Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ
ПОМЕЩЕНИЙ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
Цель работы: знакомство с методикой и приборами, используемыми при исследовании естественной освещенности помещений.
Приборы и оборудование: люксметр; рулетка.
Краткая теория
Световым потоком Ф называется мощность видимого излучения, которое оценивается по действию этого излучения на нормальный глаз. Иными словами, световой поток есть энергия световых электромагнитных волн, переносимая в единицу времени через некоторую площадь поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению.
Единица светового потока – Люмен (Лм).
Силой света I точечного источника называется величина, численно равная световому потоку, который этот источник создает в единичном телесном угле:
| (1) |
Телесный угол ω определяется как отношение площади поверхности ∆S шарового сегмента к квадрату радиуса сферы:
| (2) |
Если точечный источник равномерно излучает свет по всем направлениям, то 
, где Фполн – полный световой поток источника света, т.е. мощность излучения, создаваемое источником по всем направлениям. Единицей силы света в СИ является кандела (Кд).
Освещенностью Е некоторой поверхности называется отношение светового потока ΔФ, который падает на площадь ΔS поверхности, к величине этой площади:
 .
| (3) |
За единицу освещенности в 1 Люкс (Лк) принимают освещенность, создаваемую равномерно распределенным потоком в 1 Лм на поверхности в 1 м2, нормально расположенной к световому потоку.
Светимость R определяется соотношением
| (4) |
Единица светимости – Люмен на метр в квадрате (Лм/м2).
Яркость Вφ – светящейся поверхности в некотором направлении φ есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярно данному направлению:
| (5) |
Единица яркости – кандела на метр в квадрате (Кд/м2).
Пусть точечный источник S освещает небольшую поверхность ΔS, расположенную на расстоянии R от источника (рис.1.).
 |
Построим телесный угол, вершина которого лежит в точке S, и который опирается на края площадки ΔS. Величина этого телесного угла, согласно определению, определяется следующим соотношением:
|
| (6) |
Обозначим поток, посылаемый источником через этот телесный угол, ΔФ.
Тогда сила света, согласно уравнению (1), с учетом формулы (6) определяется:
 .
| (7) |
Освещенность, согласно уравнению (1),
| .
| (8) |
С учетом уравнения (8), получим
 ,
| (9) |
т.е. освещенность площадки равна силе света, деленной на квадрат расстояния до точечного источника.
Если бы площадка ΔS была расположена не перпендикулярно к оси потока, а повернута на угол α, то она имела бы размеры 
(рис.1), где S0 – площадка, пересекающая тот же телесный угол перпендикулярно к оси пучка светового потока, следовательно 
.
В данном случае предполагаем площадки настолько малыми и удаленными от источника, что для всех точек этих площадок расстояние до источника может считаться одинаковым и лучи во всех точках составляет с перпендикуляром к площадке ΔS один и тот же угол α.
В этом случае освещенность площадки ΔS равна
 .
| (10) |
Следовательно, освещенность, создаваемая точечным источником на некоторой площадке, равна силе света, умноженной на косинус угла падения света на площадку и деленной на квадрат расстояния до источника. Уравнения (9), (10) носит название законов освещенности.
Освещенность жилых домов рабочих мест и т.д. имеет большое значение. При недостаточной освещенности мелкие детали становятся трудно различимыми, скорость работы падает, увеличивается число ошибок. При слишком ярком освещении наступает ослепление глаза. Правильное освещение способствует повышению качества и скорости работы. Поэтому очень важно соблюдать нормы освещения. Необходимая норма освещенности рабочего стола – от 30 до 50 Лк, для столов чертежников – 300 Лк. Освещенность в комнате в ясный солнечный день достигает 1000 Лк, а на улице - 100 000 Лк.
Фотоэлектрический люксметр Ю116 состоит из измерителя люксметра и отдельного фотоэлемента с насадкой (рис. 2.).
На передней панели измерителя имеются кнопки переключателя и табличка со схемой, связывающей действие кнопок и используемых насадок с диапазонами измерений, приведенными в таблице 1.
Таблица 1.
| Диапазон измерений, люкс | |||
| Без насадки, с открытым фотоэлементом | с насадками | ||
| КМ | КР | КТ | |
| 5 – 30 | 50 – 300 | 500 – 3000 | 5000 – 30000 |
| 20 – 100 | 200 – 1000 | 2000 – 10000 | 20000 – 100000 |
Примечание: КМ, КР, КТ – условное обозначение совместно применяемых насадок для создания общего номинального коэффициента ослабления 10, 100, 1000 соответственно.
Измеритель имеет две шкалы: 0 – 100 и 0 – 30. На каждой шкале точками отмечено начало диапазона измерений: на шкале 0 – 100 находится над отметкой 20, на шкале 0 – 30 точка находится над отметкой 5.
На боковой стенке корпуса измерителя расположена вилка для присоединения селенового фотоэлемента. Селеновый фотоэлемент находится в пластмассовом корпусе и присоединяется к измерителю шнуром с розеткой, обеспечивающей правильную полярность соединения.
Для уменьшения погрешности измерений применяется насадка на фотоэлемент, имеющая вид полусферы из белой светорассеивающей пластмассы. Насадка обозначена буквой К, нанесенной на ее внутреннюю сторону. Эта насадка применяется не самостоятельно, а совместно с одной из трех других насадок, имеющих обозначение М, Р, Т.
Каждая из этих трех насадок совместно с насадкой К образует три поглотителя с общим номинальным коэффициентом ослабления 10, 100, 1000 и применяется для расширения диапазонов измерения.
Принцип работы фотоэлектрического люксметра основан на том, что в полупроводниковом (селеновом) фотоэлементе происходит преобразование световой энергии в энергию электрического тока. Если фотоэлемент осветить то световые фотоны освобождают от связи с ядрами атомов полупроводника дополнительные электроны, которые диффундируют от поверхности в глубь полупроводника. В результате этого явления между освещенной и неосвещенной поверхностями полупроводникового слоя возникает значительная разность потенциалов, тем большая, чем больше освещенность полупроводника. Эта разность потенциалов легко может быть измерена. Для удобства проведения измерений шкала электроизмерительного прибора заранее калибруется в люксах.
Освещение помещений естественным светом характеризуется коэффициентом естественной освещенности ряда точек, расположенных в пересечении двух плоскостей: вертикальной плоскости характерного разреза помещения (обычно посредине помещения по оси световых проемов или между ними) и горизонтальной плоскости, принимаемой за условную рабочую плоскость помещения.
Естественная освещенность создается прямым солнечным светом, рассеянным (диффузным) светом неба и светом, отраженным от фасадов противостоящих зданий, земли и внутренних поверхностей помещения. В отличие от искусственной освещенности она изменяется в зависимости от погоды, времени года и дня, как по уровню, так и по спектральному составу, поэтому для оценки естественной освещенности в помещениях абсолютные величины освещенности (люксы) применять нецелесообразно. Переменное по характеру естественное освещение принято характеризовать относительной величиной – коэффициентом естественной освещенности.
Коэффициент естественной освещенности (КЕО) – это выраженное в процентах отношение естественной освещенности E вн в какой-либо точке на рабочей поверхности внутри помещения к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности E нар, создаваемой рассеянным светом полностью открытого небосвода:
(2)
Прямой солнечный свет при определении E вн и E нар не принимают во внимание. Таким образом, КЕО показывает, какую долю освещенность в данной точке помещения составляет от одновременной освещенности горизонтальной поверхности на открытом месте при диффузном свете неба.
Геометрический КЕО ε, %, отличается от расчетного (действительного) КЕО e, %, тем, что учитывает только диффузный свет неба и не учитывает реальные условия освещения: неравномерную яркость небосвода, влияние остекления оконных проемов, усиление освещенности отраженным светом. Геометрический КЕО рекомендуется определять с помощью графиков Данилюка.
Равномерность освещенности определяется кривыми освещенности, показывающими изменение коэффициента естественной освещенности (КЕО) в отдельных точках помещения. Построение кривых КЕО может быть выполнено по данным эксперимента или расчета графическим методом А.М. Данилюка. Полученные значения сравниваются с нормативными, вычисляемыми по формуле
где N – номер группы административных районов; ен – нормированное значение КЕО; mN – коэффициент светового климата. Данные значения определяются по СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».
В небольших помещениях с боковым естественным освещением нормируется минимальное значение КЕО в пределах рабочей зоны помещения. В помещениях с верхним или комбинированным освещением нормируется среднее в пределах рабочей зоны значение КЕО, определяемое как
где ei – значения КЕО в отдельных точках помещения, находящихся на равных расстояниях друг от друга; n – количество точек, в которых определяется КЕО.
В задачу настоящей лабораторной работы входит определение естественной освещенности помещения лаборатории при боковом освещении, выявление соответствия ее нормативным требованиям.
Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений