Единица измерения света. Как измерить. Подробно.
Единица измерения света — Люмен.
Единицей измерения света является — Люмен. Это единица измерения потока света в системе единиц физических величин — СИ. 1 люмен = световой поток, который испускается от точечного изотропного источника. Сила света при этом должна равняться 1 Кандела. Полное свечение, исходящее от изотропного светильника, с силой света 1 Кандела равно 4 люменам.
1300 люменов содержится в стандартной лампе накаливания 100 Ватт .
1600 lm — в потоке света люминесцентного осветителя 26 Вт.
В солнце — 3.63х10 в 28 степени Люменов.
Люмен является полным потоком света от светильника. Несмотря на это, такая единица измерения не сильно распространена, потому что она не учитывает сосредотачивающую эффективность отражательного предмета или линзы. Люмен — не прямой параметр оценивания яркости или производительности фонарного свечения. Широкий световой луч может принимать те же значения, что и узконаправленный. Люмены не в состоянии определить интенсивность освещения, так как оценка в люменах предполагает учет всего рассеянного свечения, бесполезного в этом случае.
Единица измерения силы света — Кандела
Единица измерения силы света — Кандела. Обозначается как Кд или cd. Кандела равняется силе свечения, которое испускается в определенном векторе, заданном источником монохроматического излучателя частотой 540х10 в 12 степени Герц.
В системе СИ есть 7 главных единиц измерения, одной из которых является кандела. Кандела равняется силе свечения, которое испускается в определенном векторе, заданном источником монохроматического излучателя частотой 540х10 в 12 степени Герц. Его энергетическая сила света составляет 1/683 (Вт/ср). Ср — стерадиан, этим показателем измеряют телесные углы. В славянских странах его обозначают как Ср, однако международное обозначение sr.
Упомянутая частота соответствует зеленому спектру. Глаз человека более чувствителен к зеленому, чем к другим цветам. Для достижения того же значения силы света при излучении с другой частотой необходимы большие показатели энергетической интенсивности.
Ученые прошлых веков определяли Кандела как силу света, которая излучается черным предметом перпендикулярно плоскости площадью 1/60 квадратных сантиметров при температуре 2042.5К. При такой температуре расплавляется платина. Современная наука определила значение 1/683 так, чтобы нынешнее обозначение соответствовало предыдущему.
Пламя свечи излучает примерно одну канделу силы света. Из-за того, что в латинском языке свеча называется candela, а в английском — candle, раньше эту единицу измерения так и называли: свеча. Сейчас такое название не используется и считается архаизмом.
Единица измерения освещенности.
Единица измерения освещенности — отношение свечения к поверхности, которое оно освещает, принято называть освещенностью. Учитывается именно перпендикулярное падение света на определенную плоскость.
Единица измерения освещенности — Люкс (lux.)
1 люкс = отношение 1 люмена к 1 метру поверхности в квадрате.
Световой поток измеряется в люменах. Оба показателя занесены в международную систему единиц. В Великобритании и Соединенных Штатах уровень освещенности узнают в люменах на квадратный фут, также называемые футом-кандела. Яркость свечения — освещенность от источника силой в 1 канделу на расстоянии одного фута от освещаемой плоскости.
В европейских странах есть стандарт качества освещения в рабочих помещениях. Ниже представлены некоторые рекомендации из этого документа.
- 300 люкс;
Офис или другие помещения, где не нужно пристально рассматривать мелкие детали. - 500 люкс;
Такой уровень свечения должен быть в комнатах, где люди длительное время работают за компьютером или читают. Это применимо и к учебным заведениям, и к переговорным пунктам, и к другим учреждениям. - 750 люкс.
Если люди занимаются технической работой: изготавливают продукцию, создают точные чертежи и так далее, должен быть такой уровень освещенности.
Нужно ли, на самом деле, измерять степень освещенности и что такое единица измерения света?
Ученые доказали, что тусклый или, наоборот, слишком яркий свет разрушают сетчатку человеческого глаза, из-за чего ухудшается острота зрения. Из-за разрушения сетчатки скорость и качество функционирования мозга снижаются. Недостаточное количество яркости увеличивает в людях сонливость, понижает работоспособность и ухудшает настроение. Следует учесть, что мы не берем во внимание ситуации, в которых тусклое свечение украшает обстановку: романтическое свидание, просмотр фильма и так далее. Насыщенный световой поток прибавляет сил, энергии, желания работать, тем самым быстрее утомляя человека.
Единица измерения света установлена СанПиНом называют санитарные правила и нормы — данные, на которые нужно равняться при измерении освещенности. Замеры делаются для определения не только степени освещенности, но и уровня шума, пыли, загрязненности, вибрации. По мнению докторов, постоянный недостаток света на рабочем месте приводит к переутомлению сотрудников, ухудшению зрения и концентрации внимания. Рабочие становятся менее трудоспособными, что может вылиться в несчастный случай по невнимательности или другим причинам.
Помимо людей, от недостаточной освещенности страдают и другие живые организмы: растения, животные. Для быстрого развития и плодородного цветения растениям обязательно нужен мощный поток света. У животных из-за некачественного освещения могут появиться нарушения в росте и развитии, репродуктивной функции, наборе массы тела и может снизиться активность существа.
Каким бывает освещение
Освещение, как правило, бывает естественным и искусственным.
Естественные источники свечения:
- солнце;
- луна;
На самом деле, луна не излучает свет, она просто отражает солнечные лучи. - рассеянный свет небосвода;
Несмотря на такое красивое название, этот термин можно увидеть в официальных документах. - кометы;
- полярные сияния;
- электрические разряды в атмосфере;
- звезды и другие небесные объекты.
Искусственные источники:
- разные осветительные формы и конструкции;
- лампы;
- светильники;
- фонарики;
- мониторы;
- телевизоры;
- мобильные телефоны и другие.
Интенсивность света
Единица измерения света интенсивность измеряется при обустройстве освещения в комнате либо при подготовке фотоаппарата к съемке. Опытные фотографы и светотехники-профессионалы, пользуются цифровыми экспонометрами, однако можно изготовить и простой прибор с похожим принципом работы своими руками.
Многие аппараты предназначены для отдельного типа освещения. Например, измеряя свечение натриевых ламп, вы добьетесь более точного результата, чем проводя расчеты над лампой накаливания.
Можете установить приложение на смартфон, которое определит интенсивность света. Какими бы хорошими ни были ваш телефон и выбранное приложение, результаты будут искаженными и неточными, поэтому лучше воспользоваться специализированным прибором.
Большинство устройств измеряют показатели освещенности в люксах, так как это общепринятая единица, однако некоторые настроены на отображение фут-кандел.
Если вам неудобен один из этих способов измерения, можете перевести люксы в канделы и наоборот на этом ресурсе:
https://www.rapidtables.com/calc/light/lux-to-fc-calculator.html.
Чем измеряют степень освещенности
Как мы уже выяснили, единица измерения освещенности — Люкс. Несложно догадаться, как называется прибор, которым измеряют уровень света. «Люкс» плюс «метр» (с древнегреческого переводится как «мера», «измеритель») равно люксметр. Принцип работы этого портативного устройства схож с работой фотометра.
Попадающий на элемент световой поток выпускает электроны в теле полупроводника, из-за чего электроток начинает проводиться фотоэлементом. Величина электрического тока прямо пропорциональна степени освещения фотоэлемента, который и отображается на шкале или на электронном дисплее, если это современная модель люксметра. Аналоговые аппараты снабжены специальной шкалой с градусами. По движению стрелки определяются окончательные результаты замеров.
Цифровые устройства.
На смену аналоговым люксметрам пришли цифровые — маленькие компьютеры. Параметры можно увидеть на небольшом жидкокристаллическом экране. Часть, с помощью которой измеряют свет, часто содержится во внешнем корпусе и соединяется с основным устройством гибким проводом. Из-за такой конструкции можно измерять освещение в любых местах, даже труднодоступных. Согласно ГОСТ, погрешность аппарата не должна превышать 10 процентов.
Важные моменты.
При расчете сравнительной световой интенсивности можете сделать замер интенсивности освещения аналоговым или цифровым устройством. Современные измерители отображают параметры в люксах, а устаревшие аналоговые — те, которые со стрелочкой, — в фут-канделах. 1 фут-кандела равняется 10.76 люкс.
Заключение.
Таким образом, мы разобрались, что значит освещенность, сила света, его интенсивность. Вы узнали какими бывают единицы измерения светового потока, измерительные приборы, ознакомились с нормами и рекомендациями СанПин и многим другим. Теперь вы имеете базовый багаж знаний об освещении и не растеряетесь, если услышите в разговоре слово «кандела» или «люксметр». Если интересно, можете приобрести измерительный аппарат и сделать несколько замеров освещенности своего рабочего места. После этого вы поймете, соответствует ли ваше освещение нормам или нет.
Измерение цветовой температуры
Нормы освещенности
Световые величины и единицы
Световой поток — мощность светового излучения, т. е. видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на глаз человека. Световой поток измеряется в люменах.
Например лампа накаливания (100 Вт) излучает световой поток, равный 1350 лм, а люминесцентная лампа ЛБ40 — 3200.
Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света равной одной канделе, в телесный угол, величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд·ср).
Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.
Существует и другое определение: единицей светового потока является люмен (лм), равный потоку, излучаемому абсолютно черным телом с площади 0,5305 мм2 при температуре затвердевания платины (1773° С), или 1 свеча·1 стерадиан.
Освещенность — поверхностная плотность светового потока, падающего на поверхность, равная отношению светового потока к величине освещаемой поверхности, по которой он равномерно распределен.
Единицей освещенности является люкс (лк), равный освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в 1 м2, т. е. равный 1 лм/1 м2.
Яркость — поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению.
Единица яркости — кандела на квадратный метр (кд/м2).
Светимость (светность) — поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока к площади светящейся поверхности.
Единицей светимости является 1 лм/м2.
Единицы световых величин в международной системе единиц СИ (SI)
| Наименование величины | Наименование единицы | Выражение |
Обозначение единицы | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| русское | между- народное | |||||
| Сила света | кандела | кд | кд | cd | ||
| Световой поток | люмен | кд·ср | лм | |||
| Световая энергия | люмен-секунда | кд·ср·с | лм·с | lm·s | ||
| Освещенность | люкс | кд·ср/м2 | лк | lx | ||
| Светимость | люмен на квадратный метр | кд·ср/м |
лм·м2 | lm/m2 | ||
| Яркость | кандела на квадратный метр | кд/м2 | кд/м2 | cd/m2 | ||
| Световая экспозиция | люкс-секунда | кд·ср·с/м2 | лк·с | lx·s | ||
| Энергия излучения | джоуль | кг·м2/с2 | Дж | J | ||
| Поток излучения, мощность излучения | ватт | кг·м2/с3 | Вт | W | ||
| Световой эквивалент потока излучения | люмен на ватт |
|
лм/Вт | lm/W | ||
| Поверхностная плотность потока излучения | ватт на квадратный метр | кг/с3 | Вт/м2 | W/m2 | ||
| Энергетическая сила света (сила излучения) | ватт на стерадиан | кг·м2/(с3·ср) | Вт/ср | W/sr | ||
| Энергетическая яркость | ватт на стерадиан-квадратный метр | кг/(с3·ср) | Вт/(ср·м2) | W/(sr·m2) | ||
| Энергетическая освещенность (облученность) | ватт на квадратный метр | Вт/м2 | W/m2 | |||
| Энергетическая светимость (излучаемость) | ватт на квадратный метр | кг/с3 | Вт/м2 | W/m2 | ||
Примеры:
| Тип лампы | Мощность, Вт | Световой поток, лм | Примерная сила света, кд |
|---|---|---|---|
| Свеча | 1 | ||
| Лампа накаливания Б235-245-100 | 100 | 1380 | 100 |
| Лампа люминесцентная ЛБ 40 | 40 | 2800 | |
| Ртутная лампа высокого давления ДРЛ 250 | 250 | 13000 | |
| Обычный светодиод | 0,015 | 0,001 | |
| Сверхяркий светодиод | 5 | 3 |
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК»
Под общей ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.
М.: Издательство МЭИ, 1998
как и в чем измеряется уровень освещенности помещения
Основные характеристики света
Свет — физическая величина, которая обладает такими свойствами, как мощность светового потока, светимость, сила света, освещенность и яркость.
Мощность светового потока, то есть видимого светового излучения, можно оценить по ощущаемому воздействию света на человеческое зрение. Единицей измерения светового потока является люмен.
Обычная лампа накаливания в 100 Ватт имеет показатель мощности 1350 люмен, лампа же с люминесцентным свечением аналогичной «ваттности» показывает гораздо больше — 3200 лм.
Если подробнее, то один точечный источник, имеющий силу света 1 кандела, испускает световой поток мощностью в 1 люмен. Телесный угол при этом имеет величину 1 стерадиан.
Следующая характеристика света — это его сила, которая характеризует плотность потока, измеряется эта величина в канделах. Очень обобщенно раньше считалось, что 1 кд равен свету 1 свечи, эту единицу даже приравнивали к 1 Вт. Увеличить силу света можно, если установить вогнутый зеркальный рефлектор с одной стороны лампочки.
Что касается яркости, эта величина выражается через отношение кандела на кв. м, то есть проекции силы светового потока на плоскую освещаемую поверхность под прямым углом. Светность, или светимость, отражает плотность потока света по отношению к площади освещаемой поверхности — 1 люмен на кв. м.
Такая характеристика света, как освещенность демонстрирует поверхностную плотность света, освещающего определенную площадь поверхности. Эта величина выражается через отношение ли/кв. м. В физике существуют специальные единицы, в которых измеряется освещенность — люксы.
Особенности вычисления
Рассчитывая степень освещенности какого-либо помещения, необходимо принимать во внимание закон аддитивности. Он работает при наличии нескольких источников освещения, воздействующих на определенную площадь.
Закон аддитивности выражается в суммировании освещенности, выдаваемой каждым световым объектом по отдельности:
∑ E = E1 + E2 +… + En.
Показатель освещенности применяется только для поверхностей, которые отражают свет, а не светятся собственным. Например, луна, стены, пол и любые другие плоскости. Освещенность помещения измеряется следующим образом:
- Для комнаты с размерами 3х3х3 м при условии наличия в ней пятиваттного светодиода мощностью в 100 люменов необходимо подсчитать суммарную площадь всех освещаемых поверхностей — пола, потолка и стен, а затем разделить световой поток на площадь.
- Получится 100 люменов/ 9 кв. м * 6=100/54= 1,85 люксов — единиц измерения освещенности.
- В случае если источник освещения оснащен специальной линзой, благодаря которой на одной из поверхностей будет ярче освещен круг диаметром, например, 1 м (площадь круга, соответственно, будет равняться 0,78 кв. м), то освещенность этого участка будет иметь значение 128 лк.
Существуют и довольно стандартные показатели — в определенных условиях свет показывает приблизительно одинаковые значения, поэтому подобные ситуации можно обобщить. В качестве некоторых примеров освещенности можно привести следующие моменты:
Освещенность поверхности земли в ясный день, когда солнце находится в зените, равняется 100 тыс. лк. В тени в это же время 10−25 тыс. лк В комнате около окна значение достигает 100 лк.- В пасмурный день, в зависимости от степени закрытия облаками солнечного света, среднее значение приблизительно равно 1 тыс. лк.
- Ясная погода в полнолуние дает 0,2 лк.
- Освещенность Луны составляет 135 тыс. лк.
- Для нормального чтения, при котором не сильно напрягаются глаза, необходимо в среднем 40 лк.
- Большинству растений для нормальной жизнедеятельности хватает 500 лк, однако для разных видов требуется различное соотношение спектра.
Освещенность поверхности земли в ясный день, когда солнце находится в зените, равняется 100 тыс. лк. В тени в это же время 10−25 тыс. лк В комнате около окна значение достигает 100 лк.Прибор для измерения
Существует специальный прибор для измерения уровня освещения поверхности — люксметр. Его устройство включает в себя фотоэлемент, который улавливает свет. Механизм работы люксметра может быть как цифровым, так и аналоговым — в обоих случаях точность измерения довольно высока. ГОСТ предполагает максимальную погрешность около 10%.
Во многих конструкциях участок, содержащий фотоэлемент, соединяется с остальной частью при помощи эластичного витого провода для проведения работ в труднодоступных местах. Прибор комплектуется световыми фильтрами, используя которые можно регулировать процесс измерения, учитывая особые нюансы местности.
Во время работы с устройством его следует располагать горизонтально — любые отклонения от этой плоскости могут негативно повлиять на точность измерений. А также необходимо избегать влияния случайных теней. Подробная методика применительно для каждого типа освещения описана в соответствующем госстандарте.
Световой поток — Википедия
Световой поток — физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения, где под световой мощностью понимается световая энергия, переносимая излучением через некоторую поверхность за единицу времени. Иными словами, «световой поток является величиной, пропорциональной потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего человеческого глаза»[1]. В свою очередь величина «поток излучения» определяется как мощность, переносимая излучением через какую-либо поверхность[2].
Более формально световой поток можно определить как световую величину, оценивающую поток излучения по его действию на селективный приёмник света, спектральная чувствительность которого определяется функцией относительной спектральной световой эффективности излучения[3].
Если имеется монохроматическое излучение с длиной волны λ{\displaystyle \lambda }, поток излучения которого равен Φe(λ){\displaystyle \Phi _{e}(\lambda )}, то в соответствии с определением световой поток такого излучения Φv(λ){\displaystyle \Phi _{v}(\lambda )} выражается равенством[1]:
- Φv(λ)=Km⋅V(λ)⋅Φe(λ).{\displaystyle \Phi _{v}(\lambda )=K_{m}\cdot V(\lambda )\cdot \Phi _{e}(\lambda ).}
где V(λ){\displaystyle V(\lambda )} — относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения, имеющая смысл нормированной в максимуме на единицу чувствительности среднего человеческого глаза при дневном зрении, а Km{\displaystyle K_{m}} — коэффициент, величина которого определяется используемой системой единиц. В системе СИ этот коэффициент равен 683 лм/Вт[Комм 1].
Световой поток излучения с дискретным (линейчатым) спектром получается суммированием вкладов всех линий, составляющих спектр излучения:
- Φv(λ)=Km∑i=1NV(λi)⋅Φe(λi),{\displaystyle \Phi _{v}(\lambda )=K_{m}\sum _{i=1}^{N}V(\lambda _{i})\cdot \Phi _{e}(\lambda _{i}),}
где λi{\displaystyle \lambda _{i}} — длина волны линии с номером «i», а N — общее количество линий.
В случае немонохроматического излучения с непрерывным (сплошным) спектром малую часть всего излучения, занимающую узкий спектральный диапазон d(λ){\displaystyle d(\lambda )}, можно рассматривать как монохроматическое с потоком излучения dΦe(λ){\displaystyle d\Phi _{e}(\lambda )} и световым потоком dΦv(λ){\displaystyle d\Phi _{v}(\lambda )}. Тогда для связи между ними будет выполняться
- dΦv(λ)=Km⋅V(λ)⋅dΦe(λ).{\displaystyle d\Phi _{v}(\lambda )=K_{m}\cdot V(\lambda )\cdot d\Phi _{e}(\lambda ).}
Интегрируя данное равенство в пределах видимого диапазона длин волн (то есть от 380 до 780 нм), получаем выражение для светового потока всего рассматриваемого излучения:
- Φv=Km⋅∫380 nm780 nmV(λ)⋅dΦe(λ).{\displaystyle \Phi _{v}=K_{m}\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}V(\lambda )\cdot d\Phi _{e}(\lambda ).}
Если использовать спектральную плотность потока излучения Φe,λ{\displaystyle \Phi _{e,\lambda }}, характеризующую распределение энергии излучения по спектру и определяемую как dΦe(λ)dλ{\displaystyle {\frac {d\Phi _{e}(\lambda )}{d\lambda }}}, то выражение для светового потока приобретает вид[1]:
- Φv=Km⋅∫380 nm780 nmV(λ)⋅Φe,λ⋅dλ.{\displaystyle \Phi _{v}=K_{m}\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}V(\lambda )\cdot \Phi _{e,\lambda }\cdot d\lambda .}
Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров[4]. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4π.
Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения, близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.
Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади сферы (м²), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр.
Спектральные зависимости относительной чувствительности среднего человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зренияЗначение фотометрического эквивалента излучения Km однозначно задаётся определением единицы силы света канделы, являющейся одной из семи основных единиц системы СИ. По определению одна кандела — это «сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540⋅1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср»[5]. Частоте 540⋅1012 Гц соответствует в воздухе длина волны 555 нм[Комм 2], на которой располагается максимум спектральной чувствительности человеческого глаза для дневного зрения. Поэтому коэффициент Km находится из равенства
1 кд = Km·Vλ(555)·1/683 Вт/ср, откуда следует Km = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт.
Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется.
Человеческий глаз считается светлоадаптированным при яркостях более 100 кд/м². Ночное зрение наступает при яркостях менее 10−3 кд/м². В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.
Комментарии[править | править код]
- ↑ Иногда коэффициент Km{\displaystyle K_{m}} называют фотометрическим эквивалентом излучения.
- ↑ Более точное значение — 555,016 нм. Учёт отличия этого значения от величины 555 нм приводит лишь к незначительным для практики поправкам и поэтому здесь не производится. Подробности имеются в статье «Кандела».
Источники[править | править код]
В чем измеряется освещенность?
В настоящее время при огромном разнообразии светотехнических приборов у населения нет единого понятия касательного того, в чем измеряется освещенность. Нередко возникает недоразумение с такими техническими характеристиками, как сила света и яркость, люмены и канделы. Приобретая осветительные приборы, часто обращают внимание на суммарный световой поток, не учитывая потери света и тепла.
В этой статье:
Понятие освещенности
Световой поток измеряется в специальных лабораторных условиях и самопроизвольно его определить невозможно. Поэтому СНиП учитывает величину освещенности, которую, в отличие от светового потока, каждый может измерить самостоятельно. Она представляет собой показатель отношения светового потока, измеряемого в люменах, к площади поверхности, на которую попадают фотоны. Угол падения при этом должен равняться 90°. Единица измерения освещенности — люкс (lux).
Единица освещенности поверхности
Давно уже установлена зависимость психологического и физического состояний человека от света. Если при слабом освещении происходит угнетение мозговых процессов, то при ярком свете они возбуждаются. Но в любом случае сетчатка глаза и ресурсы организма изнашиваются. При проектировании осветительных приборов определяют коэффициент запаса (КЗ), который должен учитывать вероятный спад освещенности установки. Для искусственного света в показателе предусматривается уменьшение яркости по причине износа оптических компонентов устройства и их естественного загрязнения. Коэффициент естественной освещенности снижается вследствие изменения отражающих свойств окружающих предметов.
Измерение освещенности проводится на рабочих местах вместе с определением уровня загрязненности, звуковых колебаний, электромагнитного излучения, а на некоторых производствах и гамма излучения. Важность знания этих параметров трудно переоценить при создании оптимальных условий труда, и все они соответствуют санитарным правилам и нормам. Например, освещенность должна быть:
- в рабочем кабинете — 300 лк;
- в офисе для постоянной работы с компьютером — 500 лк;
- для технических и конструкторских бюро — 750 лк.
При наличии в помещении естественной подсветки уровень искусственного фона можно снижать.
Приборы для определения уровня освещенности и методика его определения
Наименование прибора похоже на название величины, которую он устанавливает, — люксметр. Принцип работы малогабаритного переносного устройства напоминает работу фотометра. Поток излучения, падая на фоточувствительный элемент полупроводника, отрывает электроны, которые начинают упорядоченно двигаться. Таким образом, замыкается электрическая цепь. Причем величина тока прямо пропорциональна интенсивности освещения фотоэлемента, что имеет свое отражение на шкале аналогового люксметра. Сегодня приборы со стрелками практически исчезли, их заменили цифровые. Они оснащены жидкокристаллическими дисплеями, у которых сам фоточувствительный датчик расположен в отдельном корпусе, а с дисплеем он соединяется с помощью гибкого провода.
Прибор для измерения уровня освещенности
В ходе проведения эксперимента по измерению освещенности прибор устанавливается в горизонтальном положении. Причем в соответствии с требованиями ГОСТа их размещают в разных точках помещения, согласно определенной схеме. В 2012 г. Россия приняла новый стандарт измерения характеристики количества светового потока. В старом понятийном аппарате при измерениях использовались такие термины данной величины, как:
- минимальная, средняя, максимальная, цилиндрическая;
- естественная;
- градиент запаса;
- относительная эффективность когерентного лучевого потока.
В настоящее время к ним добавлены следующие типы освещения:
- аварийное;
- рабочее;
- охранное;
- эвакуационное;
- резервное.
Стандарт подробно описывает все тонкости проведения измерительных исследований.
Замеры осуществляются отдельно по естественной и искусственной иллюминации. В ходе проведения эксперимента нельзя допустить, чтобы хоть малейшая тень падала на прибор, а вблизи был хотя бы 1 источник электромагнитных волн. Все они вносят помехи в работу устройства.
После выполнения необходимых замеров освещенности определяется искомая величина. Она сравнивается с нормативным значением. Затем подводятся итоги о достаточности освещенности территории или помещения. Каждый вид измерительных испытаний оформляется специальным оценочным протоколом, чего требует ГОСТ.
Нормативы освещенности для различных типов помещений
Измерение количества света для светодиодных устройств и примеры в природе
Светодиодные светильники стали очень востребованными благодаря уникальной энергоэффективности. Но светодиоды и их источники питания при освещении выделяют тепло, которое рассеивается с помощью теплопроводящих материалов (алюминий) и конструктивных особенностей (ребер, большой радиаторной площади). Несмотря на кажущееся отсутствие связи между потерями тепла и освещенностью, специалисты всегда учитывают ее при создании новых устройств.
Трудности с работой светодиодных светильников начинаются при эксплуатации в условии повышения температуры более +50°С. Почему измерение освещенности светодиодов и рекомендуют проводить после 2 часов их работы, т. е. после выхода на оптимальный режим. Для исключения появления погрешности проводятся неоднократные замеры в течение рабочей смены. Желательно эти исследования проводить как минимум 1 раз в год. Чтобы при проектировании исключить любые ошибки, закладывают коэффициент снижения освещенности, зависящий от физических характеристик объекта.
Освещение офиса LED-светильниками
Обычно производители LED-устройств дают гарантию по их безупречной работе на 3 года. Все параметры функционирования таких светильников, в том числе, и освещенность, должны соответствовать заявленным значениям. Если условия работы устройств происходят при температуре наружного воздуха свыше 45°С, то измерения освещенности необходимо делать гораздо чаще. Иначе неправильное проектирование и полученные результаты приведут к быстрому падению показателей освещения.
Что касается примеров иллюминации в природе, то на орбите Земли и экваторе в полдень данная величина равняется 135 тыс. люкс. В солнечный день она составляет до 100 тыс. лк, в пасмурный — только 1 тыс. люкс, а вот от Луны всего лишь 0,2 лк. Измерение света на улице на широте Москвы в зимний период показало от 4 до 5 тыс. люкс. В безлунную ночь освещенность в тысячу раз меньше, чем в полнолуние, а при 10-бальной облачности — в 10 тыс. раз меньше. То, в чем измеряется освещенность в помещении и естественных условиях, относится к физическим величинам, входящим в Международную систему единиц.
Световая величина — Википедия
Светова́я величина́ — редуцированная фотометрическая величина, образованная из энергетической фотометрической величины при помощи относительной спектральной чувствительности специального вида — относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения V(λ){\displaystyle V(\lambda )}[1]. От энергетических световые величины отличаются тем, что характеризуют свет с учётом его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Образуют систему световых фотометрических величин.
В качестве единиц измерения световых величин используются особые световые единицы, базирующиеся на единице силы света «кандела». В свою очередь кандела является одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).
Световые величины обозначаются теми же буквами, что и энергетические величины, из которых они образованы, но снабжаются при этом индексом «v{\displaystyle v}», например, Xv{\displaystyle X_{v}}.
Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения.В случае монохроматического излучения с длиной волны λ{\displaystyle \lambda } соотношение, связывающее световую величину Xv(λ){\displaystyle X_{v}(\lambda )} с энергетической величиной Xe(λ){\displaystyle X_{e}(\lambda )}, имеет вид:
- Xv(λ)=Km⋅Xe(λ)V(λ),{\displaystyle X_{v}(\lambda )=K_{m}\cdot X_{e}(\lambda )V(\lambda ),}
где Km{\displaystyle K_{m}} — максимальное значение спектральной световой эффективности монохроматического излучения (фотометрический эквивалент излучения), равное в Международной системе единиц (СИ) 683 лм/Вт[2][3]. С учётом этого значения исходное соотношение принимает вид:
- Xv(λ)=683⋅Xe(λ)V(λ).{\displaystyle X_{v}(\lambda )=683\cdot X_{e}(\lambda )V(\lambda ).}
Функция V(λ){\displaystyle V(\lambda )} по своему физическому смыслу представляет собой относительную спектральную зависимость чувствительности человеческого глаза, её максимум располагается на длине волны 555 нм. Функция нормирована так, что её значение в максимуме равно единице. Таким образом, из сказанного следует, что значение световой величины монохроматического излучения пропорционально значению энергетической величины и чувствительности глаза.
В более общем случае, когда излучение занимает относительно широкий участок спектра, этот участок можно разбить на большое количество малых частей, каждая из которых располагается между λ{\displaystyle \lambda } и λ+dλ{\displaystyle \lambda +d\lambda } и имеет ширину dλ{\displaystyle d\lambda }. Излучение, приходящееся на любую из этих частей, можно рассматривать как монохроматическое со значениями световой величины dXv(λ){\displaystyle dX_{v}(\lambda )} и энергетической — dXe(λ){\displaystyle dX_{e}(\lambda )}. Записав для каждой части спектрального диапазона приведённое выше соотношение и произведя суммирование (точнее, интегрирование), получим следующее:
- Xv=683⋅∫380 nm780 nmV(λ)dXe(λ).{\displaystyle X_{v}=683\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}V(\lambda )dX_{e}(\lambda ).}
Для дальнейшего удобно ввести в рассмотрение спектральную плотность энергетической величины. Спектральная плотность Xe,λ(λ){\displaystyle X_{e,\lambda }(\lambda )} величины Xe{\displaystyle X_{e}} определяется как отношение величины dXe(λ),{\displaystyle dX_{e}(\lambda ),} приходящейся на малый спектральный интервал, заключённый между λ{\displaystyle \lambda } и λ+dλ,{\displaystyle \lambda +d\lambda ,} к ширине этого интервала:
- Xe,λ(λ)=dXe(λ)dλ.{\displaystyle X_{e,\lambda }(\lambda )={\frac {dX_{e}(\lambda )}{d\lambda }}.}
Используя это определение в подинтегральном выражении, получаем окончательное соотношение для связи световой величины с соответствующей ей энергетической величиной, справедливое в общем случае:
- Xv=683⋅∫380 nm780 nmXe,λ(λ)V(λ)dλ.{\displaystyle X_{v}=683\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}X_{e,\lambda }(\lambda )V(\lambda )d\lambda .}
Спектральная плотность световой величины[править | править код]
Спектральная плотность световой фотометрической величины Xv{\displaystyle X_{v}} определяется аналогично спектральной плотности энергетической величины: она представляет собой отношение величины dXv(λ),{\displaystyle dX_{v}(\lambda ),} приходящейся на малый спектральный интервал, располагающийся между λ{\displaystyle \lambda } и λ+dλ,{\displaystyle \lambda +d\lambda ,} к ширине этого интервала:
Xv,λ(λ)=dXv(λ)dλ.{\displaystyle X_{v,\lambda }(\lambda )={\frac {dX_{v}(\lambda )}{d\lambda }}.}
Обозначением спектральной плотности величины служит буква, представляющая соответствующую величину, с подстрочным индексом, указывающим спектральную координату. В качестве последней могут выступать не только длина волны, но и частота, энергия кванта света, волновое число и другие[4].
Сведения об основных световых величинах и об их энергетических аналогах приведены в таблице.
Здесь dS1{\displaystyle dS_{1}} — площадь элемента поверхности источника, dS2{\displaystyle dS_{2}} — площадь элемента поверхности приёмника, ε{\displaystyle \varepsilon } — угол между нормалью к элементу поверхности источника и направлением наблюдения.
Что такое освещенность, цветовая температура и яркость света
Трудно встретить человека, который не разбирался бы в мерах длины, площади, объема, веса. Не вызывает сложностей исчисление времени, определение температуры. Но вот если спросить кого-нибудь о фотометрических величинах, то в большинстве случаев внятного ответа ожидать не приходится. А между тем, с освещением, естественным или искусственным, мы живём в постоянном контакте. Значит, надо научиться и его оценивать каким-то образом.
Освещенность это…Безусловно, такая оценка производится всегда и всеми, но чаще всего – чисто на уровне субъективного восприятия: достаточно света или нет. Однако, подобная «градация» именно что субъективная, и может давать существенные ошибки. Последствия таких некорректных оценок нельзя недооценивать — и недостаточность освещения, и его избыточность негативно влияют и на органы зрения человека, и на его психоэмоциональное состояние.
А между тем, существует специальная величина – освещенность, значение которой регламентируется законодательными актами в области строительства и санитарии. То есть освещенность это как раз тот критерий качества, позволяющий правильно оценить организацию системы освещения помещений. В этой статье мы как раз и поговорим об этом параметре и связанными с ним другими фотометрическими величинами, посмотрим, как это можно использовать в практическом приложении.
Какие фотометрические величины используются при расчетах освещения
По укоренившейся привычке многие продолжают считать, что оценку освещенности помещения можно производить в единицах измерения энергии – ваттах. Такое заблуждение легко объяснимо – в наследство от времен полного господства ламп накаливания нам остался этот устойчивый стереотип.
Лампы накаливания выпускались различной потребляемой мощности – 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150 и более ватт. И каждый хозяин дома или квартиры на собственном опыте знал, что для нормального освещения в гостиной, например, он должен ввернуть в люстру три лампочки по 60 ватт, для настольной лампы достаточно будет «сороковки», в кухню нужно приобрести стоваттную и т.д.
Кстати, явным наследием этого до сих пор остаётся практика, применяемая производителями ламп – указывать на их упаковке, кроме потребляемой мощности, светоотдачу, выраженную в эквиваленте мощности старых ламп накаливания.
Такие аналогии с лампами накаливания той или иной мощности помогают простому человеку мысленно оценить ожидаемую светоотдачу. Но никакой прямой связи здесь нет.Так что запомним первое – в ваттах ни световой поток, излучаемый лампой, ни получающаяся от нее освещенность поверхности не измеряются. Указанные на корпусе прибора ватты – это количество потребленной лампой электроэнергии, которая путем тех или иных физических преобразований превращается в видимый свет.
Некоторые люди старшего поколения вообще уверены, что световая отдача осветительного прибора измеряется в свечах. Кстати, это не столь далеко от истины, а почему – станет понятно ниже. Но это опять же – никак не освещенность.
Так что имеет смысл рассмотреть основные фотометрические величины по порядку, от источника света к освещаемой поверхности. Сразу оговоримся – тема эта довольно сложная для восприятия неподготовленным человеком. Поэтому постараемся максимально упростить изложение, не будем его перегружать громоздкими формулами. Так, чтобы просто сложилось общее понимание вопроса.
Световой поток
Свет, как известно, имеет волновую природу. В определённом диапазоне длин волн электромагнитное излучение воспринимается органами зрения человека, то есть становится видимым. Примерные границы этого диапазона – от 400÷450 нм (красная часть спектра) до 630÷650 (фиолетовая область).
Помните, как в нас в детстве учили запоминать цвета радуги – «Каждый охотник…» и т.д.? А ведь радуга – это наглядный природный пример спектрального разложения света.Электромагнитные волны являются переносчиком энергии – именно энергия Солнца обеспечивает жизнь на Земле. Но отвлечёмся от астрономических категорий, вернемся к обычным источникам света.
Итак, раз источник излучает свет, то это означает излучение и перенос определённой энергии. Количество этой лучистой энергии (We), перенесенной в единицу времени, носит название лучистого потока (Фе). И измеряется он в ваттах.
Однако, речь идет об освещении, то есть восприятии цвета человеческим зрением. И оценить количество энергии «на глаз» — это сразу заложить большую погрешность. Например, два источника, обладающих равной мощностью излучения, но с разным цветом свечения, будут восприниматься глазом тоже по-разному.
Чтобы унифицировать этот параметр, введена специальная физическая величина – световой поток (Ф). Это тоже показатель мощности лучистого потока, но только той его части, что воспринимается среднестатистическим здоровым человеческим глазом.
Измеряться световой поток также может в ваттах (это, скорее, энергетический показатель), или в люменах (световой показатель). На практике обычно применяются люмены.
Для точного значения одного люмена в качества эталона взято излучение из центральной, зеленой части видимого спектра, длиной 555 нм.
Итак, принято, что лучистый поток с длиной волны 555 нм величиной 1 ватт соответствует 683 люменам. Почему такой странный коэффициент? Просто окончательное утверждение этой единицы в системе СИ состоялось в 1979 году, а первые опыты по фотометрии с введением показателя светового потока начали производиться задолго до этого. В ту пору, когда электрического освещения еще не существовало, и более-менее стабильным, «эталонным» источником света служила обычная свеча. И сложившееся соотношение энергетического ватта и светового люмена было со временем пересчитано и перешло до наших дней.
Еще раз напомним — упомянутые выше ватты, которыми также может измеряться световой поток, не имеют никакого отношения к тем, что указаны на упаковке лампы. Там показывается потребление светильника, то есть то количество энергии, которое он «заберет» из сети. Нас же должна больше волновать его энергетическая световая отдача – какое количество видимой лучистой энергии он «выдаст». Так что гораздо правильнее будет при выборе лампы обращать внимание не на эфемерные сравнительные аналогии в ваттах, а на четко указанное значение светового потока в люменах.
Ищите на упаковке лампы значение ее светового потока в люменах.Световая отдача
Это – очень интересная в практическом плане величина, так как она, по сути, характеризует эффективность источника света. Важно выбирать лампу не исходя из ее потребляемой электрической мощности, а из того, как эта мощность расходуется при преобразовании в световую энергию.
Итак, величина светоотдачи показывает, какой световой поток вырабатывается лампой при преобразовании одного ватта затраченной энергии. Понятно, что и измеряется она в люменах на ватт (лм/Вт).
Преобразование одного вида энергии в другой производится по-разному. Например, в привычных лампах накаливания применен резистивный принцип – свечение вызывает раскаленная спираль с большим электрическим сопротивлением. Понятно, что это сопровождается огромными тепловыми потерями. Более эффективными являются современные осветительные приборы, основанные на принципах свечения полупроводниковых матриц при пропускании тока или специально подобранных газовых смесей при их ионизации. Здесь на ненужный нагрев расходуется значительно меньше затраченной энергии.
Принципы преобразования электрической энергии в световой поток у разных ламп – различные. Отсюда и разница в их энергоэффективности, то есть в показателях светоотдачи.Выше уже говорилось, что пик нормального восприятия света человеческим глазом приходится на длину волны в 555 нм. И в идеальных условиях, при полном преобразовании электрической энергии в монохроматический световой поток указанной длины волны, то есть при совершенном отсутствии потерь, теоретически возможно добиться светоотдачи в 683 лм/Вт. Это называется идеальным источником света, которого в природе, увы, не существует.
В таблице ниже приведены сравнительные характеристики для наиболее применяемых в быту ламп – накаливания, люминесцентных и светодиодных. Хорошо видно, насколько экономичнее становится использование современных источников света, то есть как возрастает показатель светоотдачи.
(Значения в таблице указаны примерные. В любой из категории ламп могут быть отклонения в ту или иную сторону – это зависит от качества конкретной модели. Но общую картину таблица представляет довольно наглядно).
| Световой поток, Лм | Лампы накаливания | Люминесцентные лампы | Светодиодные лампы | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Потребляемая мощность, Вт | Светоотдача, лм/Вт | Потребляемая мощность, Вт | Светоотдача, лм/Вт | Потребляемая мощность, Вт | Светоотдача, лм/Вт | |
| 250 | 20 | 12.5 | 5÷7 | 41.7 | 2÷3 | 100 |
| 400 | 40 | 10 | 10÷13 | 36.4 | 4÷5 | 88.9 |
| 700 | 60 | 11.7 | 15÷16 | 45.2 | 6÷10 | 87.5 |
| 900 | 75 | 12 | 18÷20 | 47.4 | 10÷12 | 81.8 |
| 1200 | 100 | 12 | 25÷30 | 43.6 | 12÷15 | 88.9 |
| 1800 | 150 | 12 | 40÷50 | 40 | 18÷20 | 94.7 |
| 2500 | 200 | 12.5 | 60÷80 | 38.5 | 25÷30 | 90.9 |
Конкретное значение светоотдачи не всегда, но все же указывается некоторыми производителями ламп на их упаковке. Это может быть надпись «светоотдача» или же «Lighting effect». Если нет, то его несложно определить и самому, разделив паспортный световой поток на указанную потребляемую мощность.
На упаковках некоторых ламп производитель сразу указывает и световую отдачу прибора.Совершенно очевидно, что из всех ламп, применяемых в бытовых условиях, наилучшими показателями светоотдачи обладают светодиодные приборы – у них этот показатель доходит до 100 лм/Вт, и даже может быть несколько выше. Но прогресс не стоит на месте, и разработчики заявляют о скором выходе в серийное производства ламп со светоотдачей порядка 200 лм/Вт. Но до идеального источника еще ой как далеко…
Кстати, ученым удалось оценить световую отдачу Солнца, и она – не столь высока: примерно 93 лм/Вт.
Про световую отдачу источников света различного типа рассказывается и в предлагаемом видеосюжете:
Видео: Что такое световая отдача, и каково практическое применение этого параметра?
Сила света
В физике есть понятие точечного источника света – он распространяет излучение совершенно одинаково во всех направлениях. На практике такое если и бывает, то крайне редко, да и то – с некоторым упрощением понятий. На деле световой поток в разные стороны бывает неравномерен. И чтобы оценить, скажем так, его пространственную плотность, оперируют величиной силы света. А чтобы разобраться, что это такое, придется вспомнить еще и понятие телесного угла.
Начнем именно с геометрии. Итак, телесный угол – это часть пространства, объединяющая все лучи, исходящие из одной точки и пересекающую определенную поверхность (ее называют стягивающей поверхностью). В фотометрии, понятно, это освещаемая поверхность. Измеряется этот угол в особых величинах – стерадианах (ср), и обычно в формулах обозначается символом Ω.
Схема, помогающая понять, что же такое телесный угол.Величина телесного угла – это отношение площади стягивающей поверхности к радиусу сферы.
Ω = S/R²
То есть если взять, к примеру, сферу с радиусом один метр, то телесный угол в один стерадиан «вырежет» на ее поверхности пятно площадью один квадратный метр.
Для чего это знать? Дело в том, что понятие силы света напрямую связано с телесным углом. А конкретно – световой поток в один люмен, распространяющийся в пространстве, ограниченном телесным углом в один стерадиан, обладает силой света в одну канделу. Математически эта зависимость выглядит так:
I = Ф/ Ω
А если говорить об энергетической силе света, равной одной канделе, то это 1/683 Вт/ср.
Кстати, кандела – это одна из семи основных величин системы СИ.
Кандела в буквальном переводе с латинского означает свечу. Это как раз тот «пережиток прошлого», о котором уже говорилось выше, но зато он очень наглядно показывает всю взаимосвязь величин.
Поясним на рисунке:
Рисунок, хорошо демонстрирующий взаимосвязь основных фотометрических величинИтак, имеется точечный источник света – свеча. Ее горящий фитиль излучает свет силой в одну канделу (поз. 1).
В пространстве, ограниченном телесным углом, равным одному стерадиану (поз. 2), будет при этом распространяться световой поток (поз. 3), равным одному люмену. На некотором расстоянии от источника (радиусе сферы – поз. 4) этот поток освещает поверхность определённой площади (поз. 5). Забегая вперёд сразу скажем, если площадь равна одному квадратному метру, то что при таких условиях в этом «световом пятне» обеспечивается освещенность, равная одному люксу (лк).
Если вернуться к свече, как к эталонному источнику света, то несложно рассчитать и ее общий световой поток. Полная сфера имеет телесный угол, равный 4π, то есть, с небольшим округлением, он равен 12.56 стерадиан. А это значит, что свеча, излучающая во все стороны свет силой в одну канделу, дает общий световой поток, равный 12.56 люмен.
Интересно, что еще не столь давно излучающую способность источников света и оценивали «в свечах». Например, говорили – нужна «лампочка на шестьдесят свечей». Продавцы и покупатели прекрасно понимали друг друга – приобреталась лампочка накаливания на 60 Вт, хотя, по сути, эти величины никак между собой в данном случае, с точки зрения физики, не связаны. И что забавно – это было близко к истине.
Давайте посмотрим – 60 свечей по 12,56 люмен дадут в сумме 753,6 люмена. Заглянем в таблицу выше – лампа накаливания с потреблением 60 ватт обладает световым потоком в примерно в 700 люмен. Совсем рядышком!
Но, повторимся, правильна оценка источников света все же должна осуществляться в люменах.
Яркость света
Стоит рассмотреть еще один параметр – это яркость источника света. Дело в том, что с точечными источниками дело иметь практически не приходится. То есть большинство источников обладает какой-то определенной излучающей поверхностью. И при равном световом потоке, но отличающейся площади излучения света, зрением это будет восприниматься по-разному.
Два источника света с равными показателями излучаемой силы света и светового потока, расположенные на одинаковом расстоянии от человека, но имеющие разные размеры, будут восприниматься зрением как более яркий и более тусклый.
То есть, по сути, яркость – эта сила света, излучаемого с определенной единицы площади видимой поверхности источника света.
L = I/S
Понятно, что единицей яркости будет кандела на квадратный метр.
Это важная величина, так как органы зрения, если смотреть на источник света, реагируют, скорее, не на силу света как таковую, а именно на яркость. При большой ее величине (свыше 160 тыс. кандел на квадратный метр) свет может вызвать раздражение глаз, болезненные ощущения, слезливость. Поэтому производители осветительных приборов и выпускают лампы с матовыми колбами. Практически без потери светового потока, излучение идет не конкретно от волоска накаливания или светодиода с их небольшими площадями, а с куда большей по площади поверхности колбы. Такое свечение значительно безопаснее для сетчатки глаза, воспринимается зрением намного комфортнее.
Освещенность поверхности
Вот, наконец, добрались мы и до освещенности. Эту величину можно считать самой прикладной, так как именно освещенностью того или иного участка оценивается общая работа осветительных приборов.
Образно выражаясь, освещенность (Е) – это поверхностная плотность светового потока (Ф), распределенного на той или иной площади (S). Если подходить с некоторым упрощением, то это можно выразить такой формулой:
Е = Ф/ S
Как мы видели выше, один люмен светового потока на площади в один квадратный метр создает освещенность, равную одному люксу (лк).
Зависит освещенность от целого ряда факторов, если даже не принимать во внимание собственные характеристики источника света.
- Во-первых, чем дальше расположен источник от освещаемой поверхности, тем больше площадь «светового пятна» (вспоминаем конус телесного угла). То есть световой поток распределяется по большему участку. Причём, как мы помним, эта зависимость – квадратичная. То есть при изменении расстояния вдвое, освещённость снизится в четыре раза, втрое – в девять раз, и т.п.
Если рассматривать точечный источник, то можно применить формулу Кеплера:
Е = I / r²
О значении входящих в формулу величин повторяться не будем – они приведены выше.
- Во-вторых, показанная выше формула Кеплера справедлива лишь для поверхности, перпендикулярной направлению светового потока. На деле, безусловно, так бывает нечасто. То есть в том случае, когда освещаемая плоскость расположена под каким-то углом α к направлению потока, приходится делать поправку и на это:
Е = (I / r²) × cos α.
Вспомните – когда вам необходимо максимально ярко осветить поверхность, вы направляете фонарь перпендикулярно к ней. Но если его расположить под углом – освещенность резко упадет, так как свет как будто «размазывается» по поверхности.
- В-третьих, освещенность конкретного участка зависит еще и от его, так сказать, окружения. Дело в том, что большинство поверхностей не поглощают весь попадающий на них свет, а в значительной степени отражают его. И тем самым сами становятся своеобразными источниками света.
Вспомним что говорилось в разделе про яркость свечения. Да, действительно, яркость таких подсвеченных участков бывает не особо высока. Но зато излучение идет с приличной площади, и в итоге создается весьма значимый световой поток.
А яркость такой подсвеченной поверхности зависит и от ее освещенности, и от диффузно-отражающей способности, которая имеет отдельное название – альбедо. Чем выше это альбедо, тем ярче свечение. А раз ярче – то и больше изучаемый «вторичный» цветовой поток.
Несколько наглядных примеров отраженного света. Лист белой бумаги при освещённости всего в 50 люкс будет иметь яркость в 15 кд/м². Свечение полной луны (а это, как мы знаем – отраженный от ее поверхности солнечный свет) характеризуется яркостью в 2500 кд/м². А поверхность чистого белого снега в солнечный день достигает яркости до 3000 кд/м². Немало!
Это явление очень широко используется при организации освещения и в дизайнерском оформлении комнат. Выпускаются целые модельные линейки светильников, специально рассчитанных на направленность в сторону стен или потолка, то есть «в работу» по общему освещению помещения включаются именно подсвеченные участки. Этот же эффект применяется при создании многоярусных потолочных конструкций со светодиодной ленточной подсветкой.
Несложно догадаться, что освещенность помещения будет зависеть и от выбранного стиля его отделки. Одна и та же лампочка, скажем, в белой комнате даст куда большую освещенность, чем в выкрашенной в темных тонах.
Так как конечным ожидаемым результатом работы осветительных приборов является создание комфортных и безопасных для здоровья показателей освещения в помещении, именно значение освещенности поверхностей и подлежит регламентации. В законодательных актах (СНиП и СанПиН) указывается, какая освещенность должна достигаться в различных помещениях, в зависимости от их предназначения.
Так, действующим СНиП 23-05-95 в его актуализированной редакции (Свод Правил СП 52.13330.2011 ) указанные следующие нормативные показатели освещенности для жилых домов:
| Тип (предназначение) помещения | Нормы освещенности в соответствии с действующими СНиП, люкс |
|---|---|
| Жилые комнаты | 150 |
| Детские комнаты | 200 |
| Кабинет, мастерская или библиотека | 300 |
| Кабинет для выполнения точных чертежных работ | 500 |
| Кухня | 150 |
| Душевая, санузел раздельный или совмещенный, ванная комната | 50 |
| Сауна, раздевалка, бассейн | 100 |
| Прихожая, коридор, холл | 50 |
| Вестибюль проходной | 30 |
| Лестницы и лестничные площадки | 20 |
| Гардеробная | 75 |
| Спортивный (тренажерный) зал | 150 |
| Биллиардная | 300 |
| Кладовая для колясок или велосипедов | 30 |
| Технические помещения – котельная, насосная, электрощитовая и т.п. | 20 |
| Вспомогательные проходы, в том числе на чердаках и в подвалах | 20 |
| Площадка у основного входа в дом (крыльцо) | 6 |
| Площадка у запасного или технического входа | 4 |
| Пешеходная дорожка у входа в дом на протяжении 4 метров | 4 |
При этом оценка освещенности должна вестись на горизонтальной плоскости на высоте пола. Для лестниц – как на высоте пола, так и на переходных площадках и ступенях.
Для оценки уровня освещенности применяются специальные приборы – люксметры. Они состоят из фотоприемника со сферической поверхностью датчика, и блока-преобразователя с аналоговой (стрелочной) или цифровой индикацией показаний.
Компактный люксметр – прибор для измерения освещенностиПонятно, что люксметр – это узкопрофессиональный дорогостоящий прибор, которым пользуются специалисты, и иметь который дома совершенно не требуется. Но разбираться в вопросах основных фотометрических величин – не помешает любому хозяину дома или квартиры.
Зачем? — могут спросить многие. Да хотя бы для того, чтобы суметь самостоятельно спланировать использование тех или иных источников света, чтобы добиться нужной освещённости. Ведь от нее напрямую зависит здоровье и общее настроение всех членов семьи.
О практическом положении этих знаний как раз пойдет речь в следующем разделе публикации.
Цветовая температура
Чтобы закончить разговор об основных характеристиках источников света, необходимо остановиться и на их цветовой температуре.
При совершенно равных показателях излучаемого светового потока одна лампочка может давать тёплый желтоватый цвет, другая – белый нейтральный, а третья, например – светиться холодным оттенком синевы. Как их различить по этому параметру? Для этого разработана специальная шкала цветовой температуры.
Сразу оговоримся – здесь нет никакой связи между температурой воздуха в помещении или температурой нагрева самого источника света. Просто в качестве эталона взято свечение физического тела, разогретого до больших температур.
Любое тело, если его температура выше абсолютного нуля, само по себе является источником инфракрасного излучения. По мере роста температуры, длина волны этого излучения меняется, и в определенный момент доходит до видимого участка спектра.
Это, наблюдал, наверное, каждый – металлический пруток при нагревании сначала краснеет, затем начинает светиться ярко-красным светом, можно его раскалить, как говорят, и «добела». А при выполнении электросварочных работ, когда температура дуги достигает очень высоких показателей, плавящийся метал может приобрести и голубой оттенок.
Именно эта градация и положена в основу шкалы цветовой температуры. Она указывается в Кельвинах – а по шкале можно увидеть, какое свечение будет излучать лампа.
Графических изображений температурной цветовой шкалы – очень много. Например, довольно наглядным видится вот такое.Эта цветовая температура обычно указывается в маркировке ламп. Иногда она сопровождается и текстовым пояснением, или даже миниатюрной шкалой, показывающей, в какой области видимого спектра будет светиться лампа.
На упаковке лампы или в нанесенной на цоколе или колбе маркировке должна указываться цветовая температура излучаемого света.Выбор ламп по их цветовой температуре зависит от того, какую обстановку планируется поддерживать в помещении. Безусловно, здесь будет играть немалую роль и субъективный фактор – то есть предпочтения хозяев. И готовых «рецептов» на этот счет нет. Но в таблице ниже приведен рекомендательный обзор ламп по их свечению. Возможно, это кому-то поможет при выборе.
| Цветовая температура | Зрительное восприятие | Возможные определения создаваемой атмосферы | Характерные области применения |
|---|---|---|---|
| 2700 К | Теплый свет | Открытая, теплая, дружеская, уютная, расслабляющая | Жилые комнаты, вестибюли гостиниц, небольшие бутики, рестораны, кафе |
| 3000 К | Белый свет | Интимнаая, дружеская, располагающая к общению | Жилые комнаты, библиотеки, магазины, офисы |
| 3700 К | Нейтральный свет | Дружеская, располагающая к общению, дающая ощущение безопасности, повышающая внимательность | Музеи и выставочные залы, книжные магазины, офисы |
| 4100 К | Холодный свет | Способствующая концентрации вниимания, чистая, ясная, продуктивная | Учебные помещения, конструкторские бюро, офисы, больгицы, крупные магазины, вокзалы |
| 5000 — 6500 К | Холодный дневной свет | Тревожная, излишне яркая, подчеркивающае цвета, стерильная, со временем — утомляющая | Музеи, ювелирные магазины, некоторые кабинеты в медицинских учреждениях |
Проведение самостоятельных расчетов.
Как и было обещано, в этом разделе публикации будет рассмотрен алгоритм проведения расчета освещенности. Точнее, если быть более корректным, расчет имеет как раз обратную направленность. То есть нормальное значение освещенности нам уже известно. И вычисления должны нас привести к результату, сколько ламп и с каким световым потоком потребуется для его обеспечения.
Общая формула для проведения расчетов
Итак, начнем с той формулы, которая будет у нас служить основой расчетов.
Fл = (Ен × Sп × k × q) / (Nc × n × η)
Fл — это световой поток лампы, которую требуется установить в светильник. То есть эта та самая величина, которая поставлена целью проведения вычислений.
Ен — нормативная освещённость поверхностей, в зависимости от типа помещения. Она соответствует параметрам, установленным СНиП и приведенным выше в таблице.то есть отталкиваемся именно от нормативного значения.
Sп — площадь освещаемой поверхности. Обычно здесь фигурирует площадь комнаты, если рассчитывается общее освещение. Но если целью ставится расчет освещенности локального участка (например, рабочей зоны), то подставляется именно площадь этой зоны.
k — корректирующий коэффициент, который часто называют коэффициентом запаса. Его введением учитывается сразу несколько обстоятельств, влияющих на световую отдачу ламп. Во-первых, многие лампы со временем начинают растрачивать свой излучающий потенциал, попросту говоря – тускнеть. Во-вторых, на излучающую способность могут влиять и некоторые внешнее факторы – это запыленность помещения или, скажем, высокая концентрация пара, препятствующая свободному распространению световых лучей.
Коль речь у нас идет о жилых помещениях, где плотный пар стоять не должен, а пыль удаляется регулярными уборками, то вторую группу факторов можно сбросить со счетов. А по постепенной потере излучающей способности коэффициент для разных типов ламп можно принять следующим:
— лампы люминесцентные (газоразрядные): 1.2;
— обычные лампы накаливания и «галогенки»: 1.1;
— лампы светодиодные: 1.0.
q — коэффициент, учитывающий неравномерность свечения некоторых типов ламп. Он принимается равным:
— для ламп накаливания и газоразрядных ртутных ламп: 1.2;
— для компактных люминесцентных ламп накаливания и светодиодных источников света: 1.1.
Переходим к знаменателю дроби.
Nc — количество осветительных приборов, планируемых к установке в помещении или в отдельной зоне, для которой проводится расчет.
n — количество рожков в планируемом к установке светильнике.
Наверное, понятно, что произведение последних двух величин показывает, какое же количество ламп планируется к установке. Например, устанавливается одна пятирожковая люстра. Тогда Nc =1, а n =5. Или планируется осветить помещение двумя приборами, каждый по три лампочки: Nc =2, а n =3, Но если освещение будет осуществляться одним прибором с одной лампой, что обе эти величины будут равны единице.
η — коэффициент использования светового потока. Эта поправочная величина учитывает множество факторов, касающихся как особенностей помещения, так и специфики планируемых к установке осветительных приборов.
Так как именно этот коэффициент пока что остается неизвестной величиной, с него и следует начать проведение расчётов.
Находим коэффициент использования светового потока
Эту величину можно назвать табличной эмпирической. Она зависит и от площади помещения, и от расположения светильника, и от основного направления светового потока, и от отделки поверхностей потока, стен и пола.
Прежде всего для входа в таблицу придется определить так называемый индекс помещений. Он учитывает размеры помещения, причём, именно в соотношении длины и ширины, так как в квадратной комнате и в вытянутой прямоугольной световой поток все же будет распространяться по-разному. И второе – он учитывает высоту расположения светильника над освещаемой поверхностью. Как мы помним – по требования СНиП оценка освещенности ведется по горизонтальной плоскости на уровне пола.
Важно – иногда путают высоту потолка в комнате с высотой установки светильника. А это все же не одно и то же! Например, осветительный прибор может быть закреплён на стене (бра), установлен на стойке или размещен на столе или тумбочке (торшер или настольная лампа), подвешен к потоку на определенном расстоянии от потолочной поверхности (люстра).
Формула, наверное, ни о чем не скажет. Лучше предложим воспользоваться для определения этого индекса помещения онлайн-калькулятором.
Калькулятор для определения индекса помещения.
Перейти к расчётам
Итогом расчетов станет какая-то дробная величина. Ее приводят в ближайшую сторону к следующим значениям: 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1, 1,25; 1,5; 1,75; 2,0; 2,25; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0. Почему именно к ним? Да, четно говоря, просто потому, что именно такая градация принята в таблицах, расположенных ниже.
Таблицы для определения коэффициента использования светового потока
Для входа в таблицу необходимо будет еще оценить отражающую способность поверхностей в помещении (помните, говорилось о некотором альбедо, способствующим освещенности или, наоборот, приглушающим ее).
Отражающую способность поверхностей, в зависимости от цвета их отделки, можно принять следующую:
| Оттенки интерьерной отделки | Коэффициент отражающей способности |
|---|---|
| Белый цвет | 70% |
| Светлые тона | 50% |
| Средние тона | 30% |
| Темные тона | 10% |
| Черный цвет | 0% |
Для пользования таблицей следует сразу оценить отделку комнаты в порядке: потолок – стена – пол в процентах отражающей способности. Понятно, что здесь придётся проявить определённую сообразительность – с белым и черным цветов ясность есть, а вот с остальным необходимо подумать, отнести их больше к светлым, средним или темным тонам. Но для человека с нормальным восприятием цвета это не должно стать проблемой.
Следующим шагом следует определить тип светильника, планируемого к установке – предложено пять различных вариантов. Именно этот критерий поможет выбрать нужную таблицу. (все таблицы размещены в правом столбце. Изображения «кликабельны», то есть увеличатся до нормального размера при клике мышкой).
Ну и уже по этой выбранной таблице, на основании всех собранных данных, находится коэффициент.
Просто для примера. Планируется к установке на потолочный поверхности подвесной светильник с плафоном, дающим преимущественное распространение света вниз. Находим устраивающую нас таблицу. Вот она:
Пример определения коэффициента использования светового потока по таблицеПроведённым ранее расчётом определили индекс помещения. Допустим, он равен 1.0.
По оценке отделки получаем следующее соотношение – 70% (белый потолок), 30% (темно-бежевые стены, которые можно отнести к средним тонам), 10% (темный, близкий к черному пол).
По этим значениям находим пересечение столбцов и строки (пример показан на иллюстрации), и получаем искомое значение коэффициента использования светового потока, равное 0,30.
Всё, теперь у нас есть уже все данные для проведения окончательного расчета. И для него можно, опять же, воспользоваться встроенным онлайн-калькулятором.
Калькулятор расчёта необходимого светового потока источников света
Перейти к расчётам
Полученное значение показывает, какой должен быть световой поток у ламп, которые обеспечат необходимую норму освещенности в помещении.
* * * * * * *
Что можно добавить напоследок?
- Если расчет ведётся для какой-то ограниченной зоны, например, для подсветки рабочей области в мастерской или гараже, то и значения площади берутся только для нее. И расположение и тип светильников также – только те, которые будут освещать именно этот участок. То есть исходим из принципа автономности – рабочая зона должна быть нормально освещена даже при полностью выключенном общем освещении. Это же касается и других локальных участков – письменного стола, выделенного места для рукоделия в кресле под торшером и т.п.
- Нормальная освещенность довольно часто в повседневной жизни выглядит избыточной. Например, человеку просто хочется побыть одному в полумраке, или просто для просмотра телепередач яркий свет не требуется. Значит, можно и нужно предусмотреть зональную дополнительную подсветку (на которую уже не будут распространяться санитарные нормы), или установить диммер, с помощью которого можно изменять излучаемый световой поток осветительных приборов.
- В публикации уже не раз подчеркивалось, и проведение расчета – тому лишнее подтверждение, что определяющим критерием при выборе ламп для обеспечения требуемой освещенности должен являться именно световой поток. Но про потребляемую мощность тоже забывать не следует.
Дело в том, что многие светильники имеют ограничения по этому параметру. Например, в паспорте изделия указано, что максимальная суммарная мощность не должна превышать 60 ватт. Это может быть вызвано ограниченной термостойкостью пластиковых деталей светильника или малым сечением проводов, проложенных в нем. То есть и потребляемую мощность ламп также следует учитывать. Если же она получается выше допустимого значения, значит, придется подыскивать другой светильник.
Может случиться и так, что расчетный световой поток получился столь высоким, что таких ламп в ассортименте магазинов попросту нет. Значит, планируемое количество источников света — недостаточное. Придется рассматривать варианты с увеличением количества светильников, или же со светильниками с большим количеством рожков.