ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. Методические указания к лабораторной работе

Методические указания к лабораторной работе

 

 

Темплан 2007 г. Поз. № 23.

Лицензия ИД № 04790 от 18.05.2001 г.

Подписано в печать 02.04.2007 г. Формат 60´84 1/16. Бумага газетная.

Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16.

Тираж 100 экз. Заказ.

Волгоградский государственный технический университет

400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28.

РПК "Политехник"

Волгоградского государственного технического университета.

400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35.

 

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение методики оценки показателей качества и эффективности искусственного освещения (коэффициента пульсации освещенности и световой отдачи источников света), выявление преимуществ и недостатков различных типов ламп.

Основные задачи работы:

1) освоение методов работы с люксметром-пульсаметром;

2) практическое определение коэффициента пульсации освещенности для различных типов ламп и разных схем их включения;

3) качественное исследование световой отдачи различных типов ламп путем сопоставления создаваемой ими освещенности с потребляемой мощностью.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Правильно спроектированное и выполненное освещение обеспечивает сохранность зрения человека, его центральной нервной системы, а также безопасность и повышение производительности труда на производстве.

Наилучшим для зрения человека является естественное освещение. Однако в темное время суток, при неблагоприятных погодных условиях, а также в рамках системы совмещенного освещения не обойтись без искусственного, осуществляемого электрическими лампами.

Глаз человека воспринимает узкую часть оптического диапазона – с длинами электромагнитных волн 380…770 нм. Излучение с длиной волны свыше 770 нм – инфракрасное, с длиной волны менее 380 нм – ультрафиолетовое. Изменение длины волны излучения внутри видимого диапазона глаз воспринимает как изменение цвета: от темно-фиолетового на нижней границе диапазона до темно-красного – на верхней. Важно и то, что одинаковая интенсивность видимого света с разными длинами волн может вызвать различный уровень зрительных ощущений. Наиболее чувствительно зрение человека к излучению с длиной волны 555 нм (середина видимого диапазона, желто-зеленый цвет). К границам видимой части спектра восприятие уменьшается до нуля.

Рассмотрение системы светотехнических величин удобнее начать со светового потока. Световой поток Φ – мощность лучистой энергии, излучаемой источником во всех направлениях. На первый взгляд, единицей измерения светового потока должна быть системная единица мощности – ватт. Однако световой поток оценивается по зрительному ощущению, которое испытывает глаз человека. Из двух источников, излучающих в пространство одинаковую мощность (в ваттах), но на разных длинах волн, например, в красной (близкой к границе видимого диапазона) и зеленой (в середине видимого диапазона) частях спектра, больший световой поток создает «зеленый» источник, так как человеческое зрение к нему более восприимчиво. Поэтому световой поток измеряют в специальных единицах – люменах (лм). Подчеркнем, что световой поток является параметром источника света, а не характеристикой условий зрительной работы.

Источники, как правило, излучают свет в пространство неравномерно. Для оценки интенсивности излучения в разных направлениях вводится еще одна характеристика источника. Это сила света I – пространственная плотность светового потока в данном направлении, т. е. отношение светового потока dФ, исходящего от источника и распространяющегося равномерно внутри малого телесного угла dΩ, к величине этого угла: I = dФ/dΩ. Единица измерения – кандела: 1 кд = 1 лм/стер (стер – стерадиан).

Основной характеристикой условий зрительной работы является освещенность Е – отношение светового потока dФ, падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dS: Е = dФ/dS. За единицу освещенности принят люкс (лк): 1 лк = 1 лм/м². Именно освещенность количественно оценивает бытовые понятия «много света – мало света», а создание достаточной по величине освещенности в первую очередь обеспечивает комфортные зрительные условия.

Еще одной светотехнической характеристикой (источника света) является яркость L (кд/м²) элемента светящейся поверхности dS под углом θ к нормали этого элемента – отношение создаваемой им силы света I в данном направлении к площади его проекции на плоскость, перпендикулярную данному направлению: L = I/(dS∙cosθ). В отличие от освещенности, увеличение яркости негативно сказывается на условиях зрительной работы: наличие ярких источников в поле зрения вызывает ослепленность (правильнее говорить: «наличие в поле зрения прямой или отраженной блескости», так как яркость является собственной характеристикой источника и присутствие в поле зрения яркого, но удаленного источника света ослепляющего действия не оказывает).

Следующая светотехническая характеристика – коэффициент отражения ρ фона (поверхности, непосредственно прилегающей к объекту различения). Определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока Ф_ОТР к падающему на нее Ф_ПАД: ρ = Ф_ОТР/Ф_ПАД. Фон считается светлым при ρ > 0,4, при ρ = 0,2…0,4 – средним, при ρ < 0,2 – темным.

Контраст объекта с фоном К определяется как отношение модуля разности яркостей объекта L_О и фона L_Ф к яркости фона: К = |L_О – L_Ф| /L_Ф. Контраст считается большим при К > 0,5, средним при К = 0,2…0,5 и малым при К < 0,2.

Последняя из основных светотехнических характеристик – видимость V. Описывает способность глаза воспринимать объект. Определяется числом пороговых контрастов в результирующем контрасте К объекта с фоном: V = K/К_ПОР (К_ПОР – наименьший различимый контраст).

Основным (количественным) нормируемым показателем для искусственного освещения является минимальная освещенность рабочей поверхности. Согласно СНиП 23-05-95 [4] величина нормы освещенности Е_Н зависит от разряда зрительной работы (основной фактор), контраста объекта с фоном (с увеличением контраста Е_Н снижается), характеристики фона (в целом Е_Н несколько выше для более светлого фона), а также от системы освещения (при комбинированном освещении требуется большая освещенность, чем при общем). Установлено восемь разрядов зрительной работы. К тому или иному разряду ее относят по точности, т. е. по величине наименьшего (непосредственно в мм) или эквивалентного размера объекта различения (с учетом расстояния до него). Для зрительной работы наивысшей точности (разряд I) размер объекта различения менее 0,15 мм, для грубой работы (разряд VI) – свыше 5 мм (к разрядам VII и VIII относятся работа со светящимися объектами и общие наблюдения соответственно). С переходом к более точным работам (от низших разрядов к I-му) минимально необходимая освещенность Е_Н возрастает.

Отношение максимальной освещенности к минимальной (в разных местах освещаемой рабочей поверхности) не должно превышать:

– для работ I…III разрядов – 1,3 при использовании люминесцентных ламп и 1,5 для других (точечных) источников света;

– для работ IV разряда и ниже – 1,5 и 2,0 соответственно.

С той же целью – равномерного освещения рабочих поверхностей – в рамках комбинированной системы светильники общего освещения должны создавать не менее 10 % суммарной освещенности, а применение на производстве только местного освещения не допускается.

Кроме освещенности нормируются и качественные характеристики искусственного освещения. Наиболее значимыми из них являются показатель ослепленности и коэффициент пульсации освещенности.

Показатель ослепленности Р – критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой:

 

P = (S – 1)∙1000, (1)

 

где S = V₁/V₂ – коэффициент ослепленности; причем V₁ – видимость объекта наблюдения при экранировании блестких (посторонних) источников света, V₂ – видимость объекта при их наличии в поле зрения.

Значения P не должны превышать: от 10…20, для I-го разряда зрительной работы, до 40 – для разрядов, начиная с IV-го.

Не менее важной характеристикой является коэффициент пульсации освещенности К_П – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока ламп (в основном, газоразрядных) при питании их переменным током:

 

K_П = 100∙(E_МАКС – E_МИН ) / 2E_СР , % (2)

где Е_МАКС и Е_МИН – соответственно максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, лк; Е_СР – среднее значение освещенности за этот же период, лк.

Так как ознакомление с коэффициентом пульсации освещенности является основной задачей настоящей лабораторной работы, остановимся на нем подробнее. Значение протекающего через лампу переменного тока дважды за период изменения становится нулевым. В эти моменты мгновенное значение излучаемого лампой светового потока в той или иной степени уменьшается. Таким образом, световой поток пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте питающего напряжения, (чаще всего – 100 Гц). Пульсация светового потока порождает пульсацию освещенности. При достаточно большой глубине пульсации видимое человеком изображение объектов (да и всей окружающей обстановки) как бы разбивается на кадры (вспомним, что в кино 24 кадра в секунду, здесь – 100). Поэтому может возникнуть стробоскопический эффект, проявляющийся в искажении восприятия быстро движущихся или вращающихся объектов. Объект может восприниматься как вращающийся с меньшей скоростью, в обратном направлении или даже неподвижным (как колеса перемещающихся автомобилей в кино). Это явление не только ухудшает условия зрительной работы, но и приводит к увеличению опасности травматизма в промышленности. Поэтому величина К_П не должна превышать 10 % для зрительных работ I и II разрядов, 15 % – для разряда III и 20 % – в остальных случаях. На экранах мониторов компьютеров (и бытовых телевизоров), как и в кино, имеет место покадровое разбиение изображения (кадровая развертка). Поэтому для устранения негативных зрительных эффектов необходимо снижать пульсацию освещенности экрана от внешних источников в еще большей степени (см. ниже). Уменьшение К_П может быть достигнуто:

– правильным выбором источника (типа лампы);

– смещением фазы тока для части ламп с помощью последовательно подключаемых к ним балластных – индуктивных или емкостных (конденсаторов) – сопротивлений (например, для одной из люминесцентных ламп в двухламповом светильнике);

– смещением фазы питающего соседние светильники (еще лучше – разные лампы в одном многоламповом светильнике) напряжения, для чего их включают в две или три разные фазы осветительной сети (трехфазное подключение эффективнее – величина К_П снижается в большей степени);

– добавлением к общему освещению, осуществляемому газоразрядными лампами, светильников местного освещения с лампами накаливания, для которых значение К_П намного меньше вследствие тепловой инерции;

– увеличением частоты питающего напряжения (при этом проявляется инерционность излучения света и для газоразрядных ламп).

Необходимость в мероприятиях по уменьшению величины К_П и выбор соответствующих средств во многом зависит от типа ламп.

В настоящее время основными типами являются лампы накаливания и газоразрядные (разрядные).

Широкое применение ламп накаливания объясняется следующими их преимуществами: просты в изготовлении, компактны и удобны в эксплуатации, включаются в сеть без дополнительных пусковых приспособлений, могут работать при снижении напряжения в сети, мало зависят от температуры окружающей среды, световой поток к концу срока службы снижается незначительно (приблизительно на 15 %), глубина пульсации светового потока невелика (величина К_П порядка 7…9 %). Последнее обусловливает их широкое применение в качестве источников местного освещения (в частности, на металлорежущих станках).

Однако лампы накаливания имеют существенные недостатки, главным из которых является низкая световая отдача: отношение испускаемого лампой светового потока к потребляемой ею электрической мощности (для ламп общего назначения находится в пределах 7…20 лм/Вт). Т. е. при использовании ламп накаливания приходится много платить за электроэнергию: получаемый с каждого ватта потребляемой мощности световой поток слишком мал – большая часть мощности расходуется на тепловое (инфракрасное) излучение. Кроме того, лампы накаливания имеют сравнительно малый срок службы (до 2,5 тыс. час.), а в спектре преобладают желтые и красные лучи, что сильно отличает его от солнечного и ведет к искажению цветопередачи. В известной степени этих недостатков лишены галогенные лампы, в которых реализован механизм осаждения испаряющегося вольфрама обратно на элемент накаливания. Это позволяет повысить температуру последнего и тем самым приблизить спектр излучения к естественному, увеличив световую отдачу до 40 лм/Вт и одновременно не ухудшив долговечность (свыше 3 тыс. час.). К тому же, галогенные лампы обеспечивают наименьший коэффициент пульсации освещенности (порядка 1…2 %).

В газоразрядных лампах световое излучение генерируется электрическим разрядом в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также в результате явления люминесценции. Эти лампы делятся на два основных вида: газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД) и люминесцентные (ЛЛ), называемые также газоразрядными лампами низкого давления. ГЛВД применяются в условиях, когда требуется высокая световая отдача при компактности источника света и стойкости к неблагоприятным условиям внешней среды. Их основные разновидности: дуговые ртутные люминесцентные ДРЛ, металлогалогенные ДРИ, натриевые ДНаТ. Ксеноновые лампы ДКсТ из-за высокой мощности (от 5 кВт) внутри зданий не применяются. Общая черта ГЛВД – малые размеры светящегося тела (как и у ламп накаливания) при, как правило, высокой мощности, т. е. большая яркость, оказывающая ослепляющее действие (у ламп ДРЛ в несколько меньшей степени, так как свет излучает вся покрытая люминофором колба). Поэтому ГЛВД применяются для больших и высоких помещений.

Люминесцентные лампы, напротив, имеют большие размеры при малой яркости светящейся поверхности. Поэтому ЛЛ, учитывая их малую единичную мощность, применяются для небольших помещений при относительно малой высоте подвеса. В ЛЛ генерируемое электрическим разрядом в парах ртути ультрафиолетовое излучение попадает на покрывающий трубку изнутри слой люминофора, сообщая ему энергию для свечения в видимом диапазоне. Составом люминофора можно изменять спектр излучения. Основные типы ЛЛ (в порядке расширения спектра и приближения его к солнечному): белого света (ЛБ), дневного света (ЛД) и дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ). При необходимости правильного различения цветовых оттенков, следует применять лампы ЛДЦ.

Основным преимуществом всех видов газоразрядных ламп перед лампами накаливания является более высокая световая отдача (40…110 лм/Вт), что резко снижает потребление ими электроэнергии. Наибольшая световая отдача у натриевых ламп; у ламп ДРИ выше, чем у ДРЛ (100 против 60 лм/Вт). Световая отдача люминесцентных ламп в большой степени зависит от ширины спектра излучения. Расширение спектра сопровождается ростом затрат энергии на плохо видимое человеком излучение с близкими к границам видимого диапазона длинами волн (красные и синие лучи). Поэтому световая отдача при переходе от ламп ЛБ к ЛДЦ снижается (в зависимости от мощности) с 65…78 лм/Вт до 47…52 лм/Вт. Другим важным преимуществом газоразрядных ламп является большой срок службы, достигающий у некоторых типов 8…12 тыс. час. Отметим еще раз, что подбором инертных газов, паров металлов и люминофора можно получить любой спектр излучения, в т. ч. приближающийся к естественному.

Основным недостатком газоразрядных ламп является их малая инерционность, приводящая к существенным пульсациям светового потока и стробоскопическому эффекту. Например, одиночная лампа ДРЛ создает на освещаемой поверхности коэффициент пульсации освещенности 58 %, ДРИ – 37…48 % (в зависимости от наполнителя), ДНаТ – 72 %. «Не уступают» им и люминесцентные лампы: ЛБ – 34 %, ЛД – 55 %, ЛДЦ – 72 %. Трехфазное подключение многократно уменьшает К_П: ЛБ – 3 %, ЛД – 5 %, ЛДЦ – 7 %. Другими недостатками этих ламп являются: высокая стоимость, необходимость применения пускорегулирующей аппаратуры (для запуска требуется разогреть электроды или подать на них повышенное стартовое напряжение; ЛЛ при температуре ниже 10 ^оС могут вообще не зажигаться), сложность утилизации из-за наличия паров ртути. Некоторые типы ламп имеют длительный период разгорания (до 15 мин), у других (в частности, у ЛЛ) значительно снижается световой поток к концу срока службы. Кроме того, газоразрядные лампы могут создавать радиопомехи.

В связи с широким использованием на производстве и в быту персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ) следует отдельно остановиться на требованиях к искусственному освещению оборудованных ими рабочих мест [5]. В помещениях для эксплуатации ПЭВМ оно должно осуществляться системой общего равномерного освещения (в случае преимущественной работы с документами – системой комбинированного освещения). Особенностью является то, что нормируется не только минимальная, но и максимальная освещенность: на поверхности стола в зоне размещения документа она должна быть в пределах 300…500 лк. А освещенность поверхности экрана не должна превышать 300 лк. Яркость светящихся поверхностей (светильники, окна, потолок) – не более 200 кд/м², а бликов на экране – не более 40 кд/м². Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20. С целью ограничения прямой и отраженной блескости в качестве источников света следует применять ЛЛ: типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), – а защитный угол светильников должен быть не менее 40°. В светильниках местного освещения допускается применение ламп накаливания, в том числе – галогенных.

Работа с ПЭВМ накладывает особенно жесткие ограничения на пульсацию освещенности: величина К_П не должна превышать 5 % (отсюда и требования к применению ЛЛ типа ЛБ). Основным методом снижения глубины пульсации является использование электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), преобразующих частоту питающего напряжения. При отсутствии светильников с ЭПРА необходимо применять трехфазное подключение ламп.

Для контроля качественных характеристик искусственного освещения используются комбинированные приборы: люксметры-яркомеры и люксметры-пульсаметры (позволяют помимо освещенности определять величину коэффициента пульсации К_П).