Охрана труда. Лабораторный практикум - Пособие (А. К. Гармаза)

Лабораторная работа № 3 исследование характеристик искусственного освещения

Цель работы: научиться работать с основными измерительными светотехническими приборами; исследовать характеристики искусст- венного освещения и освоить методы оценки эффективности освети- тельной установки.

Приборы и оборудование: установка ОТ-8, люксметр Ю-116.

1. Общие положения

В лабораторной работе изучаются влияние изменения направлен- ности света на видимость предмета и освещенность его отраженным светом, стробоскопический эффект, изменения освещенности в про- странстве (построение изолюкс), изменения освещенности в зависи- мости от напряжения сети.

Рациональная освещенность устанавливается в соответствии с ос- новными функциями органа зрения человека. Освещение должно быть достаточным, равномерным, не должно ослеплять глаз и создавать блескости на рабочей поверхности.

Освещение обусловливает видимость предметов, содействует увеличению производительности и улучшению качества труда, созда- ет определенный психологический тонус и вызывает соответствую- щие настроение и самочувствие, содействует уменьшению количества несчастных случаев, предупреждает зрительное и общее утомление, влияет на физиологические процессы, сердечно-сосудистую и нерв- ную системы и общий тонус организма.

В качестве источников света в современных осветительных уста- новках используются лампы накаливания, галогенные и газоразряд- ные лампы.

В лампах накаливания свечение возникает при нагревании вольфрамовой нити накала до высокой температуры. Производятся различные типы ламп накаливания: вакуумные (НВ), газонаполнен- ные (как правило, наполнителем является смесь аргона и азота), би- спиральные (НБ), с криптоноксеноновым наполнением (НБК), зер- кальные с диффузно отражающим слоем и др.

Лампы накаливания просты в изготовлении, удобны в эксплуа-

тации, не требуют дополнительных устройств для включения в сеть.

Недостатками их являются низкая световая отдача (от 7 до 22 лм/Вт) при большой яркости нити накала, высокая температура поверхности колбы лампы, низкий КПД (10–13\%), ограниченный срок службы (от

1 до 2 тыс. ч). Лампы дают непрерывный спектр, отличающийся от спектра дневного света преобладанием желтых и красных лучей, что в какой-то степени искажает восприятие человеком окружающих предметов. Изменение напряжения в сети оказывает существенное влияние на срок службы и величину светового потока ламп накали- вания (на каждые 5\% изменения напряжения эти характеристики ме- няются на ±50\% и ±1,5\%  соответственно). Лампы накаливания изго- тавливаются мощностью от 15 до 1500 Вт. В настоящее время мно- гие страны принимают программы об отказе от ламп накаливания и переходе на другие энергосберегающие источники света. Например, конгресс США принял такое решение и с 2013 г. лампы накаливания на территории страны не будут использоваться, что позволит сэко- номить до 2/3 электроэнергии.

Галогенные лампы накаливания наряду с вольфрамовой нитью содержат в колбе пары того или иного галогена, например йода, что позволяет повысить температуру накала нити и практически исклю- чить испарение вольфрама. Они имеют более продолжительный срок службы (до 3000 ч) и более высокую светоотдачу (до 40 лм/Вт). Све- тильники с галогенными лампами дают яркий свет, обеспечивающий высокую цветопередачу.

Галогенные лампы накаливания с йодным циклом имеют луч- ший спектральный состав света и хорошие экономические характе- ристики и поэтому получают все большее распространение. Обра- зующиеся при работе такой лампы пары вольфрама соединяются с йодом и вновь оседают на вольфрамовую спираль, препятствуя ее распылению. В осветительных установках производственных зда- ний применяют лампы типа КГ 220-1000, КГ 220-1500, КГ 220-2000 мощностью до 2 кВт. Эти лампы отличаются большой стабильно- стью светового потока, который снижается к концу срока службы только на несколько процентов.

Газоразрядные лампы излучают свет в результате электрическо-

го разряда в парах и газах. На внутреннюю поверхность стеклянной трубки наносится тонкий слой люминофора, который преобразует ультрафиолетовое излучение газового электрического разряда в види- мый свет. Различают газоразрядные лампы низкого (люминесцент- ные) и высокого давлений.

Люминесцентные лампы создают в помещениях искусственный свет, приближающийся по спектру к естественному, они более благо- приятны для человека с гигиенической точки зрения.

Кроме того,    такие   лампы имеют высокую         светоотдачу   (до

110 лм/Вт), т. е. они в 3–3,5 раза экономичнее ламп накаливания, и большой срок службы (до 14 000 ч). Свечение происходит со всей

поверхности трубки, а, следовательно, яркость и слепящее действие люминесцентных ламп значительно ниже, чем ламп накаливания. Низкая температура поверхности колбы делает лампу относительно пожаробезопасной.

Однако газоразрядные лампы имеют свои недостатки: пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект (искаже- ние  зрительного  восприятия  объектов  различения  –  вместо  одного

предмета видны изображения нескольких, а также искажаются на- правление и скорость движения, что повышает вероятность производ- ственного травматизма и делает невозможным выполнение некоторых

производственных операций); дорогостоящая и относительно сложная схема включения лампы в сеть, требующая регулирующих пусковых устройств (дроссели, стартеры); значительная отраженная блескость;

чувствительность к колебаниям температуры окружающей среды (оп- тимальная температура 20–25°С, повышение и понижение температу- ры вызывает снижение светового потока); чувствительность к колеба- ниям напряжения в сети (снижение напряжения в сети на 10–15\% рез-

ко снижает световой поток либо гасит лампу).

От газоразрядных ламп можно получить световой поток практи-

чески в любой части спектра. Это достигается соответствующим под-

бором люминофора и состава инертных газов и паров металлов, в ат-

мосфере которых происходит разряд.

В зависимости от состава люминофора и особенностей конструк-

ции различают несколько типов ламп с разным спектральным соста- вом света: лампы белого света (ЛБ), дневного света (ЛД), дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ), тепло-белого света (ЛТБ), холодного света (ЛХБ) и др. Лампы ЛХБ, ЛД и особенно ЛДЦ ис- пользуются в случаях, когда выполняемая работа требует высокого уровня цветоразличения.

В настоящее время широко применяются энергосберегающие флуоресцентные лампы (ЭФЛ), представляющие собой трубку, внут- ренняя поверхность которой покрыта люминофором и наполнена па- рами ртути под низким давлением. В трубку с обоих концов впаяны электроды. При включении лампы в сеть в трубке образуется газовый

разряд, генерирующий коротковолновое ультрафиолетовое излучение, при этом происходит возбуждение атомов люминофора, преобразую- щееся в видимое излучение.

Для освещения открытых пространств, территорий предпри- ятий, улиц, высоких (более 6 м) производственных помещений ис- пользуются газоразрядные лампы высокого давления. К ним отно-

сятся дуговые ртутные люминесцентные лампы типа ДРЛ, гало- генные лампы ДРИ (дуговые ртутные с йодидами), ксеноновые лампы сверхвысокого давления ДКсТ (дуговые ксеноновые труб- чатые), натриевые лампы ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые) и

т. д. Эти лампы сосредоточивают в небольшом объеме значитель- ную электрическую и световую мощность. Они выпускаются мощ- ностью  от  80  до  2000 Вт  и  могут  эксплуатироваться  при  любой

температуре окружающей среды. Их можно устанавливать в обыч-

ных светильниках взамен ламп накаливания.

Недостатком ламп типа ДРЛ является длительность разгорания

(3–7 мин)  при  их  включении.  Этот  недостаток  отсутствует  у  ламп

ДКсТ и ДНаТ.

В последнее время все шире начинают использоваться светоизлу-

чающие диоды для дежурной подсветки панелей приборов, пультов управления, полов в коридорах. Они не боятся ударов, бросков тока, характеризуются низким энергопотреблением, в 100 раз меньшим, чем у соответствующих ламп накаливания, высоким сроком службы (око- ло 10 лет), пожаробезопасны.

Качественные показатели освещения в производственных поме-

щениях во многом определяются правильным выбором осветительных приборов, представляющих собой совокупность источников света и

осветительной арматуры. Основное назначение последней заключает-

ся в перераспределении светового потока источников света в требуе-

мых для освещения направлениях, механическом креплении источни- ков света и подводе к ним электроэнергии, а также защите ламп, оп- тических и электрических элементов от воздействия окружающей среды. Осветительная арматура предохраняет источники света от за- грязнения и механических повреждений и изолирует их от внешней среды. Осветительный прибор ближнего действия называется све- тильником, а дальнего – прожектором.

Величина освещенности нормируется ТКП 45-2.04-153-2009 «Ес- тественное и искусственное освещение». Для получения нормируемой величины освещенности при расчетах применяют метод коэффициен-

та использования светового потока и точечный метод.

Метод коэффициента использования светового потока позволяет обеспечить среднюю освещенность горизонтальной поверхности с уче- том всех падающих на нее потоков – как прямых, так и отраженных.

Точечный метод позволяет обеспечить заданное распределение

освещенности на расположенных как угодно поверхностях, но лишь приближенно учесть отражаемый поверхностями помещения свет. Точечный метод основан на применении графиков или таблиц, позво- ляющих непосредственно или после нескольких вычислений опреде- лить освещенность любой точки поверхности, создаваемую светиль- ником с известными параметрами: светораспределением, световым потоком ламп и геометрическими характеристиками, определяющими расположение светильника. Наиболее широко применяемыми приме- рами решения этой задачи являются три вида графиков: кривые отно- сительной освещенности, пространственные изолюксы условной го- ризонтальной освещенности и условные изолюксы.

Кривые относительной освещенности позволяют вести расчет с высокой степенью точности, но более трудоемки по сравнению с про- странственными изолюксами, которые дают непосредственно сужде- ние о наивыгоднейшей высоте установки светильника при заданном значении расстояния освещаемого предмета на горизонтальной по- верхности от светильника.

Для определения относительной освещенности от светильников с некругосимметричным распределением, при котором описанные вы- ше способы непригодны, применяются условные изолюксы.

2. Экспериментальная часть

2.1. Оборудование и приборы

Работа выполняется на установке ОТ-8, предназначенной для ис- следования характеристик искусственного освещения рабочего места. Установка состоит из следующих основных узлов: камеры полусфе- рической (рис. 3.1) и стойки осветительной (рис. 3.2).

Полусферическая камера служит для изучения влияния направ- ления света на видимость объекта, определения силы света рассеянно- го потока и демонстрации стробоскопического эффекта.

Она состоит из следующих основных частей: полусферы 5, на на- ружной поверхности которой размещены смотровые глазки 4 и 24 и лючки 3; основания 6, внутри которого имеется привод, состоящий из двигателя 22, двух шестерен 21 и 26 и осветительных ламп 27; перего-

родки с перекрывающимися отверстиями 19. На дне камеры находятся стробоскопический диск 18 с нанесенными полосами 29 черного цвета и предметный столик 17. По внутренней полусферической поверхности размещены лампы накаливания 16, а в зените – люминесцентные лампы

23. Управление перекрытием отверстий 19 находится снаружи и состоит из маховика 13 и винта, перемещающего щиток 20. Скорость вращения стробоскопического диска можно регулировать маховиком 12.

Рис. 3.1. Общий вид полусферической камеры:

1 – петли; 2 – люк; 3 – лючок; 4, 24 – смотровые глазки; 5 – полусфера;

6 – основание; 7–8 – сигнальные лампы; 9 – автомат ввода; 10 – тумблер пуска двигателя; 11 – тумблер управления люминесцентными лампами;

12, 13, 25 – маховики; 14 – переключатель ламп полусферы; 15 – тумблер включения ламп камеры; 16 – лампа накаливания; 17 – предметный столик;

18, 28 – стробоскопический диск; 19 – перегородка; 20 – щиток;

21, 26 – шестерни; 22 – двигатель; 23 – люминесцентная лампа;

27 – осветительная лампа; 29 – полосы на диске

На панели управления размещены: сигнальная лампа 8, автомат ввода 9, сигнальная лампа вращения стробоскопического диска 7, тумблер пуска и остановки двигателя 10, тумблер управления люми-

несцентными лампами 11, тумблер включения ламп камеры 15 и пе- реключатель ламп полусферы 14. Для доступа к предметному столику предусмотрен люк 2. Полусфера для доступа во внутреннюю сферу может открываться, вращаясь на петлях 1.

Стойка осветительная (рис. 3.2) служит штативом для светиль-

ников и для прибора измерения освещенности. Она состоит из сле-

дующих основных узлов: основания 9, двух вертикальных стоек 3, пе- редвижного штатива 8, пультов управления 6 и 14, траверсы 1 со све- тильником 2, горизонтальной 5 и вертикальной 4 линеек. Включение питания производится тумблером «Сеть» 11, при этом загорается сиг- нальная  лампа  10.  Изменение  напряжения  питания  осветительных ламп производится маховиком 12, а измерение напряжения – вольт- метром 13. Включение ламп осуществляется тумблером с пульта 6. Для перемещения подвижного штатива необходимо нажать на тор- мозную собачку 7 и двигать его в нужном направлении.

Для измерения освещенности в лабораторной работе используется люксметр Ю-116. Принцип его действия основан на фотоэлектриче-

ском  эффекте,  т. е.  преобразовании  световой  энергии  в  электриче-

скую.  Люксметр  состоит  из  фотоэлемента,  соединенного  с  милли-

вольтметром. Шкалы последнего проградуированы в люксах с преде- лами измерений: нижняя – от 0 до 30 и верхняя – от 0 до 100 лк. Уве- личение пределов измерений осуществляется за счет применения на- садок, которые надеваются на фотоэлемент. В комплект входят три насадки с коэффициентами ослабления: М = 10, Р = 100, Т = 1000. Пе- речисленные насадки применяются вместе с полусферической мато- вой насадкой К. При пользовании насадками данные, полученные по шкале прибора, необходимо умножить на величину коэффициента ос- лабления. Благодаря применению насадок люксметром Ю-116 можно измерить освещенность до 100 000 лк.

Перед началом необходимо соединить фотоэлемент с люксмет- ром, т. е. вилку фотоэлемента вставить в гнездо прибора (расположено в левой боковой стенке). Чтобы прибор при этом не вынимать из фут- ляра, в последнем напротив соединительного гнезда сделан специаль- ный вырез. Включение прибора производится нажатием одной из кнопок, расположенных в его правой нижней части.

Если величина измеряемой освещенности неизвестна, определе- ние следует начинать при последовательно надетых насадках КТ; КР; КМ сначала по шкале 0–100 (нажимается правая кнопка). Если при этом стрелка по шкале прибора смещается в крайнее левое положе- ние, необходимо включить шкалу 0–30 (нажимается левая кнопка).

Рис. 3.2. Общий вид осветительной установки:

1 – траверса; 2 – светильник; 3 – вертикальная стойка; 4 – вертикальная линейка;

5 – горизонтальная линейка; 6, 14 – пульт управления; 7 – тормозная собачка;

8 – передвижной штатив; 9 – основание; 10 – сигнальная лампа; 11 – тумблер;

12 – маховик; 13 – вольтметр

При малом значении измеряемой освещенности и смещении стрелки прибора в крайнее левое положение шкалы 0–30 следует за- менить насадки с большим коэффициентом ослабления света на на- садки с меньшим коэффициентом или снять их совсем. Так, если при использовании насадок КМ и нажатой левой кнопке стрелка не дохо- дит до 5-го деления по шкале 0–30, измерения надо проводить без на- садок, т. е. открытым фотоэлементом.

При определении освещенности фотоэлемент устанавливается го-

ризонтально на рабочих местах.

При окончании измерения отсоединить фотоэлемент от измерите-

ля люксметра, надеть на него насадку Т и уложить в крышку футляра.

2.2. Порядок выполнения работы

Пункты  2.2.1–2.2.3  выполняются  на  полусферической  камере

(рис. 3.1), 2.2.4–2.2.5 – на осветительной стойке (рис. 3.2).

2.2.1. Изучение влияния направления света

на видимость предмета (объекта различения)

1. Через окно 2 полусферической камеры на предметном столи-

ке 17 (предполагаемое место расположения объекта различения) уста-

новить фотоэлемент люксметра.

2. Переключателем 14 включить имитирующие местное освеще-

ние лампы 16, расположенные с правой и левой стороны и на задней стенке полусферы. Расположение ламп (в градусах) в вертикальной

плоскости отмечено на панели управления у переключателя 14 (попе-

речные лампы 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 105°, 135°, 165°; продольные –

15°, 30°, 45°, 60°). Записать показания люксметра (при использовании

открытого фотоэлемента, с насадкой КМ, шкалы 0–100 лк и нажатой

правой кнопке) для каждой лампы в табл. 3.1.

 

Зависимость освещенности от направления света

Таблица 3.1

 

Наименование параметров

 

Поперечные лампы

Продольные лампы

Угол  наклона  лам-

пы, град

 

15

 

30

 

45

 

60

 

75

 

105

 

135

 

165

 

15

 

30

 

45

 

60

Освещенность Е, лк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Построить график зависимости освещенности от направления света (для продольных и поперечных ламп) в координатах: угол на- клона (град) – освещенность (лк).

2.2.2. Изучение общего освещения,

создаваемого отраженным светом

Внутренняя поверхность полусферы 5 окрашена белой краской и имитирует эффект общего рассеянного освещения при освещении снизу лампами общего освещения через перегородки с перекрываю- щимися отверстиями.

1. Фотоэлемент люксметра (без насадок) оставить на предметном столике 17.

2. Включить тумблером 15 лампы общего освещения 27.

3. Поворотом ручки 25 установить диафрагму 19 так, чтобы вначале полностью открытые отверстия перекрывались последовательно на одну треть, наполовину, на две трети, и измерить освещенность при каждом заданном положении диафрагмы (при нажатой левой кнопке и использо- вании шкалы 0–30 лк). Записать данные измерений в табл. 3.2.

Зависимость освещения от зазора отверстий

 

 

Перекрывание зазора отверстий

 

0

 

1/3

 

1/2

 

2/3

 

Освещенность Е, лк

 

 

 

 

 

2.2.3. Изучение стробоскопического эффекта

1. Вынуть из полусферы фотоэлемент люксметра!

2. Включить автомат ввода 9 (при этом включается сигнальная лампа 8).

3. Тумблером 10 включить вращение стробоскопического диска.

При этом должна загореться сигнальная лампочка 7.

4. Наблюдение за стробоскопическим диском вести через одно из смотровых глазков 24.

5. Маховиком 25, задавая различную скорость вращения диска, установить такую скорость его вращения, при которой наблюдается стробоскопический эффект.

6. Описать явление, используя данные наблюдений и положения,

содержащиеся в теоретической части.

2.2.4. Построение изолюкс

1. Установить            горизонтальную        линейку          осветительной           стойки

(рис. 3.2) в верхнем положении на отметке 0.

2. Включить  лампу  светильника  заданной  мощности  соответст-

вующим тумблером управления 6.

3. Замерить  и  записать  горизонтальную  освещенность  под  све-

тильником, располагая фотоэлемент в горизонтальной плоскости.

4. Переместить люксметр на 10 см по горизонтальной линейке 5 и вновь измерить и записать горизонтальную освещенность.

5. Продолжить замеры в последующих точках (20, 30 и т. д.) до наибольшего расстояния, позволяемого линейкой.

6. Линейку 5 опустить на 10 см по шкале 4 и замерить освещенность в тех же точках на горизонтали, что и в предыдущих опытах (3–5).

7. Опустить по шкале 4 линейку на 10 см и повторить замеры. Ре-

зультаты занести в табл. 3.3. Далее произвести серию измерений для последующих положений люксметра (перемещая линейку по высоте,

а люксметр по горизонтали).

Таблица 3.3

Зависимость освещенности от расстояния до светильника

 

 

Расстояние от светильника до фото- элемента люксметра по вертикаль- ной линейке, см (фотоэлемент в го- ризонтальной плоскости)

Освещенность Е, лк

Расстояние от светильника до фотоэле-

мента люксметра по горизонтальной ли-

нейке, см

0

10

20

30

и т. д.

0

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

и т. д.

 

 

 

 

 

 

8. Полученные результаты измерений (в люксах) нанести на гра- фик в координатах h–d (аналогично рис. 3.3) и одинаковые значения освещенности соединить между собой плавными кривыми.

Рис. 3.3. Кривые одинаковых освещенностей светильника с лампой накаливания 25 Вт

9. Повторить все операции по пп. 1–8, располагая фотоэлемент люксметра в вертикальной плоскости. Форма таблицы для записей ре- зультатов аналогична табл. 3.3.

10. Построить аналогично п. 8 кривые вертикальной освещенности.

2.2.5. Изучение влияния напряжения сети на освещенность

1. Измерить освещенность на определенной отметке по шкале 4,

например 100 см, при нормальном напряжении сети.

2. Маховичком 12 изменить напряжение питания осветительных ламп ±5\%, ±10\%, ± 20\%, контролируя по вольтметру 13.

3. Данные занести в табл. 3.4.

 

50

 
Зависимость освещенности от напряжения сети

 

U, В

220

225

235

215

210

200

Е, лк

 

 

 

 

 

 

 

4. Выявить зависимость освещенности от напряжения сети.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какая цель преследуется при выполнении данной лабораторной работы?

2. На какие факторы влияет производственное освещение?

3. Какие лампы применяют для искусственного освещения?

4. В чем заключены достоинства и недостатки ламп накаливания и люминесцентных ламп?

5. В чем заключена сущность стробоскопического эффекта и его практическая опасность?

6. Каким документом нормируется освещенность?

7. Какие методы используются для получения нормируемой вели-

чины освещенности?

8. Какие приборы и установки используются для исследований характеристик искусственного освещения рабочих мест?

9. Какие характеристики искусственного освещения можно изме-

рить с помощью полусферической камеры и осветительной установки?

10. В чем заключен принцип действия люксметра Ю-116 и какие пределы измерения освещенности допустимы с его применением?

ЛИТЕРАТУРА

1. Челноков, А. А.   Охрана   труда:   учебник   /   А. А. Челноков, И. Н. Жмыхов,  В. Н. Цап;  под  общ.  ред.  А. А. Челнокова.  – Минск: Выш. шк., 2011. – 671 с.

2. Естественное и искусственное освещение: ТКП 45-2.04-153-2009. –

Введ. 01.01.10. – Минск: М-во архитектуры и стр-ва Респ. Беларусь,

2010. – 103 с.