Введение
Цель работы:
- демонстрация преимуществ и недостатков, применяемых в настоящее время источников света;
- изучение нормируемых качественных и количественных характеристик освещения;
- оценка степени влияния отделки интерьера на коэффициент использования, осветительной установки (аналог кпд).
В процессе выполнения лабораторной работы студенты:
- освоят устройство прибора и методику измерения нормируемых параметров освещения: освещенности и коэффициента пульсации при включении различных источников света;
- изучат принципы преобразования электрической энергии в световую для ламп накаливания, газоразрядных и светодиодных ламп;
- научатся приёмам снижения коэффициента пульсации люминесцентных ламп;
- освоят основы аттестации рабочих мест по фактору искусственного освещения с учетом характера и напряженности выполняемой зрительной работы;
- изучат практические способы увеличения эффективности использования осветительной установки и, следовательно, по экономии электроэнергии.
Теоретическая часть
Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы, производительность, качество труда и безопасность в производственных условиях в значительной мере зависят от условий освещения.
По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть двух систем: общее – осуществляемое обычным расположением светильников на потолке помещения; комбинированное - совокупность общего освещения и местных светильников, расположенных непосредственно на рабочих местах. Применение одного местного освещения внутри зданий не допускается.
Источники света
В качестве источников света в настоящее время применяются электрические лампы накаливания (ЛН), газоразрядные лампы (ГРЛ) и светодиоды (СД).
Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Они удобны в эксплуатации, легко монтируются, дешевы, работают в широком диапазоне температур окружающей среды, однако обладают низкой световой отдачей 10-20 лм/Вт (в идеальных условиях, перевод всей электрической энергии в световую 1 Вт соответствует 683 лм), сравнительно небольшим сроком службы до 2500 часов: их спектр сильно отличается от естественного света, нарушается правильная цветопередача.
Газоразрядные лампы - это приборы, в которых излучение света возникает в результате электрического разряда в атмосфере паров металлов (ртуть, натрий), галогенов (йод, фтор) и инертных газов (криптон, ксенон), а также явления люминесценции. Наиболее широкое применение для целей освещения помещений и открытых площадок получили люминесцентные, ксеноновые лампы в форме светящихся трубок, а также лампы ДРЛ (дуговые, ртутные, люминесцентные) и натриевые по форме напоминающие вытянутые лампы накаливания.
Основные преимущества ГРЛ - высокая световая отдача (ДРЛ - до 65 лм/Вт, люминесцентные - до 90 лм/Вт, ксеноновые и натриевые - 110-200 лм/Вт); большой срок службы 5000-20000 часов, близкий к естественному, солнечному спектр излучения.
К недостаткам газоразрядных ламп следует отнести наличие вредных для биосферы и человека паров ртути и натрия при их разгерметизации. Наличие радиопомех; сложную и дорогостоящую пускорегулирующую арматуру, включающую, в некоторых случаях, стартер, дроссели, конденсаторы. Длительный период выхода отдельных типов ламп на номинальный режим (для ламп ДРЛ 3-5 минут), невозможность быстрого вторичного включения лампы при кратковременном отключении питающего напряжения.
Основным и существенным недостатком всех газоразрядных ламп является пульсация светового потока, т.е. непостоянство во времени, излучение света, вызванное переменным током в питающей сети и малой инерционностью процессов, сопровождающих работу этих ламп.
На рисунке изображена синусоида изменения напряжения в сети U (В) и примерная осциллограмма значений светового потока лампы ФЛ (лм), и создаваемой им освещенности Е (лк) на рабочем месте.
В момент перехода переменного напряжения через ноль освещённость, создаваемая лампой, достигает минимального значения Еmin при достижении напряжения максимального значения освещённость принимает значения Еmax. Пульсация освещенности не всегда заметная глазом, приводит к быстрому утомлению зрения, вызывает в некоторых случаях покраснение глаз, головную боль.
Глубина пульсации оценивается коэффициентом пульсации
КП = Еmax-Еmin /2 Еср *100%, где Еmax, Еmin, Еср - соответственно максимальная, минимальная и средняя освещённость, создаваемая лампой за период колебаний.
Пульсация может привести к стробоскопическому эффекту, когда при пульсирующем освещении вращающихся объектов возникает иллюзия их вращения в противоположную сторону или полной остановки. Данный эффект на практике, провоцируя ошибочные действия операторов, приводит к авариям и травмам.
Сглаживание пульсации достигается применением нескольких рядом работающих ламп со сдвигом фаз питающего напряжения или существенным повышением частоты переменного тока (f > 1000 Гц).
Светодиодные лампы (СД) – твёрдотельные источники света, выполненные на базе полупроводников GaAs (арсенид галлия), InP (фосфид индия), СdTe (теллурид кадмия) и др. При протекании тока через p-n переход в прямом направлении носители заряда электроны и «дырки» рекомбинируют и из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой происходит излучение фотонов в синей области спектра. При наложении на кристалл полупроводника желтого люминофора получается белый свет.
Серийно производятся кристаллы со световой отдачей от 70 до 140 лм/Вт, что в 10 раз превышает светоотдачу ламп накаливания и примерно в 2 раза люминесцентных ламп. К другим достоинствам СД относится:
- долгий срок службы 50 -:- 100 тысяч часов;
- низкое рабочее напряжение < 12 В;
- экологическая и пожарная безопасность, они в своем составе не содержат ртути и не нагреваются;
- малое потребление энергии 4 -:- 9 Вт.
Нормирование освещения
Для оценки совершенства искусственного освещения в соответствии с действующими строительными нормами и правилами (СНиП) предусмотрены светотехнические параметры количественного и качественного характера.
К количественным параметрам относится освещенность Е (лк) на рабочем месте, которая легко рассчитывается или измеряется с помощью люксметра.
К качественным параметрам относится коэффициент пульсации освещенности КП в %. Значения этих параметров для действующих осветительных установок должны соответствовать значениям, указанным в строительных нормах (см приложение норм к лабораторной работе, выдаваемое преподавателем).
В соответствии с нормативными документами по освещению принято раздельное нормирование параметров освещения в зависимости от применяемых источников света и системы освещения. Величина параметров устанавливается согласно характеру зрительной работы, который зависит от размеров объектов различения, характеристики фона и контраста объекта с фоном.
Объект различения (мм) - размер наименьшего элемента, который необходимо увидеть в процессе работы (точка на экране ПЭВМ, самая тонкая линия на чертеже или приборной шкале и т.п.).
Фон - поверхность, на которой рассматривается объект различения, характеризуется коэффициентом отражения ρ. При ρ < 0,2 фон считается темным, от 0,2 до 0,4 - средним и более 0,4 - светлым.
Контраст объекта с фоном (к) - характеризует соотношение яркости рассматриваемого объекта и фона. При слабом различении объекта на фоне
к 0,2 - контраст считается малым; объект заметен на фоне 0,2 к 0,5- средним; четко различается на фоне к 0,5 - большим.
Определение нормируемой освещенности ведется с учетом зрительного разряда (от I до VII в таблице норм) регламентируемого размером объекта различения. Сочетание характеристики фона и контраста объекта с фоном подразряд зрительной работы от "а" до "г"(см. приложение норм).
Таблица норм в приложении содержит значения минимально допустимых значений освещенности на рабочих местах при использовании газоразрядных ламп. Если использованы для освещения лампы накаливания, то значение освещенности, указанное в таблице норм, снижается на одну ступень по следующей шкале 15, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 1000, 1250, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000. Например, в таблице для конкретного разряда и подразряда зрительной работы указана цифра 200 лк, ищем ближайшую меньшую цифру 150 лк - это и будет норма освещенности для ламп накаливания.
При проектировании осветительных установок стремятся обеспечить требования норм при минимальных затратах электроэнергии с сохранением равномерного распределения яркостей в поле зрения, исключающих слепящее действие самих ламп. Для этого применяют светильники с рассеивающими экранами, матовыми стёклами, что приводит к частичной потере световой энергии (на 10-15%).
По конструкции различают светильники прямого света (концентрирующие световой поток в нижнюю полусферу с помощью белого или зеркального отражателя); рассеянного света (при равномерном распределении света в пространстве) и отраженного света (световой поток направлен в верхнюю полусферу).
Светлая окраска потолка стен, мебели, оборудования способствует увеличению освещенности на рабочих местах, за счет лучшего отражения, и созданию более равномерного распределения яркостей в поле зрения. В этом случае увеличивается коэффициент использования осветительной установки 
, ее кпд. Этот коэффициент зависит от типа источника света и светильника, геометрии помещения и коэффициентов отражения потолка и стен.
Коэффициент использования осветительной установки приближенно может быть рассчитан как
, (1)
где 
- световой поток (лм), обеспечивающий горизонтальную освещенность по всей площади помещения, равный произведению средней освещенности ЕСР (лк) на площадь помещения SП (м2). 
- суммарный стандартный световой поток примененных ламп.
Измерение освещенности. Прибор, применяемый в настоящее время для измерения освещенности и коэффициента пульсации “Пульсметр-люксметр ТКА - ПКМ” имеет фотоэлемент со спектральной чувствительностью аналогичной лампам накаливания (ЛН), поэтому при измерениях с ЛН осуществляется прямой отсчет по шкале прибора. При измерениях естественной освещенности вводится поправочный множитель К 1 = 0,8, для ламп ДРЛ
К 1 = 1,09; люминесцентных ламп белого света ЛБ (лампа белого света), ЛХБ (лампа холодного белого света) и светодиодов К 1 = 1,17, дневного света ЛД (лампа дневного света), ЛДЦ (лампа дневного света с улучшенной цветопередачей) К1 = 0,99; натриевых ламп ДНаТ (дуговые, натриевые, трубчатые) К 1 = 1,23.
Для снятия показания значений измеряемых величин необходимо чувствительный элемент расположить горизонтально на полу модели помещения и включить прибор нажатием верхней кнопки. При появлении на дисплеи надписи “затените датчик” закройте датчик ладонью и нажмите среднюю кнопку прибора. Через пять секунд снимите ладонь с датчика и на дисплее прибора отразится измеренное значение освещенности в люксах и коэффициент пульсации в %.
Освещенность, создаваемая электрическими лампами, в большой степени зависит от величины питающего напряжения U в вольтах. В процессе аттестации осветительной установки может оказаться, что дефицит освещенности обусловлен не малой мощностью и количеством источников света, а низким, в момент измерений, напряжением в питающей сети. В связи с изложенным необходимо параллельно измерять напряжение и производить пересчет освещенности на номинальное значение - 220 В с учетом коэффициента К 2.
, лк (2)
Где, 
- напряжение в сети в момент измерения освещенности; 
- коэффициент, определяемый по таблице 1.
Таблица 1
Значения коэффициента влияния напряжения на освещенность
| Источник света | 
|
| Лампы накаливания | |
| Люминесцентные лампы при использовании балластного | |
| Сопротивления: | |
| индуктивного | |
| емкостного | |
| Лампы ДРЛ, ДРИ, ДнаТ Светодиоды |
Окончательно фактическая освещенность
ЕФАКТ = ЕИЗМ·К1·К2 (3)
Е ИЗМ - измененная освещенность по показанию прибора;
К 1 - коэффициент, учитывающий спектр излучения источников света;
К2 - коэффициент, учитывающий значение напряжения в сети.
Описание лабораторной установки. Установка выполнена в виде модели помещения с прозрачной стационарной передней стенкой и съемными темными панелями на боковые и заднюю стенку, которые закрепляются на магнитах и позволяют моделировать два типа помещений (с темными и светлыми стенами). В верхней части передней стенки располагаются органы управления вентилятором, расположенным внутри модели помещения, и выключатели ламп. Вентилятор с регулируемой частотой вращения крыльчатки служит для демонстрации стробоскопического эффекта и регулирования температурного режима внутри установки.
На потолке модели помещения смонтировано семь ламп различной конструкции:
- лампа накаливания, заполненная инертными газами, грибовидной формы, мощностью W = 60 Вт и световым потоком Фл = 720 лм (выключатель 5);
- лампа светодиодная – W = 5 Вт, Фл = 420 лм (выключатель 6);
- галогенная лампа накаливания содержит пары йода – W = 50 Вт, Фл = 900 лм (выключатель 7);
- люминесцентные компактные лампы белого света (ЛБ) в виде сдвоенных прямых светящихся трубок, включенные в три разные фазы через индуктивное балластное сопротивление – W = 9 Вт, Фл = 530 лм (выключатели 1,2,3);
- люминесцентная лампа дневного света (ЛД) энергосберегающая, например, в виде сдвоенной спирали, подключенная через емкостное балластное сопротивление и преобразователь питающего напряжения с частотой 10 кГц,
W = 11 Вт, Фл = 780 лм (выключатель 4).
В качестве примеров зрительной работы даются две печатные платы, рисунки которых выполнены на светлом и темном фоне. Размером объекта различения являются толщина самого тонкого проводника, размер посадочного отверстия или линии символа буквенного обозначения, размер которого наименьший и его необходимо увидеть в процессе выполнения работы.
Порядок выполнения работы
Задание I. Нормирование количественного параметра освещения.
1. Включите одну любую газоразрядную лампу.
2. Измерьте освещенность в трех точках на уровне пола модели помещения. Определить среднее значение фактической освещенности в лк, используя выражение (3).
Напряжение в питающей сети определите с помощью лабораторного стенда по электробезопасности или по заданию преподавателя (например, 210 В).
3. Лампу выключите.
4. Визуально для обеих печатных плат оцените характеристику фона (светлый, средний или темный), контраст объекта с фоном (большой, средний или малый), минимальный размер объекта различения (определить с помощью шаблона). По таблице норм (в приложении к лабораторной работе) определите к какому разряду зрительных работ относится работа с печатными платами (I, II, III или IV), а по соотношению фона и контраста определите подразряд (а, б, в или г). Так как в модели помещения лампы располагаются на потолке, считать освещение общим. Определите освещенность, необходимую для создания комфортных условий. Измеренные и выбранные по таблице норм значения освещенности занесите в отчет (таблица 1).
5. Включите лампу накаливания и повторите действия по пунктам 2, 3. Учтите, что величина нормируемой освещенности для ламп накаливания снижается на одну ступень по шкале (ряд цифр), указанной на стр. 8. Сделайте вывод о соответствии нормам измеренных значений освещенности.
. Задание П. Нормирование качественного параметра освещения
1. По таблице норм (в приложении) для найденных в первом задании разрядов зрительной работы определите допустимый коэффициент пульсации КП в %. Найденное значение занесите в отчет (таблица 2).
2. По прибору люксметру-пульсомеру определите последовательно коэффициент пульсации отдельно для ламп накаливания и светодиодной лампы (выключатели 5, 6, 7) и для люминесцентных ламп (выключатели 3, 4). Значения коэффициентов пульсации занесите в отчет (таблица 2).
3.Включите вентилятор и одну люминесцентную лампу (выключатель 1). Регулятором частоты вращения крыльчатки вентилятора добейтесь стробоскопического эффекта: возникновения иллюзии вращения периферийной части вентилятора в одну сторону, а центральной части - в противоположную.
4. Добавочно включите последовательно люминесцентные лампы (выключатели 2 и З) убедившись визуально в исчезновении стробоскопического эффекта, измерьте коэффициент пульсации при одновременной работе двух и трех люминесцентных ламп. Сравните со значением нормы. Объясните причину исчезновения пульсации.
Задание III. Оценка энергетической эффективности источников света.
1. Отдельно для каждой лампы (выключатели 4, 5, 6, 7) измерьте на уровне пола создаваемую ей освещенность ЕИЗМ. Светочувствительный элемент люксметра каждый раз располагайте под лампой. Условия работы различных ламп в модели помещения считайте практически одинаковыми.
2. Определите для каждой лампы величину удельной освещенности. Е УД = ЕИЗМ/WЛ [лк/Вт], то есть количество люкс в условиях эксперимента, приходящиеся на 1 Вт электрической мощности. Оцените во сколько раз газоразрядная, светодиодная и галогенная лампы эффективнее обычной лампы накаливания. Результаты занесите в отчет (таблица 3). Сделайте вывод и объясните рекордно высокую величину удельной освещенности в эксперименте для галогенной лампы.
Задание IV. Оценка коэффициента использования осветительной установки.
1. Включите лампы 3 и 6 в модели помещения, при этом освещение в лаборатории должно быть выключено.
2. Измерьте освещенность в трех точках на уровне пола вблизи задней стенки модели помещения, определите среднее значение освещенности ЕСР. Выключить лампы 3 и 6.
3. Принимая во внимание, что площадь пола в модели помещения SП = 0,42 м 2, используя выражение (1), определите полезный световой поток в лм. Сосчитайте суммарный световой поток включенных ламп, а затем определите коэффициент использования осветительной установки (выражение 1).
4. Установите темные панели на боковые и заднюю стенку модели помещения, повторите действия по пунктам 1, 2 и 3. Результаты коэффициентов использования для моделей помещения со светлой и темной окраской стен занесите в отчет (таблица 4). Сделайте вывод о влиянии отраженного света на освещенность в помещении.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют системы искусственного освещения?
2. В чем принципиальное отличие ламп накаливания от газоразрядных и светодиодов?
3. Каковы преимущества ГРЛ и СД по сравнению ЛН?
4. Какие недостатки газоразрядных ламп?
5. Каковы причины и последствия пульсации светового потока газоразрядных лам?.
6. По каким параметрам нормируется освещение?
7. Чем определяется характер зрительной работы?
8. Каким образом на практике можно увеличить коэффициент использования осветительной установки η?
9. Какие поправочные коэффициенты вводятся при измерении освещенности люксметром?
10. Зачем при измерениях освещенности измерять напряжение в сети?
Литература:
Основная.
1. Охрана труда: Учебник / В.А. Девисилов, - 5-е изд., перераб. Идоп. Издательство Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013 г., 512с.
2. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».
Дополнительная.
3. Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (техносферная безопасность); учебник для бакалавров/ С.В.Белов.- 3-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2012. – 682 с.
