Любой источник света является источником светового потока, и чем больший световой поток попадает на поверхность освещаемого предмета, тем лучше этот предмет видно. А физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу площади освещаемой поверхности, именуется освещенность.
Освещенность обозначают символом Е, и находят ее значение по формуле Е = F/S, где F — световой поток, а S – площадь освещаемой поверхности. В системе СИ освещенность измеряется в Люксах (Лк), и один Люкс — это такая освещенность, при которой световой поток, попадающий на один квадратный метр освещаемого тела, равен одному Люмену. То есть 1 Люкс = 1 Люмен / 1 Кв.м.
Для примера приведем некоторые типичные значения освещенности
- Солнечный день в средних широтах — 100000 Лк;
- Пасмурный день в средних широтах — 1000 Лк;
- Светлая комната, освещенная лучами солнца — 100 Лк;
- Искусственное освещение на улице — до 4 Лк;
- Свет ночью при полной луне — 0,2 Лк;
- Свет звездного неба темной безлунной ночью — 0,0003 Лк.
Представьте, что вы сидите в темной комнате с фонариком, и пытаетесь прочесть книгу. Для чтения нужна освещенность не меньше 30 Лк. Что вы сделаете?
- Во-первых, вы приблизите фонарик к книге, значит освещенность связана с расстоянием от источника света до освещаемого предмета.
- Во-вторых, вы расположите фонарик под прямым углом к тексту, значит освещенность зависит и от угла, под которым данная поверхность освещается.
- В-третьих, вы можете просто достать более мощный фонарик, поскольку очевидно, что освещенность больше, если выше сила света источника.
Допустим, световой поток попадает на какой-то экран, расположенный на каком-то расстоянии от источника света. Увеличим это расстояние вдвое, тогда освещаемая часть поверхности увеличится по площади в 4 раза. Так как Е = F/S, то и освещенность уменьшится в целых 4 раза. То есть освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника света до освещаемого предмета.
Освещенность вычисляют по формуле
Когда пучок света падает под прямым углом к поверхности, световой поток распределен на наименьшей площади, если же угол увеличивать, то увеличится площадь, соответственно, уменьшится освещенность. Как было отмечено выше, освещенность напрямую связана и с силой света, и чем больше сила света, тем больше и освещенность. Экспериментально давно установлено, что освещенность прямо пропорциональна силе света источника.
Конечно, освещенность уменьшается, если свету препятствует туман, дым или частички пыли, но если освещаемая поверхность расположена под прямым углом к свету источника, и свет при этом распространяется через чистый, прозрачный воздух, то освещенность определяется непосредственно по формуле Е = I / R2 , где I – сила света, а R – расстояние от источника света до освещаемого предмета.
В процессе ежедневной работы осветительных установок, возможен спад освещенности, поэтому для компенсации данного недостатка, еще на стадии проектирования осветительных установок вводят специальный коэффициент запаса. Он учитывает понижение освещенности и яркости в процессе эксплуатации осветительных приборов из-за загрязнений, утраты отражающих и пропускающих свойств отражающих, оптических, и других элементов приборов искусственного освещения. Загрязнения поверхностей, выход из строя ламп, все эти факторы учитываются. Для естественного освещения вводят коэффициент снижения КЕО (коэффициента естественной освещенности), ведь со временем могут загрязнится светопрозрачные заполнители световых проемов, и загрязниться отражающие поверхности помещений.
Европейский стандарт определяет нормы освещенности для разных условий, так например, если в офисе не требуется рассматривать мелкие детали, то достаточно 300 Лк, если люди работают за компьютером — рекомендуется 500 Лк, если изготавливаются и читаются чертежи — 750 Лк.
Измерение освещённости
Освещенность измеряют портативным прибором — люксметром. Его принцип работы аналогичен фотометру. Свет попадает на фотоэлемент, стимулируя ток в полупроводнике, и величина получаемого тока как раз пропорциональна освещенности. Есть аналоговые и цифровые люксметры. Часто измерительная часть соединена с прибором гибким спиральным проводом, чтобы можно было проводить измерения в самых труднодоступных, при этом важных местах. К прибору прилагается набор светофильтров, чтобы регулировать пределы измерений с учетом коэффициентов. Согласно ГОСТу, погрешность прибора должна быть не более 10%.
Измеряем освещённость люксметром
При измерении соблюдают правило, согласно которому прибор должен располагаться горизонтально. Его устанавливают поочередно в каждую необходимую точку, согласно схеме ГОСТа. В ГОСТе, кроме прочего, учитываются охранное освещение, аварийное освещение, эвакуационное освещение и полуцилиндрическая освещенность, там также описан метод проведения измерений. Измерения по искусственному и естественному освещению проводятся отдельно, при этом важно чтобы на прибор не попадала случайная тень. На основе полученных результатов, с использованием специальных формул делается общая оценка, и принимается решение, нужно ли что-то корректировать, или освещенность помещения и территории достаточна.
Расчет светового потока
А как узнать примерный светопоток в люменах, вообще без измерительных приборов? Здесь можно воспользоваться значениями светоотдачи и их пропорциональной зависимости к потоку.
- для светодиодных ламп с матовой колбой — мощность лампы умножьте примерно на 80лм/Вт и узнаете сколько в ней люмен
- для филаментных – умножайте мощность лампы на 100
- энергосберегайки КЛЛ – на 60лм/Вт
- ДРЛ = мощность * 58лм/вт
Освещенность рабочего места
Освещение исключительно важно для человека. С помощью зрения человек получает большую часть информации (около 90 %), поступающей из окружающего мира. Свет- это ключевой элемент нашей способности видеть, оценивать форму, цвет и перспективу окружающих нас предметов. Освещение влияет не только на функционирование зрительного аппарата, то есть определяет зрительную работоспособность, но и на психику человека, его эмоциональное состояние. Исследователями накоплено значительное количество данных по биологическому действию видимого света на организм. Сравнительная оценка естественного и искусственного освещения по его влиянию на работоспособность показывает преимущество естественного света. Ведущим фактором, определяющим биологическую неадекватность естественного и искусственного света, является разница в спектральном составе излучения, а также динамичность естественного света в течение дня.
Освещенность рабочего места
Работая при освещении плохого качества или низких уровней, люди могут ощущать усталость глаз и переутомление, что приводит к снижению работоспособности. В ряде случаев это может привести к головным болям. Причинами во многих случаях являются слишком низкие уровни освещенности, слепящее действие источников света и соотношение яркостей, которое недостаточно хорошо сбалансировано на рабочих местах. Головные боли также могут быть вызваны пульсацией освещения, что в основном является результатом использования электромагнитных пуско-регулирующих аппаратов (ПРА) для газоразрядных ламп, работающих на частоте 50 Гц. С точки зрения безопасности труда зрительная способность и зрительный комфорт чрезвычайно важны.
Для того чтобы обеспечить условия, необходимые для зрительного комфорта, в системе освещения должны быть реализованы следующие предварительные требования:
- достаточное и равномерное освещение
- оптимальная яркость
- отсутствие бликов и ослепленности
- соответствующий контраст
- правильная цветовая гамма
- отсутствие стробоскопического эффекта или пульсации света
Каждый вид деятельности требует определенного уровня освещенности на том участке, где эта деятельность осуществляется. Обычно, чем сильнее затруднено зрительное восприятие, тем выше должен быть средний уровень освещенности. Важно рассматривать свет на рабочем месте, руководствуясь не только количественными, но и качественными критериями.
Можно выделить следующие качественные характеристики освещения и способы их улучшения
Прямая блескость
Находящиеся в поле зрения человека поверхности высокой яркости могут производить неприятное, дискомфортное ощущение или вызывать состояние ослепленности. В результате резко снижается зрительная работоспособность. Источниками прямой блескости являются осветительные установки и источники света.
Уменьшение прямой блескости может быть достигнуто:
- увеличением высоты установки светильников
- уменьшением яркости светильников путем закрытия источников света светорассеивающими стеклами
- ограничением силы света в направлениях, образующих большие углы с вертикалью, например, применением светильников с необходимым защитным углом
- уменьшением мощности каждого отдельного светильника за счет соответствующего увеличения их числа
Отраженная блескость
Возникает при больших коэффициентах отражения поверхностей, попадающих в поле зрения. Наибольшая опасность возникает при освещении поверхностей, не являющихся диффузными, когда свет падает на рабочие поверхности таким образом, что глаза находятся на направлении зеркального отражения лучей. В этом случае человек видит либо зеркальное отражение источника света, либо размытое, но очень яркое световое пятно. В обоих случаях может возникнуть состояние ослепленности, но чаще уменьшается эффективный контраст между деталью и фоном. Устранение отраженной блескости достигается правильной организацией местного и локализованного освещения и таким расположением светильников, чтобы зеркально отраженные поверхностью лучи не попадали в глаза. Для этого лучше всего делать боковое или заднебоковое направление света.
Контраст между объектом и фоном
Чем больше яркость объекта, тем больший световой поток от него поступает в глаз и тем сильнее сигнал, поступающий от глаза в зрительный центр. Таким образом, казалось бы, чем больше яркость, тем лучше человек видит объект. Однако это не совсем так. Если поверхность (фон), на которой располагается объект, имеет близкую к объекту по величине яркость (например, линия бледно-желтого цвета на белом листе), то интенсивность засветки участков сетчатки световым потоком, поступающим от фона и объекта, одинакова (или слабо различается), величина поступающих в мозг сигналов одинакова, и объект на фоне становится неразличимым.
Чтобы объект был хорошо виден, яркости объекта и фона должны различаться. Разница между яркостями объекта и фона, отнесенная к яркости фона, называется контрастом. Контраст между деталями и фоном, который в наибольшей степени определяет видимость объекта, не всегда является заданным и может быть увеличен или уменьшен средствами освещения и созданием световой среды. Одним из эффективных средств для повышения контраста является искусственный фон (чаще всего светлый, если объект темный, или темный, если объект светлый). Разновидностью искусственных фонов являются световые столы, на которых поверхности просматриваются в проходящем свете.
Тени
Различаются собственные тени, образованные рельефом поверхности, и тени, падающие от предметов, находящихся вне рабочей поверхности — оборудования, мебели, тела и рук человека и т. д. Собственные тени в большинстве случаев полезны, так как позволяют лучше различать конфигурацию детали. Падающие тени почти всегда вредны. Их вред заключается в том, что они искажают контраст, отвлекают внимание и т. д. Особенно вредны движущиеся тени. Устранение или ограничение вредных теней осуществляется правильным выбором направления света. Например, когда человек пишет правой рукой, он смотрит на рабочую точку слева и с этой же стороны должен падать свет. Тени размазываются при увеличении размеров осветительных установок, смягчаются при достаточно высокой яркости стен и потолков и почти исчезают при отраженном освещении.
Насыщенность помещения светом
Для создания комфортных зрительных условий для человека важна не только освещенность какой бы то ни было поверхности, на которой осуществляется работа, но и впечатление насыщенности помещения светом, которое получает человек. При достаточной яркости рабочей поверхности одновременное присутствие в поле зрения темных поверхностей (например, стен, потолков, мебели, оборудования) создает затруднения при адаптации зрения. От яркости этих поверхностей зависит впечатление насыщенности помещения светом. Если в помещении установлены подвесные светильники прямого света, верхняя зона помещения останется темной. Это производит неприятное эстетическое и психологическое впечатление. Поэтому лучше применять светлую окраску стен и потолков, а для освещения применять светильники, излучающие некоторую (желательно не менее 15 %) часть светового потока в верхнюю полусферу.
Постоянство освещенности во времени
Изменения освещенности по времени можно подразделить на медленные и плавные, частые колебания и пульсации. Медленные изменения вызываются постепенными изменениями сетевого напряжения и факторами, изменяющими освещенность в процессе эксплуатации (загрязнением источников света, снижением светоотдачи и т. д.). Если освещенность при этом сохраняется на уровне не ниже нормативного значения, эти изменения не являются вредными. Причиной частых колебаний являются перемещения светильников, их раскачивание движением воздуха (ветер, сквозняк, вентиляционная установка и т. д.) и колебания напряжения в сети, порождаемые изменением нагрузки.
Пульсации
Пульсации освещенности обусловлены малой инерционностью излучения газоразрядных ламп, световой поток пульсирует при переменном токе промышленной частоты (50 Гц) с удвоенной частотой — 100 Гц. Эти пульсации неразличимы при наблюдении глазом неподвижной поверхности, но легко обнаруживаются при рассматривании движущихся предметов. Если при пульсирующем освещении быстро махать карандашом на контрастирующем фоне, то карандаш приобретает ясно видимые контуры. Это явление носит название стробоскопического эффекта — явление искажения восприятия движущихся или вращающихся объектов наблюдения. Практическая опасность стробоскопического эффекта состоит в том, что вращающиеся части механизмов могут показаться неподвижными, вращающимися с более медленной скоростью, чем в действительности, или в противоположном направлении. Это может стать причинной травматизма. Однако пульсации освещенности вредны и при работе с неподвижными поверхностями, вызывая утомление зрения и головную боль.
К пульсациям наиболее чувствительно периферическое зрение и поэтому они опасны при общем освещении. Выявлено также неблагоприятное влияние колебаний света на фоторецепторные элементы сетчатки, а также на функциональное состояние нервной системы, что связано с развитием тормозных процессов и снижением лабильности нервных процессов. Воздействие пульсации возрастает с увеличением её глубины и уменьшается при повышении частоты. Большинство исследователей отмечает отрицательное влияние пульсации освещённости на работоспособность человека как при длительном пребывании в условиях пульсирующего освещения, так и при кратковременном.
Ограничение пульсаций достигается чередованием питания ламп от разных фаз трехфазной сети. В ряде случаев применяется питание ламп током повышенной частоты, что достигается укомплектовыванием светильников электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА).
В каких единицах измеряется освещенность
На единице измерения освещенности следует остановиться более подробно. Общепринятой единицей считается люкс, представляющий собой такую освещенность, когда на поверхность площадью 1 м2 происходит падение светового потока в 1 люмен.
Сколько же освещенности фактически включает в себя единица измерения 1 люкс? С этой целью нужно сравнить между собой несколько стандартных параметров, основанных на человеческой физиологии, закрепленных строгими медицинскими правилами и государственными стандартами. Без их соблюдения невозможно утверждение любого строительного проекта.
Степень освещенности в 1 лк создается обычной свечой, расположенной на расстоянии 1 м от освещаемой поверхности. С помощью этого нехитрого приспособления вполне возможно с достаточно высокой точностью откалибровать самодельный измерительный прибор – люксметр.
В качестве примеров для сравнения можно взять несколько известных видов освещенности.
- Яркий солнечный свет в полдень составит 100-140 тыс. лк
- Небо без туч днем – 6200 лк
- Настольная лампа, освещающая стол – 500 лк
- Освещенность в тени в солнечный день – 430 лк
- Наступление сумерек в вечернее время – 70 лк
- Начало ночи с лунным освещением – 1,5 лк.
Источники освещения и поверхности, отражающие свет, не всегда выглядят в виде отдельно взятых точек. Если органы зрения способны различить их форму, то речь пойдет об еще одной фотометрической величине, известной как яркость. Ее физические свойства похожи на силу света, однако в данном случае это отношение не будет абсолютным. Оно соразмеряется с площадью, которую имеет отражающая или излучающая поверхность.
Яркость, как физическое понятие, является единственной фотометрической величиной, которую может нормально воспринимать человеческий глаз. Она наглядно проявляется в свойствах крупных источников света, состоящих из большого количества точечных излучателей. При условии их одинаковой яркости, общий свет большого прибора освещения будет восприниматься единым целым.
Вывод
Таким образом, становится очевидно, что неправильное освещение представляет значительную угрозу для здоровья работников. Правильная организация освещения на рабочем месте- залог здоровья, высокой производительности труда, комфортного эмоционального и психологического состояния человека. Правильная организация освещения предусматривает не только соблюдение нормативных требований по уровню освещенности и ряду других показателей, но и учет ряда качественных показателей- световой насыщенности, равномерности и однородности освещения, тенеобразования, цветовой гаммы световой среды и пр.
Приборы для определения уровня освещенности и методика его определения
Наименование прибора похоже на название величины, которую он устанавливает, — люксметр. Принцип работы малогабаритного переносного устройства напоминает работу фотометра. Поток излучения, падая на фоточувствительный элемент полупроводника, отрывает электроны, которые начинают упорядоченно двигаться. Таким образом, замыкается электрическая цепь. Причем величина тока прямо пропорциональна интенсивности освещения фотоэлемента, что имеет свое отражение на шкале аналогового люксметра. Сегодня приборы со стрелками практически исчезли, их заменили цифровые. Они оснащены жидкокристаллическими дисплеями, у которых сам фоточувствительный датчик расположен в отдельном корпусе, а с дисплеем он соединяется с помощью гибкого провода.
Прибор для измерения уровня освещенности
В ходе проведения эксперимента по измерению освещенности прибор устанавливается в горизонтальном положении. Причем в соответствии с требованиями ГОСТа их размещают в разных точках помещения, согласно определенной схеме. В 2012 г. Россия приняла новый стандарт измерения характеристики количества светового потока. В старом понятийном аппарате при измерениях использовались такие термины данной величины, как:
- минимальная, средняя, максимальная, цилиндрическая;
- естественная;
- градиент запаса;
- относительная эффективность когерентного лучевого потока.
В настоящее время к ним добавлены следующие типы освещения:
- аварийное;
- рабочее;
- охранное;
- эвакуационное;
- резервное.
Стандарт подробно описывает все тонкости проведения измерительных исследований.
Замеры осуществляются отдельно по естественной и искусственной иллюминации. В ходе проведения эксперимента нельзя допустить, чтобы хоть малейшая тень падала на прибор, а вблизи был хотя бы 1 источник электромагнитных волн. Все они вносят помехи в работу устройства.
После выполнения необходимых замеров освещенности определяется искомая величина. Она сравнивается с нормативным значением. Затем подводятся итоги о достаточности освещенности территории или помещения. Каждый вид измерительных испытаний оформляется специальным оценочным протоколом, чего требует ГОСТ.
Нормативы освещенности для различных типов помещений
