Comment organiser un laboratoire photométrique moderne ?
Partie 1 – sélectionner un système de goniomètre
De nombreux fabricants de produits d’éclairage utilisent des laboratoires de mesure externes pour vérifier la conformité aux normes et évaluer les performances. Certains fabricants ou importateurs s’appuient uniquement sur les fiches techniques de leurs fournisseurs et évitent d’avoir à effectuer des mesures par eux-mêmes. Cette situation est assez courante non seulement parmi les petites start-ups mais aussi dans les grandes entreprises d’éclairage dans de nombreux pays européens et au-delà.
Cette situation est due à la faible conscience de la différence entre les paramètres des composants et les paramètres fonctionnels du produit d’éclairage fini. En dehors de cela, paradoxalement, des dépenses en capital beaucoup plus élevées sont consacrées à l’organisation et à l’équipement des départements de production, et il est difficile de trouver les fonds appropriés pour financer la mise en œuvre du contrôle de la qualité alors que les fabricants ne peuvent pas en même temps vérifier ce qui est effectivement livrés aux clients.
Pourquoi vaut-il la peine d’avoir un laboratoire interne ?
Cette tendance a récemment changé et le besoin de vérification de qualité des produits en production et qualification des échantillons R&D en laboratoire. Cela est dû à la concurrence croissante sur le marché et à la nécessité d’optimiser les produits et de rechercher des solutions technologiques uniques. De plus, avec la multitude de produits différents dans le catalogue du fabricant, l’envoi de luminaires et de composants pour des tests à un laboratoire externe devient trop long et trop coûteux. Quelle que soit la taille de l’entreprise et son profil d’entreprise, de plus en plus décident de construire leur propre laboratoire photométrique afin de contrôler la qualité de leurs produits, de les comparer à la concurrence et de mieux sélectionner les composants de qualité achetés auprès de différents fournisseurs. Cette approche présente de nombreux avantages : elle soutient le développement durable de l’entreprise et renforce sa position sur le marché. Les entreprises disposant de leurs propres installations de mesure font moins d’erreurs au stade de la conception et de l’introduction du produit, peuvent mieux sélectionner les composants et les fournisseurs. De plus, les entreprises sont en mesure de réagir plus rapidement à l’évolution de la technologie, le savoir-faire reste au sein de l’entreprise et un avantage durable sur la concurrence est créé. De ce fait, la valeur de l’entreprise augmente.
Commençons la discussion sur l’organisation d’un laboratoire interne de mesure photométrique par la sélection appropriée d’un système goniométrique approprié. Quels types de goniomètres sont disponibles et lesquels doivent être utilisés pour des lampes et des luminaires à des fins d’éclairage général, et lesquels dans le domaine de l’automobile ? Quels sont les moyens de mesure et quelles valeurs peuvent être mesurées ? De plus, nous analyserons les équipements de mesure nécessaires spécifiquement pour la caractérisation des produits LED. Nous décrirons également les exigences et suggestions pour la préparation de la salle de laboratoire.
Types de goniomètres utilisés en photométrie
Différents types de goniomètres sont disponibles sur le marché ; ils se distinguent par leur géométrie de mesure, c’est-à-dire comment les données photométriques sont collectées et comment le système de mesure est mis en œuvre dans un sens mécanique.
Les types de goniomètres peuvent être fondamentalement divisés en 3 groupes, décrits en détail dans CIE 70 de 1987 [1]. Ces types sont également appelés A, B et C et diffèrent dans la façon dont le luminaire est tourné pendant la mesure et dans le système de données photométriques obtenues lors de ces mesures.
Des dessins schématiques et une description des différents types sont illustrés à la figure 1 ci-dessous :
Pour les mesures photométriques des produits destinés à l’éclairage général, il est recommandé d’utiliser un goniomètre de type C. Les goniomètres A ou B, d’autre part, sont le plus souvent utilisés dans la mesure des lampes utilisé dans l’automobile, des projecteurs et des lampes de signalisation dans le transport terrestre et l’aviation.
Il convient de mentionner qu’il existe également différentes conceptions de goniomètres de type C. Lors de la mesure de lampes à décharge, la position pendant les mesures doit être identique à la position de travail du luminaire, car le changement de position de la source de lumière modifie considérablement le niveau du flux lumineux – lumen (flux lumineux total). À cet effet, des goniomètres à bras de mesure mobile ou des goniomètres à modes miroir sont utilisés. Ces deux solutions sont très coûteuses et nécessitent de très grandes salles de laboratoire afin d’assurer une distance minimale appropriée pour la photométrie – ce qui sera discuté plus loin.
Lors de la mesure de lampes et de luminaires à LED, les goniomètres faisant tourner le luminaire sont les plus fréquemment utilisés et l’appareil de mesure est situé à un point fixe suffisamment éloigner. La position de fonctionnement d’une LED n’affecte pas fondamentalement ses performances et son efficacité. Il n’y a que des différences dues à la dissipation de chaleur différente due au radiateur, ce qui peut entraîner une diminution du flux lumineux. Cependant, les différences dans les lectures des valeurs de flux du luminaire en fonction de la position du luminaire sont généralement d’un peu plus de 1 à 3% et peuvent être compensées en utilisant une procédure de mesure appropriée et des corrections apportées aux résultats de mesure conformément aux recommandations de norme internationale reconnue CIE S025 E:2015.
Goniomètres en champ lointain et goniomètres en champ proche
Tous les goniophotomètres sont utilisés principalement pour collecter des données photométriques, c’est-à-dire les diagrammes LID (Luminous Intensity Distribution) qui représentent la distribution spatiale de l’intensité lumineuse [cd] de la source. Ces données caractérisent un luminaire ou une source et sont nécessaires à la projection d’éclairage avec l’utilisation d’un logiciel de conception de lumière.
La façon simple de calculer la valeur de l’intensité lumineuse [cd] est d’utiliser les valeurs de lux et la distance, donc le plus souvent des goniomètres à champ lointain sont utilisés. Un tel système de mesure suppose le placement d’un appareil de mesure éloigné de la source à une distance à laquelle la forme et les dimensions du luminaire ne sont pas importantes et il est mesuré en tant que source ponctuelle. La distance appropriée est la distance photométrique dite minimale, c’est-à-dire la distance pour laquelle l’inverse de la loi carrée est vrai. Lors de la détermination de la distance photométrique minimale, il est conseillé de suivre les recommandations des normes CIE, qui suggèrent une distance de 5, 10 ou 15 fois la taille de la surface d’éclairage du luminaire en fonction de la distribution lumineuse de l’échantillon. Ainsi, avec une taille de luminaire de 1 m, la distance minimale doit être de 5 m pour les luminaires à large distribution et en forme de couvercle doux. Pour les luminaires à distribution étroite, des mesures à une distance de 10 m sont suggérées et pour des luminaires spécifiques avec une distribution directionnelle à des distances de 15 m (Fig.2).
Pour les calculs d’intensité lumineuse basés sur la luminance [cm*m-²] des goniomètres à champ proche du luminaire sont utilisés, qui utilisent le plus souvent des luminomètres d’imagerie situés à une courte distance de la source testée ; ils mesurent la luminance de la surface éclairante sous différents angles. Une telle solution n’est actuellement pas recommandée pour la mesure des valeurs photométriques absolues dans les luminaires et est le plus souvent utilisée dans le cas de tests d’écrans ou d’illuminateurs techniques.
Les implémentations modernes des systèmes goniométriques utiliseront des systèmes mécano-électroniques entièrement programmables et contrôlés par ordinateur. L’utilisation de platine motorisées avec codeurs absolus permet un contrôle et une reconstruction précise de la position du goniomètre. En plus de la commande des axes C et gamma, des systèmes avec axes Z motorisés sont également disponibles, permettant un positionnement pratique de différents luminaires de différentes tailles dans l’axe de mesure. Les connecteurs pivotants avancés permettent d’alimenter les circuits d’alimentation et de mesure directement près de la plaque de montage sans risque d’enchevêtrement des câbles d’alimentation lorsque le luminaire est tourné.
Préparation de la salle
Comme il est facile de le remarquer, la taille du luminaire testé avec des goniomètres lointains recommandés pour les mesures des luminaires a un impact significatif sur la taille et l’emplacement de la salle de laboratoire. Lors de la décision sur l’emplacement, la zone de travail minimale du goniomètre, la longueur de la pièce et l’espace pour l’opérateur doivent être pris en compte. Une zone de travail de 2,5 x 2,5 m doit être prévue pour un goniomètre typique de 1,5 m ou 1,8 m de long pour les luminaires. La longueur de la pièce, en fonction de la taille des luminaires testés, doit être de 7 à 10 m, voire 15 m dans certains cas. Lors de la planification de l’emplacement d’une pièce, on peut prévoir que la distance entre le luminaire et l’appareil sur un trépied sera généralement de 10 m. Lorsque vous mesurez des luminaires plus grands, qui sont rarement mesurés, si possible, nous déplaçons le trépied avec l’appareil de mesure dans une pièce adjacente ou nous l’installons dans un couloir. De telles solutions fonctionnent bien dans de nombreuses grandes entreprises et même dans des laboratoires accrédités partout dans le monde.
Bien sûr, selon les recommandations des normes, la salle de mesure doit être sombre, sans accès à la lumière du jour (pendant les mesures) – murs, plafond et sol recouverts de matériau ou de peinture à faible indice de réflexion (noir ou graphite). La pièce doit être exempte de poussière, de vibrations et d’une température stable de 25 ° C et le mouvement de l’air ne doit pas dépasser 0,25 m / s.
Les systèmes goniométriques professionnels sont équipés d’une tête de mesure avec un tube limitant la lumière dite parasite, c’est-à-dire la lumière indésirable réfléchie par les éléments et les surfaces du laboratoire, qui pourrait être mesurée par le système de mesure. Grâce à cette solution, aucune cloison supplémentaire (chicane) entre le luminaire et l’appareil de mesure n’est nécessaire. Le tube est équipé d’éléments spécialement conçus limitant l’influence de la lumière diffuse et limitant l’angle de vision de la tête de mesure. En pratique, cela signifie qu’il est possible de travailler en chambre noire sur le poste de travail de l’opérateur avec poste de travail éclairé et le noircissement peut être limité à la zone de travail du goniomètre et à la surface directement derrière le goniomètre.
Lors du choix d’un fournisseur de système goniométrique, il convient de prêter attention au support technique qui peut être fourni par le fabricant. De nombreuses décisions importantes doivent être prises bien avant l’achat d’équipement de mesure. De plus, au stade de l’installation et de la formation, de nombreuses questions se posent, notamment auprès des personnes qui seront formées au fonctionnement du système. Il arrive souvent qu’ils n’aient aucune expérience des mesures photométriques. Lors de l’utilisation de l’équipement, il peut également y avoir de nombreuses nouvelles questions ou problèmes à résoudre, et cela vaut la peine d’avoir la possibilité de recevoir un soutien approprié et éventuellement une formation du fabricant.
Exigences particulières pour la mesure des LED
La mesure des LED n’est pas seulement liée aux valeurs photométriques telles que les courbes de distribution de la lumière [cd] ou le calcul du flux lumineux total [lm]. Pour les caractéristiques complètes des produits LED, il est nécessaire de garantir des conditions d’alimentation électrique appropriées et des mesures des grandeurs électriques [2]. Par conséquent, avec une telle approche globale des mesures dans un système de mesure complet, il convient de prendre en compte les alimentations de laboratoire programmables et stabilisées. De plus, les exigences de mesure de la température ambiante peuvent être mises en œuvre en incluant des capteurs pour l’enregistrement de la température dans le système. Tout cela peut être contrôlé par une seule interface logicielle pour contrôler les mesures optiques, électriques et de température. Cela facilite la garantie de conditions de travail appropriées et la préparation de rapports de mesure complets conformément aux dernières directives des normes internationales.
Contrairement aux goniophotomètres traditionnels, les systèmes goniométriques modernes utilisent des spectroradiomètres, qui peuvent être étalonnés pour mesurer des valeurs photométriques absolues et pour mesurer des valeurs colorimétriques simultanément. En raison de leur construction spécifique, les lampes et luminaires LED doivent être mesurés à l’aide d’un spectroradiomètre, qui peut fournir des données de mesure appropriées et précises pour les coordonnées chromatiques x, y, l’indice Duv, la température de couleur corrélée, les indices de rendu des couleurs Ra et CRI. De plus, les produits LED peuvent avoir des températures de couleur différentes selon l’angle d’éclairage, et l’utilisation du spectroradiomètre en combinaison avec le goniomètre, c’est-à-dire le goniospectroradiomètre, permet de déterminer l’uniformité angulaire de la couleur selon les recommandations des normes CIE adoptées par European Normalisation EN 13032-4: 2015-09 et IES LM 79.
Mesures électriques
Les alimentations CC de laboratoire sont capables de fournir le courant exact requis en utilisant une régulation automatique de la tension qui, dans l’environnement de fonctionnement final du produit fini, dépendra de nombreux facteurs difficiles à contrôler.
Au stade du développement des produits LED, les fabricants sont obligés de tester individuellement les composants individuels pour vérifier leur impact sur le produit fini. Dans cette situation, les tests nécessiteront l’utilisation d’une alimentation CC, moins souvent une tension alternative.
Le choix des alimentations et des compteurs électriques doit être dicté par le type de produits à mesurer. Les produits finis, les luminaires LED prêts à l’emploi ou les lampes LED pour le post-équipement doivent être testés dans des conditions similaires à celles dans lesquelles ils fonctionneront dans une installation d’éclairage prête à l’emploi. Cela signifie généralement travailler avec un courant alternatif avec différentes plages de tension et de fréquence. Pour cette raison, il est important de pouvoir simuler différents environnements d’exploitation avec une seule alimentation.
L’approche la plus professionnelle du problème décrit ci-dessus consiste à doubler la fonctionnalité de mesure en utilisant – outre les alimentations – également un wattmètre dédié. Un compteur approprié peut fonctionner avec un courant alternatif et continu sur une large gamme de tensions et de fréquences avec une précision encore plus grande que dans le cas des alimentations. De plus, ces compteurs incluent une plus large gamme de paramètres électriques qui vous permettent de répondre aux exigences de tests électriques séparés. Le plus grand avantage de l’utilisation supplémentaire d’un wattmètre séparé est qu’il peut mesurer la tension directement sur l’échantillon, éliminant ainsi l’impact de la chute de tension sur l’ensemble du circuit d’alimentation. C’est là que la conception des goniomètres modernes peut être utilisée pour fournir des circuits d’alimentation et de mesure supplémentaires près de la plaque de montage sur la colonne du goniomètre.
Comme pour les mesures électriques standard, l’influence de l’ensemble du circuit électrique doit être prise en compte. Chaque cordon d’alimentation de l’échantillon à tester a sa propre résistance et provoque une chute de tension. Il convient de prendre soin de la distribution des câbles, en tenant compte non seulement de la sécurité et du confort de fonctionnement, mais également de la chute de tension. Cette exigence augmente avec des valeurs de courant plus élevées, qui peuvent être réduites en utilisant des fils plus épais et plus courts avec une résistance plus faible.
Fonctions supplémentaires
L’étalonnage de l’ensemble du système goniométrique n’est pas nécessaire et n’est pas pratiqué. Si un spectroradiomètre ou un photomètre est utilisé, l’appareil de mesure lui-même doit être étalonné. Le fabricant doit fournir un certificat d’étalonnage d’usine ou, à la demande du client, un certificat d’étalonnage d’un laboratoire accrédité.
Il convient de rappeler que différents formats de fichiers photométriques sont utilisés sur le marché européen et au-delà. Actuellement, les plus populaires sont les fichiers au format EULUMDAT (format européen), IES (format américain) et CEI utilisés dans certaines industries et dans diverses régions du monde. Pour cette raison, le logiciel prenant en charge les mesures, les rapports et le formatage des fichiers doit être universel. Il devrait également être possible d’importer et d’exporter librement des données photométriques et de combiner des fichiers de mesure et des courbes photométriques de différentes mesures.
Avec un grand nombre de luminaires, le temps est le problème le plus courant dans les laboratoires photométriques. De nouvelles conceptions de goniomètres peuvent permettre des mesures dites à la volée, c’est-à-dire sans arrêter le goniomètre après avoir réglé le bras à un angle particulier. Dans cette variante, le luminaire est tourné dans une position donnée (plan) de manière uniforme et le système de mesure rapide collecte un grand nombre de mesures sur toute la plage. Grâce aux lectures de l’encodeur, le programme informatique affecte la valeur mesurée à la grille prédéfinie d’étapes de mesure. Cela nécessite un système de mesure très rapide.
Pour une utilisation optimale de l’espace de laboratoire et une facilité d’utilisation, il est conseillé d’envisager d’installer des glissières supplémentaires (rails) pour un réglage en douceur du trépied avec la tête de mesure le long de l’axe de mesure. Pour la mesure de petits objets avec un petit flux, la distance de mesure peut être réduite sans avoir à régler l’axe de mesure.
Bibliography
[1] CIE 70-1987 The measurement of absolute luminous intensity distribution.
[2] EN 13032-4:2015-09 Light and lighting – Measurement and presentation of photometric data of lamps and luminaires – Part 4: LED lamps, modules and luminaires.
