pobierz

Y
RT
U
PO
LI
W
DZ
I
HNIKA ŚL
KA
ĄS
C
TE
O
AŁ
T RANSP
Temat ćwiczenia
Pomiary oświetlenia
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru natęŜenia oświetlenia
oraz wyznaczania poŜądanej wartości natęŜenia oświetlenia na stanowiskach
pracy.
Wiadomości wstępne
Ogólnie przyjmuje się, Ŝe system widzenia funkcjonuje sprawniej przy wyŜszych
wartościach
natęŜenia
oświetlenia.
Dlatego
w
celu
zmniejszenia
liczby
popełnianych błędów i skrócenia czasu potrzebnego na wykonanie danej
czynności wskazane jest przyjmowanie wartości natęŜenia wyŜszych niŜ
minimalne zalecane przez normy. W literaturze najczęściej podaje się, Ŝe wybór
natęŜenia oświetlenia zaleŜy od:
•
wielkości pozornej szczegółu zadania wzrokowego,
•
stopnia trudności pracy wzrokowej.
O stopniu trudności pracy wzrokowej decydują dwa parametry:
-
współczynnik odbicia szczegółu pracy wzrokowej
-
kontrast szczegółu z jego tłem
Przyjmuje się, Ŝe im mniejszy współczynnik odbicia (szczegół ciemniejszy) oraz
im mniejszy kontrast szczegółu z jego tłem, tym większy jest stopień trudności
pracy wzrokowej (tabela 1)
Tabela 1. Stopnie trudności pracy wzrokowej
Współczynnik odbicia
powierzchni przedmiotu
pracy wzrokowej
DuŜy
( powyŜej 0,45 )
Średni
( 0,2 – 0,45 )
Mały
( mniejszy od 0,2 )
Kontrast
duŜy
średni
mały
Stopień trudności pracy wzrokowej
1
1
2
( mały )
( mały )
( przeciętny )
2
2
2
( przeciętny )
( przeciętny )
( przeciętny )
2
3
3
( przeciętny )
( duŜy )
( duŜy )
Wielkość pozorną szczegółu określa wzór:
w=
L 3
10
d
gdzie:
L- odległość szczegółu od oczu (w metrach)
w- wielkość pozorna szczegółu
d- najmniejszy wymiar szczegółu (w milimetrach)
Im większa wielkość pozorna szczegółu pracy wzrokowej tym wymagany poziom
natęŜenia oświetlenia jest większy (tabela 2)
Tabela 2. Najmniejsze dopuszczalne wartości średniego natęŜenia oświetlenia a
wielkość pozorna szczegółu pracy wzrokowej.
Wielkość pozorna szczegółu
pracy wzrokowej
Średnie natęŜenia
oświetlenia [ 1x ]
850 – 1150
duŜa
1150 – 1500
średnia
1500 – 1900
dość mała
1900 – 2450
mała
2450 – 3200
bardzo mała
3200 – 4100
krańcowo mała
150
200
300
500
1000
2000
Przetworniki fotoelektryczne
Przetworniki fotoelektryczne dzielą się na:
-
generatorowe
-
parametryczne
Zjawisko powstawania pod wpływem strumienia światła siły elektromotorycznej w
elementach
półprzewodnikowych
generatorowych.
wykorzystywane
jest
w
przetwornikach
Dzielą się generatorowe na:
-
fotoogniwa
-
fotodiody
Ogniwa fotoelektryczne stosowane w miernictwie, budowane są ze związków
metali takich jak: selen, krzem, german. Zasada działania fotoogniwa jest
następująca: materiał czynny przetwornika (np. selen) pokryty jest od strony
padania strumienia świetlnego cienką warstwą złota (platyny). Pod wpływem
naświetlania selenu przez cienką warstwę złota elektrony przechodzą z warstwy
zaporowej do warstwy złota, wskutek czego w warstwie tej powstaje ujemny
potencjał, a w warstwie selenu potencjał dodatni. Wytworzona w ten sposób
róŜnica potencjałów jest ściśle powiązana z natęŜenia oświetlenia padającego na
powierzchnię czynną przetwornika.
W fotodiodach wykorzystuje się złącze p-n, w którym pod wpływem oświetlenia
występuje zjawisko fotowoltaiczne, co umoŜliwia zastosowanie fotodiody jako
fotoogniwa (wadą fotodiody jest niska czułość)
Przetworniki parametryczne stosowane w pomiarach natęŜenia oświetlenia to
-
fotorezystory
-
fototranzystory
W fotorezystorach wykorzystuje się zjawisko wewnętrznej emisji elektronów w
półprzewodniku wystawionym na działanie oświetlenia. Zjawisko to powoduje
spadek rezystancji elementu naświetlanego. Poprzez pomiar zmieniającej się
wartości rezystancji moŜna określić zmiany natęŜenia oświetlenia. Wadą tego
typu przetworników jest ich duŜa czułość temperaturowa.
Fototranzystor jest układem, w którym poprzez oświetlanie złącza kolektor-baza i
wywoływanie w tym złączu zjawiska fotowoltaicznego, moŜemy zamierzyć
chwilową wartość natęŜenia oświetlenia poprzez pomiar napięcia na emiterze.
Program ćwiczenia
Przeprowadzić pomiary natęŜenia oświetlenia w punktach podanych przez
prowadzącego.
Wytyczne dotyczące sprawozdania
narysować plan sytuacyjny z zaznaczeniem źródeł światła i punktami
-
pomiarowymi
określić jaki rodzaj pracy moŜe być wykonywany w badanych punktach
-
pomiarowych
przedstawić
-
graficznie
rozkład
natęŜenia oświetlenia
na
blacie
pomiarowym
Informacje dodatkowe
Promieniowanie optyczne:
promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal połoŜonych
między obszarem przejścia do fal rentgenowskich a obszarem przejścia do fal radiowych.
Promieniowanie widzialne (światło): promieniowanie optyczne zdolne do bezpośredniego
wywoływania wraŜeń wzrokowych.
Inaczej mówiąc, światłem nazywamy tę część promieniowania optycznego, która jest odbierana i
oceniana (przez dowolny układ) w sposób identyczny jak przez oko ludzkie.
Zakres widmowy promieniowania widzialnego nie jest jednoznacznie określony i zaleŜy od wartości
energetycznej strumienia docierającego do oka oraz od indywidualnej czułości obserwatora. Ogólnie
przyjmuje się dolną granicę przedziału pomiędzy 360 i 400 nm, a górną pomiędzy 760 i 830 nm.
Strumień energetyczny (strumień promienisty) Φe: moc wysyłana, przenoszona lub przyjmowana
w postaci promieniowania.
Jednostka: W (wat).
Strumień świetlny Φ: - wielkość wyprowadzana ze strumienia energetycznego przez ocenę działania
promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE (określenie
obserwatora
normalnego – dalej w tekście).
Jednostka: lm (lumen).
W warunkach widzenia fotopowego
∞
Φ = Km ∫
0
gdzie
dΦ e (λ )
⋅ V ( λ )dλ
dλ
dΦ e ( λ )
jest rozkładem widmowym strumienia energetycznego, V(λ) skutecznością świetlną
dλ
widmową względną, a Km maksymalną skutecznością świetlną.
-1
Km=683 lm·W dla λ m=555nm przy widzeniu fotopowym,
-1
K'm=1700 lm·W dla λ 'm=507nm przy widzeniu skotopowym.
Światłość (gęstość kątowa strumienia świetlnego) I: stosunek strumienia świetlnego d Φ,
wysyłanego przez źródło promieniowania w elementarnym kącie przestrzennym dΩ, obejmującym
dany kierunek, do wartości tego elementarnego kąta przestrzennego:
I=
dΦ
.
dΩ
Jednostka: cd (kandela).
Luminancja L: iloraz strumienia świetlnego przenikającego w danym kierunku daną powierzchnię i
iloczynu rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do kierunku promieniowania i objętego
promieniowaniem kąta bryłowego:
L=
gdzie:
d 2Φ
dA ⋅ cos θ dΩ
Φ - strumień świetlny przenoszony przez wiązkę promieniowania,
A - powierzchnia przekroju wiązki promieniowania,
Θ - kąt zawarty między normalną do powierzchni A a kierunkiem rozchodzenia się wiązki
promieniowania.
Ω - kąt przestrzenny obejmujący wiązkę promieniowania.
JeŜeli powierzchnia dA jest źródłem promieniowania o światłości I, wówczas wzorem równowaŜnym
jest:
L=
dI
dA ⋅ cos θ
JeŜeli na powierzchnię dA pada wiązka światła wywołując na niej natęŜenie oświetlenia E, wówczas
wzorem równowaŜnym jest:
L=
Jednostka: cd·m
–2
dE
dΩ ⋅ cos θ
(kandela na metr kwadratowy).
NatęŜenie oświetlenia (gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego) E: stosunek strumienia
świetlnego dΦ, padającego na elementarną powierzchnię dA, do wartości tej elementarnej
powierzchni:
E=
dΦ
= L ⋅ cos θ dΩ .
dA 2 Π∫sr
Jednostka: lx (luks).
Obserwator fotometryczny normalny CIE: idealny obserwator, którego krzywa względnej czułości
widmowej jest zgodna z funkcją V(λ) w warunkach widzenia fotopowego (dziennego - przy którym
postrzegane są wraŜenia barwne) i funkcją V’(λ) w warunkach widzenia skotopowego
(zmierzchowego).
Przyjmuje się, Ŝe światło odbierane jest przez oko tylko poprzez aparat widzenia dziennego przy
poziomach luminancji wyŜszych od kilku cd/m
2
natomiast z widzeniem skotopowym mamy do
2
czynienia przy poziomach luminancji mniejszych od kilku setnych cd/m . Pomiędzy „czystym”
widzeniem fotopowym a skotopowym rozróŜnia się zakres widzenia mezopowego (mieszanego), który
nie ma zastosowania metrologicznego.
1,0
V
V'
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
0,0
λ [nm]
Rozkłady widmowe względnych skuteczności: fotopowej V(λ) i skotopowej V’(λ).
Fizjologia oka.
Pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do natęŜenia oświetlenia E na jej powierzchni.
NatęŜenie to moŜna przedstawić (przy pominięciu róŜnych strat) jako:
E=L·Ω
gdzie:
L – luminancja obserwowanego przedmiotu,
Ω – kąt bryłowy zaleŜny od średnicy źrenicy oka i odległości między soczewką a siatkówką.
Z powyŜszego wynika, Ŝe pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do luminancji
powierzchni świecącej. Luminancja jest więc właściwą miarą wraŜenia jaskrawości.
W przypadku stanowisk pracy z powierzchniami emitującymi strumień świetlny, np. stanowiska
komputerowe, jedynie miernikiem luminancji moŜna właściwie określić warunki świetlne w jakich
znajduje się człowiek.