Исследование систем освещения и их светотехнических характеристик

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

(ГУАП)

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ И ИХ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

Санкт Петербург

Составители: Колобашкина Т.В., Мушкудиани М.И., Кривенко В.П.,

Тужилкин А.А.

Рецензент - кандидат технических наук , доцент

Содержатся указания к выполнению лабораторной работы по изучению организации производственного освещения, основных светотехнических характеристик, видов и систем освещения, требований санитарных норм, методов и приборов для исследования светотехнических характеристик.

Предназначены для студентов всех специальностей университета, изучающих курс “Безопасность жизнедеятельности”.

© Санкт-Петербургский

государственный университет

аэрокосмического

приборостроения, 2015

Подписано к печати Формат 60х84 1/16 Бумага тип № 3

Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж экз.

Заказ №

Редакционно-издательский отдел

Отдел оперативной полиграфии

СПГУАП

190000, С.-Петербург, ул. Б. Морская, 67

Цель работы: ознакомление с основными светотехническими характеристиками, определяющими условия работы в производственных помещениях, с видами и системами производственного освещения, требованиями санитарных норм на производственное освещение, методами и приборами для исследования светотехнических характеристик источников света, светильников и систем освещения.

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Освещение в производственных помещениях характеризуется целым рядом количественных и качественных показателей. К количественным показателям относятся длина волны излучения, световой поток, сила света, яркость и освещенность. К качественным показателям зрительных условий работы относятся фон, контраст объекта с фоном, коэффициент пульсации освещенности.

Длина волны l равна расстоянию, пройденному электромагнитным излучением за время полного периода колебаний. Область электромагнитных излучений, лежащая между областями рентгеновских и радиоизлучений, носит название области оптических излучений. Часть области оптических излучений в пределах волн от 0,38 до 0,76 мкм занята излучениями, которые, воздействуя на глаз, вызывают ощущение света. Максимальная спектральная чувствительность глаза человека имеет место при освещении сетчатки монохроматическим излучением с длиной волны 0,554 мкм.

Световой поток F - это лучистый поток, оцениваемый по его действию на селективный приемник - глаз.

Единица светового потока - люмен (лм). Между единицей светового потока - люменом и энергетической – ваттом (Вт) имеется следующее соотношение: 1лм = 0,00161Вт.

Сила света I - пространственная плотность светового потока, равная отношению светового потока dΦ, исходящего от источника и равномерно распространяющегося в пределах элементарного телесного угла dw, к величине этого угла. Единица силы света - кандела (кд).

Сила света может быть определена по формуле

, (1)

где dw - значение элементарного телесного угла, определяемое отношением площади dS, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса R, к квадрату этого радиуса dw = dS/R²; E - освещенность.

Освещенность E - поверхностная плотность светового потока, равная отношению светового потока dΦ, равномерно падающего на элемент поверхности dS, к площади этого элемента. Единица измерения освещенности – люкс (лк).

Освещенность элемента поверхности может быть определена по формуле

, (2)

где I - сила света в направлении элемента поверхности, кд; b - угол между нормалью к элементу поверхности и направлением силы света; R - расстояние между источником и освещаемым элементом поверхности, м.

Для наклонной поверхности освещенность от точечного источника света при условии может быть определена через горизонтальную освещенность Е_г по формуле

, (3)

где α - угол наклона расчетной плоскости по отношению к горизонтальной плоскости; Е_г= Е_{α эксп.} при α=0.

Яркость L - поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света, излучаемого светящейся поверхностью в этом направлении, к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению.

Единицей яркости является кд/м².

Коэффициент отражения r - отношение отраженного поверхностью светового потока F_отр к световому потоку F_пад , падающему на нее,

(4)

Различные предметы видны потому, что световой поток, отраженный ими, частично воспринимается глазом. Значение r в зависимости от цвета поверхности колеблется в пределах от 0,1 до 0,85.

Объект различения - рассматриваемый предмет, отдельная его часть или различимый дефект (например, точка, линия, знак, пятно, трещина, риска, раковина, выводы микросхем и других радиодеталей, а также другие элементы или дефекты изделия), которые требуется различать в процессе работы.

Фон - поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается светлым при r >0,4, средним - при r = 0,2 - 0,4 и темным - при значениях r, меньших 0,2.

Контраст K объекта различения с фоном, характеризуемый соотношением яркостей рассматриваемого объекта и фона, определяется по формуле

,

где L_о и L_ф - соответственно яркости объекта и фона.

Контраст объекта различения с фоном считается большим при K > 0,5, средним - при K= 0,2-0,5 и малым - при K < 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).

Коэффициент K_п пульсации освещенности - критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током.

Коэффициент пульсации освещенности определяется по формуле

%,

где E_макс, E_мин, E_ср- соответственно максимальное, минимальное и среднее значение освещенности за период ее колебаний, лк.

В производственных помещениях применяют три вида освещения: естественное, искусственное, совмещенное.

Естественное освещение имеет большое гигиеническое и психологическое значение для человека. Естественный свет в производственных помещениях создает у работников ощущение непосредственной связи с окружающей природой, повышает обмен веществ, способствует лучшему развитию организма.

В действующих нормах на освещение (СНиП 23-05-95) определено, что помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как правило, естественное освещение. Без естественного освещения допускается проектировать помещения, которые определены нормативными документами по строительству зданий и сооружений отдельных отраслей промышленности, утвержденными в установленном порядке, а также помещения, размещение которых разрешено в подвальных и цокольных этажах зданий и сооружений.

Естественное освещение помещения оценивают по коэффициенту естественной освещенности (КЕО), равному выраженному в процентах отношению естественной освещенности E_внутр., создаваемой в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения светом небосвода (непосредственно или после отражений), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности E_нар., создаваемой светом полностью открытого небосвода

% . (5)

Для освещения помещений естественным светом в стенах или перекрытиях здания предусматриваются световые проемы, через которые световой поток проникает внутрь помещения. В зависимости от типа применяемых световых проемов естественное освещение подразделяется на:

· боковое;

· верхнее ;

· комбинированное (верхнее и боковое).

Нормируемые значения КЕО в соответствии с СНиП 23-05-95 зависят от:

· напряженности зрительной работы;

· системы освещения (боковое, верхнее, комбинированное).

Значения КЕО, регламентируемые нормами, приведены в справочных данных к лабораторной работе.

Совмещенное освещение - освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным. .При наличиидостаточного естественного освещения искусственное освещение включают, если E_нар < 5000 лк.

Согласно действующим нормам при применении совмещенного освещения нормируются как КЕО, так и освещенность, создаваемая искусственным освещением.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, охранное и дежурное.

В действующих СНиП 23-05-95 в качестве нормируемой величины искусственного освещения определена освещенность.

Значения допустимой освещенности на рабочих местах учитывают:

· напряженность зрительной работы ( размер объекта различения, контраст объекта и фона, яркость фона);

· тип источников света (разрядные или накаливания);

· систему освещения (общее или комбинированное).

Нормы освещенности производственных помещений (СНиП 23-05-95) в зависимости от размера объекта различения разделены на восемь разрядов. Разряды от I до V разбиты на четыре подразряда в зависимости от контраста объекта различения с фоном и характеристики фона.

Источники искусственного света по принципу преобразования электрической энергии в энергию видимых излучений, т.е. в световую, делятся на две основные группы: тепловые и разрядные. К тепловым источникам относятся лампы накаливания, в том числе галогенные, а к разрядным - лампы люминесцентные (высокого и низкого давления), натриевые, ксеноновые.

При сравнении источников света, используемых в производственных зданиях, важное значение имеют следующие показатели:

· световая отдача, т.е. излучаемый световой поток на единицу потребляемой мощности, лм/Вт;

· cрок службы лампы, ч;

· цветность (спектральный состав) излучения.

Кроме указанных показателей, имеют значение:

· способность ламп быстро загораться после погасания вследствие отключения питания;

· уменьшение светового потока к концу срока службы;

· влияние на световые характеристики уровня и колебаний напряжения питания;

· влияние температуры на работу ламп;

Несмотря на усовершенствование ламп накаливания, до настоящего времени не удалось устранить целый ряд присущих им недостатков. К их числу относятся:

· низкая световая отдача (7 - 22 лм/Вт);

· небольшой срок службы (1 - 2,5 тыс.час);

· сильное влияние напряжения питания на срок службы и световой поток.

Только 1 - 3% потребляемой лампами накаливания электрической энергии превращается в энергию видимых излучений.

Разрядные лампы имеют :

· больший срок службы (до 10 тыс. часов);

· световую отдачу до 50 - 120 лм/Вт.

Однако разрядные лампы чувствительны к снижению напряжения питания, а разрядные лампы низкого давления, кроме того, чувствительны и к уменьшению температуры воздуха ниже +10^° C.

Безынерционность излучения газоразрядных ламп вызывает пульсацию светового потока и может привести к появлению стробоскопического эффекта, заключающегося в искажении зрительного восприятия вращающихся или сменяющихся объектов. При этом объект может восприниматься наблюдателем как неподвижным, так и имеющим иное направление вращение.

В действующих нормах указано, что для освещения производственных и складских помещений следует использовать, как правило, наиболее экономичные разрядные лампы низкого и высокого давления (люминесцентные ЛБ, ЛДЦ, ЛБЦТ, дуговые ртутные ДРЛ, металлогалогенные МГЛ, натриевые высокого давления НЛВД). В случае невозможности или технико-экономической нецелесообразности применения разрядных источников света допускается использование ламп накаливания. Для местного освещения кроме разрядных источников следует использовать лампы накаливания, в том числе галогенные лампы МГЛ. Применение ксеноновых ламп внутри помещения не допускается.

Существующие источники искусственного освещения существенно отличаются по спектральному составу излучения.

Характеристикой распределения излучения по спектру является спектральная плотность j (l) лучистого потока

.

Спектральную плотность лучистого потока источника можно определить через U(l) по формуле

. (6)

Величина U(l) измеряется вольтметром, подключенным к выходу фотоумножителя, установленного за монохроматором. Монохроматор выделяет только ту часть излучения источника, которая приходится на определенную длину волны l. Значения функции g(l) заданы в протоколе лабораторной работы.

Для искусственного освещения используют различные светильники, представляющие собой комбинацию источника света с осветительной арматурой. Осветительная арматура предназначена для перераспределения и направления светового потока в необходимом направлении, для защиты глаз от чрезмерной яркости источника света, предохранения источника от механических повреждений и загрязнения, а также для крепления источника и подведения к нему электрического тока.

Основными светотехническими характеристиками светильника являются:

· кривая силы света;

· защитный угол;

· коэффициент полезного действия;

· светораспределение.

Кривая силы света показывает распределение силы света от источника в пространстве. Распределение силы света обычно представляют в виде таблиц или графиков (рис.1), на которых кривые силы света представлены в полярной системе координат.

Распределение силы света светильников определяется экспериментальным путем (рис.2). Если телесный угол dw сохраняется постоянным, то сила света будет пропорциональна световому потоку dФ и может быть рассчитана по формуле (1).

В практике проектирования осветительных установок промышленных предприятий используются две системы освещения:

· система общего освещения;

· система комбинированного освещения.

Система общего освещения создает одинаковую освещенность в пределах рабочей зоны. Она предназначена не только для освещения рабочих поверхностей, но и для всего помещения в целом. Поэтому светильники общего освещения обычно размещаются под потолком помещения.

Система комбинированного освещения включает в себя как светильники общего освещения, так и светильники, расположенные непосредственно у рабочего места и предназначенные для освещения только рабочей поверхности (местное освещение). Светильники общего освещения предназначены для устранения резких яркостных перепадов в поле зрения и создания необходимой освещенности по проходам помещения. Светильники местного освещения предназначены для создания освещенности на рабочей поверхности, соответствующей выполняемой зрительной работе.

Система комбинированного освещения обычно характеризуется повышенными первоначальными затратами на оборудование по сравнению с системой общего освещения. Так как установленная мощность источников света в системе комбинированного освещения обычно значительно меньше мощности источников при одном общем освещении, в особенности при высоких значениях нормированной освещенности, расход электроэнергии в условиях системы комбинированного освещения меньше, чем в условиях системы общего освещения.

Применение одного местного освещения в производственных помещениях не допускается, а в домашних условиях не рекомендуется, так как приводит к быстрому утомлению глаз.

Рис. 1. Типовые кривые силы света светильников: К- концентрированная; Г - глубокая; Д - косинусная; Л - полуширокая; М- равномерная; Ш- широкая; С – синусная.

Рис. 2. Схема измерения распределения силы света

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Для экспериментального исследования естественной и искусственной освещенности на рабочей поверхности в зависимости от различных факторов применяется специальная установка (рис. 3).

Рис. 3. Установка для исследования систем искусственного освещения

и их светотехнических характеристик.

1 - светильник "Универсаль" с лампой накаливания; 2 - светильник "ОД" с люминесцентными лампами; 3 - блок коммутации ламп; 4 - измерительный блок люксметра; 5 - селеновый фотоэлемент; 6 - штатив для крепления фотоэлемента, 7 - угломер для установки и закрепления фотоэлемента; 8 - регулируемая наклонная плоскость; 9 - горизонтальная плоскость.

Для искусственного освещения в установке используются светильник с лампой накаливания типа "Универсаль" и светильник "ОД" с люминесцентными лампами.

Люксметр Ю 116 (рис.4) предназначен для измерения освещенности, создаваемой естественным светом и искусственными источниками света. Измерительный блок 1 прибора имеет шкалы, градуированные в люксах. Шкала 2 используется при нажатой кнопке 5 с фиксацией и имеет пределы измерения 0-100 лк. Шкала 3 с пределами измерений 0-30 лк используется при нажатой кнопке 4. На боковой стенке корпуса измерительного блока расположена вилка для присоединения датчика 6 с селеновым фотоэлементом 7. Для уменьшения косинусной погрешности селенового фотоэлемента 7 применяется насадка 8, состоящая из полусферы, выполненной из белой светорассеивающей пластмассы. Насадка 8 применяется не самостоятельно, а совместно с одной из трех других насадок 9, 10 и 11, используемых для расширения диапазона измерений. Эти три насадки совместно с насадкой 8 образуют три поглотителя с общим номинальным коэффициентом ослабления 10, 100 и 1000 соответственно. Насадка 10 помечена числом 100, насадка 11 – 1000. Насадка 9 с коэффициентом ослабления 10 пометки не имеет.

2 1 4 5 8 6

Рис. 4. Люксметр Ю 116.

1- измерительный блок люксметра; 2- шкала 0-100 лк;

3 - шкала 0-30 лк; 4 - кнопка задания предела измерения

0-30 лк; 5- кнопка задания предела измерения 0-100 лк;

6 - датчик с селеновым фотоэлементом;

7-селеновый фотоэлемент; 8- насадка для уменьшения косинусной погрешности; 9, 10, 11- насадки с коэффициентом ослабления 10, 100, 1000 соответственно.

Для исследования спектральных характеристик источников света предназначена установка, изображенная на рис. 5.

Рис. 5. Установка для исследования спектральных характеристик источников света.

1 – монохроматор; 2- фотоэлектронный умножитель; 3 - вольтметр В7-27;

4-блок питания БВ-2-2; 5 - микрометрический барабан; 6 - выключатели источников света (лампа накаливания, газоразрядная лампа).

Монохроматор 1 предназначен для разложения на отдельные длины волн светового потока, создаваемого исследуемыми источниками света. Источники света переключаются с помощью выключателей 6. Требуемая длина волны устанавливается с помощью микрометрического барабана 5 монохроматора. Деления на микрометрическом барабане, соответствующие определенным длинам волн, устанавливаются в соответствии с табл. 7 протокола. Диапазон устанавливаемых для исследования длин волн 0,45 … 0,65 мкм.

Фотоэлектронный умножитель 2 служит для измерения светового излучения. Он представляет собой фотоэлектронный прибор, преобразующий световое излучение в электрический сигнал за счет явления внешнего фотоэлектрического эффекта и вторичной электронной эмиссии. На выход фотоэлектронного умножителя включается вольтметр типа В7-27.

Вольтметр 3 предназначен для измерения напряжения на выходе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). На лицевой панели размещены выключатель сети питания и переключатель пределов измерения.

Блок питания БВ-2-2 4 предназначен для питания фотоэлектронного умножителя. На переднюю панель блока выведены выключатели напряжения сети и высокого напряжения.