Измерение нормируемой величины теплового облучения.

Поток тепла, обусловленный инфракрасным излучением, является векторной величиной. Соответственно, датчики, применяемые в измерительных приборах, могут быть либо направленного действия, либо изотропные. Практически все приборы, использующиеся в отечественной практике санитарно-гигиенического контроля, представляют собой ИК-радиометры с ограниченным углом зрения. Эти приборы с датчиками направленного действия можно использовать для измерения потоков теплового излучения от источников с небольшими угловыми размерами, полностью попадающих в поле зрения радиометра. Задача существенно усложняется в случае источника больших размеров, или если источников несколько и облучение происходит с нескольких направлений. В нормативных документах [4] и [5] дана рекомендация измерять тепловое излучение в нескольких направлениях («от каждого источника, располагая приемник прибора перпендикулярно падающему потоку»), однако умалчивается, что обработка результатов измерения представляет собой нетривиальную задачу, не всегда имеющую корректное решение [8]. Задача практически не решаема для нестационарных (например, движущихся) источников.

Наиболее подходящим прибором с изотропной чувствительностью, для измерения интегрального (всесторннего) теплового облучения, представляется шаровой термометр. Очевидно, что необходим соответствующий алгоритм пересчета результатов измерения температуры в интегральное тепловое облучение. В основе такого пересчета лежит уравнение (5) баланса тепловых потоков для сферы

J₁= ε * σ * Т⁴_g + h_g* (T_g- T_a) (15)

здесь введено обозначение J₁ = εσ Т⁴_r для потока падающего на сферу ИК-излучения.

Нагрев или охлаждение организма за счет теплового облучения определяется разностью между падающим излучением и собственным излучением с поверхности одежды J₂ = εσ Т⁴_c. В этом определении через T_c обозначена температура (абсолютная) поверхности одежды (эта же температура в градусах Цельсия: t_c). Разница ΔJ = J₁ - J₂ определяет скорость нагрева организма за счет ИК-излучения. В [8] эта величина названа биологически эффективным тепловым облучением. После несложных преобразований величину ΔJ можно определить через температуры одежды, воздуха и показания шарового термометра формулой:

ΔJ = ε * σ * (Т⁴_g- Т⁴_c) + h_g* (T_g- T_a) (16)

Эту величину и следует сравнивать с нормами при определении классов условий труда.

Соотношение (16) определяет тепловое воздействие ИК-излучения через хорошо измеряемые температуры сферы Т_g и воздуха Т_а, однако в него входит и температура поверхности одежды Т_с измерение которой гораздо сложнее: ее необходимо измерять в нескольких точках с последующим усреднением результатов. Несколько теряя в точности, можно заменить температуру Т_с в (16) на температуру воздуха Т_а. Это, по-видимому, приведет к некоторому изменению нормируемых значений теплового облучения, что, однако, приведет к существенному упрощению процедуры контроля параметров микроклимата.

Подбор одежды как средства индивидуальной защиты от неблагоприятного воздействия метеопараметров.

Обоснованные рекомендации по выбору одежды, обеспечивающей комфортную работу в реально существующих производственных условиях, являются важным моментом санитарно-гигиенического исследований при АРМ и производственном контроле.

Фактически, за счет правильного выбора одежды можно существенно улучшить условия труда и снизить профессиональные риски, не меняя производственную среду. Для этого, однако, рекомендации должны быть убедительно обоснованы результатами расчетов теплообмена организма с окружающей средой. В зависимости от целей таких расчетов (требования к параметрам микроклимата, ограничения на энерготраты, расчет термосопротивления одежды и т.п.) должны выбираться алгоритм и последовательность анализа отдельных каналов теплообмена. В рамках темы настоящего обсуждения может представить интерес то обстоятельство, что использование шарового термометра существенно упрощает и уточняет расчет термосопротивления одежды, обеспечивающей индивидуальную защиту от неблагоприятного воздействия микроклиматических условий.

Для того, чтобы показать это, следует уточнить ту простейшую модель теплообмена организма со средой, которая была описана выше в разд.2.

Если изначально задаваться полными энергозатратами W_пол , для расчетов теплообмена из них следует вычесть механическую мощность W_мех , теплопотери на испарение пота W_пот , и теплопотери при дыхании W_лег . Оставшаяся мощность W_h = W_пол - W_пот - W_лег должна быть отведена через одежду. Соответствующий поток тепла J задается формулами:

J = W_h/ S = (t_s- t_c) / Iclo (17)

здесь Iclo – термосопротивление одежды, остальные переменные описаны выше.

Исследования по физиологии терморегуляции [9] показывают, что для каждого уровня энергозатрат существует физиологически обусловленная оптимальная температура кожи t_s, так что, если определить и температуру поверхности одежды t_с, то из уравнения (17) можно определить величину термосопротивления одежды Iclo, обеспечивающей оптимальные условия работы с заданными полными энергозатратами W_пол . Для определения t_с следует решить уравнение теплообмена с учетом кондуктивного и радиационного каналов теплообмена на поверхности одежды:

J = h_с* (T_с- T_a) ε * σ * (Т⁴_c- Т⁴_r) (18)

 

В этом соотношении опять появляется радиационная температура теплового излучения T_r, которую можно определить с помощью шарового термометра. Объединяя уравнения (5), (17) и (18) в систему и исключая из нее J и T_r, получим уравнение

ε * σ * Т⁴_c+ h_c * T_с= ε * σ * Т⁴_g+ h_g* T_g + W_h/ S + (h_c- h_g) * T_a (19)

решая которое определяем температуру T_c поверхности одежды, после чего из (17) определяется Iclo.

Коэффициент теплоотдачи h_g с поверхности сферы Вернона определяется как конструкцией сферы (ее диаметром), так и метеопараметрами (скоростью движения воздуха, его температурой и пр.). Существует возможность подобрать такую сферу, у которой этот коэффициент будет равен коэффициенту теплоотдачи h_с с поверхности одежды. В этом случае в уравнение для определения температуры поверхности одежды T_c температура воздуха T_а не входит – для определения T_c достаточно показаний шарового термометра. Это существенно упрощает расчеты термосопротивления одежды, обеспечивающей комфортные условия работы.

В любом случае, использование одежды с правильно рассчитанным термосопротивлением представляет собой пример эффективного подбора средства индивидуальной защиты от неблагоприятного воздействия микроклиматических условий. Пример конкретных расчетов, демонстрирующих насколько таким способом можно улучшить условия труда, приведен в работе [10], где показано, что вполне реально понижение класса вредности на 2-3 балла.

Заключение.

Проведенный обзор возможностей использования шарового термометра свидетельствует о том, что это полезный и удобный прибор для проведения исследований воздействия микроклиматических условий на человека. Представляется целесообразным узаконить методику его применения в этих целях.

Дополнительным аргументом в пользу такого решения является то обстоятельство, что в зарубежной практике эргономических исследований тепловой обстановки шаровой термометр используется наравне с обычными термометрами, анемометрами и измерителями влажности воздуха.

Принцип действия [править]

Принцип действия основан на взаимодействии поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линиймагнитного поля. Таким образом, стрелка всегда параллельна направлению линии магнитного поля.

Электромагнитный компас [править]

Электромагнитный компас является «развёрнутым» электрогенератором, в котором магнитное поле Земли играет роль статора, а одна или несколько рамок с обмотками — ротора. Соотношение напряжений, наводимых в обмотках при движении в магнитном поле, показывает курс, либо одна обмотка устанавливается под заранее заданным углом к продольной оси самолёта или корабля, и для поддержания курса пилоту или рулевому следует рулём направления удерживать стрелку на нуле.

Преимущество электромагнитного компаса перед обычным магнитным — в отсутствиидевиации от ферромагнитных деталей транспортного средства, так как они неподвижны относительно обмоток и не наводят в них токов.

Для работы простого варианта электромагнитного компаса с индикатором в виде гальванометра требуется быстрое движение, поэтому первое применение электромагнитный компас нашёл в авиации. Был использован Чарльзом Линдбергом при перелёте через Атлантику в 1927 году. См. Earth Inductor Compass

Гирокомпас [править]

Основная статья: Гирокомпас

Гирокомпас — прибор, указывающий направление на земной поверхности; в его состав входит один или несколько гироскопов. Используется почти повсеместно в системах навигации и управления крупных морских судов; в отличие от магнитного компаса его показания связаны с направлением на истинный географический (а не магнитный) Северный полюс. Обычно гирокомпас применяется как опорное навигационное устройство в судовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, а также при решении различных задач иного рода, например, для определения точного направления при наводке орудия боевого корабля. Морской гирокомпас, как правило, очень тяжел; в некоторых конструкциях вес гироскопического ротора превышает 25 кг. Для нормальной работы гирокомпаса необходимо устойчивое основание, не испытывающее ускорений и фиксированное относительно земной поверхности, причем скорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению со скоростью суточного вращения Земли на данной широте.

История создания [править]

Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил Э. Сперри (запатентован в 1911). В последующие годы разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншютца и Сперри. Приборы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью и надежностью и удобнее в эксплуатации.

Устройство [править]

Простейший гирокомпас (не «гидро», так как гидрос — вода) состоит из гироскопа, подвешенного внутри полого шара, который плавает в жидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается на оси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.

Принцип действия [править]

Предположим, что гирокомпас находится на экваторе, а ось вращения его гироскопа совпадает с направлением запад — восток; она сохраняет свою ориентацию в пространстве в отсутствие воздействия внешних сил. Но Земля вращается, совершая один оборот в сутки. Так как наблюдатель, находящийся рядом, вращается вместе с планетой, он видит, как восточный конец (E) оси гироскопа поднимается, а западный (W) опускается; при этом центр тяжести шара смещается к востоку и вверх (позиция б). Однако сила земного притяжения препятствует такому смещению центра тяжести, и в результате её воздействия ось гироскопа поворачивается так, чтобы совпасть с осью суточного вращения Земли, то есть с направлением север — юг (это вращательное движение оси гироскопа под действием внешней силы называется прецессией). Когда ось гироскопа совпадет с направлением север — юг (N — S, позиция в), центр тяжести окажется в нижнем положении на вертикали и причина прецессии исчезнет. Поставив метку «Север» (N) на то место шара, в которое упирается соответствующий конец оси гироскопа, и, соотнеся ей шкалу с нужными делениями, получают надежный компас. В реальном гирокомпасе предусмотрены компенсациядевиации компаса и поправка на широту места. Действие гирокомпаса зависит от вращения Земли и особенностей взаимодействия ротора гироскопа с его подвесом.

Электронный компас [править]

Электронный компас в системе навигации NAVSTAR

Здесь рассматривается компас, построенный на принципе определения координат через спутниковые системы навигации. Существуют также компасы (так называемые цифровые), использующие в качестве датчика блок магниторезисторов или элементов Холла. Последние представляют собой микроэлектромеханические системы, способные определять своё относительное положение в магнитном поле Земли, в отличие от использующих спутниковый сигнал устройств, которые компасами в классическом смысле не являются, так как представляют собой лишь приборы с индикацией путевого угла в виде компаса.

История создания [править]

История создания электронного компаса тесно связана с системами спутниковой навигации.

 

Принцип действия [править]

Принцип действия такого компаса весьма прост:

1. На основании сигналов со спутников определяются координаты приёмника системы спутниковой навигации (и, соответственно, объекта)

2. Засекается момент времени, в который было сделано определение координат.

3. Выжидается некоторый интервал времени.

4. Повторно определяется местоположение объекта.

5. На основании координат двух точек и размера временного интервала вычисляется вектор скорости движения и из него:

· направление движения

· скорость движения

6. Осуществляется переход к шагу 2.

Ограничения:

· Естественно, если объект не перемещается, направление движения узнать не получится. Исключение составляют достаточно большие объекты (например, самолёты), где есть возможность установить 2 приёмника (например, на концах крыльев). При этом координаты двух точек можно получить сразу, даже если объект неподвижен, и перейти к пункту 5.

· Ещё одно ограничение обусловлено точностью определения координат спутниковыми системами позиционирования и влияет, главным образом, на тихоходные объекты (пешеходов).

Старый корабельный компас.

Ориентирование на местности [править]

Определение направлений на стороны горизонта по компасу выполняется следующим образом. Мушку визирного устройства ставят на нулевое деление шкалы, а компас — в горизонтальное положение. Затем отпускают тормоз магнитной стрелки и поворачивают компас так, чтобы северный её конец совпал с нулевым отсчетом. После этого, не меняя положения компаса, визированием через целик и мушку замечают удаленный ориентир, который и используется для указания направления на север. Направления на стороны горизонта взаимосвязаны между собой, и, если известно хотя бы одно из них, можно определить остальные. В противоположном направлении по отношению к северу будет юг, справа — восток, а слева — запад.

См. также