Основные светотехнические величины и единицы их измерения

Часть электромагнитного спектра с длинами волн 10-340000 нм называется оптической областью спектра, которая делится на инфракрасное (тепловое) излучение с длинами волн l=340000…770 нм, видимое излучение 770..380 нм, ультрафиолетовое излучение 380…10 нм.

Длинами волн свыше 340000 нм характеризуются радиоволны, длину менее 10 нм имеют гамма-излучение и рентгеновское излучение.

В пределах видимой части спектра излучения различной длины волн вызывают различные световые и цветовые ощущения: от фиолетового (l= 400 нм) до красного (l= 750 нм) цветов. Наибольшая чувствительность зрения наблюдается к излучению с длиной волны 555 нм (желто-зеленый цвет) и уменьшается к границам видимого спектра.

Освещение характеризуется количественными и качественными показателями.

К количественным показателям относятся: световой поток, сила света, освещенность, яркость.

Световой поток F - та часть лучистого потока, которая воспринимается зрением человека как свет. Измеряется в люменах (лм). Величина является не только физической, но и физиологической, т.к. измерение ее основывается на зрительном восприятии.

Все источники света излучают световой поток в пространство неравномерно, поэтому вводится величина пространственной плотности светового потока, характеризуемая силой света в заданном направлении.

Сила света I – отношение светового потока dФ, исходящего от источника и распространяющегося равномерно внутри элементарного телесного угла dW, к величине этого угла.

I = dF/dW.

Единица силы света – кандела (кд). Эта единица является основной в системе СИ наряду с килограммом,  метром, секундой и т.д. 1 кд – сила света, испускаемого с поверхности площадью 1/600000 м² полного излучателя (государственный световой эталон) в перпендикулярном направлении при температуре затвердевания платины (2046,54 К) и давлении 101325 Па.

Телесный (пространственный) угол представляет собой часть пространства, ограниченную конической поверхностью. Телесные углы измеряются в стерадианах (ср). Телесный угол величиной в 1 ср вырезает на поверхности сферы радиуса r, центр которой совпадает с его вершиной, участок площадью r ².

По аналогии: плоский угол величиной в 1 рад вырезает на окружности, центр которой совпадает с его вершиной, дугу длиной r.

Продолжая аналогию, определим величину полного телесного угла в стерадианах. Известно, что длина окружности равна 2πr, следовательно, величина полного плоского угла составляет 2πрад. В случае телесного угла речь идет о пространственной фигуре – сфере, т.е. полный телесный угол охватывает всю поверхность сферы, равную 4π r ², следовательно, полный телесный угол в стерадианах равен 4π.

Освещенность Е – отношение светового потока dF, падающего на элемент поверхности dS, к площади этого элемента.

Е = dF/dS.

Яркость L элемента поверхности dS под углом α относительно нормали этого элемента есть отношение светового потока d²F к произведению телесного угла dW, внутри которого он распространяется, на площадь проекции элемента dS на плоскость, перпендикулярную направлению взгляда (рис. 1.1).

 

 

α

ds

ds cosα

Глаз наблюдателя

 

 

Рис. 1.1 К определению яркости

 

L = d² F /dWd S cosα = d I /d S cosα,

где d I - сила света, излучаемого поверхностью d S в направлении α.

Яркость измеряется в кд/м².

 

Основные качественные показатели освещения:

 

1) коэффициент пульсации, характеризующий относительное изменение освещенности во времени:

 

E, лк

τ, с

E max

Eср

E min

 

 

Рис. 1.2 К определению коэффициента пульсации освещенности

 

2) показатель ослепленности и дискомфорта (определяется повышенной яркостью рассматриваемых поверхностей – прямой и отраженной блескостью. Прямая или отраженная блескость наблюдаются, если в поле зрения попадают, соответственно, сам светящийся объект или его отражение),

3) спектральный состав света. Определяется свойствами источника света. Солнце, например, характеризуется полнотой излучаемого спектра, лампы накаливания излучают, в основном, в инфракрасной области и лишь частично – в области видимого спектра (красно-желтая область).

 

Для оценки условий зрительной работы используются следующие характеристики:

1) объект различения (наименьший размер рассматриваемого предмета),

2) фон (поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается). Световые свойства фона определяются способностью поверхности отражать (характеризуется коэффициентом отражения r, равным отношению отраженного от поверхности светового потока F_отр к падающему на нее световому потоку F_пад), пропускать (характеризуется коэффициентом пропускания t, равным отношению прошедшего через поверхность светового потока F_пр к падающему световому потоку F_пад) и поглощать свет (характеризуется коэффициентом поглощения b, равным отношению поглощенного поверхностью светового потока F_погл к падающему световому потоку F_пад). Фон считается светлым при r> 0,4; средним при 0,2≤r≤0,4 и темным при r< 0,2.

3) контраст объекта с фоном (относительная разность яркостей рассматриваемого объекта и фона; контраст считается большим при К>0,5, средним при К=0,5…0,2 и малым при К<0,2), видимость объекта.

 

 Системы и виды освещения. При освещении производственных помещений используют естественное освещение, создаваемое светом неба (прямым и отраженным), искусственное, осуществляемое электрическими лампами, и совмещенное, при котором в светлое время суток недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

В спектре естественного (солнечного) света, в отличие от искусственного, гораздо больше необходимых для человека ультрафиолетовых лучей; для естественного освещения характерна высокая рассеянность света, весьма благоприятная для зрительных условий работы.

Естественное освещение подразделяют на боковое, верхнее и комбинированное. По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть двух систем–общее и комбинированное (общее + локальное у рабочих мест). По режиму работы – рабочее, аварийное, эвакуационное, дежурное.

 

Основные требования к производственному освещению

1. Освещенность на рабочем месте должна соответствовать характеру зрительной работы (размеры объекта различения, фон, контрастность объекта и фона).

2. Необходимо обеспечить достаточно равномерное распределение яркости на рабочей поверхности, а также в пределах окружающего пространства.

3. На рабочей поверхности должны отсутствовать резкие тени.

4. В поле зрения должна отсутствовать прямая и отраженная блескость, т.е. повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительных функций (ослепленность), т.е. ухудшение видимости объектов. Прямую блескость ограничивают уменьшением яркости источников света, правильным выбором защитного угла светильника, увеличением высоты подвеса светильников. Отраженную блескость ослабляют правильным выбором направления светового потока на рабочую поверхность, а также изменением угла наклона рабочей поверхности. Там, где это возможно, следует заменять блестящие поверхности матовыми.

5. Величина освещенности должна быть постоянной во времени.

6. Следует выбирать оптимальную направленность светового потока.

7. Следует выбирать необходимый спектральный состав света. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи.

8. Все элементы осветительных установок должны быть достаточно долговечными, электробезопасными, а также не должны быты причиной возникновения пожара или взрыва.

 

Естественное освещение. Нормирование и расчет. Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая освещенность изменяется в чрезвычайно широких пределах. Эти изменения обусловливаются временем дня, года и метеорологическими факторами: характером облачности и отражающими свойствами земного покрова. Поэтому естественное освещение нельзя количественно задавать величиной освещенности. В качестве нормируемой величины для естественного освещения принята относительная величина – коэффициент естественной освещенности (КЕО), который представляет собой выраженное в процентах отношение освещенности в данной точке внутри помещения Ев к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности Ен, создаваемой светом полностью открытого небосвода. Таким образом, КЕО оценивает размеры оконных проемов, вид остекления и переплетов, их загрязнение, т.е. способность системы естественного освещения пропускать свет.

Естественное освещение в помещениях регламентируется нормами СНиП 23-05-95[3]. Нормируемый КЕО зависит от точности зрительной работы, контраста объекта с фоном, характеристики фона. Для учета района расположения зданий на территории России и ориентации здания относительно сторон света в найденный по таблицам коэффициент вводятся поправочные множители. При боковом освещении нормируется минимальное значение КЕО в помещении.

Кроме количественного показателя КЕО нормируют и качественную характеристику – неравномерность естественного освещения. Это соотношение наибольшего и наименьшего значений КЕО в пределах характерного разреза помещения.

КЕО может быть определен тремя методами: аналитическим, графическим (с применением графиков Данилюка) и методом прямого измерения.

Аналитически й метод состоит в применении формулы, в которую введены поправочные коэффициенты для учета не только прямого потока света через световые проемы в помещение, но и отраженных потоков, а также степени рассеивания света в переплетах проемов и во внутренней среде помещения, затенения световых проемов близстоящим зданием, размеров оконных проемов и их расположения в ограждающей конструкции:

 

,

где S₀,S_п – площадь, соответственно, оконных проемов и пола помещения, м²;

r₁ – коэффициент, учитывающий отраженные потоки от внутренних поверхностей помещения;

τ₀ – коэффициент, оценивающий рассеивание света в переплетах оконных проемов и во внутренней среде помещения;

k₁ – коэффициент, характеризующий степень затенения оконных проемов соседними строениями;

η₀ – световая характеристика, зависящая от размеров и расположения оконных проемов.

 

При определении КЕО графическим методом вводят ряд допущений: небосвод принимают за полусферу равномерной яркости (действительное состояние небосвода приближается к условиям этого допущения только при сплошной облачности); прямые солнечные лучи, отраженный свет от земли, соседних зданий и зеленых насаждений не учитываются. Величину КЕО определяют графическим способом по методу Данилюка, который основан на графическом нахождении проекций участков небосвода, видимых через световые проемы, на освещаемую плоскость. По этому методу видимый горизонт небосвода разбивается параллелями и меридианами на 10000 равных участков. Так как небосвод принят за полусферу равномерной яркости, то полагают, что из каждого участка исходят лучи одинаковой световой активности. Это дает возможность свести определение КЕО к подсчету количества видимых участков небосвода. Для подсчета этих участков А.М. Данилюком предложены два графика, накладываемых на вертикальный разрез и горизонтальный план помещения. КЕО представляет собой произведение числа лучей, проходящих через оконные проемы на первом и втором графиках:

КЕО = 0,01 n₁*n₂, %;

где 0,01%– относительная величина световой активности каждого участка.

 

Метод прямого измерения состоит в определении с помощью люксметра освещенности на рабочем месте и вне помещения и последующем вычислении их отношения. Является наиболее точным.

 

Искусственное освещение. Нормирование и расчет

 

Искусственное освещение создается искусственными источниками света – лампами. Для характеристики ламп используют четыре группы параметров:

1) Электрические: напряжение U, В; потребляемая мощность P, Вт;

2) Светотехнические: световой поток F, лм; максимальная сила света I, кд;

3) Конструктивные: форма колбы лампы, форма тела накала, наличие и состав газа-наполнителя и др.;

4) Эксплуатационные: срок службы τ, ч; световая отдача F/P, лм/Вт.

 

В табл. 1.1 приведены некоторые сравнительные характеристики наиболее распространенных типов ламп.

 

Табл. 1.1

Тип лампы	Принцип действия	Срок службы τ, ч	Световая отдача F/P, лм/Вт
Накаливания	Свечение возникает в результате нагрева вольфрамовой нити до высоких температур	1000	8…12
Галогеновая накаливания	То же, что и для ламп накаливания, но в колбе присутствуют пары галогенов (I, Br), которые замедляют испарение вольфрама и продлевают срок службы лампы	3000	10…15
Газоразрядная	Свечение возникает в результате тлеющего электрического разряда в газах	10000	До 85
Люминесцентная	Разновидность газоразрядной лампы; колба заполнена парами ртути, свечение, возникшее в ультрафиолетовой области, слой люминофора преобразует в свечение видимого спектра	10000	До 85
Светодиодная	Свечение возникает в светодиодах в результате электронных переходов	50000	110

 

Для защиты от действия окружающей среды лампы помещают в специальную арматуру – светильники.

Каждый светильник особым образом распределяет световой поток лампы в пространстве. Это распределение характеризует кривая силы света (КСС):

 

 

 

Рис. 1.3 Кривые силы света: Д – косинусная, Г – глубокая, К – концентрированная, Л–полуширокая, Ш – широкая, М – равномерная, С – синусная [9].

 

Кроме кривой силы света, светильники характеризуются коэффициентом полезного действия:

 , где F _св и F _л – световой поток, соответственно, светильника с помещенной в него лампой и лампы отдельно, лм.

 

Нормируемой величиной искусственного освещения является минимальная освещенность рабочей зоны. СНиП 23-05-95 [3] определяют величину минимальной освещенности в зависимости от характеристики зрительной работы, контраста объекта и фона, а также от характеристики фона. Также документ нормирует некоторые качественные характеристики освещения.

Искусственное освещение делится на общее и комбинированное (общее+локальное у рабочих мест). Использование только локальных светильников не допускается, т.к. большие контрасты в поле зрения неблагоприятно влияют на здоровье человека.

 

Задачей расчета является определение необходимой мощности электрической осветительной установки для создания в производственном помещении заданной освещенности.

Последовательность расчета:

1) Выбрать тип источника света.

2) Определить систему освещения.

3) Выбрать тип светильников.

4) Распределить светильники и определить их количество. Светильники могут располагаться рядами, в шахматном порядке, ромбовидно.

5) Определить норму освещенности на рабочем месте.

 

Для расчета искусственного освещения применяются следующие методы:

1) Метод использования светового потока. Является наиболее точным. Служит для расчета общей равномерной горизонтальной освещенности. Суть метода состоит в определении светового потока лампы, обеспечивающего нормируемую освещенность на рабочем месте, и подборе стандартной лампы, световой поток которой близок по значению к расчетному. Расчет производят по формуле:

, лм,

где Е _н – нормируемая освещенность на рабочем месте, лк;

S – площадь освещаемой рабочей поверхности (соответствует площади пола помещения, S = AB), м²;

K – коэффициент запаса;

Z – коэффициент минимальной освещенности (K и Z являются справочными данными для данного типа источника света);

N – количество ламп на плане помещения;

η – коэффициент использования светового потока, определяемый по справочным данным с использованием индекса помещения  (h – расстояние между рабочей плоскостью и плоскостью размещения светильников).

 

Световой поток стандартной лампы должен удовлетворять условию:

-10 % ≤  ≤ 20 %,

где F _{л таб} – световой поток стандартной лампы, лм,

F _л  – расчетный световой поток, лм.

 

Т.к. для стандартной лампы известна ее мощность, в завершение расчета определяется суммарная мощность осветительной системы:

P = P _1л N,  где P _1л – электрическая мощность выбранной лампы, Вт.

 

2) Точечный метод. Используется для определения освещенности в отдельных точках поверхностей, произвольным образом ориентированных в пространстве. 

r

S

α

Ar

r

S

α

Ar

 

 

Рис. 1.4 К расчету освещенности точечным методом

 

Для точки А, находящейся на расстоянии r от источника света S, освещенность рассчитывается по формуле:

 , лк, где I _α – сила света от источника S в направлении точки А;

α - угол между нормалью к поверхности и лучом SA;

k – коэффициент запаса.

Если освещенность в точке создается несколькими светильниками, то результирую­щая освещенность определяется по принципу суперпозиции:

, где E_i – освещенность, создаваемая в точке i -тым светильником, лк.

3) Метод удельной мощности (метод Ватт). Является ориентировочным, точность его невысока. Позволяет определить необходимую электрическую мощность одной лампы P _1л по приблизительному справочному значению удельной мощности осветительной системы p, вт/м², необходимой для обеспечения нормируемой освещенности E _н:

, где S – площадь помещения, м²; N – количество светильников.

Средства индивидуальной защиты органов зрения. Контроль освещения.

Для защиты глаз применяют защитные очки, щитки, шлемы. Необходим тщательный уход за установками освещения: контроль исправности схем включения, чистка стекол световых проемов и светильников, замена перегоревших ламп, ежегодный контроль уровня освещенности. Основным прибором для измерения освещенности является объективный люксметр, основанный на принципе измерения фототока. Ток возникает в цепи селенового фотоэлемента и соединенного с ним гальванометра под влиянием падающего на чувствительный слой светового потока. Отклонения стрелки гальванометра пропорциональны освещенности фотоэлемента. Шкала прибора проградуирована в люксах.