Elektrická měření - cvičení
Měření osvětlenosti
16
Měření osvětlení
16.1 Zadání úlohy a) b) c) d) e)
změřte osvětlenost v měřicích bodech, spočítejte průměrnou hladinu osvětlenosti, určete maximální a minimální osvětlenost a spočítejte rovnoměrnost osvětlení, analyzujte naměřené a vypočtené hodnoty (je-li osvětlení postačující, případné tipy pro zkvalitnění osvětlení), naměřené hodnoty osvětlenosti zpracujte graficky (vrstevnicově nebo v 3D provedení za pomoci PC).
16.2 Obecná část 16.2.1 Fotometrické veličiny Ve světelné technice se pracuje s tzv. světelně technickými veličinami (označovanými též fotometrické veličiny), které respektují proměnou citlivost oka pozorovatele k záření různých vlnových délek. Pro zajištění jednotnosti výpočtů se počítá s hodnotami spektrální citlivosti tzv. normálního fotometrického pozorovatele. Při měření fotometrických veličin nás zajímá tzv. světelný tok Ф, který odpovídá zářivému toku a vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Jednotkou je 1 lumen [lm]. Při nerovnoměrném rozložení světelného toku zdroje či svítidla do různých směrů prostoru je třeba kromě hodnoty úhrnného světelného toku znát ještě prostorovou hustotu světelného toku v různých směrech – tzv. svítivost I zdroje v těchto směrech. Svítivost se stanovuje jen u bodových zdrojů světla (rozměry bodového zdroje jsou ve srovnání se vzdáleností od pozorovatele zanedbatelné – např. žárovka). Jednotkou je 1 kandela [cd]. Hodnoty svítivosti zdroje nebo svítidla v daných směrech popisujeme pomocí tzv. křivek svítivosti. Osvětlenost E (intenzita osvětlení) rovinné plošky A, tj. plošná hustota světelného toku Ф dopadajícího na plošku A je dána vztahem
E=
Φ A
[16.1] Jednotkou je 1 lux [lx]. Osvětluje-li se bodovým zdrojem Z ze vzdálenosti l ploška A tvořící okolí bodu P v rovině ρ a svírá-li normála roviny ρ s paprskem l úhel β. Pro osvětlenost plošky A vychází vztah
E=
I * cos β l2
[16.2]
Z rovnice [16.2] vyplývá, že osvětlenost bodovým zdrojem je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti osvětlované plochy od zdroje (zákon čtverce vzdálenosti) a také je přímo úměrná kosinu úhlu β dopadu světelných paprsků (Lambertův kosinusový zákon). Největší je tedy osvětlenost ve směru normály – tzv. normálová osvětlenost. Pro zjištění světelných parametrů např. místnosti se vytváří síť měřicích bodů ve výšce srovnávací roviny (často výška pracovní plochy či desky stolu), ve kterých se zjišťuje osvětlenost. Pro lepší přehled se spojují body se stejnou osvětleností a nakreslit tak čáry zvané izoluxy (jakési vrstevnice osvětlenosti). Síť izolux vytváří izoluxní plán. Někdy se rozložení osvětlenosti popisuje prostorovým znázorněním (3D grafem). Lidské oko nereaguje na změny osvětlenosti, nerozpoznává hodnoty svítivosti ani světelného toku. Jedinou veličinou, na kterou bezprostředně reaguje je jas svazku paprsků L. Lze jej popsat jako plošně prostorová hustota světelného toku. Jednotkou je 1 kandela na metr čtvereční [cd*m-2]. Světlení H je definováno jako plošná hustota světelného toku ФV vyzařovaného z plošky A. Je dáno vztahem [16.3] Φ
H=
V
A
Jednotkou světlení je lumen na metr čtvereční [lm*m-2].
__________________________________________________________________________________________ VOŠ a SPŠ Varnsdorf Vypracoval: Bc. David Furka -1-
Elektrická měření - cvičení
Měření osvětlenosti
16.2.2 Veličiny charakterizující světelně technické vlastnosti hmot Optické vlastnosti materiálů jsou velice důležité hlavně pro návrh a konstrukci svítidel, stínidel a ostatních světelně činných částí různých zařízení za účelem usměrnění světelného toku, jeho rozptylu, popřípadě omezení jasů v některých směrech a to všechno se zachováním maximální účinnosti svítidla. Odraznosti stropu stěn a podlahy mají značný vliv na hodnoty vnitřního osvětlení i na hospodárnost osvětlovací soustavy. Světelný tok dopadající na uvažovanou hmotu se rozdělí na tři části. Jedna část Фρ se odrazí do prostoru, další část, kterou označujeme Фτ, hmotou projde a část Фα je hmotou pohlcena. Platí vztah
Φ = Φ ρ + Φτ + Φ α
[16.4]
Poměr mezi odraženým a dopadajícím tokem udává tzv. činitel odrazu ρ, obdobně je to u dalších složek toku – činitel prostupu τ a činitel pohlcení α. Platí vzorec
ρ +τ + α = 1
[16.5]
Např. pro materiál pohlcující veškeré záření – černé těleso – platí α=1, τ=ρ=0. Povrchy různých látek se také rozdělují podle rozložení odraženého světelného toku do prostoru. Zrcadlový odraz nastává tehdy, odrazí-li se paprsek pod stejným úhlem, pod kterým dopadl. V případě, že se paprsek světla dopadlý na plochu rozdělí do celého poloprostoru tak, že jas plošky je ve všech směrech stejný, jedná se o rovnoměrně rozptylnou hmotu (difúzní).
16.2.3 Měření osvětlenosti K měření osvětlenosti používáme objektivní přístroje – luxmetry. Luxmetr se skládá z přijímače s korigovaným fotočlánkem (nejčastěji křemíkový nebo selénový) opatřeným kosinusovým nástavcem, aby platil Lambertův kosinusový zákon a z měřicího vyhodnocovacího zařízení s digitálním nebo analogovým indikátorem. Měření osvětlenosti jsou důležitá pro posouzení jakosti osvětlovací soustavy ať už vnitřního nebo i venkovního prostoru. Při měření je třeba dbát na to, aby se nepřekročil měřící rozsah přístroje a aby zejména u starších typů přístrojů nedošlo k ozáření čidla nedovoleným světelným tokem. Dále je třeba věnovat pozornost tomu, abychom vlastním tělem příliš nezasahovali do rozložení světelného toku v prostoru. Hodnoty osvětlenosti však závisí i na jiných vlivech. Jde zde třeba o závislost světelného toku zdrojů na změnách napájecího napětí. Při měření osvětlenosti bychom správně měli měřit také napájecí napětí světelných zdrojů a při případném poklesu napětí dopočítávat světelný tok vystupující ze světelných zdrojů změněný vlivem poklesu popřípadě nárůstem napětí. Přepočet vychází ze známých závislostí světelného toku na změnách napětí – viz tabulka na obr 16.1. Světelný zdroj Změně napětí o 1 % odpovídá Změna světelného toku [%] Žárovka 3,7 Zářivka 1,7 Rtuťová vysokotlaká výbojka 3 Halogenidová výbojka 2,9 Vysokotlaká sodíková výbojka 1,43 Nízkotlaká sodíková výbojka 0,4 Obr. 16.1 Tabulka popisující závislost světelného toku různých světelných zdrojů na napětí Světelný tok vystupující ze světelných zdrojů je však do jisté míry závislý i na teplotě okolního vzduchu a na době provozu zdrojů z hlediska jejich stárnutí. Roli zde hraje i míra zašpinění samotného prostoru a svítidel a další vlivy. Proto je nutno při měření osvětlenosti dodržovat určitá pravidla, abychom v pokud možno co největší míře eliminovali nepříznivé vlivy znehodnocující výsledky měření. Výše uvedené vlivy, které lze objektivním způsobem posoudit je také třeba zanést do výsledné zprávy (protokolu) o měření. Zářivky a výbojky musí před měřením svítit celkem (za dobu života) alespoň 100 h a žárovky alespoň 6 h (při jmenovitém napětí), protože vlivem stárnutí zdroje klesá světelný tok. V záznamu by se mělo uvádět, jak dlouho je zdroj světla již v provozu. Tuto dobu nazýváme doba zahoření. Umělé osvětlení se měří za vyloučení denního světla. Při měření kombinovaného osvětlení se s vlivem denního světla počítá. __________________________________________________________________________________________ VOŠ a SPŠ Varnsdorf Vypracoval: Bc. David Furka -2-
Elektrická měření - cvičení
Měření osvětlenosti
Ve vnitřních prostorech se měří nejčastěji ve výšce pracovní nebo srovnávací roviny. Výška srovnávací roviny je nejčastěji 0,85 m. Ve venkovních prostorech se měří nejvýše 20 cm nad povrchem země. Protokol o měření osvětlenosti musí obsahovat: a) označení a charakteristiku kontrolovaného (měřeného) prostoru, b) popis a náčrt osvětlovací soustavy s vyznačením svítidel, oken, dveří a měřicích bodů, c) údaje o použitých zdrojích světla a svítidlech s uvedením jejich provozního stavu, d) průměrné napájecí napětí v průběhu měření, e) naměřené hodnoty osvětlenosti, jejich porovnání s normami, f) zhodnocení výsledků měření, popřípadě návrh na úpravu osvětlovací soustavy, g) soupis použitých přístrojů, h) datum měření a jména pracovníků, popřípadě studentů, kteří měření prováděli. Schopnost oka rychleji reagovat roste od 0,5 lx poměrně rychle k hodnotě 100 lx. Další zlepšování je pozvolné. S věkem nad 40 let se hodnoty potřebné osvětlenosti zvyšují. Minimální hodnoty osvětlenosti pro celkové osvětlení místností např. pokoje v domácnosti je 5O lx, v kuchyni pak 100 lx. Pro místní osvětlení např. pro čtení v křesle je 150 lx. U profesního nebo dlouhodobého čtení je potřeba vyšší hladiny osvětlenosti – alespoň 300 lx. Záleží-li na přesnosti, vyšším tempu či časovém tlaku, minimální hladina se zvyšuje na 500 lx. Minimální osvětlení pracovních prostorů získáme například z evropské normy ČSN EN 12464-1 – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostory. Druh prostoru, úkolu nebo činnosti zakládání dokumentů, kopírování atd. psaní, psaní na stroji, čtení, zpracování dat technické kreslení pracovní stanice CAD konferenční a zasedací místnosti Recepce archivy
Osvětlenost E [lx] 300 500 750 500 500 300 200
Obr. 16.2 Minimální hodnoty osvětlenosti pracovních prostorů
7.2.4 Výpočet potřebného světelného toku Zjednodušeným vzorcem si můžeme orientačně zjistit potřebný světelný tok svítidel pro dosažení celkové osvětlenosti.
ΦC =
S * Ep 0,3
[16.6]
ФC je celkový světelný tok všech svítidel, EP je požadovaná osvětlenost v místnosti, S vyjadřuje plochu půdorysu místnosti. Tento vztah vyjadřuje zjednodušeně tzv. tokovou metodu používanou pro vyjádření závislosti celkové hladiny osvětlenosti, světelného toku všech svítidel a několika dalších parametrů. Pro jednoduchost se zde nepočítá s parametry popisujícími světelně odrazné a pohltivé vlastnosti stěn, stropu a podlahy, znečištění svítidel, stárnutí světelných zdrojů (např. trubic zářivek) apod. Vydělíme-li celkový tok ФC světelným tokem připadajícím na jeden světelný zdroj, dostaneme přibližný počet světelných zdrojů tohoto typu pro dosažení požadované hladiny osvětlenosti.
16.3 Postup měření a)
vyndejte z pouzdra luxmetr a jeho sondu vystavte alespoň na 5 minut světelnému prostředí, ve kterém se bude měřit, aby se čidlo přizpůsobilo a stabilizovalo, b) místnost, která bude předmětem měření, rozdělte na čtvercový rastr tak, abyste získali 20 – 25 měřicích míst, která leží ve středu čtverců rastru ve výšce pracovní desky stolů (čísla jednotlivých uzlů označte fixem na podlahu, případně na prac. desku),
__________________________________________________________________________________________ VOŠ a SPŠ Varnsdorf Vypracoval: Bc. David Furka -3-
Elektrická měření - cvičení
Měření osvětlenosti
c)
před samotným měřením osvětlenosti změřte teplotu alespoň ve čtyřech bodech místnosti, jako konečnou hodnotu vezměte aritmetický průměr naměřených teplot, d) udělejte si poznámku ohledně počasí (především polohu oken vůči slunci, případná oblačnost, apod.), e) měřte hodnotu osvětlenosti v jednotlivých bodech, dávejte přitom pozor, abyste vlastním tělem nebránili světelnému toku dopadajícímu na sondu luxmetru, případně na objekty poblíž sondy, od kterých se tok odráží na sondu, f) po měření opět změřte teplotu na stejných místech jako před měřením osvětlenosti, spočítejte z ní průměrnou teplotu, zkontrolujte dále stav počasí, g) zkontrolujte a zapište stav, vzhled a barvu svítidel, stropu, stěn a podlahy, h) z naměřených hodnot spočítejte místně průměrnou osvětlenost, maximum, minimum a rovnoměrnost, i) načrtněte měřenou místnost včetně rozmístění oken, svítidel a měřicích bodů, j) vrstevnicově nebo v trojrozměrném provedení vypracujte graf osvětlenosti.
16.4 Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot 16.4.1 Tabulka pro měření osvětlenosti v jednotlivých měřicích bodech Měřicí bod 1 2 3 4 5 6 7 8 9
E [lx]
Měřicí bod 10 11 12 13 14 15 16 17
E [lx]
Měřicí bod 18 19 20 21 22 23 24 25
E [lx]
16.4. 2 Tabulka pro výpočet místně průměrné osvětlenosti, určení minima a maxima a výpočet rovnoměrnosti EP [lx]
Emax [lx]
Emin [lx]
g [-]
EP – místně průměrná osvětlenost, Emax – maximální osvětlenost Emin – minimální osvětlenost, g – rovnoměrnost osvětlení g=Emin/Ep
16.5 Vzhled, stav a barva svítidel a součástí optického systému měřené místnosti 16.5.1 Svítidlo a)
Stav svítidla:……………………………………………………………………………………….…….
b) Barva svítidla:……………………………………………………………………………………….…..
16.5.2 Strop a)
Stav stropu:……………………..………………………………………………………………………
b) Barva stropu:………………………….………………………………………………………………..
16.5.3 Stěny a)
Stav stěn:……………………..…………………………………………………………………………
__________________________________________________________________________________________ VOŠ a SPŠ Varnsdorf Vypracoval: Bc. David Furka -4-
Elektrická měření - cvičení
Měření osvětlenosti
b) Barva stěn:………………………….…………………………………………………………………..
16.5.4 Podlaha a)
Stav podlahy:……………………..……………………………………………………………………
b) Barva podlahy:………………………….…………………………………………………………….. c)
Materiál krytiny:………………………………………………………………………………………
16.6 Náčrtek místnosti Zde načrtněte místnost včetně rozmístění oken, dveří, svítidel a měřicích bodů.
16.7 Graf rozložení osvětlenosti Zde nakreslete, popřípadě nalepte graf rozložení osvětlenosti.
__________________________________________________________________________________________ VOŠ a SPŠ Varnsdorf Vypracoval: Bc. David Furka -5-
Elektrická měření - cvičení
Měření osvětlenosti
16.8 Otázky k tématu a) Popište Lambertův zákon a zákon čtverce vzdálenosti:…………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… b) K čemu slouží kosinusový nástavec?..................................................................................................................... …………………………………………………………………………………………………………………… c) Který zdroj světla je nejvíce citlivý na změnu napájecího napětí a který nejméně?.............................................. …………………………………………………………………………………………………………………… d) Odhadněte, jaké složky chyb se podílejí na celkové chybě měření……………………………………………... …………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………
16.9 Zhodnocení a závěr měření …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………
Datum vypracování:
Podpis studenta:
Připomínky k protokolu:
Hodnocení - LABORATOŘ: CELKOVÉ HODNOCENÍ:
__________________________________________________________________________________________ VOŠ a SPŠ Varnsdorf Vypracoval: Bc. David Furka -6-
