CC BY
31
УДК 628.9.041.7:612.014.44
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОСВЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СВЕТОДИОДНЫМИ УСТАНОВКАМИ
Л.В. АБРАМОВА, Е.М. МИХАЙЛОВА
Научно-исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, г. Саранск
В работе представлены результаты исследования условий освещения, создаваемого светодиодными источниками излучения. Оценка эффективности световой среды проводилась по видимости освещаемых объектов и степени зрительного утомления. Определены наиболее благоприятные условия освещения для объектов зрительной работы I - IVразрядов СНиП 23-05-95.
Ключевые слова: светодиоды, осветительная установка, освещённость, видимость объектов наблюдения, угловой размер, зрительное утомление.
В настоящее время светодиодные технологии представляют одно из приоритетных направлений оптимизации затрат на энергоресурсы. Светодиоды обладают большим сроком службы (порядка 50 тысяч часов горения), имеют высокую энергоэффективность (до 100 лм/Вт) и высокий ресурс прочности. Существенным преимуществом является отсутствие в них ртути [1, 2].
Благодаря этим свойствам, осветительные приборы на основе светодиодов начинают применяться в технике освещения вместо традиционных газоразрядных и тепловых источников света [3]. Тем не менее, следует отметить, что до настоящего времени не разработаны стандарты и нормативы освещения, а также гигиенические требования к качеству световой среды со светодиодами.
В данной работе для оценки световой среды, создаваемой светодиодами, были проведены исследования влияния уровня освещённости рабочей поверхности на такие важные показатели, как видимость объектов наблюдения и степень зрительного утомления [4]. Для проведения исследований была разработана экспериментальная установка в виде адаптационной камеры размером 130*65*70 см, изнутри покрытой белым диффузно-отражающим материалом с коэффициентом отражения р равным 0,8. Для освещения рабочей поверхности использовался световой прибор, расположенный непосредственно над объектом наблюдения. В качестве источника местного освещения применялись светоизлучающие диоды высокой интенсивности типа У-337. Выходное отверстие светового прибора перекрыто поликарбонатным рассеивателем. Неравномерность освещения поверхности не превышала ±10%. Уровень освещённости, создаваемой на рабочей поверхности, регулировался напряжением источника питания и варьировался в пределах от 100 до 1000 лк. Измерения проводились с помощью люксметра «ТКА - Люкс», имеющего предел допустимого значения относительной погрешности измерения освещённости, равный ±6%.
Эксперимент проводился в затемнённой комнате размером 2,0 * 2,5 * 3,6 м. Коэффициенты отражения потолка, стен, пола соответственно равны 0,7; 0,5; 0,3. Наблюдатель располагался за рабочим столом, коэффициент отражения которого равен 0,8. В эксперименте участвовали 10 опытных наблюдателей в возрасте 21 - 24 года, имеющих нормальное и скоррегированное к нормальному зрение. В каждой серии опытов измерения проводились по пять раз в день в течение 4 дней.
© Л.В. Абрамова, Е.М. Михайлова Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
102
Схема первого эксперимента была следующей: 1 - предварительная адаптация к условиям освещения в течение 15 минут; 2 - измерение видимости диффузных объектов наблюдения; 3 - двухчасовая зрительная работа; 4 - повторное измерение исследуемых показателей. Обработка результатов проводилась с использованием пакета статистического анализа и прогнозирования.
Для проведения исследований видимости объектов наблюдения от уровня освещённости рабочей поверхности были выбраны плоские диффузные объекты в виде дисков с угловыми размерами, равными 1', 5', 10', относящиеся к I, III и IV разрядам СНиП 23-05-95. Измерения проводились при отрицательном контрасте объекта с фоном к = 0,9. Видимость объектов измерялась монокулярным измерителем видимости типа М-53А до и после двух часов зрительной нагрузки. Наблюдателями выполнялась напряжённая зрительная работа, связанная с различением колец Ландольта с угловым размером а = 5', что соответствует III разряду вышеуказанного СНиП.
На рис. 1 показана зависимость видимости диффузных объектов наблюдения от уровня освещённости рабочей поверхности до и после выполнения зрительной работы.
V, пор 20 18
16
14
12
10
8
6
10' ... у
--
--
5'У 9 с ::
1' -1-
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Е, лк
а)
V, пор 20 18
16
14
12
10
8
6
10'
V ------■
5's 1' ^ Ч . ' -
1000
Е, лк
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
б)
Рис.1. Зависимость видимости диффузных объектов наблюдения от уровня освещенности рабочей поверхности: а) до начала зрительной работы; б) после 2 часов зрительной работы
Анализируя данные измерений, следует отметить одинаковый качественный характер изменения видимости исследуемых угловых размеров объектов наблюдения
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
103
при изменении освещённости; при этом каждому угловому размеру объекта соответствует свой уровень освещённости Е, обеспечивающий его наибольшую видимость для угловых размеров, а (1'; 5'; 10') равный, соответственно, 700, 600 и 400 лк. Дальнейшее повышение уровня освещённости не приводит к росту видимости объектов, т.к. каждый угловой размер объекта характеризуется минимальным значением порогового контраста, меньше которого объект не может быть обнаружен при дальнейшем увеличении яркости фона.
Снижение видимости объектов при дальнейшем увеличении освещённости происходит в результате слепящего действия светового прибора. В условиях постоянства уровня освещённости видимость исследуемых объектов наблюдения возрастает с ростом их углового размера (на 38 - 66 %) вследствие уменьшения порогового контраста объекта с фоном.
Экспериментально установлено, что от величины углового размера объектов наблюдения зависит градиент изменения видимости исследуемых объектов. Так, при изменении освещённости рабочей поверхности от 100 лк до наибольшего значения для соответствующих угловых размеров объектов наблюдения градиент изменения их видимости уменьшается с ростом углового размера объектов как до начала зрительной работы, так и после её окончания в пределах от 45 до 29 %. При постоянном уровне освещённости (100 лк) данная величина также снижается с увеличением угловых размеров объектов в диапазоне от 32 до 24 %.
В производственных условиях зрительная работа происходит в течение всего рабочего дня и возникающее зрительное утомление приводит к снижению функций зрения: остроты и скорости различения, контрастной чувствительности, устойчивости ясного видения и других функций, в разной степени подверженных его действию [5 -7]. Следовательно, определение оптимальных вариантов освещения необходимо осуществлять не только по видимости, но и по допустимому уровню зрительного утомления.
В данной работе оценка зрительного утомления в зависимости от условий освещения проводилась методом адиспаропии, основанным на исчезновении различия смежных полей сравнения. В качестве тест-объекта для измерения времени адиспаропии (ta) был выбран плоский диффузный диск диаметром 40 мм, состоящий из двух контрастирующих полей с вертикальной границей раздела и расположенный на общем белом фоне. Контраст между полями сравнения - пороговый.
Эксперимент проводился следующим образом: после предварительной адаптации в течение 15 минут испытуемый, стабилизируя линию зрения с помощью фиксационной точки, наблюдал границу раздела смежных полей. Моменты начала наблюдения и визуального уравновешивания яркости смежных полей - время адиспаропии (ta) фиксировались секундомером. Абсолютное значение ta измерялось до начала зрительной работы (tai) и по окончании (taj). Зрительная работа состояла в различении диффузных объектов с угловыми размерами 1', 5' и 10'. Количество наблюдателей и условия эксперимента оставались неизменными.
Показатель зрительного утомления (А) был рассчитан после двух часов зрительной нагрузки по формуле
А = (1 - taj / tai) • 100%, где tai - время ахроматической адиспаропии до начала зрительной работы, с; taj - время ахроматической адиспаропии после зрительной работы, с.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
104
На рис. 2 показаны результаты изменения степени зрительного утомления от уровня освещенности рабочей поверхности для соответствующих угловых размеров в условиях светодиодного освещения.
Анализ полученных зависимостей показывает идентичность изменения исследуемой величины при заданных параметрах осветительной установки и объектов зрительной работы. В условиях постоянства уровня освещенности зрительное утомление снижается на 23,7 - 30,4% при увеличении угловых размеров объектов от 1' до 10'. Наиболее благоприятные условия освещения, оцениваемые по наименьшей степени зрительного утомления, имеют место при освещённостях: 700 лк (а=1'), 600 лк (а=5') и 500 лк (а=10'). При дальнейшем увеличении освещенности рабочей поверхности уровень зрительного утомления не изменяется. Изменение освещённости оказывает большее влияние на степень зрительного утомления, чем угловой размер объектов.
.1'
5' \ к/
; ►-< ■-«
X - 10' (ЛН)
10' Е Е \
£5-г 5-£ *-г 5-£-(
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Е,лк
Рис. 2. Зависимость зрительного утомления от уровня освещенности рабочей поверхности и степени сложности зрительной задачи при освещении СД и ЛН
В исследуемом интервале освещённости зрительное утомление было также измерено при освещении рабочей поверхности лампой накаливания для а = 10' (рис. 2). Сопоставительный анализ вариантов освещения показал, что световая среда, создаваемая светодиодами, является более предпочтительной, поскольку при одном и том же уровне освещённости зрительное утомление при освещении лампой накаливания на 25,2% выше, чем при освещении светодиодами.
Таким образом, результаты, полученные в ходе проведённых исследований, могут быть использованы при разработке нормативов освещения и требований к качеству световой среды, а также при проектировании осветительных установок со светодиодами как наиболее перспективными с энергетической точки зрения источниками света.
Выводы
1. Определены наиболее благоприятные уровни освещённости в осветительных установках со светодиодами, обеспечивающие наибольшую видимость диффузных объектов наблюдения I - IV разрядов СНиП и наименьшую степень зрительного утомления.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
105
2. При повышении уровня освещённости рабочей поверхности увеличению видимости объектов наблюдения на 38 - 66% соответствует снижение зрительного утомления на 19 - 42%.
3. Градиент изменения видимости снижается с увеличением углового размера объекта наблюдения при Е = Const.
4. В зависимости от степени сложности зрительной работы зрительное утомление изменяется от 19 до 31%.
5. В исследуемых вариантах освещения утомление органа зрения более чувствительно к изменению уровня освещённости рабочей поверхности по сравнению с угловыми размерами объектов зрительной работы.
6. С точки зрения наименьшей степени зрительного утомления, световая среда, создаваемая светоизлучающими диодами, более предпочтительна по сравнению с использованием в осветительных установках ламп накаливания.
Summary
The article presents the resalts in reserchof illumination conditions beang produced by LEDs. Evaluation of the effectiveness of light medium was done according to the visibility of illuminated object and the level of visual fatigue. The most favourable conditions of illumination for the objects of visual work in I - IV types were defined.
Keywords: LEDs (light emitting diodes), illuminating installation, illuminance, visibility of the observed objects, angle size, visual fatique.
Литература
1. Хайнц Р. Неорганические светодиоды. Обзор // Светотехника. 2003. № 5. С. 7-12.
2. Бурняшев А. Современные мощные светодиоды и их оптика // Современная электроника. 2006. № 1. С. 24-27.
3. Богданов А. Л. Эффективность белых светодиодов // Светотехника. 2007. № 4. С. 32-34.
4. Абрамова Л. В. Отзывчивость зрительного утомления к изменению положения осветительного прибора и яркости фона // Светотехника. 1975. № 5. С. 23-25.
5. Глаголева Т. А. Зрительная работоспособность при кратковременной и длительной работе // Светотехника. 1975. № 7. С. 11-13.
6. Абрамова Л. В. Производительность зрительной работы на монтажно-сборочных операциях сверхминиатюрных ламп // Светотехника. 1973. № 7. С. 13-16.
7. Абрамова Л. В., Амелькина С. А. Исследование интегральных показателей зрительной работы в условиях освещения металлогалогенными лампами малой мощности // Светотехника. 2007. № 3. С. 54-55.
Поступила в редакцию 11 октября 2011 г.
Абрамова Людмила Васильевна - канд. техн. наук, профессор кафедры светотехники светотехнического факультета Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева. Тел.: 8 (8342) 47-46-23, 8-927-1887032.
Михайлова Елена Михайловна - преподаватель кафедры светотехники светотехнического факультета Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева. Тел.: 8 (8342) 47-46-23, 8-927-1807626.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
106
