Исследование видимости объектов наблюдения в осветительных установках со светодиодами

         Исследования, проведённые в различных странах  за последние пятьдесят лет, показывают необходимость применения комплексной оценки осветительных установок по их количественным и качественным показателям. Поэтому стремление повышать уровень освещённости в установках промышленного освещения без учёта качества освещения может оказаться нецелесообразным ни с гигиенической, ни с технико-экономической точек зрения. Так, например, увеличение освещённости без учёта структуры светового поля, в частности без учёта контрастности освещения и направления света на рельефные объекты, далеко   не   всегда приводит к улучшению работы глаза, повышению

 производительности труда и снижению утомления. Вместе с тем такое увеличение освещённости повышает стоимость осветительной установки и расходы на её эксплуатацию, следовательно, является неприемлемым по экономическим показателям. Использование метода нормирования по видимости позволяет производить комплексную оценку освещения, что является его бесспорным преимуществом. Наличие несложной методики измерения видимости любых объектов непосредственно в производственных условиях делает этот метод нормирования удобным для практического использования при разработке отраслевых норм  искусственного освещения промышленных предприятий [10,с.191].

          Оценка  условий освещения рабочих поверхностей  промышленных предприятий по  уровням видимости является методом  более приемлемым для практики оценки и сопоставления осветительных вариантов [17-20]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Экспериментальная часть. Исследование влияния условий освещения на видимость объектов наблюдения

 

2.1 Методика измерения  видимости

 

В данном дипломном проекте для  исследования влияния условий освещения  использован метод измерения  видимости. Приборы для измерения  видимости основаны на принципе искусственного ухудшения различимости объекта, рассматриваемого через прибор, и доведением таким путем видимости объекта до пороговых условий.

Принципы, положенные в основу метода оценки видимости, состоят в следующем. Если глаз в начале работы в состоянии различить характерную для этой работы деталь при минимально допустимых (пороговых) уровнях освещенности, то чтобы сохранить способность различия ее в течение рабочего времени на рабочей поверхности, необходимо создать большую освещенность (“запас освещенности”). Если наблюдатель в состоянии различить заданный объект, то условия освещения считаются удовлетворительными, а если объект различить нельзя – освещение неудовлетворительное и оно должно быть улучшено.

Впервые количественные понятия о видимости и метод ее измерения предложил в 1897 году русский врач – гигиенист Р.А.Кац для количественной оценки освещения школьных классов. В основу Р.А.Кац положил отношение яркости фона к пороговому ее значению. Это отношение было принято равным 25 на основании сопоставления трудностей чтения печатного текста учебников при различных уровнях освещенности. Для определения “запаса освещенности” в реальных условиях освещения классов Р.А.Кац предложил простейший прибор, названный им “запасомером”. Этот прибор представлял собой прямоугольную картонную пластину с двумя отверстиями для глаз и вырезом для переносицы. Глазные отверстия были перекрыты нейтральными стеклянными фильтрами с коэффициентом пропускания τ =0,04. Условия освещения в классе признавались

 Р.А.Кацем удовлетворительными,  если наблюдатель через стеклянные фильтры запасомера мог читать печатный текст без большого напряжения. Для зрительных работ различной степени трудности автор метода предложил стандартные таблицы с печатными текстами различных форматов.

Метод определения запаса по яркости, предложенный Р.А.Кацем, был использован  американскими учеными Лекишем  и Моссом, предложившими в 1935 году прибор для измерения видимости (визибилитиметр). Основными элементами этого измерителя видимости являются два одинаковых круговых нейтральных клиновых фильтра, через которые наблюдатель может рассматривать любые объекты. Фильтры расположены в плоской пластмассовой коробке, в которой вырезаны два отверстия для глаз, перекрытые клиновыми фильтрами. Наблюдатель может вращать фильтры, изменяя этим коэффициент пропускания тех участков фильтров, которые расположены перед его глазами. Вращение фильтров производится одновременно, так чтобы в каждый данный момент наблюдатель видел объекты наблюдения правым и левым глазами через участки фильтров с одинаковым коэффициентом пропускания. Изменение видимости производится гашением яркости поля зрения путем уменьшения коэффициента пропускания фильтров до границы неразличимости объектов, наблюдаемых через клиновые фильтры “визибилитиметра”. На внешней границе фильтров нанесены шкалы видимости требуемой яркости для исследуемой зрительной работы.

Этот метод измерения обладает очень невысокой точностью, вследствие того, что в процессе измерения  видимости в широких пределах изменяется яркость поля зрения наблюдателя, следовательно, и его зрительная адаптация. Вследствие значительной длительности адаптационных процессов результаты измерения прибором, основанным на принципе гашения яркости, зависят от быстроты перемещения  фильтра,  а также времени наблюдения  объектов  на границе “вижу - не вижу”.

Наибольшее распространение  получил значительно более совершенный  поляризационный измеритель видимости, предложенный профессором 

Л.Л.Дашкевичем. Прибор основан на принципе доведения до пороговых значений контраста рассматриваемых объектов с фоном путем искусственного ухудшения, то есть уменьшения яркости изображения объекта при постоянстве яркости фона. Оптическая схема поляризационного измерителя видимости Л.Л.Дашкевича приведена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Оптическая схема измерителя видимости

 

В приборе наблюдатель видит  объект через двупреломляющую призму П_Р и поляроид П. Наличие двупреломляющей призмы приводит к появлению в поле зрения двух изображений объекта: a и b, причем плоскости поляризации излучений, образующих эти изображения, взаимно перпендикулярны. Наблюдая эти изображения через поляроид, можно поворотом поляроида П ослабить одно из них с одновременным усилением второго. Когда второе изображение приобретает максимальный контраст с фоном, первое изображение исчезает совершенно. Это происходит благодаря тому, что пропускание поляризованного света изменяется при повороте поляроида от наибольшего значения до нуля   пропорционально   квадрату   косинуса   угла    поворота   поляроида. Поскольку второе изображение образовано лучами, поляризованными в перпендикулярной плоскости, для него пропускание будет изменяться в обратном направлении, то есть от нуля до наибольшего значения.

Существенным преимуществом настоящего прибора по сравнению с рядом других измерителей видимости является неизменность яркости поля зрения при

 

измерениях, что гарантирует необходимую  их точность [23,с.45].

Действительно, яркость фона, наблюдаемого через прибор, определится как:

                  

                    L_Ф^/=L_ФτСos²α +L_ФτSin²α =L_Фτ,                                     (2.1)

        

          где     L_Ф -фактическая яркость фона;

τ –коэффициент пропускания света системой при совпадении плоскостей поляризации (τ=0,3-0,35);

α-угол между плоскостью поляризации лучей, образующих рассматриваемое изображение, и плоскостью поляризации света поляроидом.

Следовательно, при любом положении  поляроида яркость поля зрения неизменна  и равна произведению фактической яркости фона на коэффициент пропускания оптической системы прибора.

Яркость объекта, наблюдаемого через  прибор, является суммой двух слагаемых, так как на рассматриваемое изображение  объекта накладывается изображение  фона, образованное лучами, поляризованными в перпендикулярной плоскости

 

                         L₀^/ =L_ФτSin²α +L₀τCos²α                                             (2.2)

 

Первое слагаемое – яркость  фона, налагающаяся на рассматриваемое  изображение объекта; второе- яркость  рассматриваемого изображения объекта. Контраст объекта и фона, видимых через прибор, определяется как

 

,

или

                        

,                                         (2.3)

         где     k- фактический контраст объекта и фона.

Если контраст объекта и фона приведен поворотом поляроида к пороговому значению, то видимость, определяемая как отношение действительного контраста к пороговому, то есть числом порогов, будет равна:

 

                                                            (2.4)

 

Таким образом, поляризационный измеритель видимости не требует градуировки  путем измерения видимости каких-либо “эталонных” объектов, а позволяет  производить ее значительно точнее по углу поворота поляроида, как это обычно практикуется в фотометрических приборах с поляризационной оптической системой.

Успешное применение поляризационного измерителя видимости возможно лишь в том случае, если в процессе измерения видимости при использовании прибором не изменяются существенно условия зрительного восприятия. В особенности важно сохранить неизменными в процессе измерения распределение и уровень яркости в поле зрения, цветность объекта и фона, а также бинокулярность наблюдения. Таким образом, поляризационный измеритель видимости успешно применяется для светотехнических исследований, в частности:

- для определения уровня видимости  при данных условиях освещения;

- для сравнения различных осветительных  установок и различных условий освещения по видимости, которую они создают;

- для определения освещенности, которая обеспечивает минимально  необходимую или наилучшую видимость;

- для определения размещения  светильников относительно рабочих  мест, которое обеспечивает наилучшую  видимость.

Метод измерения  видимости для оценки условий освещения служит мерой зрительного утомления с точки зрения точности. Он наиболее чувствителен к изменению качественной стороны освещения и позволяет быстро выявить все

взаимосвязи качественной и количественной сторон, учесть влияние таких факторов, как блескость, неравномерность освещения и т.д., и определить наиболее оптимальные условия освещения.

Процесс измерения состоял в  следующем. Наблюдатель вначале  правым, затем левым глазом смотрел  в окуляр измерителя видимости на объект, вращая по часовой стрелке барабан поляроида. При этом слева от объекта появлялось его второе слабое изображение, которое усиливалось по мере поворота поляроида. Внимание наблюдатель фиксировал не на появившемся левом изображении, а на правом, которое будет ослабевать. Для измерения видимости находилось такое положение поляроида, при котором правое изображение было на пороге видимости, то есть дальнейший поворот поляроида приводил к полному исчезновению правого изображения объекта, а поворот в обратную сторону - к появлению его.

Для перехода к значению видимости  в порогах служит градуировочная таблица или кривая V=f(n) (рисунок 2.3), где n-показания прибора. В таблице 2.1 приведены значения видимости в порогах.

      Таблица 2.1- Градуировочная таблица поляризационного измерителя видимости М-53А

N шкалы	Пороги	N шкалы	Пороги	N шкалы	Пороги
60,5	2,958	70,5	5,001	80,5	10,964
61,0	3,020	71,0	5,151	81,0	11,569
61,5	3,095	71,5	5,34	81,5	12,225
62,0	3,163	72,0	5,51	82,0	12,616
62,5	3,238	72,5	5,690	82,5	12,846
63,0	3,321	73,0	5,920	83,0	14,348
63,5	3,400	73,5	6,138	83,5	15,129
64,0	3,485	74,0	6,348	84,0	16,129
64,5	3,569	74,5	6,575	84,5	17,217
65,0	3,670	75,0	6,818	85,0	18,419
65,5	3,760	75,5	7,11	85,5	19,578
Продолжение таблицы 2.1
N шкалы	Пороги	N шкалы	Пороги	N шкалы	Пороги
66,0	3,860	76,0	7,384	86,0	21,042
66,5	3,962	76,5	7,673	86,5	22,674
67,0	4,050	77,0	8,025	87,0	24,267
67,5	4,190	77,5	8,353	87,5	27,412
68,0	4,310	78,0	8,702	88,0	28,596
68,5	4,350	78,5	9,127	88,5	30,864
69,0	4,550	79,0	9,526	89,0	33,802
69,5	4,720	79,5	10,010	89,5	37,180
70,0	4,860	80,0	10,473	90,0	41,091