Лабораторная работа №3
Исследование осветительных условий
Выполнил: ст. гр. УПП-424
Горячев А.С.
Проверила:
.
Москва – 2003
Цель работы — ознакомить студентов с методами измерения освещенности, научить исследовать осветительные условия и рассчитывать их для рабочих мест, выявлять возможности появления стробоскопического эффекта и находить пути его ликвидации.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Оптическая система глаза создает на сетчатке, устилающей глазное дно, уменьшенное обратное действительное изображение предметов. В результате фотохимических реакций, происходящих в нервных окончаниях, и создаваемых ими токовых импульсов в сознании человека возникает ощущение света. Орган зрения различает предметы благодаря разнице яркостей их и фона, на котором они рассматриваются.
Для создания благоприятных и безопасных условий труда большое значение имеет достаточная освещенность рабочей поверхности, правильное направление света, отсутствие резких теней и бликов. Недостаточное или нерациональное освещение не только затрудняет работу и ведет к снижению производительности труда, но может явиться также причиной травматизма. Постоянное перенапряжение зрения, как травило, приводит к его ослаблению.
Неблагоприятное влияние на зрение оказывает не только недостаточность и неравномерность освещения во времени и пространстве, но и слишком большая яркость поверхностей, находящихся в поле зрения. Чрезмерное световое раздражение вызывает чувство слепимости.
Искусственное освещение
Для искусственного освещения применяются в настоящее время электрические лампы: накаливания, люминесцентные ДРЛ, натриевые, ксеноновые и ряд других источников света.
Люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку с двумя вольфрамовыми электродами, концы которых присоединены к четырем штырькам. В трубке находятся аргон и ртутные пары, давление которых при работе лампы составляет 0,01 мм рт. ст. Внутренняя поверхность трубки покрыта слоем люминофора.
При электрическом разряде в трубке возникает излучение, в спектре которого преобладают ультрафиолетовые лучи. Это излучение поглощается слоем люминофора, возбуждает его и вызывает фотолюминесценцию видимым светом. Спектральный состав света лампы зависит от выбранного состава люминофора.
Основные особенности люминесцентных ламп.
1. Спектральный состав светового излучения приближается к дневному. В настоящее время выпускаются лампы 6 типов: ЛД — дневного света, ЛДЦ — дневного света для правильной цветопередачи, ЛБ — белого света, ЛХБ — холодно-белого света, ЛТБ — тепло-белого света, ЛЕ — естественного света.
2. Высокая световая отдача (до 75 лм/Вт).
3. Ограниченная единичная мощность ламп (15—80 Вт).
4. Высокий срок службы (свыше 10000 ч).
5. Низкая температура частей лампы (около 40°С).
6. Малая яркость (5000÷8000 кд/м2).
7. Малая по сравнению с лампами накаливания чувствительность к колебаниям напряжения.
8. Пульсация светового потока лампы.
9. Люминесцентные лампы с обычной аппаратурой пригодны только для сетей переменного тока.
Дуговая ртутная люминесцентная лампа (лампа ДРЛ) состоит из кварцевой трубки, содержащей ртутные пары при давлении 2—4 атм. и внешней стеклянной колбы, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофора. Ртутный разряд происходит в кварцевой трубке, через которую свободно проходят ультрафиолетовые лучи, генерируемые разрядом. Они заставляют светиться люминофоры и исправлять тем самым цветность видимого спектра, излучаемого ртутной лампой.
Основное достоинство ламп ДРЛ — сочетание высокой световой отдачи (до 55 лм/Вт) и большого срока службы (до 10000 ч) с возможностью сосредоточения в небольшом объеме значительной световой и электрической мощности.
Лампы ДРЛ находят применение для освещения высоких цехов и открытых пространств.
Коэффициенты полезного действия ламп накаливания — до 3%, люминесцентных — до 10% и ламп ДРЛ — до 20%.
В настоящее время в ртутных лампах и лампах накаливания начинают использовать йод и другие галогены. Их пары в лампах значительно улучшают качественные характеристики источников света и увеличивают срок службы.
Принцип работы натриевых и ксеноновых ламп основан на свечении паров натрия и ксенона при пропускании через них мощного пучка электронов.
Всем газоразрядным источникам света присущ так называемый стробоскопический эффект, вызывающий искажение восприятия движущихся предметов. Например, если смотреть на вращающееся в пульсирующем световом потоке колесо, то кажется, что оно остановилось или вращается в обратную сторону. (Очень часто стробоскопический эффект наблюдается также и,в кинематографе.) Это объясняется тем, что при включении лампы в сеть переменного тока стандартной частоты 50 Гц имеются моменты, когда в лампе нет тока, и световой поток ее значительно снижается. Такое явление чрезвычайно опасно, так как человек не может визуально контролировать скорость и направление движения вращающихся деталей.
Явление стробоскопического эффекта может быть практически полностью устранено применением двух- или трехламповых схем включения. Двухламповая схема имеет дроссель с «опережающей» и «отстающей» обмотками, в каждую из которых включается по одной лампе. Трехламповая схема состоит из трех одноламповых, включенных в разные фазы трехфазной сети. Другой, более действенный способ ликвидации стробоскопического эффекта — это питание люминесцентных светильников токами повышенных частот (например, 400 Гц). При работе ламп накаливания стробоскопический эффект не наблюдается благодаря тепловой инерции нити накала.
Расчет освещенности негоризонтальных поверхностей, а также локализованного и наружного освещения, производится различными методами. К ним относятся методы: удельной мощности,.точечный, комбинированный, изолюкс. Наиболее распространенным в проектной практике является расчет освещения по методу коэффициента использования. Этот метод дает возможность подсчитать световой поток источников света, необходимый для создания нормированной освещенности расчетной горизонтальной поверхности.
Расчетное уравнение метода коэффициента использования:
Ф= 
где Ф — световой поток каждой из ламп, лм;
Е — минимальная нормируемая освещенность, лк;
k — коэффициент запаса;
S — площадь помещения, м2;
z — отношение средней освещенности к минимальной. Этот коэффициент необходимо вводить в связи с тем, что нормируется не средняя, а минимальная Е. В большинстве случаев (принимается z = 1,1÷1,2);
N — выбранное число светильников;
γ — коэффициент затенения на рабочем месте. Может приниматься равным 0,8÷0,9;
η—коэффициент использования светового потока (в долях единицы), т. е. отношение светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп, находится в зависимости от величины индекса помещения i коэффициентов отражения потолка и стен, а также от типа принятого светильника. В табл. 7, 8 приложения значения n приводятся исходя из того, что коэффициент отражения расчетной поверхности рр =0,1- Только при светлых полах или большом количестве столов с белой бумагой рр = 0,3. Это обстоятельство может увеличить n на 1—7%.
где h — расчетная высота подвески светильника над рабочей поверхностью, м;
S — площадь помещения,.м2;
А и В — стороны помещения, м.
Обычно до расчета принимаются Е и N, по формуле находится Ф и по табл. 2 и 3 подбирается ближайшая стандартная лампа. В практике допускаются отклонения потока ламп от расчетного до —10 и +20%. При расчете люминесцентного освещения световой поток ламп известен, и конструктивно определено количество ламп в светильнике, поэтому определяется необходимое число светильников.
Количество светильников N определяется из условия равномерного освещения (см. рис. 1 и табл. 1 приложения).
Размеры, определяющие размещение светильников в помещении, даны на рис. 1.
Рис. 1. Размеры, определяющие установку светильников в помещении: а) в разрезе; б) в плане для ламп накаливания; в) в плане для люминесцентных ламп;
h—расчетная высота, hс—свес, hр — высота рабочей расчетной поверхности, Н — высота помещения, L—расстояние между светильниками или между рядами светильников, / —расстояние от крайних светильников или крайних рядов светильников до стен
Свес hc обычно принимается равным 0,5—0,7 м. Высота рабочей поверхности hp чаще всего бывает 0,8—1,0 м.
Форму светового поля следует принимать в виде квадрата (см. рис. 1,б) заштрихованное поле), ромба с углом 60° или прямоугольника с отношением сторон не более 1,5.
Для различных типов светильников существуют наивыгоднейшие отношения расстояния L между светильниками к расчетной высоте h (см. табл. 1 приложения).
Необходимости точного соблюдения отношения L: h нет.
Люминесцентные светильники, как правило, надо размещать сплошными рядами.
Во всех случаях расстояние от крайних светильников до стен должно быть в пределах от 0,5 L до 0,3 L в зависимости от расположения у стен оборудования.
L определяется из отношения 
= L: h. Различают светотехнически с и энергетически э наивыгоднейшие отношения по расположению светильников. При использовании люминесцентных ламп, а также ламп накаливания предельных мощностей, следует учитывать с, в остальных случаях — э.
Кроме количественных характеристик освещения (табл. 4 приложения), очень важно также учитывать и качественные показатели. К ним относятся ограничение блескости, постоянство освещенности на расчетной поверхности и во времени (из-за колебаний напряжения сети, а также пульсации тока газоразрядных ламп), спектральный состав, глубина теней и др. Перечисленные качественные показатели специально учитываются при проектировании осветительных установок. Коэффициент пульсации надо учитывать при выборе источника света.
в действующих нормах он регламентируется следующим образом:
Допустимый КП (%) для разрядов работ по табл. 4 приложения
| I и II | III | IV, V, VI | |
| При одном общем освещении | |||
| В системе комбинированного освещения: | |||
| для общего | |||
| для местного |
Повышение KП до 30% допускается для работ VI разряда при невозможности возникновения стробоскопического эффекта.
II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Приборы и установки
1. Для контроля и измерения освещенности в лабораторной работе применяется фотоэлектрический люксметр Ю-17. Он состоит из селенового фотоэлемента, измерителя магнитоэлектрической системы, электрической цепи, содержащей резисторы и переключатели пределов измерения (рис. 2). Когда световой поток падает на фотоэлемент, в его цепи возникает ток, величина которого пропорциональна освещенности. По отклонению подвижной части измерительного механизма определяют величину освещенности в месте измерения. Прибор градуируется так, что его стрелка показывает освещенность в люксах для того диапазона, который соответствует положению переключателя.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема люксметра Ю-17: Ф — фотоэлемент типа Ф-107 с косинусоисправляющим устройством (светочувствительная поверхность — 27 см2); ИМ — измерительный механизм со шкалой и световым указателем Л; R — резисторы; П — переключатель пределов измерения (1—10—100 лк).
Основная погрешность люксметра Ю-17 не более ±10% от измеренной величины. Косинусная погрешность при угле падения света 60° — не более ±7%, при угле 80° — 15% от измеренной величины
Для увеличения диапазона предела измерений люксметр снабжается переключателем и светофильтром. Измерение высокой освещенности проводится с наложенным на фотоэлемент светофильтром, частично поглощающим световой поток. Замеренная в этих условиях освещенность определяется как произведение показаний люксметра на коэффициент светофильтра.
Перед началом работы с люксметром надо проверить, стоит ли световой указатель (при отключенном фотоэлементе) на нуле, и, если нет, установить его при помощи корректора.
При измерениях люксметром освещенности, создаваемой люминесцентными лампами, необходимо вводить поправочные коэффициенты для ламп типа: ЛД-0,88, ЛДЦ-0,95, ЛБ-1,15, ДРЛ-1,20. Этот коэффициент для ламп накаливания равен 1,0.
2. Стенд для исследования осветительных условий на рабочем месте состоит из двух основных частей. Первая — управляющая — включает в себя ЛАТР, вольтметр, схему включения люминесцентного светильника (рис. 3) с переключателем на лампу накаливания и механизм подъема-опускания светильника типа «Люцета». Вторая часть — установка для стробоскопического эффекта — состоит из трех
Рис. 3. Схема включения в сеть двух люминесцентных ламп:
JI1, Л2 — лампы; ПРУ — пускорегулирующее устройство; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 — контакты ПРУ
люминесцентных ламп (15 Вт, 127 В), двигателя со стробоскопическим диском и панели управления. На панели управления можно выполнить схему подключения ламп к одной фазе или к разным фазам трехфазной сети.
Порядок проведения работы
1. Ознакомиться с устройством люксметра. В отчет о лабораторной работе занести схему люксметра (см. рис. 2) и его техническую характеристику.
2. По заданным схемам рассчитать искусственное освещение рабочих мест. Преподавателем задается: минимальный размер объекта различения, контраст и светлота фона, система освещения7, источник света, размеры помещения, тип светильника, напряжение сети и характер производства по запыленности; остальные данные студент принимает по соответствующим таблицам (см. приложение). Схему помещения и графический расчет количества светильников привести в отчете (см. рис. 1).
3. Данные для светотехнического расчета и его результаты занести в табл. 1 и 2, все расчеты привести в отчете.
Таблица 1
| Минимальный размер детали различения | Контраст объекта с фоном | Светлота фона | Система освещения | Источник освещения | Тип светильника | Условия для шкалы освещённости | Размеры помещения | Напряжение сети | Характер производства по запыленности | ||
| A | B | H | |||||||||
Таблица 2
| Нормированная освещённость | Расчётная высота | Расстояние между светильниками | Количество светильников | Коэффициент запаса | Коэффициент | Коэффициенты отражения | Индекс помещения | Коэффициент использования светового потока | Световой поток ламп | Выбранный источник света | |||
| потолка | стен | расчётный | по ГОСТу | мощность | тип | ||||||||
| E | h | L | N | k | z | pп | pст | i | η | Фст | Ф | ||
Допустимый KП = Действительный Кп =
(см. табл. 10 приложения)
4. Подать напряжение на стенд.
5. На установке для исследования стробоскопического эффекта (левая часть стенда) включить 3 люминесцентных лампы на одну фазу трехфазной электрической сети, для чего верхний левый тумблер повернуть вниз.
6. Левым нижним тумблером включить двигатель со стробоскопическим диском. Выяснить сущность стробоскопического эффекта (мнимые остановка диска или вращение его в обратную сторону).
Получить на осциллографе кривую изменения освещенности во времени и рассчитать по ней KП.
7. Перевести верхний левый тумблер в верхнее положение, т. е. подключить три лампы на разные фазы трехфазной сети (иначе — сместить на 120° фазы пульсации каждой лампы друг относительно друга). Стробоскопический эффект в этом случае пропадает или значительно уменьшается.
8. Верхний левый тумблер поставить в нейтральное положение, в результате чего лампы должны выключиться. Выключить двигатель стробоскопического диска.
9. В произвольной форме описать явление стробоскопического эффекта при различных схемах включения и методы его ликвидации. Графически показать изменение светового потока во времени Ф = f(t) в зависимости от синусоидального изменения тока I = φ(t), питающего лампы. Графики выполнить для одной лампы и отдельно для трех ламп, включенных в разные фазы трехфазной сети.
10. Тумблер под вольтметром повернуть вверх. Контроль включения установки — показания вольтметра и работа одного из светильников. Ручкой ЛАТРа установить напряжение 220 В.
11. Тумблером, расположенным в середине панели, включить светильник с лампой накаливания.
12. Уменьшая при помощи ЛАТРа напряжение питания светильника с лампой накаливания, заполнить табл. 3 изменения освещенности (по люксметру).
Таблица 3
| U, B | ||||||||||||||
| Е, лк |
13. Тумблером, расположенным в середине панели, включить светильник с люминесцентными лампами; при уменьшении напряжения снять характеристики освещенности от данного светильника, заполнив табл. 4. В зависимости от типа ламп в результаты измерений освещенности внести соответствующие поправочные коэффициенты k. Действительная освещенность Е -- Eизмk (значения k см. с. 9). Обозначение типа лампы нанесено на ее цоколе, а также на панели лабораторного стенда.
Таблица 4
| U, B | ||||||||||||||
| Eизм | ||||||||||||||
| k | ||||||||||||||
| E, лк |
14. Несколько раз, снижая напряжение, определить его минимальное значение, при котором прекращает работать каждая из люминесцентных ламп.
Также несколько раз, повышая напряжение, найти его минимальную величину, когда каждая из ламп зажигается. Эти критические.моменты отметить на кривой Е = f(U).
15. При напряжении 220 В измерить и записать в табл. 5 изменение освещенности в зависимости от высоты подвески светильника над рабочей поверхностью h (механизм спуска-подъема управляется двумя кнопками на пульте).
Таблица 5
| h, см | |||||||||||
| E, лк |
16. По данным таблиц построить кривые изменения освещенности в зависимости от напряжения сети Е= f(U) и от высоты Е= f(h) и сделать по ним сравнительные выводы в произвольной форме.
17. Изучить и привести в отчете схему включения двухлампового люминесцентного светильника, которая нанесена на панели лабораторного стенда (см. рис. 3). Объяснить принцип антистробоскопичности схемы.
18. Привести рабочее место в исходное состояние.