Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

С установками искусственного освещения ежедневно приходится соприкасаться всем, независимо от профессии, должности или местонахождения. Поэтому можно уверенно сказать, что осветительные устройства являются наиболее распространенными среди всех существующих инженерных систем. Использование искусственного освещения, несомненно, позволяет обеспечить комфортную и продуктивную деятельность людей в условиях отсутствия естественного освещения, однако, имеет и свои особенности. Световой поток источников, которые получают питание переменным напряжением промышленной частоты, характеризуется пульсацией, способной отрицательно сказываться на здоровье, самочувствии и трудоспособности человека.

Основным мероприятием по снижению влияния подобных пульсаций на здоровье людей является контроль величины, характеризующей его – допустимого коэффициента пульсации. В настоящее время оценивание пульсации освещенности производится именно при помощи упомянутого выше показателя.

1. Актуальность темы

Как уже было сказано выше, осветительные установки являются наиболее распространенными электрическими устройствами среди всех существующих и их влияние наиболее сильно сказывается на человеке. В связи с этим стоит подробнее рассмотреть один из наиболее сильных видов негативного воздействия освещения на человека – быстрым пульсациям светового потока, вызванным малой инерционностью излучения искусственных источников света. Световой поток последних пульсирует при питании переменным током с двойной частотой, то есть при питании лампы напряжением промышленной частоты – частота колебаний освещенности составит 100 Гц. Этот вид пульсаций неразличим при фиксировании глазом неподвижной поверхности, но может быть измерен специальным прибором и легко обнаруживается при рассматривании объектов в движении. Так, если в условиях пульсирующего освещения быстро перемещать карандаш на контрастирующем фоне, то карандаш приобретет ясно видимые многократные контуры.

Также рассматриваемое явление представляет серьезную опасность на предприятиях, оснащенных оборудованием с открытыми вращающимися частями, которые при пульсирующем освещении могут казаться неподвижными или вращающимися в противоположном направлении.

Это явление можно объяснить на примере стробоскопического волчка (рис.1–3), на поверхности которого радиусы нанесены через равные углы. Если при вращении волчка время его перемещения на угол, равный углу между соседними радиусами, равно периоду пульсаций или в целое число раз меньше его, то волчок покажется остановившимся. При незначительном увеличении скорости – изменившим направление вращения. Данное явление известно под названием стробоскопический эффект.

Рисунок 1 – Стробоскопический волчок.Частота вращния волчка меньше частоты пульсаций

Рисунок 2 – Стробоскопический волчок.Частота вращения равна частоте пульсаций

Рисунок 3 – Стробоскопический волчок.Частота вращения превышает частоту пульсаций

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данного проекта является разработка динамической модели электрических источников света для анализа пульсаций светового потока. Для выполнения поставленной задачи необходимо решить следующие проблемы:

  1. Выполнить сбор и оценку информации по рассматриваемой теме;
  2. Произвести переход от имеющегося показателя оценивания электромагнитной совместимости по пульсации освещенности к универсальному показателю;
  3. Создать электронную базу данных о пульсациях освещенности, производимых различными видами ламп;
  4. Произвести переход от имеющейся зависимости производительности труда от коэффициента пульсации к зависимости производительности труда от универсального показателя;
  5. Выполнить расчет доз пульсаций для различных видов источников света;
  6. Произвести расчет снижения производительности труда от пульсации освещенности для различных разрядов зрительной работы при использовании различных ламп.

Научная новизна данной работы будет заключаться в том, что, в отличие от существующей практики оценки пульсации по коэффициенту пульсации, будет разработана динамическая модель оценки пульсации с учетом формы графика процесса изменения освещенности, а не только его минимальной и максимальной ординат.

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Обзор международных источников

Сравнительно недавно, в 2002 году, Д.Берсон с сотрудниками совершили открытие нового типа фоторецептора в сетчатке млекопитающих, в том числе и человека. Оказалось, что функцию перенастройки ритмов суточной активности при воздействии света выполняют некоторые из ганглиозных клеток сетчатки (ГКС), названные светочувствительными. Эти клетки реагируют на свет с длинами волн в диапазоне 430-470 нм.[1] Они получили название ipRGC (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells) – светочувствительные нервные клетки сетчатки глаза. Данные исследования на моделях человека и животных начали прояснять нейроанатомию и нейрофизиологию фотосенсорной системы, которая обеспечивает входной канал для циркадной и нейропсихической регуляции [2].

По этому поводу экс-президент МКО профессор В.Ван Боммель высказал идею о необходимости разработки новых критериев освещения с учетом нового открытия. [3]

Также среди прочих международных источников, описывающих рассматриваемую проблему, стоит выделить работу К. Поллак, Л. Шметтерера и Ч. Е. Ривы под названием Influence of Flicker Frequency on Flicker-Induced Changes of Retinal Vessel Diameter (Влияние частоты мерцания на индуцированные фликером изменения диаметра сосуда сетчатки глаза человека) [5]. Данный труд был опубликован в журнале «investigative ophthalmology and visual science» и посвящен исследованию реакции организма человека на воздействие мерцающим светом.

В своей статье К. Поллак, Л. Шметтерер и Ч. Е. Рива изучали изменение диаметра сосудов сетчатки глаза человека при помощи специальной фундус-камеры, предназначенной для съемки дна глазного яблока.

Для проведения необходимых измерений ими была использована специальная установка – анализатор сосудов сетчатки, которая включала в себя фундус-камеру (поле 50°, model FF 450, Zeiss, Jena, Germany), видеокамеру, монитор в режиме реального времени и компьютер с программным обеспечением для анализа изображений для точного определения артериального и венозного диаметров сетчатки.

Фликер генерировался путем фокусировки света от системы ксеноновой лампы мощностью 150 Вт (Oriel, Stratford, CT) на секторном диске. Перед лампой был установлен фильтр нижних частот с отсечкой при 550 нм (Laser Components, Olching, Germany). Свет, проходящий через диск, попадал на волоконно-оптический кабель, расположенный за диском. Свет на выходе кабеля был введен в канал освещения фундус-камеры.

В исследовании участвовали семь мужчин и две женщины (средний возраст, 34 ± 11 лет).

В результате было установлено, что повторяемая стимуляция мерцающим светом при частоте 8 Гц приводила к средней реакции в венозном диаметре в размере 2,1%. Примерно через 20 секунд после начала опыта обычно наблюдалось устойчивое изменение диаметра сосудов. После прекращения мерцания происходило быстрое его уменьшение, которое достигало базового уровня примерно через 6 секунд. Однако проведенные измерения также показали, что диаметр продолжал снижаться ниже базовой линии, достигая минимума примерно через 10–40 секунд после прекращения стимула. Причину этого явления ученым еще предстоит изучить.

Также исследования показали, что во время стимуляции мерцающим светом диаметр изменялся абсолютно во всех сосудах сетчатки.

На основе проведенных опытов был сделан вывод, что скорость крови в артериях сетчатки и вен значительно возрастет, что может привести к развитию глазных расстройств. Кроме того, ученые пришли к следующему заключению: у кошек и людей изменение диаметра будет, среди прочих переменных, зависеть от яркости, длины волны, и глубины модуляции стимула, а также средней освещенности сетчатки и расположение ствола.

Последнее суждение также свидетельствует об актуальности данной работы и необходимости разработки динамической модели оценивания пульсаций светового потока, которая позволила бы учитывать не только их минимальные и максимальные значения, но и форму графика, и процесс изменения освещенности.

3.2 Обзор локальных источников

Среди специалистов ДонНТУ проблемами электромагнитной совместимости и качества освещения занимается доктор технических наук, профессор Куренный Эдуард Григорьевич.

Среди публикаций, посвященных проблеме расчета дозы фликера, можно указать статью под названием Погрешности расчета доз фликера напряжения и проверка функционирования фликерметра [6], написанную в соавторстве с Дмитриевой Е. Н. и Топчий В. А. В этой публикации авторы указывают на несоответствие в действующих стандартах между требованиями к точности измерения доз фликера и размахов колебаний, предлагают способы совершенствования проверки фликерметра и нормирования погрешностей.

Кроме того, были также проведены исследования газоразрядных ламп, как одних из наиболее распространенных, и возможности их питания напряжением повышенной частоты для уменьшения пульсаций светового потока. Описание полученных результатов можно найти в статье под названием Эффективность применения напряжения повышенной частоты для питания газорязрядных ламп [7], написанной Куренным Э. Г. и Арутюняном А. Г.

В данной работе была усовершенствована методика определения зависимости производительности труда от коэффициента пульсации освещенности (Ф. М. Черниловская).

Как известно, универсальным показателем является доза пульсации [8], [9], которая, как и доза фликера, оценивает дополнительное утомление человека, но в другом частотном диапазоне.

Исследования производились на основе соответствующей модели пульсации, основу которой составляет взвешивающий фильтр 1 (рис. 2), который моделирует реакцию зрения человека на изменение мгновенных значений освещенности e(t). Утомление человека моделируется квадратором 2 и звеном 3 десятиминутного осреднения.

Рисунок 4 – Модель пульсации светового потока

Изначально опытным путем находились значения производительности труда при одно-, двух- и трехфазном включении ламп, причем на 100% была принята производительность при однофазном их включении. Во время опытов регистрировались коэффициенты пульсации на частотах 100, 200 и 300 Гц, т.е. фактически коэффициенты доз пульсации. Были получены следующие значения коэффициентов и производительности: 73 и 100; 40 и 115,8; 13 и 138,6 %.

Методом наименьших квадратов опытные данные были аппроксимированы авторами при помощи выражения:

с погрешностью менее 0,9%.

По смыслу расчетная производительность относится к случаю работы при неизменной освещенности. Именно эту производительность естественно принять за 100%. При нулевом коэффициенте дозы формула, приведенная выше, дает значение 140, 34%. Вводя нормировочный множитель 100/140,34, получим искомую зависимость, которая справедлива для пульсаций любой формы:

Проиллюстрирована эта зависимость была на примере люминесцентных ламп. Также были рассмотрены несколько вариантов схем питания ламп:

  1. Схема без преобразователя частоты,
  2. Схема с индивидуальным преобразователем частоты,
  3. Схема с групповым преобразователем частоты на повышенной частоте,
  4. Схема с общим выпрямителем и индивидуальными инверторами.

Технико-экономическое сопоставление рассмотренных схем показало, что вариант с промежуточной сетью постоянного тока дает наибольший экономический эффект: по сравнению со схемой с групповым преобразователем частоты она на 13, 64% эффективнее. Применение сетей постоянного тока возможно не только для питания освещения, но и компьютеров, систем управления. В этом случае эффективность будет еще выше.

В результате проведенной работы авторы пришли к следующим выводам:

  1. Применение повышенной частоты для питания газоразрядных ламп эффективно не только для производств с напряженной зрительной работой, но и для систем наружного освещения.
  2. Для питания ламп по схеме с групповым преобразователем частоты рекомендуется частота 400 Гц. Частота для питания ламп с индивидуальными преобразователями частоты не ограничивается.
  3. Перспективным является применение систем освещения с общим выпрямителем, сетью постоянного тока и индивидуальными инверторами.

Заключение

В данной работе будет выполнен сбор и оценка информации о пульсации различных видов ламп, создана электронная база данных о пульсациях их светового потока, а также предложена динамическая модель электрических источников света, которая позволит оценивать пульсации с учетом формы графика процесса изменения освещенности, а не только его минимальной и максимальной ординат.

При написании данного реферата магистерская работа еще находится в стадии разработки. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список использованных источников

  1. Рончи Л. Р. – Зрительные и биологические воздействия света в новом тысячелетии: предложения для образования. //Светотехника. – 2005. – №6, С. 24–27.
  2. Брейнард Г.К.,Провенсио И. Восприятие света как стимула незрительных реакций человека. //Светотехника. – 2008. – №1, С.6–12.
  3. В. Ван Боммель. Результаты последних исследований и их значение для светотехнической практики. //Светотехника. – 2005. – №4. С.4–6.
  4. Осветительные установки. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. – 288 с., ил.
  5. Kaija Polak, Leopold Schmetterer, Charles E. Riva. Influence of Flicker Frequency on Flicker-Induced Changes of Retinal Vessel Diameter. – Investigative ophthalmology & visual science, August 2002.
  6. Дмитриева Е.Н., Куренный Э.Г., Топчий В.А. Погрешности расчета доз фликера напряжения и проверка функционирования фликерметра. // Электричество. – 2013.
  7. Куренный Э.Г., Арутюнян А.Г. Эффективность применения напряжения повышенной частоты для питания газорязрядных ламп. // Наукові праці ДонНТУ – Електротехніка і енергетика – Випуск 67 – 2003.
  8. Куренный Э.Г., Шидловский А.К., Арутюнян А.Г. Динамические модели электромашнитной совместимости электрических источников света. – Техническая электродинамика, 1985, №2. – С. 12–16.
  9. Куренный Э.Г., Дмитриева Е.Н., Куренный Д., Цыганкова Н.В. Совершенствование фликер-модели. – Электричество, 2003, №2. – С. 17–23.