Свет электрика

Лекция 3 2012 ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Лекция 3

ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Для художника или ремесленника свет одновременно и благословление и проклятие – он не отделим от красоты искусства и вместе с тем, способен физическим или химическим путем принести ему вред.

Томас Брилл

Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ фотометрии и светотехники. Фотометрия – совокупность методов измерения энергетических характери­стик электромагнитного излучения и световых величин: светового потока, силы света, освещенности, яркости и др. Основоположником экспериментальной фото­метрии следует считать П. Бугера, который опубликовал в 1729 г. описание визуаль­ного ме­тода количественного сравнения источников света: установления (путём изменения расстояний до источников) равенства освещённостей соседних поверх­ностей с ис­пользованием в качестве прибора глаза.

Основным энергетическим понятием является поток излучения Ф, имеющий фи­зический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Воспринимаемая глазом энергия оценивается световыми единицами, которые свя­заны с энергетическими единицами. Пространственное распределение Ф описывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу. Соответствующие энергетические фотометриче­ские величины – энергетическая освещённость, энергетическая сила света, энергети­ческая яркость и т.д. Световые величины – это фотометрические величины, редуци­рованные в соответствии со спектральной чувствительностью так называемого среднего светлоадаптированного человеческого глаза (важнейшего для деятельности человека приёмника света).

С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощу­щение яркости при воздействии на человеческий глаз. Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд услов­но принятых стандартов. В 1931г. Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие среднего «стандартного наблюдателя» для людей с нормальным воспри­ятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной свето­вой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 360 до 780 нм.

Световой поток Ф и поток излучения Ф* связаны следующей зависимостью: , (3.1)

где — коэффициент перехода от энергетических единиц к единицам свето­вым, а — относительная спектральная световая эффективность излучения, которая описывает относительную чувствительность среднего человеческого глаза к видимому излучению при нормальных условиях освещенности для разных длин волн. Она измеряется в люменах на ватт в минус первой степени ().

Фундаментальная взаимосвязь между световыми и энергетическими величи­нами содержится в определении люмена, который определяется как световой поток монохроматического излучения желто-зеленого цвета с длиной волны приблизительно 555 нм, энергетический поток кото­рого равен 1/683 Вт.

Таблица 3.1

Энергетические и световые характеристики и единицы

Энергетический термин

Единица

Световой термин

Единица

Поток излучения

Сила излучения

Энергетическая яркость

Энер­гетическая освещенность Энергетическая экспозиция

Вт

Вт/ср Вт/(ср´м2)

Вт/м2

Дж/м2

Световой поток

Сила света

Яркость

Освещенность

Световая экспозиция

люмен (лм)

кандела (кд)

кд/м2

люкс (лк)

лк·с

Световой поток Ф – часть электромагнитной энергии, которая излучается источником в видимом диапазоне. Его величина равна световой энергии (оцениваемой по зри­тельному ощущению), проходящей через заданную поверхность за единицу вре­мени: Ф = W/t (3.2) , где W – количество световой энергии, проходящей через заданную по­верхность за время t. Единицей светового потока в СИ является люмен (лм). Он оп­ределяется как поток, который посылается источником света в одну канделу в телес­ный угол w , равный одному стерадиану.

Силой света источника I называется величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телес­ного угла по заданному направлению. Представляет собой отношение величины светового потока Ф, распространяющегося от источника света в некотором телесном угле, к величине этого телесного угла: I = Ф/ (3.3). Полный световой поток от точечного источника света равен Ф = 4 I (3.4). Основной единицей в СИ принимается сила света в одну канделу (кд). Кандела (лат. сandela – свеча) равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо́льшая энергетическая интенсивность.

Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.

Таблица 3.2

Сила света типовых источников

Источник

Мощность, Вт

Примерная сила света, кд

Свеча

Лампа накаливания

Обычный светодиод

0,015

0,001

Сверхъяркий светодиод

0,06

Люминесцентная лампа

Солнце

3,9 · 1026

3 · 1027

Для характеристики интенсивности потока, падающего на поверхность от источника света, введена величина, получившая название освещенности Е. Освещенностью поверхности называется величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади равномерно освещаемой поверхности. В общем случае освещенность Е определяется как отношение светового потока Ф к величине освещаемой поверхности, независимо от того, как расположена эта поверхность. В СИ ос­вещенность измеряется в люксах (лк). 1 люкс — это освещенность по­верхности площадью 1м, на которую падает световой поток в 1 люмен.

Фундаментальный для фотометрии закон освещенности был сформулирован И. Кеплером в 1604 г. Он формулируется следующим образом: освещенность, созда­ваемая точечным источником света на некоторой площадке, прямо пропор­циональна произведению силы света источника I на коси­нус угла падения лучей и обратно про­порциональна квадрату расстояния до пло­щадки от источника R:

(3.5),

где: Е – освещенность; І – сила света; R – расстояние от источника до освещаемой площадки; α – угол между лучом и нормалью к поверхности.

В таблице 3.3 представлены некоторые типичные уровни освещенности источни­ков света.

Таблица 3.3

Типичные уровни освещенности (приблизительные)

Условия Освещенность, лк

Яркий солнечный свет летом 44000

Средний дневной свет неба, покрытого облаками 5500

Верхний свет северного неба (открытые шторы) 4400

Рабочее место, например, на часовом заводе 3300

Текстильная фабрика – сравнение черных и темных цветов 3300

Окна магазина 100-2200

Футбольное поле (освещенное прожекторами) 1100

Текстильная фабрика – сравнение цвета ярких или бледных цветов 770

Библиотека 550

Экран для показа слайдов (в затемненной комнате) 11-110

Нормальное освещение в музеях 50

Жилая комната, общее освещение лампой накаливания 55-165

Освещение темной улицы 11

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью) L. Яркость равна отношению силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению. Как известно, площадь проекции какой-либо плоской поверхности на другую плоскость равна площади этой поверхности, умноженной на косинус угла между плоскостями. Таким образом, (3.6), где a — угол между направлениями силы света и вертикалью.

За единицу измерения яркости сейчас во всех странах принята яркость плоской поверхности, излучающей силу света в 1 кд с одного квадратного метра в направлении, перпендикулярном светящей поверхности, то есть, 1 кд/м2. Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова. Если сила света, испус­каемого 1 м2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м2.

От чего же зависит яркость предметов? Прежде всего – от количества попадающего на них света. Но она зависит и от свойств самих предметов, а именно – от их способности отражать падающий свет. Если предмет белый – он отражает почти весь падающий на него световой поток и его яркость высока, если он черный, то его поверхность поглощает почти все попадающее на него излучение и яркость его мала. То есть, при постоянстве освещенности яркость предмета тем больше, чем больше его отражательная способность, светлота. Для диффузно отражающих поверхностей (3.7). Здесь r — коэффициент отражения, определяемый отношением отраженного от плоскости светового потока к падающему на эту плоскость световому потоку (3.8).

Источники света обладают различной яркостью. В каждом отдельном случае различие источников света по яркости четко определяется человеческим глазом. Яркость света L источника света или яркость освещаемой площади объектов связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения, например, в интерьере, характеризует качество или степень комфортности освещения.

Форма и цвет предмета воспринимаются только при яркости зрительного стимула не менее или равного 10 кд/м2. При яркостях менее 0,003 кд/м2 функционируют только палочки (сумеречное зрение). Следовательно, различение цветов возможно лишь при достаточно высоких значениях яркости зрительного стимула. Надежное и более тонкое различие цветовых оттенков возможно при яркости 175 кд/м2. Колбочки чувствительны к длине световых волн. При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущаются как различия в цвете зрительных стимулов. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. С изменением длины волны изменяется и качество ощущений. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадратный метр.

Нижний абсолютный порог чувствительности – это та минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна, обнаруживаемого глазом на черном фоне. Она составляет 10-6 кд/м2.

Верхний абсолютный порог чувствительности характеризуется болевыми ощущениями и составляет 106 кд/м2. Диапазон яркостей между верхним и нижним порогами чувствительности находится в пределах от 10-6 до 106 кд/м2.При изменении освещенности сетчатки световая чувствительность не остается постоянной, а адаптируется. Средняя интегральная яркость информационного поля и других источников света (первичных и вторичных), находящихся в поле зрения, создает яркость адаптации Lυa. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадратный метр. Отметим, что для площади рабочей поверхности 0,1 м2 и более наибольшая допустимая яркость должна составлять 500 кд /м2, а для площади 0,0001 м2 и менее — 2 000 кд /м2. Нормы яркости для улиц, площадей составляют 0,2-1,6 кд /м2, яркость архитектурного освещения фасадов зданий, сооружений — от 3 до 8 кд /м2, а максимальная яркость рекламных объектов с учетом их площади — 400-2 600 кд /м2.

При прямом попадании мощного светового потока на орган зрения предельная величина переносимого уровня яркости составляет 7 500 кд /м2.

Таблица 3.4

Яркость некоторых источников освещения

Источник света

Средняя яркость, кд/м2

Солнце

1 600 000 000

Лампа накаливания

2 000 000 — 26 000 000

Люминесцентная лампа

5 000 — 30 000

Облака, освещенные солнцем

10 000

Свеча

7 500

Голубое небо

5 000

Светильники с зеркальной решеткой

Для внутреннего освещения

50 — 500

Белая бумага при 500 лк

Белая бумага при 5 лк

Важно также понятие светимости M, которая выражает полный световой поток Ф, излучаемый единицей плоской светящейся поверхности по всем направлениям в одну сторону.

ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ светотехники. Существует два вида источников света – это Солнце (естественное освещение) и искусственные источники, созданные человеком.

Психологическое и физиологическое воздействие на человека цветности излучения источников света в значительной степени связано с теми световыми условиями, к которым человечество приспособилось за время своего существования. Световой режим, к которому приспособились люди – это голубое небо, создающее в течение большей части светового дня высокие освещенности, а вечерами и ночами – желто-красный костер, а затем, пришедшие ему на смену, создающие низкие освещенности лампы, аналогичные по цветности. У человека наблюдается более работоспособное состояние днем при свете преимущественно холодных оттенков, а вечером, при теплом красноватом свете низкой освещенности, ему лучше отдыхать. Лампы накаливания дают теплый красновато-желтый цвет и способствуют успокоению и отдыху, люминесцентные лампы, наоборот, создают холодный белый свет, который возбуждает и настраивает на работу.

Рис. Освещение, к которому привык человеческий глаз в процессе эволюции

Таким образом, цветность является важной характеристикой светового излучения. Цветность света того или другого источника зависит от спектрального состава излучаемого им светового потока.

Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света показаны на рис. .

(а) (б)

Рис. Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света: (а) свет от ясного голу­бого неба, среднеднев­ной усредненный солнечный свет, свет лампы накаливания, (б) излучение люминесцентной лампы

Излучение большинства самосветя­щихся источников подчиняется одним и тем же законам, однако для раз­ных тел, в зависимости от их химического состава и физических свойств, нагревание до заданной температуры дает несколько раз­личающиеся спектры излучения. В связи с этим, в качестве эта­лона цветовой температуры использу­ется гипотетическое абсолютно черное тело или излучатель Планка. Это источник, излучение которого зависит только от его температуры, а не от каких-либо других его свойств. Для характеристики цвета излучений было введено понятие цветовой температуры. В зависимости от температуры на­гревания, спектр излучения абсолютно чер­ного тела имеет разную цветность. Цветовая температу­ра – это та температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассмат­риваемое излучение.

Рис. 3.2 Спектральное распределение излучения черного тела в видимом диапазоне в зависимости от температуры

Действительно, при нагревании черного тела его цвет изменяется от теплых оранжево-красных до холодных белых тонов. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина (К). Связь между градусами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина следующая: К = С + 273 .

Цветовая температура для реальных ис­точни­ков света составляет от 2000 до 10000 градусов. Чем ниже цветовая температура, тем цвет­ность источника света находится ближе к красной области спектра, чем выше – к синей.

Несмотря на существующие различия, все другие тела ведут себя при на­грева­нии подобно идеальному черному телу. Именно поэтому использование цветовой температуры в качестве характеристики цветности излучения само­светящихся ис­точников, как природных, так и искусственных, оправдано для боль­шого числа источников. Поскольку спек­тральное распределение излучения, и, соот­ветственно, цветность, реального тела в редких случаях точно совпадает со спек­тральным распределением и цветностью идеально черного тела при данной цвето­вой температуре, при ха­рактеристике излучения реально существующих тел исполь­зуют понятие кор­релированной цветовой температуры (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Линия черного тела на графике цветностей xy МКО 1931 г. и семейство изотем­пературных линий, используемых для определения коррелированной цвето­вой темпера­туры источника по координатам цветности

Она соответствует цветовой темпера­туре, полученной путем определения на равноконтрастном цветовом гра­фике точки на линии черного тела, ближайшей к точке, представляющей собой цветность рассматриваемого источника света.

Цветопередача характеризует влияние спектрального состава источ­ника света на зрительное восприятие цветных объектов, сознательно или бессозна­тельно сравниваемое с восприятием тех же объектов, осве­щенных стандарт­ным источником. Цвет красного автобуса при освещении светом уличной натриевой лампы накаливания воспринимается как тускловато коричневый. Цвет лица при освещении светом ртутной лампы приобретает болезненный зеленоватый оттенок. Обе эти лампы легко узнать по их плохой цветопередаче. Искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета.

Метод оценки цветопередающих свойств источников света, рекомендо­ван­ный МКО, предназначен для оценки способности источника придавать предметам их ис­тинный цвет. Веден показатель – индекс цветопередачи, который отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Методика определения индекса цветопередачи­ заключается в вы­числе­нии цветовых координат u, v анализируемого цвето­вого образца при его осве­щении данным источником света, вычислении цве­товых координат u, v образца при его освещении принятым в качестве стан­дартного источника света и определе­нии ΔE – различия между ними в цветовом пространстве W*U*V*. По по­лученным данным определяется ча­стный индекс цветопередачи Ri:

(3.9).

Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значение Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта. Методика МКО 1974 г. рекомендует использовать для вычисления ин­декса цве­топередачи среднее арифметическое из частных индексов цветопе­редачи, опреде­ленных для 14 образцов цвета атласа Манселла по пока­зателю ΔE, рассчитан­ному по координатам цвета образца, освещенного исследуемым источником, и координатам цвета того же образца при выбранном контрольном ос­вещении. Полученная характеристика именуется общим индексом цветопередачи RA:

(3.10).

Для источников с высокой цветовой температурой истинным считается цвет предмета при дневном освещении. В случае источников с низкой цве­товой тем­пературой истинным считается цвет предмета при освещении лампой накалива­ния. В методе МКО действует условие, что цветность стандартного излучения должна быть одинакова или почти одинакова цветности ис­следуемого излучения. Допуска­ется очень небольшое различие.

Для критической оценки окрашенных объектов потребитель должен вы­брать тот источник, который дает достаточно хорошее приближение к ис­тине. Обычно это означает, что источник должен иметь довольно высокий общий индекс цветопе­редачи МКО (95 и более). Из формул следует, что величина ΔE должна быть порядка одного порога. В некоторых особых слу­чаях для контроля может потре­боваться источник с более высоким индексом цветопередачи и более жесткие до­пуска на фактическое относительное спек­тральное распределение энергии излуче­ния. Такие особые случаи возникают при необходимости проведения критического сравнения метамерных цвето­вых стимулов предметов.

Искусственные источники света. Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов — лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.

В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. Газоразрядные лампы называют люминесцентными, так как изнутри колбы (цилиндры) покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, излучаемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) – разрядные лампы низкого давления – представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет. Два различных типа ЛЛ являются классическим примером компромисса в технике. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 Лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=9098) при меньшей световой отдаче (до 88 Лм/Вт). Одно из главных преимуществ ЛЛ – долговечность (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали самыми распространенными источниками света в офисах предприятий. В странах с мягким климатом ЛЛ широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах.

>Специальность светотехника и источники света

О специальности:

Описание специальности светотехника и источники света, в каких ВУЗах преподают светотехника и источники света,поступление, экзамены, какие предметы изучают на специальности.

Это довольно сложная техническая специальность, требующая глубоких познаний в различных областях науки. В рамках колледжа невозможно освоить полный курс, и лучше всего после колледжа поступить в институт, где продолжить освоение этой сложнейший специальности. Выпускник должен быть готов к работе с различными приборами источниками света, свето-датчиками и световыми табло.

Основные предметы по светотехнике и источникам света

Учебные заведения предлагают своим студентам изучить основы теории оптических эффектов, конструкцию приборов источников и приемников светового излучения, методы и аппаратуру для измерения различных световых величин. При проектировании освещения професионал должен владеть набором знаний по оптике и освещению, экологические стандарты и нормы освещённости для различных помещений и открытых объектов, а также нормы противопожарной и промышленной безопасности.

Области работы специалиста по светотехнике и источникам света

Такой специалист может работать как на сборочной линии световых приборов, лаборатории, изучающий поведение света и разрабатывающей световые приборы и датчики, а также в сфере установки различных световых приборов, в том числе рекламе. Таким образом, перед выпускником колледжа есть несколько путей: идти продолжать учиться в институт, чтобы получить высшее образование и работать в лаборатории или стать разработчиком новых приборов, или идти мастером по установки и ремонту различных световых приборов, датчиков, камер и освещения.

Трудовые обязанности специалиста по светотехнике и источникам света

Получив данное образование, мастер должен разбираться в устройстве световых приборов, уметь устанавливать их и диагностировать неисправности, при возможности, ремонтировать и обслуживать световое оборудование. Также такой специалист, в зависимости от места работы, должен уметь рассчитывать освещённость и проектировать освещение в зависимости от требований заказчика и государственных норм. При дальнейшем обучении, профессионал сможет проектировать приборы и световые датчики, составлять технологическую документацию и проводить всевозможные технические расчёты для производства и использования оборудования.

This entry was posted in Ремонт. Bookmark the <a href="https://kabel-house.ru/remont/svet-elektrika/" title="Permalink to Свет электрика" rel="bookmark">permalink</a>.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *