Juha Ranto Valaistusmittaukset ja valaistuslaboratorio- tilojen suunnittelu Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK) Sähkötekniikka Insinöörityö 19.5.2016 Tiivistelmä Tekijä Juha Ranto Otsikko Valaistusmittaukset ja valaistuslaboratoriotilojen suunnittelu Sivumäärä 57 sivua + 23 liitettä Aika 19.5.2016 Tutkinto Insinööri (AMK) Koulutusohjelma Sähkötekniikka Suuntautumisvaihtoehto Sähkövoimatekniikka Ohjaaja Lehtori Tapio Kallasjoki Insinöörityössä on perehdytty valaistuslaboratoriotilaan ja valon mittaamiseen standardiolosuhteissa. Työn keskeisenä tarkoituksena on ollut tuottaa opas valaistuslaboratorioille. Valaistustekniikka kehittyy hurjaa vauhtia, energiatehokkuuden rinnalle on tullut hyvin tärkeä valon ominaisuus - valon laatu. Valon laatu lisää turvallisuutta sekä kohentaa ihmisten mielialaa arkipäiväisessä elämässä. Tässä insinöörityössä käydään läpi valon eri ominaisuuksia, valon mittaamiseen liittyviä laitteita, mittauksiin liittyviä standardeja sekä mittauksiin liittyviä tiloja. Valoa on tärkeää mitata oikein, jotta mittaukset ovat käytännöllisiä, toistettavia sekä verrattavia muualla tehtyjen valaistusmittauksien kanssa. Lukija tulee saamaan hyvän pohjatiedon, kuinka valaistukseen liittyvät mittaukset valaistuslaboratoriotiloissa tulee tehdä. Työn lähdetietoina on käytetty valaistukseen liittyvää kirjallisuutta sekä tunnetuimpien valaistusalan yrityksien dokumentteja. Suomen Valoteknillisen Järjestön järjestämien Valoakatemian luentojen luentomateriaaleja on myös työssä käytetty. Käytännön kokemusta valaistuslaboratoriotiloista sekä valon mittaamisesta insinöörityön tekijällä on Metropolia Ammattikorkeakoulun Albertinkadun toimipisteestä. Insinöörityö luo lukijalle kokonaiskuvan valon mittaamisesta sekä valaistuslaboratorion sisällöstä auttaen hahmottamaan niihin liittyviä vaatimuksia. Avainsanat valaistus, valo, mittalaite, mittaustila, laboratorio, standardi, dali Abstract Juha Ranto Author Measurement of Light and Planning Lighting Laboratory Facili- Title ties Number of Pages 57 pages + 23 appendices Date 19 May 2016 Degree Bachelor of Engineering Degree Programme Electrical Engineering Specialisation option Electrical Power Engineering Instructor Tapio Kallasjoki, Senior Lecturer The purpose of this thesis was to provide an accessible guide to measure light in a labora- tory environment. The study was carried out as a thesis for Helsinki Metropolia University of Applied Sciences. This study functions as a reference for an upcoming lighting laborato- ry for Metropolia’s Myyrmäki campus, where lighting laboratory of Metropolia’s Albertinkatu campus will be moving in 2017. Lighting technology is developing with a furious pace. Alongside with energy efficiency, there is nowadays another very important feature of light and it is quality of light. The quali- ty of light increases safety and improves people’s mood in everyday life. This thesis goes through various features of light, lighting measurement devices, standards related to measurement and measurement environments. It is important to measure light in a correct way, so measurements can be repeated and compared with measurements done in other laboratories. Reader will gain a good knowledge of how different types of illumination measurements in a laboratory environment should be done. As reference sources, literature concerning lighting, as well as documents from companies in the lighting industry were used. Academy of Light lectures organized by Illuminating En- gineering Society of Finland from where a lot of information was obtained, were attended. Author of this thesis also have practical experience with measuring light and has been working in the lighting laboratory environment on Metropolia’s Albertinkatu campus. The result of this study provides a user-friendly guide for measuring light in a lighting la- boratory environment, helping to understand the extent of the requirements. Keywords lighting, light, measuring equipment, laboratory, standard Sisällys Lyhenteet 1 Johdanto 1 2 Valaistuslaboratorio oppilaitoksissa 2 3 Mitattavia valon ominaisuuksia 2 3.1 Näkyvän valon spektri 2 3.2 Valovoima 4 3.3 Valovirta 6 3.4 Luminanssi 6 3.5 Valaistusvoimakkuus 8 3.6 Värintoistoindeksi CRI sekä värintoiston arvioinnin menetelmä TM-30 9 3.7 Värilämpötila 11 3.7.1 Värivastattu valon värilämpötila 12 3.7.2 MacAdamin ellipsi ja SDCM-ellipsi 13 3.7.3 Delta uv 15 3.8 S/P-suhde 16 4 Testiolosuhteet valonlähteille 18 4.1 Testihuone 18 4.2 Mittausympäristön ilmatila 19 4.3 Virhemarginaali 19 4.4 Standardisoiminen 19 5 Mittalaitteet 21 5.1 Optisen säteilyn ilmaisinteknologia 21 5.1.1 Fotodiodi 21 5.1.2 Valomonistinputki 22 5.2 Spektrometri 23 5.2.1 Spektrianalysaattori 23 5.2.2 Spektrofotometri 24 5.3 Valaistusvoimakkuusmittari, kenttämittauslaitteet 25 5.3.1 Värivalaistusvoimakkuusmittari 27 5.3.2 CRI-valaistusmittari 27 5.3.3 Spektripohjainen valaistusvoimakkuusmittari 28 5.3.4 Luminanssi- sekä väriluminanssimittari 29 5.3.5 Väriluminanssimittari tarkkaan mittaamiseen 30 5.3.6 Kuvantava luminanssimittari 31 5.3.7 Lighting Passport-älyspektrometri 32 5.4 Goniofotometri 33 5.5 Integroiva pallo, Ulbrichtin pallo 36 6 Valaistuslaboratoriotilojen suunnittelu 37 6.1 Metropolia Ammattikorkeakoulun Albertinkadun toimipiste 37 6.1.1 Albertinkadun valaistuslaboratorio 37 6.1.2 DALI-järjestelmä Albertinkadun valaistuslaboratoriotilassa 40 6.1.3 Albertinkadulla tehtävät käytävämittaukset 40 6.1.4 Albertinkadun koevalaistushuone 41 6.2 Metropolia Ammattikorkeakoulun Myyrmäkeen tuleva toimipiste 44 6.2.1 Myyrmäen valaistuslaboratorion yleistila 44 6.2.2 Myyrmäen goniofotometrihuone 45 6.2.3 Myyrmäen koevalaistushuone 47 6.2.4 Valaistuslaboratorion turvajärjestelmä 48 6.2.5 Myyrmäen toimipisteen mittalaitteet 48 6.3 Myyrmäkeen asennettava DALI-valaistuksenohjausjärjestelmä 49 6.3.1 DALI-järjestelmän toiminta 49 6.3.2 Myyrmäen valaistuslaboratorion DALI-järjestelmän ohjaus ja käyttöliittymät 51 7 Käytännön kokemuksia muuttoprojektissa 51 8 Yhteenveto 52 Lähteet 53 Liitteet Liite 1. Valaistusvoimakkuusmittarien T-10A:n ja T-10MA:n tekniset tiedot Liite 2. Värivalaistusvoimakkuusmittarin CL-200A-tekniset tiedot Liite 3. CRI-valaistusmittarin CL-70F-tekniset tiedot Liite 4. Spektripohjaisen valaistusvoimakkuusmittari CL-500-tekniset tiedot Liite 5. Luminanssimittarien LS-150 ja LS-160:n sekä väriluminanssimittarien CS-150 ja CS-160:n tekniset tiedot Liite 6. Väriluminanssimittarin CS-200-tekniset tiedot Liite 7. Kuvantavan luminanssimittarin kameran Canon 70M-tekniset tiedot Liite 8. Lighting Passport Flasgship Pro-mittalaitteen tekniset tiedot Liite 9. Goniofotometrin RiGO801 – 1500-tekniset tiedot Liite 10. Kaukokenttägoniofotometrin LSG-2000-tekniset tiedot Liite 11. GS-IS-integroivan pallon eri mallien tekniset tiedot Liite 12. DAS-2100-spektrianalysaattorin tekniset tiedot Liite 13. Albertinkadun DALI-järjestelmän sähköpiirustus sekä kuva ohjauspaneelista Liite 14. Yhden DALI-systeemin, aliverkon, standardiarvot Liite 15. Valaisimien ryhmiä sekä valonsäätöä DALI-järjestelmässä Myyrmäen valaistuslaboratoriotilassa Liite 16. Standardeihin liittyviä lähteitä Lyhenteet CIE International Commission on Illumination (ransk. Commission Internatio- nale de l´Eclairage). Kansainvälinen järjestö, joka on erikoistunut tutkimaan ja jakamaan tietoa näkemisestä, valaistuksesta ja väreistä. IESNA Illuminating Engineering Society of North America tai lyhyemmin IES. CIE:tä vastaava järjestö, joka toimii Pohjois-Amerikassa. SFS Suomen standardisoimisliitto. ISO International Organization for Standardization. Kansainvälinen standardisoimisliitto. CEN European Committee for Standardization. Euroopan standardisoimisjärjestö. IEC International Electrotechnical Commission. Kansainvälinen sähköteknil- linen standardisoimiskomissio. CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardisation. Euroopan sähköteknillinen standardisoimisjärjestö. SESKO Suomen sähköteknillinen standardisoimisyhdistys. JIS Japanese Industrial Standard. Japanin teollinen standardi. JISC Japanese Industrial Standardization Committee. Japanin teollinen stand- ardisoimiskommissio. DIN German Institute for Standardization (saks. Deutsches Institut Fur Normung. Saksan standardisoimisliitto. ANSI American National Standards Institution. Amerikan standardoimisinstituutio. SI International System of Units (ransk. Système international d'unités). Kansainvälinen yksikköjärjestelmä. BIPM International Bureau of Weights and Measures (ransk. Bureau interna- tional des poids et mesures). Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto. Päättää SI-järjestelmään liittyvistä asioista. LED Light-Emitting Diode. Puolijohdekomponentti, joka säteilee valoa, kun sen läpi johdetaan sähkövirtaa. CRI Colour Rendering Index. CIE:n värintoistoindeksistandardi. D65 CIE Standard Illuminant referring 6 500 kelvin daylight. CIE:n standardisoima 6 500 kelvinin päivänvaloa vastaava päivänvalolamppu. TM-30 Technical Memorandum 30. Värintoiston arvioinnin menetelmä. SDCM Standard Deviation Colour Matching. Keskihajonnan värivastaavuus. S/P-suhde Skotooppisen ja fotooppisen näkemisen välinen aallonpituusalueiden suhde. V(λ) Spektrinen valoteho fotooppisen näkemisen alueella. V’(λ) Spektrinen valoteho skotooppisen näkemisen alueella. Duv Delta uv. Määritelmä, kuinka kaukana värivastattu värilämpötila sijaitsee Planckin käyrältä. CCF Color Correction Factor. Värinkorjauskerroin. PMT Photomultiplier. Valomonistinputki CCT Correlated Color Temperature. Värivastaava värilämpötila. DALI Digital Addressable Lighting Interface. Digitaalinen valaistuksenohjausjärjestelmä. SDMC Standard Deviation Color Match. Keskihajonta värin mukaan. DSLR Digital Single-lens reflex camera. Digitaalinen refleksikamera. 1 1 Johdanto Tässä insinöörityössä perehdytään valaistuslaboratorion mittauslaitteistoihin, mittaustiloihin sekä mittauksissa huomioon otettaviin standardeihin. Lisäksi otetaan kantaa rakenteilla olevan valaistuslaboratorion suunnitelmaan. Työn tavoitteena on tuottaa helppo apuväline valaistuslaboratorioille. Työ tehtiin tutkimusprojektina Metropolia Ammattikorkeakoululle. Insinöörityössä käydään läpi valaistuslaboratorion sisältöä: minkälaiset tulisi tilojen olla, minkälaisia mittalaitteita olisi hyvä käyttää, mitä ominaisuuksia laitteilla mitataan sekä mitä asioita tulisi ottaa huomioon mittauksia tehdessä. Työssä opastetaan yleisiä huomioon otettavia kansainvälisiä mittauksiin ja mittauslaitteistoihin liittyviä standardeja. Työssä käydään lopuksi läpi tutkimusprojektina Myyrmäkeen tulevan valaistuslaboratorion suunnitelmaa. Myyrmäen valaistuslaboratoriotilat tulevat näillä näkymin valmistumaan vuonna 2017.