Искусственное освещение рабочего места

Цель работы

1. Основные светотехнические понятия и величины

2. Особенности субъективного восприятия света

3. Виды искусственного освещения

4. Источники искусственного освещения

5. Нормирование освещённости рабочих мест

Библиографический список

Цель работы: изучить факторы, влияющие на качество освещения рабочего места; ознакомиться с основными светотехническими величинами, принципами нормирования и измерения искусственной освещённости рабочих поверхностей.

1. Основные светотехнические понятия и величины

Сила света (J). Каждый источник света, излучающий в видимой области спектра, характеризуется силой света, единица которой входит по классификации Международной системы в число основных физических величин. На XVI Генеральной конференции по мерам и весам (1979 г.) была определена единица силы света кандела (кд) — сила света, испускаемого в перпендикулярном направлении с поверхности эталонного излучателя (абсолютно чёрное тело) при мощности излучения 683 Вт в телесном угле в один стерадиан (ср) на частоте 54 010¹² Гц (= 555 нм — длина световой волны зеленого цвета).

Телесный угол () представляет собой часть пространства, ограниченную конической поверхностью. Мерой телесного угла является отношение площади той части поверхности сферы S произвольного радиуса r с центром в вершине конической поверхности, которая вырезается данным телесным углом, к квадрату радиуса сферы: = S/r². Единицей измерения телесного угла является стерадиан (сp).

Понятие силы света, как основной физической величины, используется при определении всех других светотехнических единиц.

Световой поток (Ф) — величина, которая определяется силой света, излучаемого в пределах данного телесного угла (). В случае равномерного излучения Ф = J. За единицу измерения светового потока принят люмен (лм) — световой поток внутри телесного угла в один стерадиан при силе света в одну канделу.

Светимость (M) представляет собой поверхностную плотность излучаемого светового потока Ф_{изл , который может создаваться путем непосредственного излучения (в источниках света), путём излучения отражённого света от освещённых поверхностей, либо путём прохождения света сквозь прозрачные или полупрозрачные (частично прозрачные) тела. Для излучающих поверхностей конечных размеров светимость может быть оценена усреднённым значением:}

М_{ср = Физл/S.}

Единица измерения светимости — это светимость источника, каждый квадратный метр поверхности которого излучает световой поток в один люмен (лм/м²).

Освещенность (E) представляет собой поверхностную плотность падающего светового потока в перпендикулярном направлении на освещаемую поверхность. Поверхности конечных размеров могут быть охарактеризованы средней освещенностью Е_{ср = Фпад/S. Единицей освещенности является люкс (лк) — освещенность поверхности в один квадратный метр, на которую падает световой поток в один люмен.}

Из приведенных определений следует, что освещенность не зависит от свойств освещаемой поверхности. Освещенность поверхности при произвольном направлении падающего светового потока может быть определена по формуле

Е_{ср = Jrcos/r²,}

где J_{r — сила света, излучаемого от наблюдаемой поверхности в направлении наблюдения, по которому производится отсчёт расстояния r; - угол между направлением наблюдения и нормалью к освещаемой поверхности.}

Яркость является наиболее важным параметром, определяющим уровень восприятия света человеческим глазом. Источник света или освещённый предмет тем лучше виден, чем большую силу света излучает каждый элемент светящейся поверхности в направлении глаза.

Среднее значение яркости определяется как отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направлении, к площади проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

В_ср = J_{изл/S cos,}

где J_{изл — сила света, излучаемая поверхностью с площадью S;}

— угол между направлением излучения отражённого от поверхности света (J_{изл) и нормалью к этой поверхности. Единица яркости (кд/м²) — яркость источника, каждый квадратный метр излучающей поверхности которого имеет в данном направлении силу света, равную одной канделе.}

Яркость светящихся или освещаемых поверхностей зависит от отражающих свойств этих поверхностей, которые определяются коэффициентом отражения:

= Ф_{отр/Фпад,}

где Ф_{отр и Фпад — отраженный от поверхности и падающий на поверхность световые потоки. Коэффициент отражения зависит от цвета и чистоты обработки поверхности. Например, для побелённых стен и потолка = 0,75 — 0,8, а для бетонных покрытий = 0,35 — 0,5.}

2. Особенности субъективного восприятия света

Зрение человека позволяет воспринимать форму, цвет, яркость и движение окружающих предметов. До 90% информации об окружающем мире человек получает с помощью зрительных органов, поэтому рациональное освещение помещений и рабочих мест является одним из важнейших факторов создания нормальных гигиенических условий для выполнения любых зрительных работ.

Глаз человека работает по принципу фотографической камеры, в которой роль объектива выполняет хрусталик. Световые лучи, проходя через хрусталик, преломляются и создают уменьшенное обратное изображение на внутренней стенке глазного яблока (сетчатке). Светочувствительные рецепторы сетчатки (палочки и колбочки) поглощают падающий на них световой поток и преобразуют его в нервные импульсы, которые передаются по зрительному нерву в мозг. Величина возбуждаемых импульсов зависит от освещенности участков сетчатки, на которые проецируется изображение рассматриваемого предмета.

Энергетические характеристики зрительного анализатора определяются интенсивностью световых сигналов, воспринимаемых глазом. К ним относятся: яркость наблюдаемого объекта, контраст объекта с фоном, цветоощущение. искусственный освещение нормирование рабочий Яркость является основной характеристикой, определяющей уровень светоощущения. В общем случае яркость предмета определяется двумя составляющими — яркостью излучения и яркостью за счет внешней засветки (яркостью отражения):

B = B_{изл + Bотр.}

Яркость излучения определяется интенсивностью излучения с поверхности наблюдаемого объекта и его светоотдачей. Вторая составляющая для случая диффузного (ненаправленного) отражения определяется уровнем освещенности наблюдаемой поверхности от внешнего источника и ее отражающими свойствами:

B_{отр = Eд/ ,}

где E - освещённость поверхности;

_{Д — коэффициент диффузного отражения поверхности.}

Диапазон воспринимаемых яркостей зрительным анализатором человека весьма велик: от 10^-6 до 10⁶ кд/м².

Каждый видимый объект наблюдается на фоне каких-либо других объектов. Фон представляет собой поверхность, на которой наблюдается данный зрительный объект. Основной характеристикой фона является коэффициент отражения (). Если < 0,2 — фон считается темным, если 0,2 < < 0,4 — средним, если > 0,4 — светлым.

Зрительное восприятие объектов также зависит от их контраста по отношению к фону, на котором они наблюдаются. Различают два вида контраста: прямой (объект наблюдения темнее фона, т. е. B_{о < Bф) и обратный (объект наблюдения светлее фона, т. е. Bо > Bф). Количественно величина контраста оценивается отношением разности яркостей объекта наблюдения и фона к большей яркости:}

К_{пр = (Bф - Bо)/Bф при Bф > Bо, и Кпр = (Bо - Bф)/Bо при Bо > Bф,}

где B_{ф и Bо — соответственно яркость фона и объекта. Если K < 0,2 — контраст считается малым, если 0,2 < K < 0,5 — средним, если K > 0,5 — большим. Оптимальная величина контраста считается равной 0,6 — 0,95. Зрительная работа при прямом контрасте более благоприятна, чем работа при обратном контрасте. При равенстве яркостей фона и объекта они могут быть различимы по цветности.}

Чрезмерно яркие объекты могут вызывать нежелательное состояние органов зрения. Особенно сильно негативное влияние на работу органов зрения оказывают элементы с большой яркостью, в качестве которых могут выступать, например, чрезмерно яркие части светильников или других источников света (прямое действие), а также их зеркальные отражения (отражённое действие).

Неравномерное распределение яркости зрительных объектов с чрезмерно яркими элементами называют блёскостью, а вызываемое блёскостью нарушение нормальной работы органов зрения — ослеплённостью. Отрицательное воздействие блёскости на органы зрения тем больше, чем точнее выполняемая зрительная работа.

Таким образом, обеспечение требуемой величины контраста является лишь необходимым, но ещё недостаточным условием оптимального зрительного восприятия световой картины. Необходимо также знать, как этот контраст воспринимается при данных условиях. Для этого введено понятие порогового контраста

К_{пор = Bпор/ Bф,}

где B_{пор — пороговая разность яркости, т. е. минимальная разность яркости объекта наблюдения и фона, которую ещё может обнаружить глаз человека.}

Для нормального восприятия зрительной картины контраст объекта наблюдения должен превышать величину порогового контраста в 10 — 15 раз. Отношение величины контраста объекта наблюдения к его пороговому значению (характеристика способности глаза воспринимать объект) называют видимостью: V = K /K_{пор .}

Величина порогового контраста зависит от яркости и угловых размеров объекта наблюдения, поэтому объекты наблюдения с большими размерами видны при меньших контрастах. С увеличением яркости значение порогового контраста уменьшается.

Критерием оценки слепящего действия осветительных установок является показатель ослеплённости:

P = 1000(s — 1) ,

где s = V_{0 /Vбл — коэффициент ослеплённости;}

V_{0 = K0 /Kпор.0 — видимость объекта наблюдения при отсутствии блёскости в поле зрения;}

V_{бл = Kбл /Kпор. бл — видимость объекта наблюдения при наличии блёскости в поле зрения.}

При питании газоразрядных ламп переменным током промышленной частоты (50 Гц) световой поток ламп оказывается пульсирующим с частотой 100 Гц. Соответствующие пульсации освещенности рабочей поверхности вызывают повышенное утомление органов зрения и ухудшение общего состояния организма.

В помещениях с движущимися или вращающимися элементами оборудования пульсации светового потока могут привести к возникновению стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект заключается в том, что при совпадении или кратности частоты пульсаций светового потока и частоты вращения или колебаний механических элементов оборудования последние кажутся неподвижными. Отличие зрительного восприятия движения объектов от их действительного движения может стать причиной травм и несчастных случаев.

Коэффициент пульсаций освещенности (выраженный в %) определяется по формуле:

К_{п = (Eмакс - Eмин)100/2Ecр, (1)}

где E_{макс, Eмин и Ecр — максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период пульсаций светового потока, лк.}

Для практических оценок коэффициента пульсаций освещенности при выполнении данной работы можно приближённо полагать, что

E_{cр = 0,5(Eмакс + Eмин).}

" Средний глаз" человека по-разному реагирует на различные участки спектра светового излучения. Чувствительность глаза растёт, начиная от самых коротких длин волн, достигает максимума при длине волны жёлто-зелёного света (= 555 нм) и затем вновь убывает. Эту зависимость называют световой эффективностью, под которой понимают отношение светового потока, воспринимаемого глазом человека, к полному потоку излучения (т.е. полной мощности лучистой энергии, включающей излучение невидимых участков спектра):

Э = Ф/W_э,

где Ф — видимый световой поток; W_{э — полная энергия излучения (включая энергию излучения в невидимых областях спектра).}

Так как Ф измеряется в люменах, а W_{э в ваттах, то единицей измерения световой эффективности является лм/Вт. Отношение светового потока белого света к соответствующей мощности излучения представляет собой полную световую эффективность. Подобное отношение для определенной длины волны (частоты) называется спектральной эффективностью или световой эффективностью монохроматического света:}

Э_{л= Фл/Wэ.}

Световая эффективность на частоте наибольшей чувствительности глаза (л = 555 нм) равна 683 лм/Вт. Отношение световой эффективности излучения на любой другой частоте к световой эффективности на частоте максимальной чувствительности глаза называется относительной световой эффективностью:

х= Э_{л /Э555.}

На рисунке приведена кривая спектральной чувствительности глаза, показывающая, что для обеспечения одинакового зрительного ощущения мощность синего и красного излучений должна быть существенно больше мощности жёлто-зелёного излучения.

Рис. Кривая спектральной чувствительности глаза человека Источник, отдающий всю свою энергию в виде излучения с длиной волны 555 нм, обладает максимальной световой эффективностью (х_{л = 1) и был бы наиболее экономичным. Однако такой источник света окрашивал бы все предметы в зеленый цвет и они отличались бы друг от друга лишь тем, что одни оказались бы светлее, а другие — темнее.}

Наилучшим должен быть источник, излучающий энергию только в видимой области спектра с таким же распределением энергии по длинам волн, какое имеет условный «средний солнечный свет» .

3. Виды искусственного освещения

Искусственное освещение по характеру выполняемых задач подразделяется на рабочее, аварийное, охранное и дежурное.

Рабочее освещение — это освещение, обеспечивающее нормативные условия освещения (освещённость и качество освещения) в помещениях и местах производства работ вне зданий.

При общем освещении светильники размещаются равномерно в верхней зоне помещения.

При комбинированном освещении общее освещение дополняется местным освещением, с помощью которого обеспечивается большая концентрация светового потока непосредственно в зоне выполнения работ.

Местное освещение (например, настольные и подвесные лампы, бра и т. п.) предназначаются для дополнительного освещения непосредственно рабочих поверхностей. Применение лишь одного местного освещения недопустимо из-за большой неравномерности освещённости рабочей поверхности, являющейся причиной частой переадаптации и, соответственно, переутомления органов зрения.

Аварийное освещение предназначено на случай внезапного отключения рабочего освещения в тех помещениях, в которых работа не должна прекращаться, и делится на освещение безопасности и эвакуационное освещение.

Освещение безопасности необходимо для продолжения работ в случаях аварийного отключения рабочего освещения. Освещение безопасности должно быть автономным и обеспечивать не менее чем 5%-ю освещённость рабочих мест от нормативной величины оcвещённоcти при общем освещении. При этом освещённость внутри здания должна быть не менее 2 лк.

Эвакуационное освещение служит для безопасного выхода из помещения при аварийном отключении рабочего освещения. Эвакуационное освещение должно быть автономным и создавать освещенность на полу основных проходов и лестничных ступенях 0,5 лк.

Охранное освещение должно предусматриваться вдоль границ территорий, охраняемых в ночное время (при отсутствии специальных средств охраны).

Дежурное освещение — это освещение в нерабочее время.

4. Источники искусственного освещения

При широком выборе источников света в настоящее время для освещения производственных и бытовых помещений используются в основном две их группы: лампы накаливания и газоразрядные лампы.

Основными характеристиками источников света являются:

номинальное напряжение U_{ном, В;}

номинальная мощность P_{ном, Вт;}

номинальный световой поток (Ф_{ном), лм (при номинальном напряжении);}

степень снижения светового потока в течение срока службы;

светоотдача, характеризующая световой поток, получаемый с единицы затраченной электрической мощности (= Ф_{ном /Pном), лм/Вт;}

средний срок службы (T_{cл), ч.}

Лампы накаливания (ЛH) являются источниками света теплового действия.

Широкое применение ламп накаливания обусловлено рядом их достоинств:

— дешевизна и простота в изготовлении;

— они не требуют дополнительных пусковых устройств при подключении к электрической сети;

— сохраняют работоспособность при значительных отклонениях напряжения сети от номинала;

— их световой поток к концу срока службы снижается лишь незначительно (примерно на 15%);

— некритичность к изменениям условий внешней среды.

Однако лампы накаливания имеют и существенные недостатки:

— низкую светоотдачу (= 7 — 19 лм/Вт);

— сравнительно малый срок службы (до 1000 ч);

— преобладание в излучаемом спектре жёлто-красных составляющих, что приводит к искажению естественного цветового восприятия.

Газоразрядные лампы широко используются для освещения производственных помещений. Эти лампы генерируют световое излучение в результате электрического разряда в среде инертных газов или паров ртути, а также за счет явления люминесценции.

Наиболее распространены люминесцентные газоразрядные лампы (ЛЛ), имеющие форму цилиндрической трубки. Внутренняя поверхность трубки покрыта тонким слоем люминофора, служащего для преобразования ультрафиолетового излучения, возникающего при электрическом разряде в парах ртути, в видимое излучение.

Люминесцентные лампы, в отличие от ламп накаливания, имеют:

— высокую светоотдачу (до 75 лм/Вт);

— больший срок службы (до 10 000 ч);

— лучшую цветопередачу (излучаемый ими спектр более близок к спектру естественного света).

Недостатками люминесцентных ламп являются:

— снижение к концу срока службы светового потока (до 60% номинального), что требует введения соответствующего коэффициента запаса;

— при подключении к сети требуется дополнительное пусковое оборудование;

— при температурах ниже 10 ⁰С для надёжного запуска требуется специальное дополнительное оборудование;

— при питании переменным током создаваемый световой поток пульсирует с удвоенной частотой напряжения сети (100 Гц);

— излучение радиотехнических помех в процессе работы;

— проблемы утилизации из-за возможности выделения чрезвычайно опасных соединений ртути.

Люминесцентные осветительные лампы выпускаются белого света ЛБ, холодно-белого света ЛХБ, дневного света ЛД, дневного света улучшенной цветопередачи ЛДЦ, тёпло-белого света ЛТБ, холодно-белого света улучшенной цветопередачи ЛХДЦ или ЛЕ.

5. Нормирование освещённости рабочих мест

Основной целью нормирования освещённости рабочих мест является обеспечение оптимальных условий зрительной работы.

Восприятие наблюдаемого объекта определяется угловым размером объекта различения, контрастом объекта различения с фоном, яркостью фона. Для заданного зрительного восприятия объектов с различными размерами различения яркость должна быть тем больше, чем меньше их угловые размеры и контрасты с фоном.

Из-за трудностей, возникающих при расчёте и измерении яркости, на практике нормирование осуществляется не по яркости, а по освещенности при одновременной регламентации коэффициента отражения фона.

В настоящее время искусственное освещение нормируется согласно Строительным Нормам и Правилам (СНиП 23−05−95 [1]) в зависимости от характеристик зрительной работы: наименьшего размера объекта различения, фона и контраста объекта с фоном. Нормы регламентируют наименьшую освещённость рабочих поверхностей для комбинированного и общего освещения, показатель ослеплённости (P) и коэффициент пульсаций освещённости (K_п).

Согласно СНиП 23−05−95 все зрительные работы по точности разделены на 6 разрядов (табл. 1) в зависимости от наименьшего размера объекта различения при условии, что расстояние между объектом и органами зрения не превышает 0,5 м. Например, при работе с печатным или рукописным текстом объектом различения является буква или символ с наименьшим размером различения, равным толщине самых тонких линий.

Кроме того, предусмотрены: VII разряд — для работ со светящимися материалами и изделиями в горячих цехах и VIII разряд — для работ, связанных с общим наблюдением производственных процессов.

Первые 5 разрядов зрительных работ СНиП 23−05−95 регламентируют точные работы и, в свою очередь, делятся на 4 подразряда в зависимости от характеристик фона и контраста объекта с фоном.

Таблица 1

Разряды зрительных работ

В табл. 2 приведены нормативные значения минимально допустимых уровней освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях для I — III разрядов.

Определённые по табл. 1 и 2 нормативные уровни освещенности не являются окончательными и могут быть повышены или, наоборот, понижены на один уровень, в зависимости от наличия дополнительных признаков, осложняющих, или облегчающих зрительную работу, или требующих улучшенных санитарных условий.

Повышение или понижение нормативных уровней освещенности осуществляется в соответствии с общей шкалой их значений: 0,2, 0,3, 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 1000, 1250, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000 лк.

Нормативные значения освещённости, определённые по табл. 2, следует повышать на один уровень в следующих случаях:

— для зрительных работ I — V разрядов, если продолжительность зрительной работы составляет больше половины рабочего дня;

— при повышенной опасности травматизма, если создаваемая общим освещением освещённость не превышает 150 лк;

— при повышенных санитарных требованиях, если освещённость, создаваемая общим освещением, не превышает 500 лк;

— при работе или производственном обучении подростков, если Таблица 2

Нормативные уровни искусственного освещения

Примечание. Для разрядов I — III зрительной работы в качестве нормативного может приниматься один из возможных числовых наборов, приведённых в соответствующей строке для каждого из подразрядов.

Освещённость, создаваемая общим освещением, не превышает 300 лк;

— при отсутствии в помещении естественного света и при постоянном пребывании там работающих, если освещённость, создаваемая общим освещением, не превышает 750 лк;

— при наблюдении деталей, вращающихся со скоростью не менее 500 об/мин, или объектов, движущихся со скоростью не менее 1,5 м/мин;

— при постоянном поиске объектов различения на поверхностях с площадью не менее 0,1 м²;

— в помещениях, где более половины работающих старше 40 лет.

При одновременном наличии нескольких признаков нормативные значения освещённости следует повышать не более чем на один уровень.

В случае использования ламп накаливания нормативные уровни освещённости следует снижать на один уровень по шкале их значений, определяемых для общего и комбинированного освещения.

При определении нормативных уровней освещённости необходимо иметь в виду, что на рабочем месте может быть несколько объектов различения, «подозреваемых» как элементы, требующие максимальных уровней освещённости для данного рабочего места.

Для определения нормативных уровней освещенности на рабочих местах согласно табл. 1 и 2 необходимо определить:

наименьший размер объекта различения;

характеристику фона;

уровень контраста объекта с фоном;

разряд и подразряд зрительной работы;

тип используемого освещения и тип осветительных ламп.

Показатель ослеплённости P от светильников общего освещения не должен превышать значений, указанных в табл. 2.

При питании газоразрядных ламп от сети переменного тока осветительные установки кроме нормативных уровней освещенности должны также удовлетворять требованию приемлемого уровня пульсаций освещенности.

Для общего и комбинированного освещения коэффициент пульсаций освещенности в зависимости от разряда зрительных работ не должен превышать значений, приведенных в табл. 2. Допускается повышение значений коэффициента пульсаций освещенности до 30% в помещениях, где выполняются работы IV — VI разрядов при отсутствии в них условий для возникновения стробоскопического эффекта.

Заключение

Световое излучение по своей природе относится к числу электромагнитных явлений. Область электромагнитных излучений в диапазоне длин волн = 10 — 10⁶ нм называют областью оптических излучений. Часть области оптических излучений с длинами волн = 380 — 760 нм является областью видимых излучений. Излучения с длинами волн > 760 нм называются инфракрасными, излучения с длинами волн < 380 нм — ультрафиолетовыми.

Наиболее важными светотехническими величинами, характеризующими область видимых излучений, являются: сила света, световой поток, светимость, освещенность, яркость.

Библиографический список

1. CHиП 23−05−95. Естественное и искусственное освещение. М. 1995.

2. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278−03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий».

3. Искусственное освещение: Метод. указания к дипломному проектированию /В.Е. Болтнев, Л. Н. Юдаева; РГРТА; Рязань, 2002. (№ 3265)

4. Гуторов М. М. Основы светотехники и источники света. М.: Энергоатомиздат, 1983.

5. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов /Под ред. С. В. Белова. М.: Высшая школа, 2004.