Лабораторна робота №5

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ І АНАЛІТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ КІЛЬКІСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВІТЛОВОГО СЕРЕДОВИЩА ВІД ЛІНІЙНИХ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА НА МОДЕЛІ ОСВІТЛЮВАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

Мета роботи: набуття практичних навиків вимірювання і розрахунку горизонтальної освітленості в приміщенні.

Основні теоретичні відомості

освітленість на розрахунковій поверхні (рівень столів) у приміщенні складається з прямої освітленості Е_пр, що безпосередньо впала від джерел, й освітленості багаторазового відбиття Е_Брв (БРВ):

Е=Е_пр+Е_брв . (1.32)

Пряма освітленість у точці А, для лінійних джерел світла визначається згідно з [1, с. 151]. Внаслідок перетворення розрахунковий вираз набуде вигляду

(1.33)

де А – точка, в якій виконуються вимірювання;

x, z – координати джерел світла;

φ – кут, під яким видно з точки розрахунку лінію, що світиться; Ι _γ (Ι _γ = І₀) І – сила світла з одиниці довжини лінії, що світиться у поперечній площині.

L

Z

D

С

В j_прав

Y

g j_лів

h

A(x_i, y_i)

X

рис. 1.5 – До розрахунку кутів φ _лів і φ _прав

кут φ для лівої частини світильника (припускається, що світильник починається від стіни, тобто його ліва координата у=0), визначається за формулою

(1.34)

де х, у – координати точки;

х_і – координати джерела світла (ДС);

h – висота приміщення.

Для правої частини світильника кут φ набуде вигляду

, (1.35)

де х, у – координати точки; х_і - координати джерела світла (ДС);

h – висота приміщення; а – ширина приміщення.

У підсумку отримуємо:

E_прі = Е_прі(лів) + Е_прі(прав) (1.36)

Е_пр = . (1.37)

Наступним етапом є знаходження освітленості, що створюється БРВ від лінії, яка світить. Методи розрахунку описані в [1]. Розрахунок БРВ зводиться до наступного:

(1.38)

де S_p – площа розрахункової поверхні, м²;

Ф_брв – потік БРВ, що впав на розрахункову поверхню, лм;

Ф_БРВ=Ф_р-Ф¢ _р, (1.39)

де Ф_р – потік, що встановився на розрахунковій поверхні, лм; Ф'_р – потік, що впав безпосередньо від джерела світла на розрахункову поверхню, лм:

Ф_р =АФ¢ _с+ВФ¢ _ст+СФ¢ _р (1.40)

де А, В, С – коефіцієнти, що визначаються за [1, с. 211]. При визначенні А, В, С використовують коефіцієнти відбиття стін, стелі, робочої поверхні.

Середньозважений за площиною коефіцієнт відбиття стін r_ст, визначається за формулою

, (1.41)

де r_скла – коефіцієнт відбиття скла (0, 04); r_ст – коефіцієнт відбиття стін (0, 5); h – висота приміщення, м; b – ширина і довжина приміщення, м.

Потік лампи:

Ф_л = 2 .

Потік, що впав на стелю від одного дС:

Ф'_сі = 0, 5× Ф_лі, (1.42)

де Ф'_лі – повний потік лампи, лм.

потік, що впав на стелю від усіх дС, які світять в цьому режимі:

. (1.43)

Потік на стіни визначається за формулою

Ф'_ст = 0.5Ф_л - Ф'_р, (1.44)

де Ф'_р – потік, що впав на робочу поверхню, лм:

(1.45)

де Ф'_рі – потік на розрахункову площину від 1-го ДС.

Потік Ф'_р і ДС визначається згідно з [1, с.190].

Прилади, обладнання і вихідні дані

У роботі використовується фізична модель ОУ з такими світлотехнічними параметрами:

a =0, 3 м; b =0, 5м; h =0, 45м; h_сголу =0, 04; А_столу =0, 027 м²; r _{підлоги} ⁼0, 3;

r_столу=r_стін ⁼ 0, 5; r_скла =0, 04; r_стелі = 0, 8.

Як джерело світла використовуються люмінесцентні лампи І₀=38 кд.

Таблиця 1.9 – Координати джерел світла

Таблиця 1.10 – Координати контрольних точок

Приймачами випромінювання є фоторезистори (принципові схеми вмикання приймачів наведено в додатку). Приладом, що реєструє, є мікроамперметр типу Ф-195.

Контрольні запитання

1. Нормування освітленості (пряме і непряме).

2. Методика нормування освітленості згідно із СНіП ІІ-4-79 і ДБН.

3. Дати визначення освітленості, світлового потоку, сили світла.

4. Точковий метод розрахунку освітленості.

5. Суть методу БРВ (багаторазового відбиття).

6. Визначення потоку від точкового джерела світла на прямокутну площину за методами Дубінкіна, Джонса-Нейдхарта та методом сітки.

7. Класифікація систем освітлення. 8_. Типи ДС.

9.Якісні й кількісні характеристики світлового середовища.

10. Порядок виконання роботи.

рис. 1.6 – Принципова схема підключення джерел світла (ЛЛ)

Хід роботи

1. Ввімкнути мікроамперметр.

2. Ввімкнути тумблер " Сеть".

3. Визначити фоновий струм кожного фоторезистора.

4. Ввімкнути тумблер " ЛЛ".

5. Відповідні групи світильників " ЛЛ1" (" ЛЛ2", " ЛЛ1" +" ЛЛ2") підключити тумблерами до джерела струму.

6. Зняти показання амперметра для точок(вмикання кожної з точок робиться перемиканням галетного перемикача " Фоторезисторы".

7. Результати занести в табл. 1.11.

8. Провести перерахунок з урахуванням фонового струму.

9. Використовуючи залежності E= f (I) (додатки Д), визначити освітленість.

Завдання

1. Занотувати схематично порядок ввімкнення ламп у різних режимах.

2. Розрахувати величину Е_г в контрольних точках 1, 2, 3, 4 (див.рис. 1.5) від усіх ДС.

3. Провести порівняльний аналіз розрахованих і виміряних величин і визначити відносну похибку. Результати занести до табл. 1.13

4.Записати висновки.

Таблиця 1.11 – Експериментальні дані

Примітка: перший режим – вмикається тумблер «ЛЛ1», другий – «ЛЛ2», а третій «ЛЛ1» і «ЛЛ2» разом.

Таблиця 1.12 – Варіанти розрахункових завдань

Таблиця 1.13 – Таблиця результатів (узагальнена)

Контрольні запитання

1. Порядок виконання роботи.

2. Алгоритм визначення прямої складової освітленості.

3. Порядок знаходження відбитої складової освітленості (алгоритм).

4. Методи розрахунку розподілу від лінійних джерел світла.

5. Пояснити розбіжність Е_вим та Е_роз (результат, який здобуто вимірами, і результат, здобутий розрахунком).

6. Розкрити похибку розрахункового методу.

7. Розкрити похибку розрахункових даних.

8. Розкрити похибки, закладені в розрахунок освітленості (Е_пр і Е_брв)·

9. Розкрити похибки вимірів.

10. Похибка апаратно-схемної частини установки.

11. Похибка, зв'язана із сприйняттям випромінювання приймачем.

12.Назвати шляхи вдосконалення вимірювальної частини установки, що приведуть до зменшення розбіжності виміряних і розрахованих результатів.

13. Де більша похибка – Е_вим чи Е_роз і чому?

ІІ. ПРАКТИЧНІ ЗАНЯТТЯ

ІІ.1. Послідовність операцій при розрахунку освітленості від симетричних елементів

1. Визначають тангенс кута падіння світлового променя в розрахункову точку:

tga =d/h_p, (2.1)

де d — відстань від розрахункової точки до проекції осі симетрії світильника на площину, яка перпендикулярна їй і проходить через розрахункову точку.

2. За знайденим тангенсом визначають кут a і cos³a..

3. За кривою сили світла заданого світильника знаходять
силу світла I_a для знайденого кута a.

4. Підраховують освітленість горизонтальної, вертикальної
або похилої площин.

ІІ.2. Алгоритм розрахунку освітленості від лінії, що світить, у вертикальній площині

1. З креслення, що визначає положення лінії, що світить, відносно розрахункової точки, знаходимо кут (g= arctg (a/h_p);

2. За кривими сили світла світильника визначаємо силу світильника

з одиниці довжини лінії:

, (2.2)

де - сила світла світильника для F_л = 1 000 лм.

3. З креслення, що визначає положення лінії, що світить, відносно розрахункової точки, знаходимо кут (j=arctg(L/l);

4. Користуючись рівнянням:

, (2.3)

визначаємо освітленість у розрахунковій точці.

де I_g - сила світла з одиниці довжини лінії, що світить, у поперечній площині;

j — кут, під яким видна лінія, що світить, з точки розрахунку;

h_р — висота розташування лінії, що світить, над освітлюваною поверхнею.

ІІ.3. Алгоритм розрахунку освітленості з використанням кривих рівної відносної освітленості

1) з креслення, що визначає положення лінії, що світить, відносно точки розрахунку знаходимо відносні координати:

;

2)за кривими відносної освітленості визначаємо для знайдених р' і L’;

3)за знаходимо освітленість горизонтальної площини.

ІІ.4. Алгоритм розрахунку освітленості від поверхонь рівномірної яскравості, що світять

1. З креслення, що визначає положення прямокутника, що світить, відносно розрахункової точки, знаходимо відносні координати _Р² = b/m і _Р1 = a/m;

2. За номограмою e=f(P_1, P₂) визначаємо коефіцієнт освітленості е;

3. За E_A = pL_e = М_e заданої світності визначаємо освітленість; (е -коефіцієнт освітленості в розрахунковій точці, створюваній розрахунковою поверхнею).

ІІ.5. Методика розрахунку світлового потоку від точкового елемента, що світить, із симетричним розподілом сили світла на поверхню, перпендикулярну до його осі симетрії

1. Світлорозподіл світильника характеризується залежністю I₀=f(a);

2. Розіб'ємо весь простір, що оточує розглянутий світильник, на зональні тілесні кути, які мають загальну ось, що збігається з віссю симетрії точкового елемента, що світить, і рівні світлові потоки, що укладають у собі тілесні кути утворені обертанням плоских кутів (рис. 2.1);

3. За відомою залежністю I₀=f(a) побудуємо рис. 2.2. – криву наростаючих зональних світлових потоків SF_a = f(a). Визначаємо a і радіуси кільцевих зон на розрахунковій площині r_i =htga_i;

4. Розбиваємо кожну з кільцевих зон сімейством радіальних прямих, що являють собою сліди площин, які проходять через ось симетрії світильника і зміщені одна відносно одної на постійний кут.

Кожен елемент розрахункової сітки буде вміщувати в собі світловий потік, рівний

, (2.4)

де (F_cв)_0-90 – світловий потік світильника в зоні 0—90°;

п — число кутових зон, на яке розбитий простір, що оточує світильник;

т — число січних площин.

Наклавши розрахункову сітку на план приміщення так, щоб її полюс був сполучений з проекцією світильника на плані (рис. 2.3), і підрахувавши число елементів сітки N, що знаходяться всередині контура, обмеженого стінами приміщення, визначаємо величину світлового потоку, що падає на розрахункову площину:

; (2.5)

. (2.6)

Аналогічно може бути підрахований світловий потік, що падає від світильника на стелю. Розрахункова сітка для цього випадку повинна бути побудована за кривою сили світла світильника для верхньої півсфери навколишнього простору й у масштабі відстані h₀ від світильника до стелі приміщення:

, (2.7)

де N₁ - число елементів розрахункової сітки, що укладаються в межах контуру стелі;

(F_св)_90-180 - світловий потік світильника в зоні 90—180°.

Знайдені F’_p і F’_n дозволяють визначити світловий потік, що падає

на стіни приміщення:

F’_c=F_{повний світловий потік} –(F’_n+F’_p). (2.8)

Рис. 2.1 – До розрахунку світлового потоку функції а

Рис.2.2 – Графік наростаючих від крапкового елемента, що світить, із симетричним світлорозподілом

Рис.2.3 – Визначення світлового потоку накладенням розрахункової сітки

5. Послідовність визначення світлового потоку, що падає на смугу нескінченної довжини

1. Розбиваємо розрахункову площину на ділянки так, щоб проекція осі світильника збігалася з одним з кутів кожної з таких ділянок (рис. 2.4);

Рис. 2.4 – розбиття приміщення на ділянки

2. З креслення, що визначає розташування світильника відносно розрахункової площини, знаходимо координати a/h і b/h;

3. За знайденими координатами a/h і b/h, користуючись графіком на , знаходимо коефіцієнти (K_a)_a і (K_a)_b;

4. За кривою сили світла світильника розраховуємо зональні світлові потоки для 10-градусних зон оточуючого світильник простору;

5. За (DF_a)_a=0.5DF_a (K_a)_a визначаємо зональні й повний світловий потоки, що падають від світильника на розглянуту ділянку;

6. Знайшовши аналогічно світловий потік, що падає на інші три ділянки розрахункової площини, і додаючи їх, визначаємо потік, що падає на розрахункову площину.

7. Послідовність розрахунку світлового потоку за методом тілесних кутів первинного використання

1) визначаємо відносну сторону квадрата, еквівалентного заданій прямокутній розрахунковій площині ;

2) знаходимо значення тілесних кутів первинного використання для кожної 10-градусної зони;

3) за знайденим значенням тілесних кутів первинного використання w_а і значенням сили світла світильника для середини кожної зони I_а знаходимо зональні світлові потоки, що падають на розрахункову площину або стелю;

4) підсумовуючи добуток I_аw_а в необхідних межах, визначаємо світлові потоки, що падають на розрахункову площину (F_p’) і потік (F_n’).

8. Розрахунок розподілу світлового потоку від світлової лінії

Для визначення світлового потоку, що падає від світлової лінії на горизонтальну площину, паралельну її осі:

1. Розіб'ємо простір, що оточує лінію, яка світить, на рівні двогранні кути g. Світловий потік світної лінії, що лежить у межах кута g, позначимо через F_g;

Рис.2.5 – Розташування світлової лінії відносно розрахункової поверхні

2) нехай потік, що падає на одну зі стін, перпендикулярну до осі лінії, що світить – F _g;

3) частка потоку лінії, що світить, падаючого на розрахункову площину

; (2.9)

4) світловий потік, що падає на всю розрахункову площину

(2.10)

де п — число двогранних кутів g, обмежених шириною а розрахункової площини.

9. Метод зональних множників

Порядок розрахунку світлового потоку, що падає на розрахункову площину, за методом Ейнхарта зводиться до наступного:

1) розраховуємо відносні розміри приміщення а/h і b/h і, користуючись табличними значеннями (), визначають і ;

2) за 1) , (2.11)

або

, (2.12)

або

, (2.13)

розраховуємо зональний світловий потік ;

3) визначаємо світловий потік лінії, що світить, який падає на розрахункову площину

, (2.14)

де n – число ліній, що світять, у приміщенні;

– світловий потік світильників у межах 10-градусного двогранного кута;

, – зональні множники.

Точність тут у межах 10-15% за умови, що відстань між рядами світильників L/h у приміщенні складає 1, 0 – 1, 5 і відповідно відстань від крайнього ряду світильників до стін має половину відстані між рядами.

10. Методика розрахунку карнизного освітлення

Світлові карнизи – поширений спосіб освітлення, що є ефективним тільки при дотриманні певних технічних вимог до влаштування світлових карнизів.

Елементи всіх розташованих в карнизі пристроїв, що не тільки світять, але і конструктивні, не повинні бути видні відвідувачам при всіх можливих їх положеннях у приміщенні. Кромка карниза не повинна екранувати випромінювачі від стелі. При дотриманні обох цих умов карниз повинен бути можливо дрібним, тобто якщо розглядати його як склепіння, мати відношення S_п/S_св ближче до одиниці.

Повинна бути забезпечена достатня рівномірність яскравості стіни над карнизом уздовж останнього (в ефективному карнизі не можна візуально визначити кількість ламп). Для цього відстань а від стіни до ламп повинна бути більше, а відстань між світловими центрами сусідніх ламп розжарювання не повинна перевищувати (1, 5-1, 7) а; як виняток, при лампах з прозорою колбою осі яких розташовані уздовж карниза, відстань може бутизбільшена до 1, 9 а. Люмінесцентні лампи повинні у всіх випадках розміщуватися у вигляді суцільних ліній. При одній «нитці» ламп а повинне бути не менше 125-150 мм, при декількох рядах а може бути зменшено до 75 мм, але ряди ламп повинні бути взаємно зміщені за довжиною.

Якщо треба забезпечити достатньо рівномірну візуальну яскравість плоскої стелі, то відношення ширини приміщення В до відстані карнизу від стелі h_с не повинне перевищувати наступних значень:

При сферичних і циліндрових зведеннях візуальна рівномірність розподілу яскравості по зведенню забезпечується майже у всіх випадках.

Коефіцієнт використовування установки карнизного освітлення рівний твору ККД самого карниза на коефіцієнт використовування світлового потоку карниза, рівний k_{п.р .}, якщо розраховується освітленість підлоги або паралельної йому поверхні, і k _п.с., якщо визначається середня освітленість стіни.

ККД карниза із звичними лампами розжарювання або з люмінесцентними лампами може бути розрахований за формулою, отриманою з формули склепіння

, (2.15)

де x – частка потоку джерел, падаюча на поверхню карниза, що відбиває, рівна відношенню двохгранного кута, в межах якого потік падає на цю поверхню, до 360°; r – коефіцієнт відбиття поверхні карниза; – відношення площі вихідного отвору карниза до площі його поверхні, що відбиває.

Розрахунки МЕІ показали, що для карнизів з вказаними джерелами світла при зміні їх конструкції у вірогідних межах КПД залишається близьким до 0, 60, причому, враховуючи значення r з достатньою обережністю прийнято рівним всього 0, 5, враховуючи наявність в карнизі дротів і погано відбиваючих конструктивних частин.

Значення k_п.р знаходять з урахуванням ефекту зведення, але замінювати цей коефіцієнт на k¢ _п.р не слід, оскільки співвідношення висот може в даному випадку мінятися в широких межах.

Враховуючи високу рівномірність освітленості при карнизному освітленні і переважаючу роль в парадних приміщеннях середньої освітленості, вважається за можливе при розрахунку карнизного освітлення не враховувати коефіцієнт z.

Приклади вирішення задач

Зал має розміри А=24 м, В=12м, H= 8 м; на висоті 5 м по всіх стінах установлюється карниз. коефіцієнти відбиття стелі і стін вищий за карниз – 70%, решти поверхні стін – 50%, підлоги – 10%. Рівень розрахункової поверхні 0, 8м.

Варіант 1. потрібно одержати освітленість 75 Лк при k=1, 5, застосовуючи звичайні лампи розжарювання.

Площа приміщення (вона ж площа стелі):

S_р=S_п=А × В=288 м²;

площа стін над карнизом:

Sст к.=2× (Н-h_к)× (А+В)=2 × 3 × (24+12)=216 м².

Коефіцієнт відбиття умовної стелі на рівні карнизу:

.

знаходимо індекс приміщення

.

за таблицею в [1], інтерполюючи між значеннями і =1, 75 і і =2, 0 і r_п =0, 5 і r_п =0, 7 (інтерполяція по індексу не обов'язкова), знаходимо

,

значить

.

повний потік ламп, необхідний для забезпечення необхідного рівня освітленості:

.

враховуючи, що периметр карнизу рівний 72 м, можемо одержати набір рішень, наведений у вигляді табл.2.1.

Таблиця 2.1 – варіанти розміщення ламп у карнизі

Потужніші лампи є більш економічними і кращими в спектральному відношенні, але можливість прийняття того або іншого рішення в першу чергу диктується заданим розміром а, і якщо, наприклад а = 200мм, то, враховуючи відстань, що рекомендується, між лампами не більше (1, 5-1, 7) а, необхідно прийняти лампу 60 Вт.

Варіант 2. потрібно отримати освітленість 300 Лк при к=1, 8 при застосуванні люмінесцентних ламп типу ЛБ.

До визначення коефіцієнта використання включно розрахунок співпадає з першим варіантом. Повний світловий потік за другим варіантом складає:

.

при лампах ЛБ-80 необхідно:

,

якщо довжина лампи з патронами 1540 мм, то повна довжина всіх ламп 220м і в карнизі, що має периметр 72 м, лампи повинні бути розміщені в три суцільні нитки.

При карнизах з дзеркальними лампами кКд карнизу підвищується до 0, 8-0, 9, в іншому розрахунок нічим не відрізняється від наведеного вище.

Список літератури

1. Г. Мешков В.В., Епанешников М.М. Осветительные установки: Уч. пособие для ВУЗов. – Μ.: Энергия, 1972.– 360 с.

2. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б. Айзенберга. – М.: Энергоатомиздат, 1995.– 472 с.

3. ГОСТ 13878–74.

4. Кнорринг Г.М. и др. Справочная книга для проектирования электрического освещения/ Г.М. Кнорринг, И.М. Фадин, В.Н. Сидоров – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Энергоатомиздат, 1992.– 448 с.

5. СниП ІІ-4-79. Естественное и искусственное освещение / Госстрой СССР.– М.: Стройиздат, 1980.

6. ДБН В. 2.5-23-2003.– К.: Госкомитет по строительству и архитектуре, 2004.

Додаток А

Для лабораторної роботи № 1

Результати вимірювання освітленості в приміщеннях громадських споруд

Назва (номер) приміщення_________

Номер приладу_____

Дата проведення експерименту_______

Напруга мережі Ui__ В, U₂______В.

Таблиця 1

Таблиця 2