Основные светотехнические понятия и единицы измерения

Лаба 8.

1.  Основные светотехнические понятия и единицы измерения.

Основными световыми единицами являются световой поток (люмен), сила света (кандела-свеча), освещенности (люкс) и яркость (нит).

Люмен - световой поток F, излучаемый абсолютно черным телом, с площади 0,5305 кв. мм при температуре затвердевания платины (2042 К).

Сила света - (кандела-свеча) — пространственная плотность светового потока — отношение светового потока к величине телесного угла, в котором равномерно распределен световой поток (кандела-кд).

Освещенность (люкс) - отношение светового потока F к величине освещаемой поверхности S, измеряется люксметром (селеновый фотоэлемент и гальванометр).

Яркость (нит) - это яркость поверхности, испускающей силу света величиной в 1 свечу с площади в 1 кв. м в перпендикулярном ее направлении, т. е. 1нт=1 кд/кв. м. 1)87 % впечатлений человека от внешнего мира - это зрительные; 2)человек в темноте может разглядеть свет на расстоянии - 1 км; 3)человек ночью видит (острота зрения) как сова, но в 4 разахуже кошки, зато днем зрения кошки в 5 раз слабее человека.

2.  Характеристики объекта различия, фона, контраста.

объект различения — наименьший размер рассматри­ваемого предмета, отдельная его часть или дефект, ко­торый необходимо различить в процессе работы (например, при работе с приборами — толщина линии градуировки шкалы; при чертежных работах — толщина са­мой тонкой линии на чертеже);

фон — поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается; характеризуется коэффициентом отражения, зависящим от цвета и фактуры поверхности, значения которого на­ходятся в пределах 0,02 - 0,95; при коэффициенте отра­жения поверхности более 0,4 фон считается светлым; 0,2 - 0,4 — средним и менее 0,2 — темным;

контраст объекта с фоном К характеризуется соот­ношением яркостей рассматриваемого объекта (точка, линия, знак, пятно, трещина, риска, раковина или дру­гие элементы, которые требуется различить в процессе работы) и фона. Контраст определяют по формуле

, где Lф и Lo—яркость соответственно фона и объекта.

Контраст объекта с фоном считается большим при значениях К более 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости), средним при значениях К=0,2—0,5 (объ­ект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при значениях К менее 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).

3.  Требования к освещению производственных помещений.

Основная задача освещения на производстве — созда­ние наилучших условий для видения. Эту задачу воз­можно решить только осветительной системой, отвечающей следующим требованиям.

1. Освещенность на рабочем месте должна соответ­ствовать характеру зрительной работы, который опреде­ляется следующими тремя параметрами:

Увеличение освещенности рабочей поверхности улуч­шает видимость объектов за счет повышения их ярко­сти, увеличивает скорость различения деталей, что ска­зывается на росте производительности труда. Так, при выполнении операции точной сборки увеличение осве­щенности с 50 до 1000 лк позволяет получить повыше­ние производительности труда на 25% и даже при вы­полнении работ малой точности, не требующих большо­го зрительного напряжения, увеличение освещенности рабочего места повышает производительность труда на 2-3%. Однако имеется предел, при котором дальней­шее увеличение освещенности почти не дает эффекта, поэтому необходимо улучшать качественные характери­стики освещения.

2. Необходимо обеспечить достаточно равномерное распределение яркости на рабочей поверхности, а так­же в пределах окружающего пространства. Если в поле зрения находятся поверхности, значительно отличаю­щиеся между собой по яркости, то при переводе взгля­да с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность глаз вынужден пере адаптироваться, что ведет к утомле­нию зрения. Для повышения равномерности естественного освещения больших цехов (литейных, механосборочных) осуществляется комбинированное освещение. Светлая окраска потолка, стен и производственного оборудова­ния способствует созданию равномерного распределения яркостей в поле зрения.

3. На рабочей поверхности должны отсутствовать резкие тени. Наличие резких теней создает неравномер­ное распределение поверхностей с различной яркостью в поле зрения, искажает размеры и формы объектов различения, в результате повышается утомляемость, снижается производительность труда. Особенно вредны движущиеся тени, которые могут привести к травмам. Тени необходимо смягчать, применяя, например, све­тильники со светорассеивающими молочными стеклами.

В механических цехах, лабораториях, в помещениях точной сборки, технологических и конструкторских отде­лах необходимо предусматривать на окнах солнцеза­щитные устройства (жалюзи, козырьки, светорассеивающие стеклопластики), предотвращающие проникновение прямых солнечных лучей, которые создают на рабочих местах резкие тени.

4. В поле зрения должна отсутствовать прямая и от­раженная блескость. Блескость — повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зри­тельных функций (ослепленность), т. е. ухудшение ви­димости объектов.1

Видимость V характеризует способность глаза вос­принимать объект; зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном: V=K/Knop, где (Кпор—пороговый контраст, т. е. наи­меньший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым на фоне.

Прямая блескость связана с источниками света, от­раженная возникает на поверхности с большим коэф­фициентом отражения или отражением по направлению к глазу. Ослепленность приводит к быстрому утомле­нию и снижению работоспособности. Критерием оценки слепящего действия, создаваемого осветительной уста­новкой, является показатель ослепленности Ро значение которого определяют по формуле Ро== (V1/V2— 1) • 1000. где V1 и V2— видимость объекта различения соответст­венно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения. Экранирование источников света осуществляют с помощью щитков, козырьков и т. п.

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. Колебания освещенности, вызванные рез­ким изменением напряжения в сети, имеют большую амплитуду, каждый раз вызывая переадаптацию глаза, приводят к значительному утомлению. Пульсация осве­щенности связана также с особенностью работы газо­разрядных ламп.

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

Коэффициент пульсации освещенности Кп(%) сле­дует определять по формуле Кп= 100 (Emax—Emin)/2Ecp” где Emax, Emin и Ecp—максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период ее колеба­ния, лк.

Постоянство освещенности во времени достигается стабилизацией питающего напряжения, жестким креп­лением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп. Например, снижение коэффициента пульсации освещенности люминесцент­ных ламп с 55 до 5% (при трехфазном включении) приводит к уменьшению утомления и повышению производительности труда на 15% для работ высокой точ­ности.

6. Следует выбирать оптимальную направленность светового потока, что позволяет в одних случаях рас­смотреть внутренние поверхности деталей, в других— различить рельефность элементов рабочей поверхности.

На машиностроительных предприятиях, например, для освещения расточных станков применяют специаль­ный светильник с оптической системой. Такой светиль­ник направляет внутрь обрабатываемой полости концен­трированный световой поток лампы. Образовавшееся световое пятно имеет освещенность до 3 тыс. лк и по­зволяет проводить контроль качества обработки, не останавливая станок.

Образование микротеней от рельефных элементов облегчает различение за счет повышения видимого кон­траста этих элементов с фоном. Этот метод повышения контраста используют при контроле пиломатериалов, при определении качества обработки поверхностей де­талей на строгальных и фрезерных станках. Оказалось, что наибольшая видимость достигается при падении света на рабочую поверхность под углом 60° к ее нор­мали, а наихудшая — при 0°.

7. Следует выбирать необходимый спектральный со­став света. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов.

Правильную цветопередачу обеспечивают естествен­ное освещение и искусственные источники света со спек­тральной характеристикой, близкой к солнечной. Для создания цветовых контрастов применяют монохромати­ческий свет, усиливающий одни цвета и ослабляющий другие.

8. Все элементы осветительных установок—светиль­ники, групповые щитки, понижающие трансформаторы, осветительные сети—должны быть достаточно долго­вечными, электробезопасными, а также не должны быть причиной возникновения пожара или взрыва.. Обеспече­ние указанных условий достигается применением зануления или заземления, ограничением на­пряжения для питания местных и переносных светиль­ников до 42 В и ниже (36, 24, 12 В), выбором оборудо­вания, соответствующего условиям среды в помеще­ниях, и защитой элементов осветительных сетей от механических повреждений при эксплуатации. Кроме того, необходимо уменьшить до минимума теплоту, выделяемую осветительной установкой, и шум.

9. Установка должна быть удобной и простой в эксплуатации, отвечать требованиям эстетики.

4.  Как нормируется естественное и искусственное освещение.

Нормировать естественно освещение в абсолютных единицах довольно сложно, так как оно постоянно изменяется с течением времени. По этой причине за нормируемую величину естественного освещения принята относительная величина — коэффициент естественного освещения (КЕО), который представляет из себя отношение естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке заданной плоскостью внутри помещения, светом неба (непосредственного или отраженного) Eвн, к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого неба Eнар.. КЕО выражается в процентах.

Нормирование производится для различных регионов по разному и определяется по формуле, где — значение КЕО по таблице 1, — коэффициент светового климата по т. 2, N — номер группы административных районов по обеспеченности естественным светом.

Естественное освещение регламентируется в зависимости от характера выполняемой работы. Нормы установлены СНиП .

Нормируется также качественные показатели: ослепленности, дискомфорта и пульсации излучения, характеризующие свет от блеских источников, неравномерное распределение яркостей в поле зрения и изменение яркости освещения (люминесцентные лампы). Совмещенное освещение допускается в случаях, когда при условии технологии или организации производства, а также при условии планировки невозможно обеспечить нормированное значение КЕО, за исключением жилых кухонь, учебных помещений и др. В качестве искусственного освещения в данном случае используются газоразрядные лампы. Прямые солнечные лучи в больших дозах вредны : вызывают слепимость и повышают температуру воздуха в помещениях, нагревают оборудование

Искусственное освещение осуществляется в темное время суток при помощи осветительных приборов, состоящих из светильников.

Электрический светильник представляет собой совокупность источника света и арматуры.

Наиболее важной функцией осветительной арматуры является перераспределение светового потока, которое повышает экономичность осветительной установки.

Другим не менее важным назначением осветительной арматуры является предохранение глаз работающих от воздействия чрезмерно больших яркостей источников света. Применяющиеся источники света имеют яркость колбы, в десятки и сотни раз превышающую допустимую яркость в поле зрения.

Степень возможного ограничения слепящего действия источника света определяется защитным углом светильника. Защитный угол - это угол между горизонталью и линией, соединяющей нить накала (поверхность лампы) с противоположным краем отражателя (рис.22).

Осветительная арматура служит для предохранения источника света от загрязнения и механического повреждения. Она необходима также для подводки электрического питания и крепления ламп.

В осветительных установках промышленных предприятиях применяют лампы накаливания и газоразрядные источники света. Основные характеристики ламп : номинальное напряжение, электрическая мощность, световой поток, световая отдача и срок службы.

Лампы накаливания основаны на способности нагретого до высокой температуры тела (нити из тугоплавкого метал

5.  Сравнение газоразрядных ламп и ламп накаливания.

В лампе накаливания световой поток зависит от потребляемой электрической мощности и температуры вольфрамовой нити, помещенной в стеклянную колбу, наполняемую при изготовлении инертным газом: аргоном, ксеноном, криптоном и их смесями. Это обеспечивает повышение температуры вольфрамовой нити и уменьшает ее распыление.

Лампы накаливания несложны в изготовлении, просты и надежны в эксплуатации. К их недостаткам следует отнести:

— низкую световую отдачу (в три-шесть раз меньшую по сравнению с газоразрядными лампами)

— небольшой срок службы (около 1000 ч)

— неблагоприятный спектральный состав, искажающий светопередачу. В них видимое излучение преобладает в желтой и красной частях спектра при недостатке в синей и фиолетовой его частях по сравнению с дневным естественным светом.

Лампы накаливания обладают большой яркостью, но не дают равномерного распределения светового потока. Чтобы исключить прямое попадание света в глаза и вредное воздействие большой яркости на зрение, нить накаливания лампы необходимо закрывать. Помимо этого, при применении открытых ламп почти половина светового потока не используется для освещения рабочих поверхностей, поэтому лампы накаливания устанавливают в осветительной арматуре.

Газоразрядные источник света включают люминесцентные, ртутные и ксеноновые лампы. Последние в осветительных установках промышленных предприятиях не применяются.

Газоразрядные лампы дают свет в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металла и их смесей. Они имеют следующие преимущества по сравнению с лампами накаливания:

— высокую светоотдачу, в несколько раз большую, чем у ламп накаливания

— весьма продолжительный срок службы (8-14 тыс. ч)

— спектр излучения люминесцентных ламп близок к спектру естественного света.

К недостаткам газоразрядных ламп надо отнести относительно сложную схему включения и необходимость специальных пусковых приспособлений, поскольку напряжение зажигания у этих ламп значительно выше напряжения сети, а период разгорания довольно продолжителен. Эти лампы могут дать стробоскопический эффект, выражающийся в искажении зрительного восприятия (быстродвижущийся или вращающиеся детали могут казаться неподвижными). Это явление возникает в результате пульсации светового потока, которая к тому же может вызывать помехи радиопередач.

Наличие стробоскопического эффекта в большинстве производственных помещений недопустимо. Устранить его можно, пользуясь специально разработанными схемами включения люминесцентных ламп. Эти схемы требуют установки соответствующей пускорегулировочной аппаратуры, в которой предусмотрены также конденсаторы для повышения коэффициента мощности установки и устранения радиопомех.

Люминесцентные лампы представляют собой стеклянную прозрачную трубку, наполненную дозированным количеством ртути и инертного газа, а по концам впаяны электроды. Внутренняя поверхность трубки покрыта тонким слоем люминофора, в зависимости от вида которого создается та или иная цветность излучения. Промышленность выпускает люминесцентные лампы: белого цвета (ЛБ), теплого белого света (ЛТБ), холодного белого света (ЛХБ), дневного света (ЛД), с исправленной цветопередачей (ЛДЦ). Помимо основных типов выпускаются также лампы для целей местного освещения.

Освещение люминесцентными лампами следует применять в помещениях, в которых необходимо создать особо благоприятные условия для зрения. Например, при выполнении точных работ, требующих значительного зрительного напряжения, или при выполнении работы, связанной с различением цветовых оттенков, а также в помещениях с постоянными пребываниями людей при недостаточном или вообще отсутствующем естественном освещении.

Если по условиям работы необходимо правильное различение цветов и их оттенков, надлежит применять лампы ЛДЦ. При работе с блестящими поверхностями в установках общего освещения следует применять люминесцентные лампы ЛД, поскольку их световая отдача выше, а глубина колебаний светового потока меньше. При этом в светильниках местного освещения целесообразно использовать лампы ЛХБ и ЛД.

Люминесцентные лампы чувствительны к температуре окружающего воздуха, оптимальной величиной которой является температура 20-25 град. Отклонение температуры от оптимального предела вызывает уменьшение светового потока лампы. При температурах, близких к 0 град, зажигание ламп затруднено.

Ртутные лампы высокого давления ДРЛ имеют следующее устройство. В кварцевой трубке, содержащей дозированную долю ртути и инертного газа, происходит электрический разряд. Трубка помещена в колбу из жароустойчивого стекла, внутренние стенки которого покрыты слоем люминофора. Ультрафиолетовое излучение в кварцевой трубке воздействует на люминофор и вызывает его свечение. Световая отдача ртутных и люминесцентных ламп примерно одинаковая. Срок их службы около 5000 ч. Режим работы ртутных ламп высокого давления в отличии от люминесцентных ламп низкого давления не зависит от температуры окружающей среды. Включение их в сеть производится посредством специального прибора включения (ПРА).

Под светильником понимается комплект лампы (источника света) и осветительной арматуры. Светильник обеспечивает крепление лампы, подсоединение к ней электрического питания, предохранение лампы от загрязнения и механического повреждения

6.  Принцип действия люксомера.

Свет попадает на фотоэлемент. Гальванометр. Люксметр Ю-15 применятся для измерения освещённости в лабораториях, производственных помещениях и полевых условиях.

Основными составными частями фотоэлектрического люксметра является фотоэлемент и гальванометр. Прибор имеет три основных предела измерения: до 25, до 100 и до 500 лк.

Для измерения больших освещённостей на фотоэлемент прямоугольной формы надевается фильтр, состоящий из 2-х молочных стёкол, между которым расположена тонкая металлическая решётка. Фильтр расширяет предел измерения в 100 раз, что даёт возможность измерить освещённость соответственно до 2500, 10000 и 50000 лк.

7.  Принцип действия анализатора АОСП-1.

Анализатор АОСП-1 применятся для определения падающего и отражённого световых потоков с последующим вычислением коэффициента отражения rx с рассеяно-отражающих поверхностей.

 

2

В корпусе 1, внутренняя поверхность которого выполнена из светопоглощающего материала, размещены источник света 2, испытываемый образец 3, перегородка с окном 4. Расходящийся пучок света от источника света проходит через окно 4 и, отразившись от поверхности образца 3, частично выходит из корпуса устройства через окно 5. Определив освещённости Епад и Еотр в окнах 4 и 5, можно найти rх поверхности образца по следующей методики:

Установить в АОСП-1 эталонный образец (мел) с известным ru =0,7 и измерить с помощью люксметра освещённости в окнах 4 и 5 от падающего и отражённого световых потоков Епад и Еотр. Определить поправочный коэффициент:

Кп =ru *Епад / Еотр

Установить в АОСП-1 исследуемый образец, измерить освещённость в окне 5 и определить искомый коэффициент отражения rх =К­п *Еотр / Епад

8.  Системы и виды освещения.

При освещении производственных помещений используют естественное освещение, создаваемое прямыми солнечными лучами и рассеянным светом не­босвода и меняющемся в зависимости от географической широты, времени года и суток, степени облачности и прозрачности атмосферы;

искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света, и совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняют искусственным.

Конструктивно естественное освещение подразделяют на боковое (одно - и двухстороннее), осуществляемое через световые проемы в наружных стенах; верхнее — через аэрационные и зенитные фонари, проемы в кровле и перекрытиях; комбинированное — сочетание вер­хнего и бокового освещения.

Искусственное освещение по конструктивному исполнению может быть двух видов —общее и комбинированное. Систему общего осве­щения применяют в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, сварочные, гальванические цехи), а также в административных, конторских и складских помещениях. Различают общее равномерное освещение ( световой поток распреде­ляется равномерно по всей площади без учета расположения рабочих мест) и общее локализованное освещение (с учетом расположения рабочих мест).

При выполнении точных зрительных работ (например, слесарных, токарных, контрольных) в местах, где оборудование создает глубокие, резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы), наряду с общим освещением при­меняют местное. Совокупность местного и общего освещения назы­вают комбинированным освещением. Применение одного местного освещения внутри производственных помещений не допускается, по­скольку образуются резкие тени, зрение быстро утомляется и создается опасность производственного травматизма.

По функциональному назначению искусственное освещение под­разделяют на рабочее, аварийное и специальное, которое может быть охранным, дежурным, эвакуационным, эритемным, бактерицидным и др.

Рабочее освещение предназначено для обеспечения нормального выполнения производственного процесса, прохода людей, движения транспорта и является обязательным для всех производственных по­мещений.

Аварийное освещение устраивают для продолжения работы в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения (при авари­ях) и связанное с этим нарушение нормального обслуживания обору­дования могут вызвать взрыв, пожар, отравление людей, нарушение технологического процесса и т. д. Минимальная освещенность рабочих поверхностей при аварийном освещении должна составлять 5 % нор­мируемой освещенности рабочего освещения, но не менее 2 лк.

Эвакуационное освещение предназначено для обеспечения эвакуации людей из производственного помещения при авариях и отключении рабочего освещения; организуется в местах, опасных для прохода людей: на лестничных клетках, вдоль основных проходов производст­венных помещений, в которых работают более 50 чел. Минимальная освещенность на полу основных проходов и на ступеньках при эваку­ационном освещении должна быть не менее 0,5 лк, на открытых территориях — не менее 0,2 лк.

Охранное освещение устраивают вдоль границ территорий, охраня­емых специальным персоналом. Наименьшая освещенность в ночное время 0,5 лк.

Сигнальное освещение применяют для фиксации границ опасных зон; оно указывает на наличие опасности, либо на безопасный путь эвакуации.

Условно к производственному освещению относят бактерицидное и эритемное облучение помещений. Бактерицидное облучение («осве­щение») создается для обеззараживания воздуха, питьевой воды, про­дуктов питания. Наибольшей бактерицидной способностью обладают ультрафиолетовые лучи с К = 0,254...0,257 мкм. Эритемное облучение создается в производственных помещениях, где недостаточно сол­нечного света (северные районы, подземные сооружения). Максимальное эритемное воздействие оказывают электромагнитные лучи с А. == 0,297 мкм. Они стимулируют обмен веществ, кровообращение, дыхание и другие функции организма человека.