollständig ausgebildet (dem sog. Fernfeld). Eine präzise
Messung im Nahfeld ist fast unmöglich, da hier die Energieverteilung noch
sehr ungleichmäßig ist. Im Fernfeld steht die Strahlungsenergie jedoch direkt
im Zusammenhang mit der Entfernung zur Quelle, es gilt das sogenannte
Quadratwurzel-Gesetz: Die ausgesendete elektromagnetische Strahlung
einer Quelle nimmt quadratisch mit dem Abstand zur Quelle ab, d. h., im
doppelten Abstand besitzt das Licht nur noch ein Viertel seiner Energie.
Man sollte daher darauf achten, dass Lichtmessungen, insbesondere bei
gerichteter Strahlung, nur im Fernfeld erfolgen sollten. Als Faustregel gilt ein
Mindestabstand vom Zehnfachen der Ausdehnung der leuchtenden Fläche.
Reflexion und Beugung
Ein großes Problem bei lichttechnischen Messungen ist die Beeinflussung
durch Streulicht, d. h. die Reflexion vom zu messenden Licht oder von
Fremdlicht in der Umgebung. Je nach Oberfläche, Material und Form von
Gegenständen bzw. Flächen in der Messumgebung wird auftreffendes Licht
reflektiert bzw. gebeugt. Derartige Effekte können optische Mess-Ergebnisse
verfälschen. Reflektierende Oberflächen in der Nähe des Messaufbaus
sollten daher vermieden oder mit schwarzen Tüchern o. Ä. abgedeckt
werden. Manche lichttechnischen Labore sind daher komplett in lichtabsorbierender, schwarzer Farbe gestrichen.
Zusätzlich zu den beschriebenen Effekten können außerdem weitere Beeinflussungen optischer Messungen auftreten, z. B. Wellenlängendispersion
oder Interferenzeffekte. Eine hohe Messgenauigkeit bei lichttechnischen
Messungen zu erreichen, ist daher sehr aufwändig.
Man sollte sich daher im Klaren sein, dass die in der Praxis auftretenden
Genauigkeiten vergleichsweise gering gegenüber z. B. elektrischen Messungen sind. Preiswerte Messgeräte erreichen üblicherweise Genauigkeiten
25
von ca. ± 20 %, Geräte der Mittelklasse liegen in der Regel bei ≤ ±10 %.
Messgenauigkeiten von <5 % sind meist nur mit teuren Profigeräten in Laborumgebung erreichbar. Daher sollten Angaben mancher Hersteller preiswerter
Messgeräte über erreichbare Messgenauigkeiten von 10 % und kleiner mit
Vorsicht betrachtet werden. Diese Angaben beziehen sich nämlich meist nur
auf die Auswerteelektronik und lassen Detektor und Messumgebung außer
Acht. Nicht umsonst bewegen sich die Preise hochwertiger optischer Messgeräte im Bereich mehrerer tausend Euro. Selbst die Physikalisch-Technische
Bundesanstalt (PTB) gibt für viele ihrer lichttechnischen Kalibrierungen an
Messgeräten und für kundenspezifische Vergleichsbauelemente nur eine
Genauigkeit von ca. 5 % an, je nach Art der Kalibrierung.
Prinzipieller Aufbau von Licht- bzw. Strahlungsmessgeräten
Wichtigster Bestandteil eines optischen Strahlungsmessgerätes ist der Fotodetektor. Für die Wellenlängenbereiche von 300 nm bis 1000 nm werden fast
ausschließlich Si-Fotodioden eingesetzt. Für andere Wellenlängenbereiche
wie UV oder IR kommen Spezialdetektoren aus anderen Halbleitermaterialien
zum Einsatz, wie z. B. InGaAs, SiC, GaP, GaN und Ge. Entscheidend für den
jeweiligen Einsatz sind neben entsprechender Empfindlichkeit eine Linearität
der messbaren Signale über mind. fünf Dekaden, gute Homogenität der
nutzbaren Empfängerfläche und möglichst hohe Langzeitstabilität.
Das folgende Bild zeigt als Beispiel aus der Praxis ein UVC-Handmessgerät
mittlerer Preisklasse zur UV-Strahlermessung in Wasserdesinfektionsanlagen.
26
Vor dem Fotodetektor sind Elemente zur cos-Korrektur und zur Wellenlängenanpassung angebracht, wie z. B. Diffusoren und Filter für Wellenlängenbereiche (UVA, UVB, IR etc.) oder Filter zur Abbildung eines speziellen
Spektralverlaufs, wie z. B. Vλ-Filter (Augenempfindlichkeit) und Ser (Erythemwirksamer Teil der UV-Strahlung). Je nach Güte der Anpassung an
die gewünschte Wirkungsfunktion können solche Filter mehrere hundert
Euro kosten.
Das Signal der Fotodiode, der Fotostrom, wird meist über I-U-Wandler in eine
äquivalente Spannung umgesetzt, wobei die Diode im Kurzschlussbetrieb
eingesetzt wird. Dadurch wird die Linearität des Ausgangssignals über die
angestrebten fünf Dekaden erreicht. Die zu messenden Fotoströme können
hierbei im Bereich weniger nA bis hin zu mehreren mA liegen. Im folgenden
Bild sind beispielhaft die beschriebenen Komponenten für ein hochwertiges
Beleuchtungsstärkemessgerät dargestellt.
Die nachfolgende Signalverarbeitung und Anzeige ist dann eine rein elektronische
Angelegenheit, die sehr unterschiedlich ausfallen kann (analog/digital, mit/ohne
Bereichsumschaltung, evtl. Nullpunktkorrektur, Datenspeicherung etc.).
Unterschiedliche Messgrößen (z. B. lx, cd, lm, W/cm²) können über eine
Umrechnung mit internen Korrekturfaktoren angezeigt werden, wobei die zu
verwendende Messgeometrie (Messabstand, evtl. Vorsatzfilter etc.) durch
den Hersteller der Messgeräte vorgegeben werden muss.
Messfehler in Zahlen
Eine wichtige Grundlage der Licht- und Strahlungstechnik ist die spektrale
Anpassung der Fotodetektoren an die verschiedenen Wirkungsspektren
der Strahlung. Für die Fotometrie ist das die Anpassung an die Vλ-Kurve.
Für die Radiometrie wird eine möglichst wellenlängenunabhängige Empfindlichkeit des Fotodetektors in verschiedenen Bereichen z. B. UVA, UVB,
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UVC, IR gefordert. Andererseits sind bestimmte Funktionen wie z. B. die
Erythemfunktion gefordert.
Alle diese sogenannten „Anpassungen“ werden durch Vorschalten von oftmals
komplizierten Filterkombinationen vor die Fotodetektoren realisiert. Sie bestimmen sowohl die Messgenauigkeiten als auch den Preis entscheidend.
Messfehler bei fotometrischen Messungen durch Fehlanpassung
In der nachfolgenden Tabelle sind einige Werte für die relative Empfindlichkeit
des menschlichen Auges bei den entsprechenden Wellenlängen (Vλ-Funktion)
sowie die Empfindlichkeitswerte eines Fotometermesskopfes aufgeführt. Man
erkennt, dass für kurzwelliges Licht bereits Abweichungen des Ausgangssignals im Promillebereich den Messwert stark verfälschen können.
Wellenlänge λ
[nm]
V(λ)
380
3,90 ·10
400
Fotometer
Klasse L
Abweichung
-5
5,85 ·10
50%
3,96 ·10-4
5,15 ·10-4
30%
420
4,00 ·10-3
3,24 ·10-3
19%
460
6,00 ·10-2
6,90 ·10-2
15%
500
3,23 ·10-1
3,26 ·10-1
  1%
555
1,00
1,00
  0%
600
6,30 ·10-1
6,24 ·10-1
  1%
640
-1
1,75 ·10
1,61 ·10-1
  8%
680
Integralwert
1,70 ·10-2
105,05
1,50 ·10-2
104,19
12%
  1%
-5
In der DIN 5032 sind die Qualitätskriterien für Fotometerköpfe festgelegt. So
darf ein Messkopf der Güteklasse L (beste Klasse) einen maximalen integralen
Fehler der Anpassung (über alle Wellenlängen) von 1,5 % bei Kalibrierung
mit Normlicht A aufweisen.
Bei fotometrischen Messungen breitbandiger Lichtquellen wie Glühlampen
oder der Sonne mit einem solchen Messkopf weicht das Mess-Ergebnis
somit maximal 1 % vom tatsächlichen Wert ab.
Wird dagegen eine schmalbandige Lichtquelle (z. B. eine „blaue“ LED mit
einer Wellenlänge von λ = 465 nm) gemessen, wirkt die volle Abweichung der
tatsächlichen Empfindlichkeitskurve des Messkopfes von der Vλ-Kurve auf
das Mess-Ergebnis. Dadurch sind je nach Wellenlänge Messfehler von bis zu
50 % möglich, selbst wenn ein Klasse-L-Fotometerkopf verwendet wird.
28
Messfehler im UV–Bereich mit realen Radiometerköpfen
Die per Definition festgelegten Grenzen der UV-Bereiche, z. B. UVB von 280 nm
bis 315 nm, werden durch reale Messköpfe nur annähernd nachgebildet.
Die folgende Grafik zeigt die Empfindlichkeit von UVB-Messköpfen für Messlabore von drei verschiedenen Herstellern im Vergleich zur Definition:
Werden mit diesen Messköpfen zwei unterschiedliche UVStrahler aus dem
medizinischen Einsatzgebiet bewertet, ergeben sich die folgend dargestellten Messabweichungen (der tatsächliche UVB-Anteil ist schraffiert
dargestellt):
Messkopf
Strahler 1
Strahler 2
A
- 2%
+ 30%
B
+ 6%
-   8%
C
+ 5%
-   9%
29
Es wird deutlich, dass bei solchen Messungen mit Korrekturfaktoren gearbeitet bzw. der jeweilige Messkopf auf den zu messenden Lampentyp
abgeglichen werden muss.
Eine wirklich exakte Messung für beliebige Strahler ist nur mit einem kalibrierten, mehrere tausend Euro teuren Spektralradiometer möglich. Durch
Vergleich mit solchen Messungen können dann die notwendigen Korrekturfaktoren für den jeweiligen Radiometer-Messkopf ermittelt werden, wodurch
auch mit den Hand-Radiometern genaue Messungen möglich sind.
Die folgende Tabelle zeigt Korrekturfaktoren für ein UVB-Radiometer für 6
unterschiedliche Strahler aus dem medizinischen Bereich:
Strahlertyp
Faktor
1
1,000
2
0,570
3
0,758
4
0,940
5
0,960
6
1,180
Die beschriebenen Verhältnisse zeigen, dass die Angaben mancher Hersteller
über Messgenauigkeiten im unteren Prozent-Bereich nur bedingt und für
ganz bestimmte Fälle gültig sind, insbesondere bei Messungen im Bereich
der Medizintechnik ist daher äußerste Vorsicht geboten.
Viele zusätzliche Messfehler, die z. B. durch die unterschiedliche Richtungsempfindlichkeit des Messkopfes (sog. Kosinus-Korrektur) oder die tatsächliche geometrische Anordnung im Strahlungsfeld auftreten, sind hierbei noch
gar nicht berücksichtigt.
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