Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Московский государственный институт электронной техники
(технический университет)
В.Б. Кольцов, Н.М. Ларионов, И.М. Никулина,
В.П. Привалов, А.С. Рябышенков, И.М. Чечерников
“Безопасность жизнедеятельности”
кандидата технических наук, доцента А.А. Вяльцева
Утверждено редакционно-издательским советом института
в качестве методических указаний
Москва 2006
УДК 658.382.3
Рецензент докт. техн. наук, проф А.М. Грушевский
Лабораторный практикум по курсу “Безопасность жизнидеятельности” / Под ред. А.А. Вяльцева. - М.: МИЭТ, 2006. – с.: ил.
Лабораторный практикум служит дополнением к материалам лекций по курсу “Безопасность жизнедеятельности” и направлен на приобретение навыков работы с нормативной документацией по технике безопасности, а также навыков самостоятельного исследования параметров микроклимата в производственных помещениях, аэродинамических и шумовых характеристик систем вентиляции, условий освещения и теплового режима рабочих мест, безопасности работы с электроустановками и источниками СВЧ излучения, методов защиты от шума и вибрации.
Предназначен для студентов всех специальностей МИЭТ.
МИЭТ, 2006
Лабораторная работа № 1
Цель работы: оценка параметров микроклимата в лаборатории и разработка рекомендаций по их нормализации.
Продолжительность работы - 2 часа.
Гигрометр психометрический ВИТ-1.
Психрометр аспирационный М-34.
Барометр-анероид.
Анемометр цифровой переносной АП1-1.
Вентилятор настольный.
Лабораторные планшеты.*
Микроклимат производственных помещений - это климат внутренней среды помещений, который определяется действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности, скорости движения воздуха и барометрического давления. Санитарно-гигиенические условия в помещении зависят также от интенсивности тепловых излучений и качественного состава газов в окружающей среде (от степени загрязнения воздуха газами, парами, пылью, степени ионизации и т.д.). Практический интерес представляют значения указанных параметров в рабочей зоне - пространстве высотой до 2 м над уровнем пола, где находится рабочее место (РМ).
По своей физической сущности температура среды отражает среднюю энергию теплового движения молекул, так же как барометрическое давление отражает удельную внутреннюю энергию единицы объема среды. Таким образом, эти два параметра непосредственно влияют на процессы теплообмена человека и окружающей среды, предопределяя величину энергии, которую молекулы воздуха отдают человеку или отбирают у него. Температура и давление отражают среднюю тепловую (хаотическую) скорость молекул воздуха.
* Планшеты содержат необходимый справочный материал и выдаются при выполнении лабораторной работы.
Но у скорости молекул воздуха есть и другая составляющая - внешняя скорость потока воздуха в целом относительно человека. Эта составляющая также влияет на процессы теплообмена человека и среды.
Влажность воздуха обычно характеризуется относительной влажностью, которую определяют по формуле
j = Pп / Рнас × 100%,
где Рп - парциальное давление водяных паров в воздухе; Рнас - максимальное парциальное давление водяных паров, возможное при данной температуре воздуха (парциальное давление насыщенного пара).
Для определения относительной влажности чаще всего используют психрометрический метод, заключающийся в сопоставлении показаний двух рядом расположенных термометров, шарик одного из которых покрыт увлажненной тканью. Влага, пропитывающая ткань, испаряется с различной скоростью в зависимости от влажности и скорости движения воздуха и отнимает тепло у термометра, поэтому показания влажного термометра tв оказываются ниже показаний сухого термометра tс. На основании показаний двух термометров определяют парциальное давление водяных паров:
Рп = Рнас – А×(tc – tв)×Рб , (1)
где Рнас - парциальное давление насыщенных паров при температуре влажного термометра tв, определяемое по таблице физических свойств воздуха; А – психрометрический коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха (для v = 0,13 - 4 м/с A = 0,0013 – 0,00067); Pб - барометрическое давление.
С достаточной для инженерных расчетов точностью значение Рнас можно определить по формуле
lgРнас = 8,82 – 2200 / (tc + 273). (2)
На основании расчетов составлены психрометрические таблицы для определения относительной влажности воздуха (планшет 3).
Атмосферное давление влияет на парциальное давление основных компонентов воздуха (кислорода и азота), а следовательно, на процесс дыхания. Однако необходимо учитывать, что для здоровья человека опасно быстрое изменение, а не сама величина атмосферного давления. В большинстве случаев оно не оказывает существенного влияния на условия труда, поэтому нередко при исследовании условий труда этот показатель не регламентируют.
Температура воздуха оказывает большое влияние на функционирование человека. При нормальных климатических условиях температура тела здорового человека поддерживается на уровне 36,5 ± 0,5 ºС. При отклонении температуры от нормы на несколько градусов ухудшаются окислительно-восстановительные процессы и нарушается жизнедеятельность организма. Человек вырабатывает определенное количество энергии, которая расходуется на поддержание обмена веществ
(320 - 630 кДж/ч) и отдается окружающей среде (840 - 2100 кДж/ч).
Чрезмерный перегрев организма ухудшает работоспособность, резко учащает пульс и дыхание, нарушает водно-солевой баланс, замедляет мыслительную деятельность, рассеивает внимание, ухудшает восприятие информации, вызывает опасные сердечно-сосудистые, желудочно-кишечные и другие заболевания. Наиболее тяжелое последствие перегрева организма - тепловой удар, симптомами которого являются рвота, головокружение, расширение кровеносных сосудов кожи, падение кровеносного давления, нарушение кровообращения и дыхания, судороги, иногда потеря сознания. Первая помощь при тепловом ударе заключается в энергичных мерах по охлаждению организма человека путем принятия душа или ванны либо обертывания мокрой простыней на 10 - 15 мин. Затем необходимы покой в тени или прохладном помещении и вызов врача.
При температуре воздуха 15 - 25 ºС теплопродукция организма человека находится на приблизительно постоянном уровне. По мере понижения температуры воздуха теплопродукция повышается за счет мышечной активности, проявлениями которой являются дрожь и усиление обмена веществ. При охлаждении человека резко падает работоспособность, теряются координация движений, быстродействие, появляются сонливость, опасная заторможенность центральной нервной системы, наблюдается рост числа ошибок и неправильных действий. При пониженной температуре окружающей среды сужаются кровеносные сосуды кожи, скорость протекания крови через них замедляется, а отдача тепла организмом человека в окружающую среду уменьшается.
Человек наделен защитной функцией терморегуляции, заключающейся в способности при изменяющихся микроклиматических условиях регулировать процессы теплообразования в организме и теплопередачи в окружающую среду, сохраняя постоянную температуру тела (36,1 - 37,0 ºС). Тепло, выделяемое человеком, отводится в окружающую среду благодаря конвекции воздуха у тела qк, теплопроводности через одежду qт, излучению qи и массообмену qм (при испарении влаги, выводимой на поверхность потовыми железами qисп, и при дыхании qв)
Q = qк + qт + qи + qисп + qв.
В обычных микроклиматических условиях при выполнении легкой физической работы человек 30% всего тепла отдает путем конвекции и теплопроводности через одежду, 45% - теплоизлучением, 20% - испарением пота и 5% - при дыхании. В зависимости от температуры окружающей среды tc и других факторов удельная теплоотдача может изменяться. Так, при tc > 30 ºС большая часть тепла отдается путем испарения влаги с поверхности кожи, а при tc, близкой к температуре тела, - исключительно за счет испарения пота. При нормальных условиях с потом человек теряет в сутки около 0,6 л жидкости.
Температура воздуха на РМ зависит от количества тепла, поступающего в помещение от источников тепловыделения, количества тепла, уходящего из помещения через ограждения и различные открытые проемы, и степени разбавления его приточным наружным воздухом. Ввиду неравномерного распределения тепла в помещении лаборатории температуру воздуха из- меряют в разных точках рабочей зоны (как правило, на высоте 1 м от пола).
Движение воздуха способствует отдаче теплоты, если температура воздуха ниже температуры тела человека. Если температура воздуха выше температуры тела человека, то происходит перегрев организма. Минимально ощутимая человеком скорость движения воздуха равна 0,2 м/с. Легкое движение воздуха при обычных температурах способствует хорошему самочувствию, сдувая обволакивающий человека насыщенный водяными парами и перегретый слой воздуха.
Действие температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха может быть антагонистическим (действие одних ослабляет действие других) или синкретическим (действие одних усиливает действие других).
Все параметры микроклимата нормируются. Устанавливаются оптимальные и допустимые значения температуры, влажности и скорости движения воздуха с учетом избытка тепла, времени года и тяжести выполняемой работы. Под оптимальными микроклиматическими условиями понимают такие сочетания параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения механизма терморегуляции, создают ощущение теплового комфорта, предопределяют хорошую работоспособность. Допустимыми микроклиматическими условиями считают такие сочетания параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека способны вызывать проходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма и напряженную работу механизма терморегуляции, не выходящую за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом не возникает повреждений или нарушений здоровья, но могут наблюдаться дискомфортные теплоощущения, ухудшение самочувствия и понижение работоспособности.
Так как тепловые ощущения человека определяются суммарным действием температуры, влажности, скорости движения воздуха и температуры окружающих поверхностей, возникает необходимость введения величины, которая служила бы критерием тепловых ощущений человека и в то же время являлась функцией величин, характеризующих состояние среды. Такая величина получила название эффективной температуры (ЭТ) - температуры насыщенного неподвижного воздуха, обладающего такой же охлаждающей способностью, как и воздух на рабочем месте с заданными значениями температуры и влажности. Чем больше отклонение ЭТ от комфортной, тем выше степень дискомфорта. Наблюдениями установлено, что максимум комфорта для людей, занятых легкой работой, в теплый период года соответствует 21 - 22 ºС ЭТ,
в холодный и переходный периоды - 18 - 19 ºС ЭТ.
В то же время для любого сочетания температуры, относительной влажности и скорости воздуха можно найти температуру неподвижного насыщенного воздуха, которая создает те же тепловые ощущения, т.е. обладает той же охлаждающей способностью. Эта температура называется эквивалентно-эффективной (ЭЭТ).
По номограмме (планшет 2) можно определить значения ЭТ и ЭЭТ для различных сочетаний температуры, относительной влажности и скорости воздушных потоков .
Известен математический метод учета тепловых ощущений:
S = k – 0,1tc – 0,0968to – 0,0372Рп + 0,0367 × (37,8 – tc)×, (3)
где S - характеристика тепловых ощущений; k - константа (для зимы
k = 7,83 и для лета k = 8,45); tc - температура воздуха по сухому термометру; to - температура окружающих поверхностей (на 5 - 10 ºС ниже tc); Рп - парциальное давление пара в воздухе, мм рт. ст.; v - скорость движения воздуха, м/с.
Данный метод применяется при влажности воздуха 30 - 70%. Значение S характеризует тепловые ощущения людей, находящихся в покое или выполняющих легкую физическую работу: 1 - очень жарко; 2 - жарко; 3 - тепло; 4 - нормально; 5 - прохладно; 6 - холодно; 7 - очень холодно.
Для измерения tc, tв и j используются гигрометр психометрический ВИТ-1 и психрометр аспирационный М-34. Гигрометр психометрический - стационарный; показания его в значительной степени зависят от подвижности воздуха и источников теплового излучения в помещении (j определяется по таблице на гигрометре). Психрометр аспирационный состоит из двух ртутных термометров, укрепленных в металлической оправе и заключенных в защитные металлические трубки, сообщающиеся общим воздуховодом с вентилятором, который находится в головке прибора. Через трубку с равномерной скоростью под действием вентилятора продувается исследуемый воздух, благодаря чему обеспечивается постоянство психрометрического коэффициента. Защитные металлические трубки устраняют влияние теплового излучения от окружающей среды и предметов. Вентилятор приводят в движение с помощью электромотора. Через 4 - 5 мин (а зимой через 2 - 5 мин) после запуска вентилятора можно, не выключая его, снимать показания прибора (j определяется по планшету 3).
Для измерения атмосферного давления служат ртутные и анероидные барометры. В практике применяют барометры-анероиды разных моделей, основной деталью которых является металлическая анероидная коробка.
1. Ознакомиться с устройством приборов, проверить наличие воды в психрометрах. Начертить план помещения, показать на нем РМ и наметить дополнительные точки замеров параметров микроклимата.
2. Определить параметры микроклимата на РМ при неподвижном воздухе (v = 0):
а) измерить давление воздуха с помощью барометра-анероида;
б) определить температуру воздуха и относительную влажность на РМ, зафиксировав показания tc1 и tв1 гигрометра психометрического ВИТ-1.
3. Определить параметры микроклимата на РМ при подвижном воздухе (v ¹ 0):
а) установить вентилятор на расстоянии 0,8 - 1,0 м от гигрометра психометрического ВИТ-1, включить и направить воздушный поток на гигрометр, с помощью анемометра произвести замеры скорости воздуха;
б) определить температуру воздуха и относительную влажность на РМ, зафиксировав показания гигрометра психометрического ВИТ-1 tc2 и tв2.
4. В соответствии с данными планшета 1 определить, какими являются полученные результаты на РМ: оптимальными, допустимыми или недопустимыми.
5. Произвести замеры относительной влажности в 2 - 3 точках лаборатории с помощью переносного психрометра аспирационного. Результаты замеров нанести на план помещения.
6. Провести оценку метеорологических условий методом учета тепловых ощущений и по эффективной температуре:
а) вычислить характеристику тепловых ощущений S при подвижном и неподвижном воздухе (формулы (1), (2), (3)) и оценить по ней метеоусловия на РМ;
б) определить величины ЭТ и ЭЭТ по номограмме (планшет 2) и оценить по ним метеоусловия на РМ.
7. Дать рекомендации по улучшению метеоусловий данного помещения.
8. Оформить отчет по работе.
Отчет должен содержать:
название и цель лабораторной работы;
план лаборатории с указанием точек контроля микроклимата и числовых значений его параметров;
расчеты характеристики тепловых ощущений;
выводы по работе.
Контрольные вопросы
Дать определение микроклимата.
Перечислить параметры микроклимата.
Как определяется относительная влажность воздуха?
Как влияет атмосферное давление на условия труда работающих?
Какое влияние оказывает температура производственного помещения на работоспособность человека?
Как влияет скорость движения воздуха на самочувствие человека?
Дать определения эффективной и эквивалентно-эффективной температур.
Рассказать о математическом методе учета тепловых ощущений человека.
Что такое терморегуляция организма человека?
1. ГОСТ 12.1.005-83. ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования.
2. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
Лабораторная работа № 2
Исследование средств звукоизоляции
Цель работы: ознакомление студентов с методами борьбы с производственным шумом, приборами для его измерения, нормативными требованиями к производственным шумам, а также экспериментальное измерение шума объекта и применение средств звукоизоляции.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
1. Стенд - модель производственного помещения.
2. Звукоизолирующие перегородки.
3. Генератор функциональный ФГ-100.
4. Измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М3.
Теоретические сведения
Шумом принято называть всякий нежелательный для человека звук, мешающий восприятию полезных сигналов. Шум представляет собой беспорядочное сочетание звуков различной интенсивности и частоты. Шум бывает:
механического происхождения, возникающий вследствие вибрации поверхностей машин и оборудования, а также одиночных или периодических ударов в соединениях деталей и конструкций;
аэродинамического происхождения (при истечении сжатого воздуха или газа);
гидромеханического происхождения (при истечении жидкостей);
электромагнитного происхождения, возникающий вследствие колебаний элементов электромеханических устройств под влиянием переменных магнитных сил.
Основными источниками шума в электрической и радиоэлектронной аппаратуре являются трансформаторное оборудование и системы охлаждения (вентиляторы, насосы, электродвигатели и др.).
Шум оказывает вредное влияние на весь организм человека и в первую очередь на центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. Длительное воздействие интенсивного шума приводит к ухудшению слуха, а в отдельных случаях к глухоте. Шум на производстве ослабляет внимание, вызывает усталость, замедляет скорость психических реакций, что отражается на качестве работы и может стать причиной несчастного случая.
Основными физическими характеристиками шума являются его частота и звуковое давление. Энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через квадратный метр поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука и определяется выражением I = p2/rc, Вт/м2, где p - звуковое давление, Па; r - плотность среды, кг/м3; с - скорость звука, м/с.
На практике пользуются логарифмическими уровнями интенсивности звука Li и звукового давления Lp, измеряемыми в децибелах. Уровни интенсивности звука и звукового давления определяются формулами Li = 10lg(I /I0); Lp = 20lg(p/p0), где I и p фактические значения интенсивности звука и звукового давления; I0 = 10–12 Вт/м2 и p0 = 2×10–5 Па -
пороговые значения интенсивности звука и звукового давления на пределе слышимости.
Допустимые уровни шума на рабочих местах задаются в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
Для снижения шума можно применять следующие способы:
уменьшение шума в источнике за счет улучшения конструкции машин и повышения точности изготовления деталей и узлов;
рациональную планировку производственных помещений, применение звукопоглощающих элементов и покрытий;
изменение направления излучения шума в противоположную сторону от рабочего места или жилого дома;
уменьшение шума на пути его распространения путем установки звукоизолирующего ограждения в виде стен, перегородок, кожухов.
В настоящее время конструкции звукопоглощающих и звукоизолирующих облицовок делят на три основные группы.
К первой группе относятся так называемые плоские звукопоглощающие элементы, выполненные из материалов полной заводской готовности.
Вторую группу составляют объемные звукопоглощающие элементы, отличающиеся повышенным (по сравнению с плоскими элементами) на 50 - 70% коэффициентом звукопоглощения за счет дополнительного поглощения вследствие явлений дифракции звуковых волн и за счет более развитой поверхности звукопоглощения. Известны два типа объемных элементов: однослойные и многослойные. Однослойные элементы изготовлены из материалов жесткой, полужесткой, зернистой, ячеистой или волокнистой структуры. Многослойные элементы состоят из легкого каркаса, имеющего форму куба, призмы, пирамиды, и звукопоглощающего заполнителя из рыхлых, сыпучих, или волокнистых материалов.
Третью группу образуют звукопоглощающие элементы кулисного типа, являющиеся по существу одной из форм объёмных элементов, у которых два размера значительно превосходят третий. Такие элементы отличаются простотой изготовления и монтажа, экономичностью и высокими огнестойкими качествами.
Почти все применяемые звукопоглощающие материалы и изготавливаемые на их основе средства звукопоглощения являются по своей структуре пористыми.
Исследования звукоизоляционных материалов проводятся на стенде - модели производственного помещения в виде двух смежных помещений, с возможностью перекрытия. В левой части находится источник звука (электродинамический громкоговоритель), в правой - микрофон для снятия уровня звукового давления. Громкоговоритель можно экранировать звукоизолирующим кожухом. Исследуются эффективность звукопоглощения следующих материалов: картона гофрированного, оргалита, древесно стружечной плиты (ДСП), древесноволокнистой плиты (ДВП), фанеры.
Схема лабораторного стенда представлена на рис.1. Одно помещение имитирует производственный участок, второе - конструкторское бюро. Источник звука (громкоговоритель) 1 находится под “полом” производственного участка (левой камеры) 2 и защищен решеткой 3. В конструкторском бюро (правая камера) 4 на подставке установлен микрофон 5. Обе камеры могут накрываться звукопоглощающим коробом 6. Кроме того, обе камеры снабжены осветительными приборами. Тумблеры для включения ламп находятся на передней стенке стенда, имеющей имеет два смотровых окна. Внутри на передней и задней стенках находятся направляющие, при помощи которых устанавливается изолирующая съемная перегородка 7, обеспечивающая изоляцию левой и правой камер друг от друга. Решетка громкоговорителя во время проведения лабораторной работы может быть закрыта звукоизолирующим кожухом 8. Для возбуждения громкоговорителя используется функциональный генератор ФГ-100, с помощью которого задаются амплитуда, тип и частота сигнала.
Внешний вид генератора показан на рис.2. Рукоятками 1 и 2 устанавливается частота сигнала, рукояткой 3 - форма, рукояткой 4 - амплитуда, гнезда 5 служат для включения кабеля питания громкоговорителя. Амплитуда устанавливается по заданию преподавателя и в процессе работы не меняется, форма (тип) сигнала - периодический.
Для измерения уровня звукового давления применяется измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М3. Внешний вид прибора показан на рис.3.
Для измерения шума микрофон устанавливается в правой части стенда направлением на динамик. Уровень звукового давления определяется по нижней шкале измерительного прибора (поз. 1) от - ¥ до + ¥. Предел измерений можно изменять с помощью регуляторов ДЛТ1 и ДЛТ2 (поз. 3, 5), при этом загорается светодиодный индикатор (поз. 2), указывающий диапазон измерения. Предел измерений может варьироваться от 20 до 130 дБ. Включение прибора, калибровка и работа в разных режимах осуществляются с помощью ручки “Род работы” (поз. 6). Положение “-“ означает что прибор выключен. Положение “^” - калибровка прибора. Положения F, S и 10S - режимы измерений: F(Fast) - маленькое время задержки, но при этом возможна флуктуация (колебания стрелки), S(Slow) - время задержки равно одной секунде, колебания стрелки могут присутствовать, 10S - время задержки равно десяти секундам, в этом случае значение измеряемого параметра устанавливается медленно. Можно использовать любой режим, что позволяет экономить время измерения.
Методика выполнения работы
1. Подключить стенд к сети, с помощью тумблера включить освещение внутри стенда.
2. Снять со стенда все средства звукоизоляции и звукопоглощения (звукопоглощающий кожух, звукоизолирующие перегородки, звукоизолирующий кожух). Установить микрофон на подставке в правой камере стенда.
3. Подключить к стенду генератор. Установить амплитуду звукового сигнала по заданию преподавателя.
4. Провести измерения уровня звукового давления L1 без средств звукоизоляции на частотах 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. Занести данные в форму табл.1.
|
Измерения |
Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц. |
||||
|
63 |
125 |
250 |
500 |
1000 |
|
|
L1 без средств звукоизоляции |
|||||
|
L2 со звукоизолирующим кожухом |
|||||
|
L3 с первой звукоизолирующей перегородкой |
|||||
|
L4 со второй звукоизолирующей перегородкой |
5. Произвести измерения уровня звукового давления L2 со звукоизолирующим кожухом 8 на заданных частотах. Занести данные в форму табл.1.
6. Произвести измерения уровня звукового давления L3 с первой звукоизолирующей перегородкой (7) на заданных частотах (материал перегородки - по указанию преподавателя). Занести данные в форму табл.1.
7. Произвести измерения уровня звукового давления L4 со второй звукоизолирующей перегородкой (7) на заданных частотах (материал перегородки - по указанию преподавателя). Занести данные в форму табл.1.
8. Построить графики зависимости уровня звукового давления от частоты для всех экспериментов.
9. Вычислить эффективность Э звукоизоляции по формуле
Э = (L1 – Li) / L1×100%,
где L1 - уровень звукового давления в первом эксперименте; Li - уровень звукового давления в остальных экспериментах.
10. Построить графики зависимости эффективности звукоизоляции Э от частоты.
11. Сравнить полученные результаты с санитарными нормами по шуму в производственных помещениях (планшет 1). Сделать выводы по данной работе и оформить отчет.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1) название и цель лабораторной работы;
2) таблицу с результатами измерений;
3) графики результатов;
4) выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Как шум влияет на человека?
2. Назовите основные физические характеристики шума.
3. Перечислите основные способы борьбы с шумом.
4. Какие существуют источники шума?
5. Назовите основные источники шума в радиоэлектронной аппаратуре.
6. Назовите наиболее распространенные звукоизолирующие материалы.
7. Назовите основные типы звукоизолирующих конструкций.
8. Как рассчитывается эффективность звукоизоляции?
Литература
Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.
Лабораторная работа № 3
Исследование вентиляционных систем
Цель работы: определение производительности вентиляционной установки и измерение уровня ее шума.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
1. Стенд - модель приточной вентиляционной системы.
2. Пневмометрическая трубка, смонтированная совместно с зондом.
3. Микроманометр ММН-2400(5)-1,0.
4. Шумомер ПИ-14.
5. Лабораторные планшеты.
Работа выполняется на стенде - модели приточной вентиляционной системы, изображенной на рис.1. Для измерения давления в воздуховоде используются пневмометрическая трубка и микроманометр.
Пневмометрическая трубка состоит из двух металлических трубок диаметром 5мм, спаянных по длине. Входные отверстия короткой трубки расположены на ее боковой поверхности. Они соединяются с концом капиллярной трубки микроманометра и служат для замера статического давления. Длинная трубка, открытая навстречу потоку воздуха, соединяется с резервуаром микроманометра и служит для замера динамического давления.0
Микроманометр представляет собой прибор с капиллярной стеклянной трубкой, угол наклона которой можно изменять от горизонтального до вертикального положения. На вертикальной планке, с помощью которой эту трубку устанавливают под углом к горизонту, нанесены цифры 0,125; 0,25 и 0,5, соответствующие синусу угла наклона. На капиллярной трубке нанесены деления шкалы от - 10 до +200 мм. Микроманометр обычно заполнен этиловым спиртом, плотность которого 0,8×103 кг/м3. Для того, чтобы показания прибора перевести в паскали, необходимо результат измерения по шкале перевести в метры, умножить на плотность спирта, ускорение свободного падения (9,81 м/с2) и синус угла наклона.
Присоединение концов обеих трубок к двум концам микроманометра позволяет измерить разность между полным и статическим давлением, т.е., динамическое давление Pдин.
Уровень шума измеряется специальным прибором - шумомером. Принцип работы данного прибора состоит в следующем. Микрофон, являющийся составной частью прибора, преобразует звуковые колебания в колебания электрического напряжения, которые усиливаются и измеряются стрелочным прибором в децибелах.
Для создания требуемых параметров микроклимата в производственном помещении применяют системы вентиляции и кондиционирования воздуха, а также различные отопительные устройства. Вентиляция - это смена воздуха в помещении в целях поддержания соответствующих метеорологических условий и чистоты воздушной среды. Вентиляция помещений достигается удалением из них нагретого или загрязненного воздуха и подачей чистого наружного воздуха.
По способу перемещения воздуха вентиляция может быть естественной, либо с механическим побуждением к движению воздушной массы; возможно также сочетание этих двух способов.
При естественной вентиляции воздух перемещается из - за разности температур и молекулярных весов последнего в помещении и снаружи, а также в результате ветрового давления (действия ветра). Наиболее распространенные способы естественной вентиляции - инфильтрация, проветривание, аэрация.
Инфильтрация - это неорганизованный воздухообмен через неплотности в притворах окон и дверей, а также поры материалов конструктивных элементов зданий.
Проветривание - это воздухообмен через открытые проемы окон и дверей при постоянной температуре. Постоянство температуры необходимо для предотвращения туманообразования и конденсации водяных паров на поверхности стен и окон.
Аэрация - организованная общеобменная естественная вентиляция в производственном помещении при заданных параметрах микроклимата.
При механической вентиляции воздух перемещается с помощью специальных воздуходувных машин - вентиляторов, создающих определенное давление и служащих для перемещения воздушной массы в вентиляционной сети. Чаще всего на практике используются осевые и радиальные вентиляторы.
По месту действия вентиляция бывает общеобменной и местной.
Общеобменная вентиляция обеспечивает поддержание требуемых параметров воздушной среды во всем объеме помещения, а местная - в определенной его части.
Воздух, всасываемый вентиляторами из атмосферы, после очистки и подогрева поступает в специальные каналы, называемые воздуховодами, и разводится по производственному помещению. Такая вентиляция называется приточной. Нагретый воздух из помещения, содержащий вредные примеси и водяные пары, отводится из помещения с помощью системы вытяжной вентиляции.
Приточная и вытяжная ветви вентиляции могут быть объединены, в этом случае система вентиляции называется приточно-вытяжной. Большое распространение на практике получила приточно-вытяжная вентиляция с рециркуляцией воздуха. Для нее характерно использование части воздуха, удаляемого из помещения и прошедшего очистку в системе приточной вентиляции. При этом рециркулирующий воздух разбавляется частью свежего воздуха, поступающего из атмосферы. Использование такой системы вентиляции позволяет снизить расходы на очистку воздуха, поступающего из атмосферы, и на его нагрев в холодное время года.
Для создания требуемых параметров микроклимата на определенном участке производственного помещения служит местная приточная вентиляция. Различают следующие устройства местной приточной вентиляции - воздушные души и оазисы, а также воздушно-тепловые
завесы.
Воздушные души применяются для защиты работающих от воздействия теплового излучения интенсивностью 350 Вт/м2 и более. Принцип действия этих устройств основан на обдуве работающего струей увлажненного воздушного потока, скорость которого составляет 1 - 3,5 м/с. При этом увеличивается теплоотдача организма в окружающую среду.
В воздушных оазисах, представляющих собой часть производственного помещения, ограниченного со всех сторон переносными перегородками, создаются требуемые параметры микроклимата. Воздушные оазисы используются в горячих цехах.
Для защиты людей от переохлаждения в холодное время года в дверных проемах и воротах устраивают воздушные и воздушно-тепловые завесы, в которых теплый воздух подается под углом к холодному воздушному потоку, поступающему в помещение. При этом снижается скорость либо изменяется направление холодного воздушного потока, уменьшая вероятность возникновения сквозняков в производственном помещении. Воздушно-тепловые завесы действуют на станциях метрополитена и в дверях крупных магазинов.
В настоящее время для поддержания требуемых параметров микроклимата широко применяются установки для кондиционирования воздуха (кондиционеры). Кондиционированием воздуха называется создание и автоматическое поддержание в производственных или бытовых помещениях, независимо от внешних метеорологических условий, постоянных или изменяющихся по определенной программе параметров микроклимата (температура, влажность, чистота и скорость движения воздуха), сочетание которых создает комфортные условия для труда или требуется для нормального протекания технологического процесса. Кондиционер - это автоматизированная вентиляционная установка, которая поддерживает в помещении заданные параметры микроклимата. Эксплуатация установок для кондиционирования воздуха обычно дороже, чем эксплуатация вентиляционных систем.
Для эффективной работы системы общеобменной вентиляции при поддержании требуемых параметров микроклимата количество воздуха, поступающего в помещение в единицу времени Lпр, должно быть практически равно количеству воздуха удаляемого из него Lвыт и соответствовать количеству примесей, выделяемых в помещении в единицу времени.
В данной лабораторной работе в качестве вредности, которую нужно удалить, рассматривается избыточное тепло. Требуемая величина воздухообмена для удаления избыточного тепла из помещения Qизб кДж/ч определяется выражением
Lпр = Qизб / c×r×(tуд – tпр), м3/ч, (1)
где Lпр - требуемое количество приточного воздуха, м3/ч; с - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1 кДж/кг×град; r - плотность приточного воздуха, кг/м3; tуд - температура удаляемого воздуха, ºС; tпр - температура приточного воздуха, ºС.
Если в производственном помещении находятся различные источники тепла, температура которых превышает температуру человека, то тепло от них самопроизвольно переходит к менее нагретому телу, т.е. к человеку. Различают три принципиально разных элементарных способа распространения тепла - теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность - перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц (атомов, молекул или электронов) тел непосредственно соприкасающихся друг с другом.
Конвекция - перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.
Тепловое излучение - распространение электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленное тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.
В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных способов, а комбинированным. Тепло, поступающее в производственное помещение от различных источников, влияет на температуру воздуха в нем. В производственных помещениях с большим тепловыделением приблизительно 2/3 тепла поступает за счет излучения, а практически все остальное тепло приходится на долю конвекции.
Тепловыделение в помещении от солнечной радиации учитывается в теплый период года при температуре наружного воздуха более 10 ºС. Тепло поступает в помещение через остекленные поверхности.
Количество тепла Qр, поступающего в помещение за счет солнечной радиации, для застекленных поверхностей определяется по формуле
Qр = FоqоAо, (2)
где Fо - площадь поверхности остекления; qо - величина солнечной радиации через поверхности остекления, зависящая от ориентации по сторонам света, кДж/м2×ч (см. планшет 1, табл.1); Aо - коэффициент зависящий от характеристики остекления и его загрязнения. Значения коэффициента Aо для различных видов остекления и состояния поверхности остекления:
двойное остекление в одной раме 1,15
одинарное остекление 1,45
обычное загрязнение стекла 0,8
сильное загрязнение стекла 0,7
застекление матовыми стеклами 0,4
Человек в процессе труда постоянно находится в состоянии теплового равновесия с окружающей средой. Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени его физического напряжения и параметров микроклимата в производственном помещении и составляет в состоянии покоя 86 Вт, при тяжелой физической работе до 500 Вт. (см. планшет 1, табл.2).
При работе вентиляционной системы для эффективного удаления избытков тепла температура приточного воздуха должна быть на 5 - 8 °С ниже температуры воздуха в рабочей зоне.
Определение производительности вентиляционной
установки
Объем подаваемого или удаляемого вентиляцией воздуха определяют по формуле
L = F×v×3600 м3/ч, (3)
где v - скорость движения воздуха, м/с; F - площадь сечения отверстий или воздуховода, м2.
Поэтому для оценки производительности механической вентиляционной установки необходимо определить скорость движения воздуха, проходящего по закрытому воздуховоду.
В основе описания движения воздуха лежат два фундаментальных закона - закон сохранения количества вещества (в гидро- и аэродинамике закон постоянства потока) и закон сохранения энергии (в гидро- и аэродинамике при установившемся или стационарном режиме уравнение Бернулли).
По закону постоянства потока
П = m / t = const, кг/с,
где П - величина потока; m - масса вещества; t - время.
Если плотность жидкости или газа равна r, то через сечение площадью F проходит со скоростью v поток жидкости или газа, равный П = r×F×v, кг/с.
Для двух произвольных сечений потока площадью F1 и F2 закон постоянства потока может быть выражен соотношением
r×F1×v1 = r×F2×v2 или F1×v1 = F2×v2,
т.е. чем меньше площадь поперечного сечения воздуховода, тем с большей скоростью движется поток, и наоборот.
Уравнение Бернулли записывается в виде
r×v12 / 2 + r×g×h1 + P1 = r×v22 / 2 + r×g×h2 + P2,
или
r×v2 / 2 + r×g×h + P = const
для любых сечений потока, где v1, v2 - скорость потока жидкости или газа при входе в трубу и выходе из нее, ρ - плотность газа или жидкости, P1, P2 - давление газа или жидкости при входе в трубу и выходе из нее, g - ускорение свободного падения, h1, h2 - расстояние между центром сечения трубы и некоторым уровнем, принятым за нулевой (рис.2).
В уравнении Бернулли слагаемое r×v2 / 2 =Pдин определяет динамическое давление, а rgh + P = Pст - статическое давление. Для горизонтальной линии потока, если h1 = h2, уравнение Бернулли принимает вид
r×v12 / 2 + P1 = r×v22 / 2 + P2.
Следовательно, статическое давление оказывается меньше там, где скорость течения жидкости или газа больше (т.е. где меньше сечение трубопровода), и наоборот.
Полное или общее давление Pп - алгебраическая сумма статического и динамического давлений Pп = Pдин + Pст.
В нагнетающих воздуховодах расположенных в системе после вентилятора, давление выше атмосферного. Однако практика измерений показывает, что в реальных воздуховодах скорость движения газа всегда неравномерна вследствие действия сил трения. В некоторых точках поперечного сечения воздуховода наблюдаются нулевые или даже отрицательные значения динамического давления, что указывает на наличие обратных потоков воздуха вследствие образования вихрей и характеризует воздуховод как гидравлически шероховатый. Поэтому при измерении динамического давления производится несколько замеров в сечении воздуховода с последующим усреднением результатов.
Вентиляционное оборудование является одним из источников шума. Шум - это совокупность звуков различной частоты. Шум неблагоприятно действует на человека, снижая его работоспособность. Основными физическими характеристиками шума являются его частота, интенсивность и звуковое давление.
На практике пользуются логарифмическими уровнями интенсивности звука и звукового давления, измеряемыми в децибелах. Уровни интенсивности звука Li и уровни звукового давления Lp определяются следующими соотношениями:
Li = 10lg(I / I0), дБ; Lp = 20lg(P / P0), дБ,
где I и P - фактические значения интенсивности звука и звукового давления; I0 = 10–12 Вт/м2 и P0 = 2×10–5 Па - пороговые значения на пределе слышимости.
Характеристики и предельные уровни шума на рабочих местах устанавливает ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Допустимые уровни шума на рабочих местах ограничиваются в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
В планшете 2 приведены допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот и уровни звука на некоторых рабочих местах предприятий для широкополосного шума. Кроме того, известен метод нормирования шума, основанный на измерении шума по стандартной шкале А шумомера. Эта шкала имитирует частотную чувствительность человеческого уха. Уровень шума, измеренный по шкале А шумомера, обозначается в дБА. Постоянные шумы предпочтительно характеризовать по предельному спектру шума, а непостоянные - только в дБА.
Методика выполнения работы
1. Определить по соотношению (1) теоретическую величину воздухообмена для удаления избыточного тепла Qизб из помещения, в котором работают 5 мужчин и 8 женщин, для чего по соотношению (2) рассчитать количество тепла Qр, поступающего в помещение через остекленную поверхность окна за счет солнечной радиации, а также учесть тепловыделение людей Qл, занятых работой средней тяжести: Qизб = Qр + Qл. Для расчета использовать данные таблиц 1, 2 планшета 1.
2. Определить динамическое давление в двух сечениях воздуховода
(1 и 2) (см. рис.1), для чего:
а) соединить концы пневмометрической трубки с микроманометром;
б) снять показания микроманометра до эксперимента, т.е. нулевой отчет статического давления P0;
в) ввести пневмометрическую трубку в воздуховод, повернув ее отверстие навстречу потоку воздуха и держа ее горизонтально;
г) измерить давление в нескольких (трех - пяти) точках каждого сечения (см. рис.1), произвести усреднение по формуле
,
где Pдин1, Pдин2,…. Pдинn - динамическое давление, замеренное в точках 1, 2, 3; n - количество измерений в одном сечении воздуховода.
3. Вычислить скорость движения воздуха, используя уравнение Бернулли. Если плотность воздуха при стандартных условиях равна r = 1,29 кг/м3, то скорость потока можно определить по формуле
v = 1,25, м/сек.
4. Вычислить по соотношению (2) количество воздуха прошедшего через вентиляционную установку, для чего измерить линейные размеры сечения воздуховода в точках 1 и 2 и рассчитать их площадь в квадратных метрах.
5. Результаты измерений и вычислений занести в форму таблицы.
Форма таблицы
|
Сечение |
F, м2 |
P1, Па |
P2, Па |
P3, Па |
vср, м/с |
L, м3/ч |
Lтеор, м3/ч |
|
1 |
|||||||
|
2 |
6. Сравнить данные теоретического расчета с расчетами, полученными на основе экспериментальных результатов.
7. Измерить уровень звукового давления на рабочем месте до и после включения вентиляционной установки (при измерениях необходимо держать шумомер в руке на высоте не менее 1,5 м от пола и на расстоянии 1 м от источника звука и стен).
8. Сделать вывод, обеспечивает ли данная вентиляционная установка необходимый воздухообмен и допустимые шумовые характеристики или подлежит модернизации.
9. Выбрать вентилятор, обеспечивающий заданную производительность и допустимый уровень шума (см. планшеты 2, 3, 4).
10. Оформить отчет.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1) название и цель работы;
2) краткие теоретические сведения;
3) результаты измерений в форме таблицы;
4) вывод на основе измерений о соответствии или несоответствии данной вентиляционной установки параметрам воздухообмена и шумовым характеристикам.
Контрольные вопросы
1. Что такое вентиляция и для чего она служит?
2. Основные типы вентиляции.
3. Основные требования к вентиляции.
4. Как и по каким параметрам можно рассчитать количество воздуха, необходимого для удаления различных вредностей из помещения?
5. Способы распространения тепла в помещении.
6. Как определить объем подаваемого или удаляемого вентиляцией воздуха?
7. Фундаментальные законы, лежащие в основе описания движения воздуха или жидкости.
8. Почему в воздуховоде с малой площадью поперечного сечения скорость движения воздушной массы больше, а статическое давление меньше, и наоборот?
9. Почему в воздуховоде возможно возникновение вихревого движения?
10. Шум и его нормирование.
Литература
1. Каракеян В.И. Безопасность жизнедеятельности: Уч. пособие. - М.: МИЭТ, 1999. - 140 с.
2. Экология и безопасность жизнедеятельности: Уч. пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. - М.: ЮНИТИ, 2000. - 448 с.
Лабораторная работа № 4
Исследование и расчет естественного освещения
Цель работы: измерение и расчет естественного освещения в помещении лаборатории и определение его качества.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
1. Люксметр Ю116
2. Лабораторные планшеты
Теоретические сведения
Освещение является одним из важнейших производственных условий работы. Через зрительный аппарат человек получает порядка 90% информации. От освещения зависит утомляемость работающего, производительность и качество труда. Достаточное освещение улучшает протекание основных процессов высшей нервной деятельности, стимулирует обменные и иммунобиологические процессы, оказывает влияние на суточный ритм физиологических функций организма человека.
Для характеристики зрительных условий работы используются различные светотехнические показатели.
Световой поток F - это мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению. Единицей светового потока принимается люмен (лм).
Сила света I - характеризует плотность светового потока, т.е. отношение светового потока к телесному углу. Единицей силы света является кандела (кд).
Освещенность Е - это поверхностная плотность светового потока, измеряется в люксах (лк).
Яркость поверхности B в данном направлении - отношение силы света, отраженного от поверхности, к проекции ее на плоскость, перпендикулярную отраженному лучу. Единицей яркости является кандела на квадратный метр (кд/м2).
Коэффициент отражения ρ - это способность поверхности отражать световой поток
r = Fотр/Fпад,
где, Fотр - световой поток отражённый от поверхности; Fпад - световой поток падающий на поверхность.
Фон - поверхность, к которой прилегает объект различения. В зависимости от величины коэффициента отражения различают фон светлый (r > 0,4), средний (r = 0,2 - 0,4), темный (r < 0,2).
Контраст объекта с фоном K определяется отношением разности яркостей объекта Bо и фона Bф к яркости фона, т.е.
K = (Bф – Bо) / Bф.
Наиболее важную роль в трудовом процессе играют такие функции зрения, как контрастная чувствительность, острота зрения, быстрота различения деталей, устойчивость ясного видения и цветовая чувствительность.
Контрастную чувствительность характеризует видимость объекта V - способность глаза воспринимать объект наблюдения:
V = K / Kпор,
где К - контраст объекта и фона; Кпор - пороговый контраст, т.е. наименьший контраст, различимый глазом.
Наличие в поле зрения больших яркостей вызывает ослепленность и может привести к повреждению сетчатой оболочки глаз.
Ослепленность Р - попадание в поле зрения ярких источников. Показатель ослепленности:
P = (V1 – V2) / V2,
где V1, V2 - видимость объекта наблюдения соответственно при экранировке и наличии блескости.
Под остротой зрения понимается максимальная способность глаза различать отдельные объекты. При увеличении освещенности до определенного уровня растет острота зрения. В прямой зависимости от уровня освещенности находится скорость зрительного восприятия, а также устойчивость ясного видения, под которой понимается способность глаза удерживать отчетливое изображение рассматриваемой детали. Наилучшие условия цветоощущения создаются при естественном освещении. Цвет влияет на другие зрительные функции.
Естественное освещение - освещение помещений прямым или отраженным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях. Естественное освещение используется для общего освещения производственных и подсобных помещений, создается лучистой энергией солнца и на организм человека действует наиболее благоприятно. Такой вид освещения характеризуется тем, что создаваемая освещенность в помещении изменяется в чрезвычайно широких пределах в зависимости от времени дня, года, метеорологических факторов, поэтому характеризовать его абсолютным значением освещенности на рабочем месте не представляется возможным. В качестве нормируемой величины взята относительная величина e - коэффициент естественной освещенности (КЕО), который представляет собой выраженное в процентах отношение освещенности данной точке внутри помещения Eв к одновременной наружной горизонтальной освещенности Eн, создаваемой рассеянным светом всего небосвода.
e = (Eв / Eн)×100%. (1)
Различают следующие виды естественного освещения помещений:
боковое одностороннее - световые проемы расположены в одной наружной стене помещения;
боковое - световые проемы расположены в двух противоположных наружных стенах помещения;
верхнее - фонари и световые проемы расположены в покрытии, а также световые проемы в стенах перепада высот здания;
комбинированное - световые проемы предусмотрены для бокового и верхнего освещения.
С целью создания наиболее благоприятных условий труда установлены нормы естественной освещенности. В тех случаях, когда естественная освещенность недостаточна, рабочие поверхности должны дополнительно освещаться искусственным светом. Смешанное освещение допускается при условии дополнительного освещения только рабочих поверхностей при общем естественном освещении.
Строительными нормами и правилами (СНиП 23-05-95) установлены коэффициенты естественной освещенности производственных помещений в зависимости от характера работы по степени ее точности.
Для поддержания необходимой освещенности помещений нормами предусмотрена обязательная очистка окон и световых фонарей. Кроме того, следует систематически очищать стены, оборудование и окрашивать их в светлые цвета.
Целью расчета естественного освещения является определение площади световых проемов, т.е. количества и геометрических размеров окон, обеспечивающих нормированное значение КЕО. Нормированное значение КЕО вычисляют по формуле:
eN = eH×mN,
где N - номер административно-территориального района по обеспеченности естественным светом; eH - значение КЕО, выбираемое по таблицам СНиП 23-05-95 в зависимости от характеристики зрительных работ в данном помещении и системы естественного освещения (см. планшет 1, табл.1). mN - значение коэффициента светового климата, выбираемое по таблицам СНиП в зависимости от вида световых проемов, их ориентации по сторонам горизонта и номера административно-территориального района (для лаборатории mN = 0,9).
Суммарная площадь световых проемов при боковом освещении определяется по формуле
, (2)
где Sо - суммарная площадь окон или фонарей, м2; Sп - площадь пола помещения, м2; eN - нормированное значение КЕО; Kз - коэффициент запаса, учитывающий загрязнение светопропускающего материала светового проема, зависит от типа помещения и расположения стекол
(см. планшет 1, табл.2); hо - световая характеристика окна и фонаря, определяемая по таблицам СНиП на основании отношений B/L и L/h (см. планшет 3, табл.5); Kзд - коэффициент, учитывающий затемнение окон противостоящими зданиями. При отсутствии противостоящих зданий Kзл = 1; tо - общий коэффициент светопропускания светового проема, t0 = t1×t2×t3; t1 - коэффициент светопропускания материала
(см. планшет 2, табл.4); t2 - коэффициент, учитывающий потери света в переплетах окна (см. планшет 2, табл.4); t3 - коэффициент, учитывающий потери света в слое загрязнения остекления (см. планшет 2, табл. 4); r1 - коэффициент, учитывающий отраженный свет при боковом и верхнем освещении (см. планшет 2, табл.5).
Количество световых проемов, обеспечивающих нормированное значение КЕО, вычисляют по формуле n = Sо / S1, где S1 - площадь одного светового проема, м2.
Классическим методом расчета естественного освещения является графический метод. КЕО может быть представлен как сумма трех компонентов:
e = eн + eо + eз, (3)
где eн - КЕО от прямого света небосвода; eо - КЕО, создаваемый отраженным светом от внутренних поверхностей помещения; eз - КЕО, создаваемый отраженным светом от стен противостоящих зданий.
eн = eрн×tо×q, (4)
где eрн - расчетное значение КЕО без учета светопотерь; tо - общий коэффициент светопропускания, учитывающий суммарные потери света при прохождении через стекло и переплет и зависящий от степени загрязненности стекла; q - коэффициент, учитывающий неравномерность яркости небесной полусферы от горизонта к зениту, определяется в зависимости от угла между горизонтом и линией, соединяющей точку рабочего места и середину светопроема (см. планшет 3, табл.6).
eо = eн×(r – 1), (5)
где r - коэффициент, учитывающий повышение КЕО за счет отраженного света от потолка и стен помещения (в лаборатории r = 1,65).
e = 0,1×eрн×tо. (6)
Геометрические коэффициенты естественной освещенности определяют методом Данилюка. Полусферу небосвода условно разбивают на 10000 участков равной световой активности, определяют количество участков небосвода, видимых из данной точки помещения через светопроем, т.е. графически определяют, какая часть светового потока от всей небесной полусферы непосредственно попадает в расчетную точку. Количество видимых через светопроемы участков небосвода определяют при помощи двух графиков, представляющих собой проекцию пучка лучей, соединяющих центры полусферы небосвода с участками равной световой активности, по высоте n1 (рис.1) и по ширине n2 (рис.2) светового проема.
Рис.1. Поперечный разрез помещения
Рис.2. План помещения
КЕО определяется следующим образом: графики 1 и 2 соответственно накладываются на поперечный разрез и план помещения и подсчитывается число лучей, пропускаемых светопроемом по его высоте и ширине. Геометрическое значение КЕО в данной точке помещения составляет
eрн = 0,01×n1×n2, (7)
где n1 - число лучей графика 1, проходящих через светопроем на поперечном разрезе помещения; n2 - число лучей графика 2, проходящих через светопроем на плане помещения.
1. Определить КЕО по экспериментальным данным в следующей последовательности:
а) выключить искусственное освещение;
б) включить люксметр;
в) замерить освещенность в помещении лаборатории на расстоянии 1, 2, 3, 4, и 5 м от окна. При этом пластину фотоэлемента держать параллельно полу, обращенной светочувствительным слоем вверх, на уровне высоты стола (0,8 м от пола). Наружную освещенность считать в 8 - 10 раз больше замеренной у окна;
г) по формуле (1) для каждой из пяти точек подсчитать значение КЕО;
д) в зависимости от величины КЕО с учетом систем освещения для каждой точки определить вид и разряд допускаемой зрительной работы (планшет 1, табл.1);
е) по полученным данным построить график изменения КЕО в помещении лаборатории в зависимости от расстояния от окна.
2. Произвести расчет площади световых проемов:
а) пронормировать КЕО для данного помещения. Принять во внимание, что средний коэффициент отражения rф от потолка, стен и пола для помещения лаборатории составляет 0,4, расстояния от верха окна до рабочей поверхности h = 2,9 м, ширина помещения B = 8 м, глубина помещения L = 8 м;
б) выполнить расчеты по формуле (2);
в) сравнить полученные значения площадей окон с действительными.
3. Определить КЕО графическим методом в заданной точке М
(см. рис.1 и 2);
а) наложить график 1 на поперечный разрез помещения так, чтобы полюс графика совпадал с точкой М, заданной на чертеже. Основание графика должно быть параллельно плоскости пола. Подсчитать количество лучей n1, проходящих через оконный проем по его высоте (луч - пространство между двумя условными прямыми на графике);
б) определить длину среднего луча, т.е. расстояние от полюса графика 1 до середины светопроема по его высоте на поперечном разрезе помещения;
в) определить местоположение точки М на плане помещения, для чего наложить график 2 на план помещения так, чтобы его основание было параллельно плоскости расположения светопроема, а полюс графика - на расстоянии, равном длине среднего луча, определенной в пункте б);
г) подсчитать число лучей n2, захватываемых световым проемом по ширине;
д) найти eрн по формуле (7);
е) подсчитать КЕО для точки М, применив формулы (3) - (7);
ж) по нормам СНиП (см. планшет 1, табл. 1) определить, какие работы можно проводить в точке М.
4. Оформить отчет.
Отчет должен содержать:
1) название и цель работы;
2) расчет КЕО и площади световых проемов;
3) графики КЕО;
4) расчет КЕО графически по методу Данилюка;
5) выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Какие факторы влияют на распространение естественного света?
2. Назовите основные достоинства естественного освещения.
3. Дайте определение освещенности.
4. Каково влияние освещенности рабочего места на человека?
5. Что такое общее и местное освещение?
6. Какие существуют виды естественного освещения?
7. Что показывает КЕО? Как он определяется?
8. В чем состоит метод Данилюка?
9. Как определяется общий коэффициент светопропускания светового проема?
10. Опишите принцип работы люксметра.
Литература
Лабораторная работа № 5
Исследование и расчет искусственного
освещения
Цель работы - изучение количественных и качественных характеристик освещения, оценка влияния типа светильника и цветовой отделки интерьера помещения на освещенность и коэффициент использования светового потока.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы.
1. Стенд - модель производственного помещения.
2. Люксметр-пульсаметр.
Теоретические сведения
Видимое излучение - участок спектра электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн 380 - 770 нм (1 нм = 10–9 м), регистрируемых человеческим глазом.
Для гигиенической оценки освещения используются следующие светотехнические характеристики.
Световой поток F - мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению. За единицу светового потока принят люмен (лм).
Сила света Iа - пространственная плотность светового потока:
Iа = dF/dω,
где dF - световой поток (лм), равномерно распределяющийся в пределах телесного угла dω. Единица измерения силы света - кандела (кд), равная световому потоку в 1 люмен, распространяющемуся внутри телесного угла в 1 стерадиан.
Освещенность E - поверхностная плотность светового потока, (лк):
E = dF/dS,
где dS - площадь поверхности, м2; на которую падает световой поток dF, лм.
Яркость В - поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению.
B = Iа/dS×cos α,
где Iа - сила света, кд; dS - площадь излучающей поверхности, м2;
α - угол между направлением излучения и плоскостью, град. Единицей яркости принята кандела на квадратный метр (кд/м2) - яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света в 1 кд с площади 1 м2.
Искусственное освещение предусматривается в помещениях при недостатке естественного света или при его отсутствии в определенное (вечернее, ночное) время суток. Для создания благоприятных условий труда освещение должно отвечать ряду требований:
Соответствие минимальной освещенности на рабочем месте зрительным условиям труда согласно санитарным нормам.
Равномерное распределение яркостей на рабочей поверхности и в пределах окружающего пространства. Яркости рабочей поверхности и окружающего пространстве не должны отличаться более чем в 3 - 5 раз.
Отсутствие резких теней на рабочей поверхности. Тени создают неравномерное распределение яркостей в поле зрения, искажают размеры и формы объектов различения. Особенно вредны «движущиеся» тени, способствующие увеличению травматизма.
Отсутствие прямой и отраженной блескости в поле зрения.
Ограничение блескости достигается правильным выбором направления светового потока на рабочую поверхность, увеличением высоты подвеса светильников, конструкцией самих светильников.
Постоянство величины освещенности во времени. Причиной колебаний освещенности могут быть изменения напряжения в сети, затенение световых проемов, движущиеся объекты в помещении, колебания светильников, а также пульсации светового потока газоразрядных ламп.
Правильное направление светового потока, позволяющее в одних случаях рассматривать внутренние поверхности деталей, в других - различать рельефность элементов рабочей поверхности.
Необходимый спектральный состав света, что наиболее существенно при обеспечении правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов.
Отсутствие в осветительной установке источников опасностей и вредностей. Необходимо свести до минимума тепловыделение, излучаемый шум, опасность поражения током, пожароопасность.
9. Удобство, надежность и простота эксплуатации.
По принципу организации искусственное освещение можно разделить на общее и комбинированное.
Общее освещение предназначено для освещения всего помещения, оно может быть равномерным или локализованным. Общее равномерное освещение создает условия для выполнения работ в любом месте освещаемого пространства. При общем локализованном освещении светильники размещают в соответствии с расположением оборудования, что позволяет создавать повышенную освещенность на рабочих местах и экономить энергоресурсы.
Комбинированное освещение состоит из общего и местного. Оно целесообразно при работах высокой точности, а также при работах, требующих создания светового потока определенной направленности. Местное освещение предназначено для освещения только рабочих поверхностей и не создает необходимой освещенности прилегающих к ним участков. Оно может быть стационарным и переносным. Применение только местного освещения в производственных помещениях запрещено, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными местами утомляет зрение, снижает скорость работы и нередко является причиной несчастных случаев.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное и охранное
Рабочее освещение предусматривается во всех помещениях производственных зданий, а также на участках открытых пространств, предназначенных для работы, прохода людей и движения транспорта.
Аварийное освещение в помещениях и на местах производства работ необходимо предусматривать, если отключение рабочего освещения и связанное с этим нарушение обслуживания оборудования может привести к взрыву, пожару, длительному нарушению технологического процесса или работы объектов жизнеобеспечения. Наименьшая освещенность, создаваемая аварийным освещением, должна составлять 5% освещенности, нормируемой для рабочего освещения, но не менее 2 лк внутри здания и не менее 1 лк на территории предприятия.
Эвакуационное освещение следует предусматривать в местах, отведенных для прохода людей, в проходах и на лестницах, служащих для эвакуации людей в количестве более 50 человек. Это освещение должно обеспечивать на полу основных проходов (или на земле) и на ступенях лестниц освещенность не менее 0,5 лк в помещениях и 0,2 лк на открытой территории.
Охранное освещение предусматривается вдоль границ территории, охраняемой в ночное время. Охранное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 0,5 лк на уровне земли.
Источники искусственного освещения
В качестве источников искусственного освещения применяются лампы накаливания и газоразрядные лампы.
В лампах накаливания источником света является раскаленная вольфрамовая проволока. Эти лампы дают непрерывный спектр излучения с повышенной (по сравнению с естественным светом) интенсивностью в желто-красной области спектра. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные, газонаполненные, бесспиральные (галогенные).
Общими недостатками ламп накаливания являются сравнительно небольшой срок службы (менее 2000 часов) и малая световая отдача (отношение создаваемого светового потока к потребляемой электрической мощности) (8 - 20 лм/Вт). В промышленности они находят, применение для организации местного освещения.
Наибольшее применение в промышленности находят газоразрядные лампы низкого и высокого давления. Газоразрядные лампы низкого давления, называемые люминесцентными, содержат стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором, наполненную дозированным количеством ртути (30 - 80 мг) и смесью инертных газов под давлением около 400 Па. На противоположных концах внутри трубки размещаются электроды, между которыми при включении лампы в сеть возникает газовый разряд, сопровождающийся излучением преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Это излучение в свою очередь преобразуется люминофором в видимое световое излучение. В зависимости от состава люминофора люминесцентные лампы обладают различной цветностью.
Современные газоразрядные лампы низкого давления имеют встроенный высокочастотный преобразователь. Газовый разряд в таких лампах (называемый вихревым) возбуждается на высоких частотах (десятки килогерц), за счет чего обеспечивается очень высокая светоотдача.
К газоразрядным лампам высокого давления (0,03 - 0,08 МПа) относят дуговые ртутные лампы. В спектре излучения этих ламп преобладают составляющие зелено-голубой области спектра.
Основными достоинствами газоразрядных ламп являются долговечность (свыше 10000 часов), экономичность, малая себестоимость изготовления, благоприятный спектр излучения, обеспечивающий высокое качество цветопередачи, низкая температура поверхности. Светоотдача этих ламп колеблется в пределах от 30 до 105 лм/Вт, что в несколько раз превышает светоотдачу ламп накаливания.
Нормирование искусственного освещения
Наименьшая освещенность рабочих поверхностей в производственных помещениях устанавливается в зависимости от характеристики зрительной работы и регламентируется строительными нормами и правилами.
Характеристика зрительной работы определяется минимальным размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и свойствами фона. Объект различения - рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые следует контролировать в процессе работы. Фон - поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается светлым при r > 4; средним - при р = 0,2 – 0,4; темным - при r < 0.2, где r - коэффициент отражения светового потока поверхностью.
Контраст объекта различения с фоном K определяется отношением абсолютной разности яркостей объекта В0 и фона Вф к наибольшей из этих двух яркостей. Контраст считается большим при K > 0,5; средним - при K = 0,2 - 0,5; малым - при K < 0,2.
В соответствии со СНиП 23-05-95 все зрительные работы делятся на восемь разрядов в зависимости от размера объекта различения и условий зрительной работы. Допустимые значения наименьшей освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях приведены на планшете 1.
Кроме цветности источников света и цветовой отделки интерьера, влияющих на “субъективную оценку освещения”, важным параметром, характеризующим качество освещения, является коэффициент пульсации освещенности Kп:
Kп = (Eмакс – Емин) / 2Еср×100%,
где Eмакс, Емин, Еср, - соответственно максимальная, минимальная, и средняя пульсирующая освещенность рабочей поверхности.
Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызывать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта из-за появления стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект - кажущееся изменение или прекращение движения объекта, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Например, если вращающийся с частотой fвр, белый диск с черным сектором освещать пульсирующим световым потоком (вспышками) с частотой fвсп, то сектор будет казаться: неподвижным при частоте fвсп = fвр, медленно вращающимся в обратную сторону при fвсп > fвр, медленно вращающимся в ту же сторону при fвсп < fвр. Пульсации освещенности на вращающихся объектах могут вызывать видимость их неподвижности, что в свою очередь может стать причиной травматизма.
Значение Kп меняется от нескольких процентов (для ламп накаливания) до нескольких десятков процентов (для люминесцентных ламп). Малое значение Kп для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока ламп Fлн в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через нуль. В то же время газоразрядные лампы обладают малой инерцией и меняют свой световой поток Fлл почти пропорционально амплитуде cетевого напряжения.
Для уменьшения коэффициента пульсации освещенности Kп люминесцентные лампы включаются в разные фазы трехфазной электрической сети. В этом случае за счет сдвига фаз на 1/3 периода провалы в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, так что пульсации суммарного светового потока существенно уменьшаются. При этом среднее значение освещенности, создаваемой лампами, остается неизменным и не зависит от способа их включения.
В соответствии со СНиП 23-05-95 коэффициент пульсации освещенности Kп нормируется в зависимости от разряда зрительных работ в сочетании с показателем ослепленности Р:
Р = (s – 1)×103,
где s - коэффициент ослепленности, определяемый как
s = (ΔBпор)s /ΔВпор,
ΔВпор - пороговая разность яркостей объекта и фона при обнаружении объекта на фоне равномерной яркости; (ΔВпор)s - то же при наличии в поле зрения блескостного (яркого) источника света.
На освещенность рабочей поверхности в производственном помещении влияют отражение и поглощение света стенами, потолком и другими поверхностями, расстояние от светильника до рабочей поверхности, состояние излучающей поверхности светильника, наличие рассеивателя света и т.д. Вследствие этого полезно используется лишь часть светового потока, излучаемого источником света.
η = Fф/Fл, (1)
Величину фактического светового потока Fф можно определить по результатам измерений в помещении средней освещенности Еср по формуле:
Fф = Еср×S, (2)
где S - площадь помещения, м2.
При проектировании освещения для определения требуемой величины светового потока Fф используется формула
Fф = E×S×Kз×Z,
где Е - нормируемая освещенность, (лк); K3 - коэффициент запаса, учитывающий старение ламп, запыленность и загрязненность светильников (обычно K3 = 1,3 - для ламп накаливания и K3 = 1,5 - для люминесцентных ламп); Z - коэффициент неравномерности освещения (обычно
Z ~ 1,1 - 1,2).
Отражающие свойства поверхностей помещения можно учесть с помощью коэффициента отражения светового потока р. В случае равномерно диффузного отражения, когда отраженный световой поток рассеивается с одинаковой яркостью во всех направлениях, яркость участка равномерно диффузно отражающей поверхности равна
Вотр = Е×р/π,
где Е - освещенность поверхности.
Лабораторная установка состоит из макета производственного помещения, оборудованного различными источниками искусственного освещения, и люксметра-пульсаметра для измерения освещенности и коэффициента ее пульсации (рис.1). Макет состоит из алюминиевого каркаса 1, пола 2, потолка 3, боковых стенок 4, задней и передней стенок 5. Задняя и боковые стенки съемные и могут устанавливаться любой из двух сторон внутрь макета. Одна сторона стенок окрашена в светлые тона, другая - в темные тона, при этом нижняя окрашенная половина стенки темнее верхней. Передняя стенка 5 жестко вмонтирована в каркас и выполнена из тонированного прозрачного стекла.
В передней нижней части каркаса 1 предусмотрено окно для установки измерительной головки 6 люксметра-пульсаметра 7 внутрь каркаса. На полу 2 размещен вентилятор 8 для наблюдения стробоскопического эффекта и охлаждения ламп в процессе работы. На потолке 3 размещены семь патронов, в которых установлены две лампы накаливания 9, три люминесцентные лампы 10 типа КЛ9, галогенная лампа 11 и люминесцентная лампа 12 типа СКЛЭН с высокочастотным преобразователем. Вертикальная проекция ламп отмечена на полу 2 цифрами, соответствующими номерам ламп на лицевой панели макета.
Включение электропитания установки производится автоматом защиты, находящимся на задней панели каркаса, и регистрируется сигнальной лампой, расположенной на передней панели каркаса. На передней панели каркаса находятся органы управления и контроля: лампа индикации включения напряжения сети, переключатель для включения вентилятора, ручка регулирования частоты вращения вентилятора, переключатели для включения ламп. Электропитание ламп накаливания и люминесцентных ламп осуществляется от разных фаз. Схема позволяет включать отдельно каждую лампу с помощью соответствующих переключателей, расположенных на передней панели каркаса. На задней панели каркаса находятся автомат защиты сети и сдвоенная розетка с напряжением 220 В для подключения измерительных приборов.
Люксметр-пульсаметр содержит корпус 1 (рис.2), на лицевой панели которого расположен стрелочный индикатор 2, переключатель 3 режима измерения (освещенность Е - коэффициент пульсации Kп), переключатель 4 диапазона измерения (30; 100) и переключатель 5 включения напряжения сети со встроенным индикатором. На боковой стенке корпуса 1 закреплены сетевой шнур 6 с вилкой и держатель 7 предохранителя. В качестве приемника светового потока используется измерительная головка 8 с насадками 9. При выключенном питании прибор работает как люксметр и позволяет измерять освещенность
в диапазоне от 5 до 100000 лк. Выбор диапазона определяется насадками. В положении 100 переключателя 4 диапазона измерения с насадками К и М измеряется освещенность до 1000 лк, с насадками К и Р - до 10000 лк и с насадками К и Т - до 100000 лк. В положении 30 переключателя диапазона измерения с этими же насадками измеряется освещенность до 300, 3000 и 30000 лк соответственно. Прибор позволяет также измерять коэффициент пульсации освещенности в диапазоне от 0 до
30% или от 0 до 100% в зависимости от положения переключателя диапазона измерения. Следует обратить внимание на то, чтобы измерение коэффициента пульсации производилось при тех же насадках, что и измерение освещенности.
Методика выполнения работы
1. Установить стенки макета производственного помещения таким образом, чтобы стороны, окрашенные в темные тона, были обращены внутрь помещения.
Включить установку с помощью автомата защиты, находящегося на задней панели каркаса.
Включить люминесцентные лампы КЛ9.
Произвести измерение освещенности с помощью люксметра-пульсаметра не менее чем в пяти точках макета производственного помещения (в центре и углах пола), результаты занести в форму табл.1, определить среднее значение освещенности Еср.
Установить стенки макета производственного помещения таким образом, чтобы стороны, окрашенные в светлые тона, были обращены внутрь помещения.
Произвести измерение освещенности не менее чем в пяти точках макета производственного помещения, результаты занести в форму табл.1, определить среднее значение освещенности Еср.
7. Сравнить полученные в результате измерений по п.п. 4 и 6 значения освещенности с допустимыми значениями освещенности, приведенными в планшете (разряд зрительных работ принять по указанию преподавателя).
8. По результатам измерений освещенности для варианта с темной и светлой окраской стен вычислить фактический световой поток Fф по формуле (2).
9. Вычислить коэффициент использования осветительной установки η для варианта с темной и светлой окраской стен по формуле (1). Суммарный световой поток Fл выбрать по номинальной мощности для каждого типа ламп по табл.2.
10. Повторить действия п. п. 1 - 9 для других типов ламп.
11. Сравнить коэффициенты использования осветительной установки, полученные для случаев с использованием различных источников света и различной окраски стен.
12. С помощью люксметра-пульсаметра измерить коэффициент пульсаций освещенности сначала при включении одной лампы накаливания, а затем при включении одной люминесцентной лампы типа КЛ9. Сравнить полученные значения.
Форма таблицы 1
Результаты экспериментов
|
Измеряемые параметры |
Тип ламп* |
|||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||||
|
Окраска боковых стенок** |
||||||||
|
С |
Т |
С |
Т |
С |
Т |
С |
Т |
|
|
Освещенность в точках: 1 2 3 4 5 Среднее значение |
||||||||
|
Допустимая освещенность |
||||||||
|
Фактический световой поток |
||||||||
|
Суммарный световой поток |
||||||||
|
Коэффициент использования осветительной установки |
||||||||
|
Коэффициент пульсации освещенности при количестве ламп 1 2 3 |
*Типы ламп: 1 - люминесцентная КЛ9; 2 - люминесцентная СКЛЭН;
3 - накаливания; 4 - галогенная.
**Окраска боковых стенок: С - светлые тона; Т - темные тона.
13. Измерить и сравнить между собой коэффициенты пульсации освещенности при включении сначала одной, затем - двух и, наконец, трех люминесцентных ламп типа КЛ9. (Следует учесть, что люминесцентные лампы включены в три различные фазы трехфазной сети, поэтому измерительную головку люксметра-пульсаметра необходимо располагать в геометрическом центре системы включенных ламп.)
Таблица 2
Характеристики источников искусственного освещения
|
Тип ламп |
Номинальная мощность, Вт |
Номинальный световой поток, лм |
|
Накаливания |
60 |
730 |
|
Накаливания криптоновая |
60 |
800 |
|
Люминесцентная КЛ 9 |
9 |
600 (465)* |
|
Люминесцентная СКЛЭН |
11 |
700 |
|
Галогенная |
50 |
850 |
*После минимальной продолжительности горения (2000 часов)
14. Включить люминесцентную лампу типа КЛ9 в центре установки и вентилятор. Вращая ручку “Частота”, регулирующую скорость вращения лопастей вентилятора, подобрать такую частоту, при которой возникает стробоскопический эффект (лопасти кажутся неподвижными).
15. Выключить стенд. Составить отчет по работе.
Отчет должен содержать:
название и цель работы;
результаты эксперимента в виде таблицы;
анализ результатов эксперимента;
заключение о качестве освещения.
Контрольные вопросы
Требования к искусственному освещению.
Основные светотехнические характеристики.
Классификация искусственного освещения.
Характеристика источников искусственного освещения.
Нормирование искусственного освещения.
Расчет искусственного освещения с помощью коэффициента использования осветительной установки.
Лабораторная работа № 6
Исследование средств защиты
от инфракрасного излучения
Цель работы: определение интенсивности инфракрасного излучения на рабочем месте и разработка методов и средств защиты работающих от его воздействия.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
Электрокамин ЭКПС-1,0/220.
Пылесос “Тайфун 1200”.
Измеритель плотности теплового потока ИПП-2М.
Экраны теплового потока.
Лабораторный стол с линейной шкалой.
Источником инфракрасного излучения (ИК) является любое нагретое тело, температура которого определяет интенсивность и спектр излучаемой электромагнитной энергии. Длина волны с максимальной энергией теплового излучения определяется по формуле
lmах = 2,9×103 / T [мкм], (1)
где T - абсолютная температура излучающего тела, К.
Инфракрасное излучение подразделяется на три области:
- коротковолновая (λ = 0,7 - 1,4 мкм);
- средневолновая (λ = 1,4 - 3,0 мкм);
- длинноволновая (λ = 3,0 мкм - 1,0 мм).
Электрические волны инфракрасного диапазона оказывают в
основном тепловое воздействие на организм человека. При этом необходимо учитывать: интенсивность и длину волны c максимальной энергией; площадь излучаемой поверхности; длительность облучения за рабочий день и продолжительность непрерывного воздействия; интенсивность физического труда и подвижность воздуха на рабочем месте; качество спецодежды; индивидуальные особенности работающего.
Лучи коротковолнового диапазона с длиной волны l ≤ 1,4 мкм обладают способностью проникать в ткань человеческого организма на несколько сантиметров. Такое ИК излучение легко проникает через кожу и черепную коробку в мозговую ткань и может воздействовать на клетки головного мозга, вызывая его тяжелые поражения, симптомами которого являются рвота, головокружение, расширение кровеносных сосудов кожи, падение кровеносного давления, нарушение кровообращения и дыхания, судороги, иногда потеря сознания. При облучении коротковолновыми ИК лучами наблюдается также повышение температуры легких, почек, мышц и других органов. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости появляются специфические биологически активные вещества, наблюдается нарушение обменных процессов, изменяется функциональное состояние центральной нервной системы.
Лучи средневолнового диапазона с длиной волны l = 1,4 - 3,0 мкм задерживаются в поверхностных слоях кожи на глубине 0,1 - 0,2 мм. Поэтому их физиологическое воздействие на организм проявляется главным образом в повышении температуры кожи и нагреве организма.
Наиболее интенсивный нагрев кожной поверхности человека происходит при ИК излучении с l > 3 мкм. Под его воздействием нарушается деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем, а также тепловой баланс организма, что может привести к тепловому удару.
Интенсивность теплового излучения регламентируется, исходя из субъективного ощущения человеком энергии облучения. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования и осветительных приборов не должна превышать: 35 Вт/м2 при облучении более 50% поверхности тела; 70 Вт/м2 при облучении от 25 до 50% поверхности тела; 100 Вт/м2 при облучении не более 25% поверхности тела. От открытых источников (нагретые металл и стекло, открытое пламя) интенсивность теплового облучения не должна превышать 140 Вт/м2 при облучении не более 25% поверхности тела и обязательном использовании средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица
и глаз.
Нормы ограничивают также температуру нагретых поверхностей оборудования в рабочей зоне, которая не должна превышать 45 ºС. Температура поверхности оборудования, внутри которого температура близка к 100 ºС, должна быть не выше 35 ºС.
Интенсивность (плотность потока) инфракрасного излучения q определяется по формуле
q = 0,78×S×(T4×10–8 – 110) / r2, Вт/м2 (2)
где S - площадь излучающей поверхности, м; T - температура излучающей поверхности, К; r - расстояние от источника излучения, м.
К основным видам защиты от инфракрасного излучения относятся:
1) защита временем;
2) защита расстоянием;
3) экранирование, теплоизоляция или охлаждение горячих поверхностей;
4) увеличение теплоотдачи тела человека;
5) индивидуальные средства защиты;
6) устранение источника тепловыделения.
Защита временем предусматривает ограничения времени пребывания рабочего в зоне действия излучения. Безопасное время пребывания человека в зоне действия ИК излучения зависит от его интенсивности (плотности потока) и определяется по табл.1.
Таблица 1
Время безопасного пребывания людей в зоне ИК излучения
|
Плотность потока ИК излучения, Вт/м2 |
До 350 |
500 |
700 |
1200 |
2000 |
2100 |
|
Время пребывания, мин |
Не ограничено |
20 |
15 |
10 |
5 |
4,5 |
Безопасное расстояние определяется по формуле (2) в зависимости от длительности пребывания в рабочей зоне и допустимой плотности ИК излучения.
Мощность ИК излучения можно уменьшить путем конструкторских и технологических решений (замена режима и способа нагрева изделий и др.), а также покрытием нагревающихся поверхностей теплоизолирующими материалами.
Одним из наиболее распространенных видов защиты от ИК излучения является экранирование излучающих поверхностей. Различают экраны трех типов: непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные.
В непрозрачных экранах энергия электромагнитных колебаний, взаимодействуя с веществом экрана, превращается в тепловую. При этом экран нагревается и, как всякое нагретое тело, становится источником теплового излучения. Излучение противолежащей источнику поверхностью экрана условно рассматривается как пропущенное излучение источника. К непрозрачным экранам относятся: металлические, альфолевые (из алюминиевой фольги), пористые (пенобетон, пеностекло, керамзит, пемза), асбестовые и другие.
В прозрачных экранах излучение распространяется внутри них по законам геометрической оптики, что и обеспечивает видимость через экран. Эти экраны изготавливают из различных стекол, применяют также пленочные водяные завесы (свободные и стекающие по стеклу).
Полупрозрачные экраны объединяют свойства прозрачных и непрозрачных экранов. К ним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой.
По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Это деление достаточно условно, так как каждый экран обладает способностью отражать, поглощать и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе определяется тем, какая его способность выражена сильнее.
Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхностей, вследствие чего значительную часть падающей на них лучистой энергии они отражают в обратном направлении. В качестве теплоотражающих материалов используют альфоль, листовой алюминий, оцинкованную сталь.
Теплопоглощающими называют экраны, выполненные из материалов с высоким термическим сопротивлением (малым коэффициентом теплопроводности). В качестве теплопоглощающих материалов используют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, шлаковату.
Как теплоотводящие экраны наиболее широко применяются водяные завесы, свободно падающие в виде пленки, либо орошающие другую экранирующую поверхность (например, металлическую), либо заключенные в специальный кожух из стекла или металла.
Эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов Э определяется по формулам
Э = (q – qз) / q, (3)
Э = (t – tз) / t, (4)
где q - плотность потока ИК излучения без применения защиты, Вт/м2; qз - плотность потока ИК излучения с применением защиты, Вт/м2;
t - температура ИК излучения без применения защиты, ºС; tз - температура ИК излучения с применением защиты, ºС.
Поток воздуха, направленный непосредственно на работающего, позволяет увеличить отвод тепла от его тела в окружающую среду. Выбор скорости потока воздуха зависит от тяжести выполняемой работы и интенсивности ИК излучения, но она не должна превышать 5 м/с, так как в этом случае у работающего возникают неприятные ощущения (например, шум в ушах). Эффективность воздушных душей возрастает при охлаждении направляемого на рабочее место воздуха или при подмешивании к нему мелко распыленной воды (водовоздушный душ).
В качестве индивидуальных средств защиты применяется спецодежда из хлопчатобумажной и шерстяной тканей, из тканей с металлическим покрытием (отражающих до 90% ИК излучения). Для защиты глаз предназначены очки, щиты со специальными стеклами - светофильтрами желто-зеленого или синего цвета.
Лечебно-профилактические мероприятия предусматривают организацию рационального режима труда и отдыха. Длительность перерывов в работе и их частота определяются интенсивностью ИК излучения и тяжестью работы. Наряду с периодическими проверками проводятся медосмотры с целью профилактики профессиональных заболеваний.
В лабораторной работе в качестве источника ИК излучения применяется бытовой электрокамин 2 (см. рисунок). Пылесос 7 служит для создания вытяжной вентиляции, воздушного душа или воздушной завесы. Стойка 4 может вручную перемещаться по столу вдоль линейки 6, которая предназначена для измерения расстояния от источника ИК излучения до измерительной головки измерителя плотности теплового потока ИПП-2М 5.
Схема лабораторного стенда: 1 - стол; 2 - электрокамин ЭКПС-1,0/220; 3 - стойка для размещения сменных экранов; 4 - стойка для установки измерительной головки; 5 - измеритель плотности теплового потока ИПП-2М; 6 - линейка; 7 - пылесос “Тайфун 1200”.
1. Подключить источник ИК излучения к розетке. Включить источник ИК излучения (верхнюю часть) и измеритель плотности теплового потока ИПП-2М.
2. Установить головку измерителя плотности теплового потока на расстоянии 100 мм от источника ИК излучения и определить плотность теплового потока (среднее значение трех - четырех замеров).
3. Вручную переместить штатив вдоль линейки, устанавливая головку измерителя на расстояниях, от источника излучения указанных в форме табл.2 и повторить измерения. Данные замеров занести в форму табл.2.
4. Построить график зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния.
5. Повторить измерения по пп. 1 - 3 с различными защитными экранами (теплоотражающим алюминиевым, теплопоглощающим тканевым, металлическим с зачерненной поверхностью, смешанным кольчуга). Данные замеров занести в форму табл.2. Построить графики зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния для каждого экрана.
Форма таблицы 2
Результаты экспериментов
|
Вид |
Расстояние от источника r, см |
Плотность потока ИК излучения q, Вт/м2 |
||||
|
q1 |
q2 |
q3 |
q4 |
qср |
||
|
100 |
||||||
|
200 |
||||||
|
300 |
||||||
|
400 |
||||||
|
500 |
6. Оценить эффективность защитного действия экранов по формуле (3).
7. Установить защитный экран (по указанию преподавателя), разместить на нем широкую щетку пылесоса. Включить пылесос в режим отбора воздуха, имитируя устройство вытяжной вентиляции, и спустя 2 - 3 минуты (после установления теплового режима экрана) определить интенсивность теплового излучения на тех же расстояниях, что и в п. 3. Оценить эффективность комбинированной тепловой защиты по формуле (3).
8. Зависимость интенсивности теплового излучения от расстояния для заданного экрана в режиме “вытяжной вентиляции” нанести на общий график (см. п. 5)
9. Определить эффективность защиты, измеряя температуру для заданного экрана с использованием “вытяжной вентиляции” и без нее по формуле (4).
10. Построить графики эффективности защиты “вытяжной вентиляции” и без нее.
11. Перевести пылесос в режим “воздуходувки” и включить его. Направляя поток воздуха на поверхность заданного защитного экрана (режим “душирования”), повторить измерение в соответствии с пп. 7 - 10. Сравнить результаты измерений пп. 7 - 10.
12. Закрепить шланг пылесоса на одной из стоек и включить пылесос в режиме “воздуходувки”, направив поток воздуха почти перпендикулярно тепловому потоку (немного навстречу) - имитация “воздушной завесы”. С помощью измерителя ИПП-2М измерить температуру ИК излучения без “воздуходувки” и с ней.
13. Построить графики эффективности защиты “воздуходувки” по формуле (4).
14. Преобразовать формулу (2) с целью определения температуры T для одного из вариантов (по указанию преподавателя) и вычислить по формуле (1) длину волны l. Указать в отчете, как эта длина волны влияет на организм человека.
Отчет должен содержать:
название и цель работы;
схему лабораторного стенда;
результаты измерений и графики;
выводы по работе.
Рассказать о влиянии инфракрасного излучения на организм человека.
Рассказать о влиянии на человека теплового облучения от нагретых поверхностей технологического оборудования.
Перечислить основные виды защиты от инфракрасного излучения.
Дать классификацию экранов по принципу действия. Привести примеры.
Перечислить индивидуальные средства защиты от инфракрасного излучения.
1. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования.
2. ГОСТ 12.4.123-83. ССБТ. Средства защиты от инфракрасного излучения. Классификация. Общие технические требования.
Цель работы: изучение методов измерения вибрации и оценка эффективности средств виброзащиты.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
Стенд вибрационный.
Генератор низкочастотных сигналов.
Измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М3.
Датчик измерения вибрации ДН-4.
Виброзащитные устройства.
Теоретические сведения
Под вибрацией понимают механические колебания элементов машин. Вибрация возникает при вращении неуравновешенных деталей машин или под воздействием динамических нагрузок, возникающих при соударении отдельных элементов механизмов.
По способу передачи на человека различают общую и локальную вибрации. Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека. Локальная вибрация передается через руки человека. Направления вибрации указывают в ортогональной системе координат. Для общей вибрации ось Z перпендикулярна опорной поверхности, ось X горизонтальна от спины к груди, ось Y горизонтальна от правого плеча к левому.
При превышении допустимых уровней вибрация оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека и вызывает со временем возникновение вибрационной болезни. Люди, подвергающиеся воздействию вибрации, чаще болеют сердечно-сосудистыми и нервными заболеваниями.
Характеристиками вибрационной нагрузки на оператора являются:
виброускорение (виброскорость);
диапазон частот;
время воздействия вибрации.
Если амплитуда колебаний с частотой f Гц равна А метров, то виброскорость v = А×(2pf) м/с, а виброускорение а = А×(2pf)2 м/с2 На практике используют логарифмические уровни виброскорости Lv и виброускорения La.
Lv = 20lg(v / 5×10–8) [дБ]; La = 20lg(a / 5×10–6) [дБ]; (1)
Величина вибрации нормируется в октавных полосах со среднегеометрическими частотами:
для локальной вибрации: 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000 Гц;
для общей вибрации: 2; 4; 8; 16; 31,5; 63 Гц.
Время воздействия вибрации измеряется в минутах или часах непрерывного или накопленного суммарного воздействия. Для обеспечения вибрационной безопасности труда необходимо, чтобы интенсивность вибрации на рабочих местах не превышала нормативных значений. В табл.1 приведены некоторые гигиенические нормы вибрации в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90.
Таблица 1
Некоторые гигиенические нормы вибрации по ГОСТ 12.1.01-90
|
Вибрации |
Допустимый уровень виброскорости, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц |
|||||
|
2 |
4 |
8 |
16 |
31,5 |
63 |
|
|
Транспортно-технологическая |
117 |
108 |
102 |
101 |
101 |
101 |
|
Технологическая |
108 |
99 |
93 |
92 |
92 |
92 |
|
В производственных помещениях, где нет машин, генерирующих вибрацию |
100 |
91 |
85 |
84 |
84 |
84 |
|
В служебных помещениях, конструкторских бюро, лабораториях |
91 |
82 |
76 |
75 |
75 |
75 |
Для уменьшения вибрации необходимо снижать динамические нагрузки и балансировать детали машин, использовать устройства виброизоляции и динамического виброгашения.
Эффективность виброзащиты оценивается для каждой октавной полосы частот коэффициентом передачи вибрации (КП), который численно равен отношению амплитуды колебания объекта к амплитуде вибрирующего основания. КП зависит от конструкции и характеристик виброзащитного устройства. Обычно устройство состоит из упругих элементов (плоских или винтовых пружин) и демпферов - поглотителей энергии (жидкостных, пневматических, с сухим внешним трением или внутренним трением).
При аналитических исследованиях устройство рассматривают в виде модели, показанной на рис.1,
где m - масса защищаемого объекта, k - жесткость упругого элемента (Н/м), D - характеристика демпфера (Н×с/м), А - амплитуда колебания основания, Аз - амплитуда колебания объекта.
Решение дифференциального уравнения движения массы показывает, что КП зависит от собственной частоты системы f0, определяемой по формуле (2) и величины демпфирования:
(2)
Графики зависимости коэффициента передачи вибрации от отношения f /f0 при различных уровнях демпфирования показаны на рис.2. Из графиков видно, что в дорезонансной и резонансной областях эффекта виброзащиты нет, амплитуда колебания объекта превышает амплитуду колебания основания. Демпфирование ограничивает величину вибрации, блокируя резонансные явления. В зарезонансной области наблюдается эффект виброзащиты, при этом с увеличением величины демпфирования амплитуда колебания объекта растет.
Лабораторный стенд для исследования вибрации включает регулируемый источник вибрации (вибростенд), установленный на подставке. На столе вибростенда закрепляются объекты испытаний и датчик измерения вибрации типа ДН-4. На лабораторном столе размещаются генератор низкочастотных сигналов, позволяющий изменять частоту и амплитуду колебаний вибростенда, и измеритель шума и вибрации типа ВШВ-003-М3, позволяющий измерять параметры вибрации (амплитудное значение ускорения или скорости механических колебаний объекта испытаний).
Принципиальная схема вибростенда показана на рис.3. Вибростенд имеет электродинамическую систему возбуждения колебаний. Он состоит из защитного разъемного кожуха 1, в котором установлен магнитопроводящий корпус 3. Постоянный магнит 5 прикреплен к дну корпуса 3 и входит в цилиндрическое отверстие вибростола 7, закрепленного с помощью листовых пружин 9 на горизонтальной пластине 2, установленной на корпусе 3. Катушка возбуждения 6 намотана вокруг сердечника вибростола 7. Защитная резиновая прокладка 8 закреплена на верхней части кожуха 1. Защитный кожух 1 прикреплен с помощью шпилек к основанию 4 и имеет возможность вращения вокруг горизонтальной оси. На стол вибростенда закрепляется объект, состоящий из пластины с датчиком вибрации ДН-4.
Кабель питания вибростенда вставляется в гнезда 6 генератора низкочастотных сигналов (рис.4). Для возбуждения колебаний вибростенда необходимо включить генератор (выключатель на задней крышке), дать ему прогреться в течение 10 минут, установить переключателем 1 требуемый диапазон частот («х1», «х10», «х100»), ручкой 2 плавно по индикатору 3 установить требуемую частоту колебаний стола. Значение амплитуды колебаний задается рукояткой 5 под контролем преподавателя. Внимание! При возникновении перегрузки загорается светодиод “Перегрузка” 4. В этом случае необходимо выключить генератор и повторно включить его после того, как светодиод погаснет.
Измерение виброскорости или виброускорения объекта производится измерителем шума и вибрации ВШВ-003-М3. Лицевая панель прибора показана на рис.5. Сигнал подается с датчика ДН-4 экранированным кабелем на гнездо 13. На лицевую панель измерителя выведены следующие органы управления, регулирования и индикации:
переключатель 6 “РОД РАБОТЫ” с положениями:
- “ 0 ” - для включения измерителя,
- “ ” - для контроля состояния батарей,
- “ > ” - для включения измерителя в режим калибровки,
- “F”, “S”, “10S” - для включения измерителя в режим измерения с постоянной времени (“F” - быстро, “S” - медленно, “10S” - очень медленно);
показывающий прибор 1 для контроля напряжения питания и отсчета измеряемой величины, при работе с преобразователем ДН-4 результаты измерения необходимо помножить на 10;
переключатели 3 “ДЛТ1” и 5 “ДЛТ2” для выбора пределов измерения параметров вибрации, выбранный диапазон указывают двенадцать единичных индикаторов 2;
индикатор перегрузки измерительного тракта “ПРГ” 4;
кнопка “а, V” 11 для включения измерителя в режим измерения виброскорости;
переключатель “ФЛТ” 7, позволяющий включать различные фильтры с положениями: 1, 10, ЛИН, А, В, С, ОКТ;
переключатель “ФЛТ ОКТ” 9 для включения одного из четырнадцати октавных фильтров со средними геометрическими частотами 1 Гц…..8 кГц;
кнопка “СВ, ДИФ” 8 для измерения в режиме свободного или диффузного поля;
гнездо “50 mпV” 12 для выхода калибровочного генератора.
Методика выполнения работы
Закрепить на столе вибростенда объект - пластину с вибродатчиком.
Включить генератор, установить частоту колебаний 2 Гц, амплитуду колебаний - по указанию преподавателя.
Измерить виброскорость и виброускорение объекта, результаты занести в форму табл.2.
Форма таблицы 2
Результаты экспериментов
|
Частота, Гц |
Без защиты |
С виброзащитой |
КП |
|||
|
А, м/с2 |
v, м/с |
а, м/с2 |
v, м/с |
Lv, дБ |
||
|
2 |
||||||
|
……….. |
||||||
|
63 |
Не изменяя положение рукоятки “Амплитуда”, повторить действия п п. 2 и 3 для частот 4, 8, 16, 31,5, 63 Гц. Выключить генератор.
Снять со стола вибростенда объект, закрепить на столе виброизолирующий модуль, указанный преподавателем, а на нем объект.
Повторить пп. 2, 3, 4.
Вычислить по формуле (1) логарифмические уровни виброскорости объекта для каждой частоты, результаты занести в форму табл.2.
Вычислить значение КП данного виброзащитного модуля для каждой частоты, результаты занести в форму табл.2.
По данным табл.2 построить графики виброскорости, виброускорения и КП в зависимости от частоты колебаний вибростенда. Объяснить полученные зависимости.
По данным табл.1 и 2 дать заключение о возможности работы человека на виброзащищенной платформе.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
название и цель работы;
эскиз исследуемого виброзащитного модуля и его качественные характеристики;
таблицу с результатами эксперимента;
графики полученных результатов;
анализ результатов эксперимента;
заключение о возможности работы оператора на виброзащищенной платформе и предложения по совершенствованию виброзащиты;
Контрольные вопросы
Параметры, характеризующие вибрацию.
Воздействие вибрации на органы человека.
Принципы нормирования вибрации.
Основные методы борьбы с вибрацией.
Принцип работы вибростенда.
Принцип работы датчика вибрации.
Причины изменения эффективности виброзащиты с изменением частоты колебаний основания.
Литература
1. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.
2. ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования.
3. Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование: Справ. / Под ред. С.В. Белова. - М.: Машиностроение, 1989. - 365 с.
Лабораторная работа № 8
Анализ электробезопасности
Цель работы: анализ опасности прямого прикосновения человека к фазным проводам трехфазных электрических сетей переменного тока напряжением до 1 кВ; определение влияния активного сопротивления изоляции, емкости фазных проводов относительно земли на опасность поражения человека электрическим током при нормальном и аварийном режимах работы двух типов трехфазной сети.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
Лабораторная работа проводится на стенде, который позволяет моделировать:
трехфазый источник питания сети;
трехфазный потребитель электроэнергии, подключенный к сети с использованием устройства защитного отключения (УЗО), реагирующего на дифференциальный (остаточный) ток;
два типа сети: трехфазную трехпроводную с изолированной нейтралью и трехфазную четырехпроводную с заземленной нейтралью.
Как известно из курса электротехники, при соединении фаз обмоток электрического генератора в звезду их концы соединяются в общую точку, называемую нейтральной точкой (или нейтралью) генератора.
Соответственно общая точка соединения концов фаз обмоток приемника электрической энергии называется нейтральной точкой приемника.
Проводники, соединяющие начало фаз генератора и приемника, называются линейными; проводник, соединяющий нейтральную точку генератора и приемника, называется нейтральным.
Напряжение между началом и концом каждой фазы генератора называется фазным напряжением, а напряжение между началами фаз - линейным.
Электрическая сеть, состоящая из трех фазных и одного нейтрального проводника, называется четырехпроводной.
При соединении в звезду симметричной нагрузки токи в фазах будут одинаковыми по величине. Угол сдвига фазовых токов по отношению к соответствующим напряжениям будет один и тот же. В этом случае ток в нейтральном проводнике отсутствует, и необходимость в нем отпадает.
Трехфазную сеть без нейтрального проводника называют трехпроводной.
Поражение человека электрическим током наступает при замыкании электрической цепи через тело человека. Это происходит в случае прикосновения человека не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми имеется некоторое напряжение. Включение человека в цепь может произойти по нескольким схемам: между фазным проводником и землей - однофазное включение и между двумя фазными проводниками - двухфазное включение.
Ток, проходящий через человека, попавшего под напряжение, помимо таких факторов, как параметры сети, сопротивление тела человека и т.д., зависит от режима нейтрали, которая может быть глухозаземленной или изолированной.
При глухозаземленной нейтрали средняя точка обмотки генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.
При изолированной нейтрали средняя точка обмотки генератора не имеет электрической связи с заземляющим устройством или присоединяется к нему через аппараты с большим сопротивлением (трансформаторы напряжения, компенсаторы емкостного тока и др.).
Однофазное включение - это непосредственное соприкосновение человека с частями электрооборудования или установки, находящимися под напряжением. При этом степень опасности поражения электрическим током будет различной в зависимости от того, имеет электрическая сеть заземленную или изолированную нейтраль, а также в зависимости от качества изоляции проводов сети, ее протяженности, режима работы и ряда других факторов.
При однофазном включении в сеть с заземленной нейтралью человек попадает под фазное напряжение и подвергается воздействию тока, величина которого определяется величиной фазного напряжения установки и сопротивления тела человека. Дополнительное защитное действие оказывают изоляция пола, на котором стоит человек, и сопротивление обуви (рис.1).
Таким образом, в четырехпроводной трехфазной сети с заземленной нейтралью цепь тока Iч, проходящего через человека, включает сопротивление его тела, а также сопротивления пола, обуви и заземления нейтрали источника тока. При этом величина тока I определяется по выражению
, (1)
где Uф - фазное напряжение; Rч - сопротивление тела человека; Rп -сопротивление пола, на котором находится человек; Rоб - сопротивление обуви человека; R0 - сопротивление заземления нейтрали.
При прикосновении к одной из фаз сети с заземленной нейтралью при одновременном замыкании другой фазы на землю (рис.2) напряжение замкнувшейся фазы A распределяется пропорционально сопротивлению R0 и сопротивлению земли в месте замыкания Rзм. В этом случае человек оказывается под напряжением выше фазного, равном
(2)
где U0 - напряжение нулевой точки трансформатора, определяемое повыражению
(3)
При однофазном включении (при прикосновении к одной из фаз (рис.3) в сеть с изолированной нейтралью создается цепь тока через тело человека и изоляцию проводов двух других фаз. В этом случае ток через человека определяется по выражению
(4)
где R = RA = RB = RC - сопротивление изоляции фаз относительно земли.
Таким образом, при прикосновении к одной из фаз трехфазной сети с изолированной нейтралью человек находится под защитой изоляции R других фаз относительно земли.
В случае прикосновения к одной из фаз при наличии замыкания на землю любой другой фазы ток, протекающий через человека, равен
(5)
где Uл - линейное напряжение.
Таким образом, изоляция фаз теряет свое защитное свойство, и человек оказывается под линейным напряжением.
Однополюсное прикосновение к трехфазной сети
с большой емкостью
При обслуживании трехфазной сети с изолированной нейтралью опасным является однофазное прикосновение даже при наличии очень большого сопротивления изоляции, но при значительной емкости фаз относительно земли. Величина емкости зависит главным образом от конструкции сети (кабельная или воздушная) и ее протяженности.
Если допустить, что равномерно распределенные емкости фаз относительно земли сосредоточены в одном месте и равны между собой (СA = СB = СC = С), а сопротивление изоляции R равно бесконечности, то при однополюсном прикосновении ток, проходящий через тело человека, определяется по выражению
(6)
где w = 2pf - угловая частота переменного тока, f - частота переменного тока (50 Гц); С - емкость фазы относительно земли.
Если учесть сопротивление изоляции проводов, то при RА = RВ =
= RС = R величина тока через тело человека определяется по выражению
(7)
В электрических сетях с большой емкостью этот ток может оказаться опасным для жизни. Поэтому к сетям с изолированной нейтралью, обладающим большой емкостью, необходимо предъявлять повышенные требования к защите персонала при их обслуживании.
Выбор режима нейтрали
Анализ случаев прикосновения к трехфазным сетям показывает, что степень опасности прикосновения к одной фазе сети напряжением до 1000 В во многом определяется режимом нейтрали.
При равенстве сопротивлений изоляции всех фаз ток, проходящий через тело человека, в сети с изолированной нейтралью всегда меньше, чем в сети с заземленной нейтралью. В общем случае, когда сопротивления изоляции всех фаз не равны между собой, напряжение, под которое попадает человек в сети с изолированной нейтралью, зависит от соотношения результирующего сопротивления тела человека и изоляции фазы, которой он касается, а также от сопротивления двух других фаз. При этом ток, протекающий через тело человека, может оказаться больше, чем в сети с заземленной нейтралью, где сопротивление изоляции совершенно не имеет защитного значения.
В предельном случае, когда человек касается фазы при одновременном замыкании какой-либо другой фазы на землю, протекающий через него ток в сети с изолированной нейтралью больше в 1,75 раз, чем в сети с заземленной нейтралью, если пренебречь переходным сопротивлением в точке замыкания на землю.
Исходя из этих соображений, решается вопрос о режиме нейтрали в трех фазной сети с напряжением до 1000 В. На предприятиях, где осуществляется постоянный контроль за электрооборудованием и обеспечены высокий уровень сопротивления изоляции и немедленное устранение возможных замыканий на землю, целесообразно иметь трехфазную сеть с изолированной нейтралью.
В тех случаях, когда возможны понижения сопротивлений изоляции отдельных фаз или частые замыкания на землю и отсутствует постоянный контроль за сопротивлением изоляции, целесообразно иметь трехфазную сеть с заземленной нейтралью.
Лабораторный стенд подключается к реальной четырехпроводной сети трехфазного тока и включается автоматом S2 при переводе переключателя в положение 1. При этом загораются индикаторы желтого, зеленого и красного цветов, расположенные рядом с фазными проводами А, В, С соответственно. Значения активных сопротивлений RA, RB, RC, RPEN (переключатели S4, S6, S8, S10) и емкостей CA, CB, CC, CPEN (переключатели S5, S7, S9, S11) фазных проводов А, В, С и нулевого (PEN) провода относительно земли могут изменяться в зависимости от лабораторного задания.
Переключатель S3 предназначен для подключения к стенду PEN-провода.
Переключатель S1 служит для изменения режима нейтрали исследуемой сети: левое положение - изолированная нейтраль, правое - заземленная нейтраль. Значение сопротивления заземления нейтрали, установленное на стенде равно 4 Ом.
Переключатели S12, S14 предназначены для моделирования аварийных режимов работы исследуемой сети. Положение “0” переключателя S12 соответствует нормальному режиму работы сети. Положении “А”, “В”, “С” переключателя S12 соответствуют замыканию фазных проводов А, В, С на землю, при этом сопротивление растеканию тока в месте замыкания на землю Rзм может иметь различные значения. Изменяя положение переключателя S14 можно задать следующие значения сопротивления Rзм: 10, 100, 1000 Ом.
Сопротивление тела человека в схеме стенда имитируется переменным сопротивлением Rh, величина которого может плавно изменяться в пределах от 0 до 100 кОм. Значение сопротивления тела человека может быть задано дискретно (1, 5, 10 кОм) с помощью переключателя S13 при нулевом значении переменного резистора. Стенд позволяет моделировать подключение человека к каждому фазному проводу сети или к проводу сети на стороне потребителя электроэнергии, подключенного к сети через устройство защитного отключения (УЗО) посредством переключателя S15. Положение “0” переключателя S15 означает что, человек не касается фазного провода сети. Положения “А”, “В”, “С”, “PEN” переключателя S15 имитируют касание человеком соответственно фазных проводов А, В, С или PEN. Положение “УЗО” переключателя S15 соответствует касанию человека фазного провода на стороне трехфазного потребителя электроэнергии при нажатой кнопке S16.
Трехфазный потребитель электроэнергии показан на лицевой панели стенда в виде корпуса, подключенного к сети с помощью УЗО, которое реагирует на дифференциальный (остаточный) ток.
Корпус трехфазного потребителя может быть занулен с помощью переключателя S18 (правое положение). Нажатием кнопки S17 моделируется замыкание фазного провода на корпус потребителя электроэнергии, при этом на корпусе загорается индикатор красного цвета.
На лицевой панели УЗО расположена кнопка “ПУСК”, при нажатии которой трехфазный потребитель электроэнергии подключается к сети, при этом загорается индикатор красного цвета. Кнопка “Стоп” отключает трехфазный потребитель электроэнергии от сети; кнопкой “Контроль” осуществляется оперативный контроль работоспособности УЗО.
Значения активных сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов относительно земли в зоне защиты УЗО установлены на стенде изготовителем и не меняются в процессе выполнения работы.
Кроме того, в правой части стенда размещены следующие измерительные приборы:
Миллисекундомер, предназначенный для измерения времени срабатывания УЗО, срабатывает при нажатии кнопки S16; кнопкой “Сброс” его показания обнуляются;
Амперметр, имеющий четыре предела измерений и предназначенный для измерения тока (мА) в цепи тела человека (положение “Ih” переключателя амперметра) и измерения тока в системе УЗО (положение “Iуст” переключателя амперметра).
Вольтметр, предназначенный для измерения напряжения (В) фазных проводов А, В, С относительно земли; подклается к фазным проводам с помощью переключателей А, В, С.
Примечание. Поскольку стенд подсоединен к реальной сети трехфазного тока МИЭТ, то в момент проведения лабораторной работы возможна различная нагрузка на фазные провода и, как следствие, различное напряжение в фазных проводах А, В, С.
Методика выполнения работы
1. Сравнить опасность прямого прикосновения человека к проводам двух типов трехфазных сетей напряжением до 1 кВ: трехпроводной с изолированной нейтралью и четырехпроводной с заземленной нейтралью для двух режимов работы сетей - нормального и аварийного (при замыкании одного из фазных проводов на землю).
1.1. Трехфазная трехпроводная сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы:
а) изолировать нейтраль - перевести переключатель S1 в левое положение; отключить PEN-провод, переведя переключатель S3 в нижнее положение; переключатель S12 перевести в нулевое положение;
б) установить значения активных сопротивлений изоляции (переключатели S4, S6, S8, S10) и емкостей (переключатели S5, S7, S9, S11) фазных проводов относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
в) переключателем S13 в соответствии с заданием преподавателя установить значение сопротивления тела человека Rh, при этом ручка регулятора резистора Rh должна находиться в нулевом положении.
г) установить переключатель S15 в положение “А”;
д) включить стенд, переведя переключатель S2 в положение “1”;
е) измерить величину тока IhА в цепи тела человека с помощью амперметра, выбрав необходимый предел измерений. Положение переключателя амперметра - “Ih”;
ж) повторить измерения тока в цепи тела человека IhВ, IhС при касании им фазных проводов В, С, для чего переключатель S15 последовательно перевести в положения “В” и “С”;
з) выключить стенд, переведя переключатель S2 в положение “0”;
и) подсчитать значение тока в цепи тела человека по выражению (4) и сравнить расчетные данные с экспериментальными.
1.2. Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью при аварийном режиме работы (при замыкании одного из проводов на землю):
а) в дополнение к вышеописанным действиям перевести переключатель S12 в любое из трех положений - “А”, “В”, “С”. Переключателем S14 установить значение Rзм в соответствии с указанием преподавателя;
б) включить стенд;
в) произвести измерения токов в цепи тела человека IhА, IhВ, IhС в соответствии с положениями переключателя S15 “А”, “В”, “С”;
г) выключить стенд;
д) по выражению (5) подсчитать значение тока в цепи тела человека и сравнить расчетные данные с экспериментальными (в данном случае вольтметр показывает величины линейного напряжения);
е) сравнить оба случая касания человека к трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью по степени их опасности.
1.3. Трехфазная четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью при нормальном режиме работы:
а) заземлить нейтраль, переведя переключатель S1 в правое положение;
б) подключить PEN-провод, переведя переключатель S3 в верхнее положение. Переключатель S12 перевести в положение “0”;
в) установить значения активных сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов в соответствии с заданием преподавателя;
г) установить значение сопротивления цепи тела человека Rh в соответствии с заданием преподавателя;
д) установить переключатель S15 в положение “А”;
е) включить стенд;
ж) измерить величину тока IhА в цепи тела человека с помощью амперметра, выбрав необходимый предел измерений. Положение переключателя амперметра - “Ih“;
з) для положений “В”, “С” переключателя S15 повторить измерения токов в цепи тела человека IhВ, IhС;
и) подсчитать значение тока в цепи тела человека по выражению (1) и сравнить расчетные данные с экспериментальными;
к) выключить стенд.
1.4. Трехфазная четырехпроводная сеть с заземленной нейтралью при аварийном режиме работы сети (один из фазных проводов замкнут на землю):
а) в дополнение к вышеописанным действиям перевести переключатель S12 в любое из трех положений - “А”, “В”, “С”. Переключателем S14 установить значение Rзм в соответствии с указанием преподавателя;
б) включить стенд;
в) произвести измерения токов в цепи тела человека IhА, IhВ, IhС в соответствии с положениями переключателя S15 “А”, “В”, “С”.
г) Подсчитать значение тока в цепи тела человека по выражению (1), заменив в нем напряжение Uф на Uч, подсчитанное по выражению (2) с привлечением выражения (3), и сравнить расчетные данные с экспериментальными;
д) выключить стенд.
2. Определить изменение величины тока, проходящего в цепи тела человека, при прямом прикосновении к фазному проводу сети в зависимости от активного сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли при заданной емкости фазных проводов относительно земли для двух типов сетей при нормальном режиме работы (Ih = f(R)).
2.1. Трехфазная трехпроводная сеть:
а) изолировать нейтраль - перевести переключатель S1 в левое положение; отключить PEN-провод, переведя переключатель S3 в нижнее положение; перевести переключатель S12 в положение “0”;
б) установить переключатель S15 в одно из положений (“А”, “В”, “С”) по указанию преподавателя;
в) переключателем S13 в соответствии с заданием преподавателя установить значение сопротивления тела человека Rh, при этом ручка регулятора резистора Rh должна находиться в положении “0”;
г) установить значения емкостей (переключатели S5, S7, S9) фазных проводов относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
д) включить стенд, переведя переключатель S2 в положение “1”;
е) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения активных сопротивлений фазных проводов относительно земли (переключатели S4, S6, S8) и равные 1; 2.5; 10; 25; 100 кОм;
ж) выключить стенд;
з) построить график искомой функциональной зависимости.
2.2. Трехфазная четырехпроводная сеть:
а) заземлить нейтраль, переведя переключатель S1 правое положение;
б) подключить PEN-провод, переведя переключатель S3 в верхнее положение; переключатель S12 перевести в положение “0”;
в) переключателем S11 установить значение емкости PEN-провода, равное значению фазных проводов;
г) повторить пп. б) - г) п. 2.1;
д) включить стенд;
е) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения активных сопротивлений фазных проводов и PEN-провода относительно земли (переключатели S4, S6, S8, S10) и равные 1; 2.5; 10; 25; 100 кОм;
ж) выключить стенд;
з) построить график искомой функциональной зависимости.
3. Определить изменение величины тока, проходящего в цепи тела человека, при прямом прикосновении к фазному проводу сети в зависимости от емкости фазных проводов относительно земли при заданном активном сопротивлении изоляции фазных проводов относительно земли для двух типов сетей при нормальном режиме работы (Ih = f(С)).
3.1. Трехфазная трехпроводная сеть:
а) повторить позиции пп. а) - в) п. 2.1;
б) установить значения активного сопротивления изоляции (переключатели S4, S6, S8) фазных проводов относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
в) включить стенд;
г) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения емкости фазных проводов относительно земли (переключатели S5, S7, S9) и равные 0; 0,02; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5 мкФ.
д) выключить стенд;
е) построить график искомой функциональной зависимости;
ж) для любого значения емкости фазного провода по выражениям (6) (активное сопротивление изоляции фазных проводов равно бесконечности) и (7) (активное сопротивление изоляции фазных проводов равно одному из значений из диапазона стенда) подсчитать величину тока в цепи тела человека.
3.2. Трехфазная четырехпроводная сеть:
а) повторить позиции пп. а) - б) п. 2.2;
б) установить значения активного сопротивления изоляции (переключатели S4, S6, S8) фазных проводов и PEN-провода (переключатель S10) относительно земли одинаковыми в соответствии с заданием преподавателя;
в) включить стенд;
г) произвести измерения тока Ih в цепи тела человека с помощью амперметра при касании им одной из фаз (по указанию преподавателя), устанавливая поочередно одинаковые значения емкости фазных проводов и PEN-провода относительно земли (переключатели S5, S7, S9, S11) и равные 0; 0,02; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5 мкФ.
д) выключить стенд;
е) построить график искомой функциональной зависимости.
название и цель работы;
краткие сведения из теоретической части;
экспериментальные и расчетные данные, представленные
в виде таблиц;
графические зависимости Ih = f(R) и Ih = f(R).
Какие электрические цепи называются трехпроводными?
Какие электрические цепи называются четырехпроводными?
Какие существуют режимы нейтрали?
Под каким напряжением оказывается человек при однофазном включении в сети с заземленной нейтралью?
Под каким напряжением оказывается человек при однофазном включении в сети с изолированной нейтралью?
Как влияет протяженность трехфазных сетей на опасность поражения человека электрическим током?
Какие факторы учитываются при выборе режима нейтрали?
Что может служить причиной различного напряжения фазных проводов лабораторного стенда?
В каком случае опасность поражения человека электрическим током при прямом прикосновении к фазному проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью является более высокой: при нормальном или аварийном режиме работы?
В каком случае опасность поражения человека электрическим током при прямом прикосновении к фазному проводу трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью является более высокой: при нормальном или аварийном режиме работы?
1. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.
2. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок. - М.: Энергия, 1991.
Лабораторная работа № 9
Исследование средств защиты
от СВЧ излучения
Цель работы: определение параметров электромагнитного излучения на рабочем месте и разработка мероприятий по защите от его воздействия.
Продолжительность работы - 2 часа.
Бытовая микроволновая СВЧ-печь “Плутон”.
Анализатор электромагнитного поля АЭМП-01.
Защитные экраны.
Лабораторный стол с координатной сеткой.
Основу электромагнитного поля (ЭМП) составляет заряд. Соответственно ЭМП различной мощности возникает как при как естественных процессах, так и искусственных. К естественным процессам можно отнести грозовые разряды, северное сияние и др., к искусственным - работу любых электрических приборов.
Важно отметить, что между различными частями тела человека, а также между телом и атмосферой телом и землей постоянно имеется разность потенциалов. Например, положительно заряжены поверхностные ткани человека (кожа) относительно более глубоких; атмосфера относительно Земли. Постоянный энергетический, а следовательно, и информационный обмена человека с внешней средой требует наличия в организме системы поддержания динамического энергоинформационного гомеостаза. Только в живых системах присутствует разность потенциалов на мембранах клеток. Незначительное изменение потенциала сопровождается четко выраженными физиологическими изменениями: нервным импульсом; транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной клетки и др. Длительное нарушение целостности мембраны обязательно ведет к патологии, а выравнивание потенциала - к смерти клетки. Естественно, что организм человека чувствителен к самым различным типам полей. Например, микроволны с плотностью потока выше 1 Вт/см2 вызывают четко выраженное изменение биоэлектрической активности мозга.
Для радиодиапазона (103 - 1011 Гц) наиболее актуальными являются техногенные электромагнитные излучения (ЭМИ). При этом уровни интенсивностей излучения с каждым годом возрастают по сравнению с естественным фоном нашей планеты. Опубликованные данные свидетельствуют о том, что электромагнитное поле является мощным физическим раздражителем, который может вызвать функциональные и органические нарушения всех систем человека. В связи с этим необходимо вести постоянный контроль за уровнем интенсивности полей от источников излучения, а также владеть методами математического расчета напряженности электромагнитного поля. Это имеет большое значение при выборе оптимальных гигиенических условий для размещения излучающих в радиодиапазоне приборов вблизи населенных мест, организации санитарно-защитных зон для охраны населения от вредного воздействия полей. Биологические оценки принято проводить по электрической составляющей ЭМИ.
Переходя к СВЧ диапазону радиоизлучений, следует отметить, что из биоэффектов наиболее хорошо известен тепловой эффект микроволн, связанный с повышением температуры облучаемой ткани. Наряду с этим неконтролируемое воздействие высокой и низкой интенсивностей радиоволнового излучения на организм человека может привести к возникновению различных заболеваний. Например, наиболее биологически активное в радиодиапазоне СВЧ излучение (10–1 - 10–2 м, или 3·109 - 3·1010 Гц) вызывает повреждение тканей глаза. Степень повреждения зависит от интенсивности излучения и длительности воздействия.
В общем случае реакция организма на ЭМИ радиодиапазона идет до некоторого порогового значения плотности потока мощности, начиная с которого и до значений, вызывающих заметный нагрев тканей (превышающий 0,1°), биологический эффект не меняется. Традиционно многие исследователи объясняли биологическое действие микроволн только наличием тепловых эффектов, которые возникают при интенсивности более 10 мВт/см2. Однако в последнее время обнаружено отчетливое действие на организм СВЧ излучений меньшей интенсивности, когда температура повышается несущественно. При этом важным является обнаружение частотных и энергетических окон при воздействии низкоинтенсивных модулированных электромагнитных полей на головной мозг.
Правильно обоснованный предельно допустимый уровень (ПДУ) позволяет не только сохранить здоровье, но и обеспечить достаточную работоспособность, избежать ненужных психологических травм. Особое значение имеет безопасность жизнедеятельности профессионалов, работающих с СВЧ излучением. В этой связи в России предусмотрены следующие, обоснованные с точки зрения медицины, ПДУ непрерывного СВЧ облучения:
· до 8 часов в сутки 10 мкВт/см2;
· до 2 часов в сутки 100 мкВт/см2;
· до 20 минут в сутки 1000 мкВт/см2.
В случае непрерывного СВЧ облучения от вращающихся и сканирующих антенн ПДУ составляет 100 мкВт/см2 при действии в течение 8 часов в сутки и 1000 мкВт/см2 при действии до 2 часов в сутки.
Для остального населения ПДУ регламентируются Санитарными правилами и нормами (табл.1).
Таблица 1
ПДУ воздействия ЭМИ радиочастотного диапазона на человека
|
Диапазоны частот |
Размерность |
ПДУ |
|
30 – 300 кГц |
В/м |
20 |
|
0,3 - 3 МГц |
- |
10 |
|
3 - 30 МГц |
- |
4 |
|
30 - 300 МГц |
- |
2 |
|
300 МГц - 300 ГГц |
МкВт/см2 |
3 |
Основные параметры ЭМИ - это частота, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля. Существуют различные методики оценки напряженности ЭМИ. Напряженность магнитного поля Н - силовая характеристика магнитного поля, не зависящая от магнитных свойств среды. В вакууме H совпадает с магнитной индукцией. В среде Н определяет вклад в магнитную индукцию, который вносят внешние источники поля. Напряженность электрического поля Е - силовая характеристика электрического поля, равная отношению силы, действующей на точечный электрический заряд в данной точке пространства, к величине заряда. Приводимые в литературе формулы, как правило, пригодны для расчета напряженности поля Е на больших расстояниях. Такова, например, формула Введенского:
где Р - мощность сигнала, излучаемого антенной, Вт; K - коэффициент усиления антенны; d - расстояние от антенны до рассматриваемой точки пространства, м; λ - длина волны, м; h1 - высота подъема передающей антенны от поверхности земли, м; h2 - высота, на которой определяют напряженность поля, м.
Эта формула справедлива в весьма узких пределах расстояний и длин радиоволн при выполнении условия h1·h2 ≤ dλ /18.
Расчет напряженности поля в зоне излучения может производиться для электрической составляющей ЭМП Е и по формуле Шулейкина - Ван-дер-Поля:
E = 7,750×(P·Ga)1/2·F/d.
Здесь Е - напряженность электрического поля ЭМП, В/м; Р - мощность передатчика, Вт; Ga - коэффициент усиления антенны; d - расстояние от антенны до точки измерения, м; F - множитель ослабления для определения потерь электромагнитной энергии в почве, который зависит от параметров почвы, расстояния от точки измерения до антенны и длины волны.
СВЧ излучение, в отличие от низкочастотного радиодиапазона, распространяется в пределах прямой видимости. На его распространение заметное влияние оказывает тропосфера, состоящая из смеси газов и паров воды. В дециметровом диапазоне волны поглощаются в тропосфере слабо, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах наблюдаются значительные потери СВЧ энергии вследствие резонансного поглощения в парах воды на длинах волн 1,35, 1,5 и 0,75 см, а в кислороде на 0,5 и 0,25 см.
Количественной характеристикой СВЧ излучения является плотность потока мощности
W = 1∕2×(ε·E2 – μH2), (1)
где ε - диэлектрическая постоянная среды (воздуха), ε = 1 Ф/м; μ - относительная магнитная проницаемость среды, μ = 1 Гн/м.
Плотность потока мощности излучения измеряется в Вт/м2, мВт/см2, мкВт/см2. Если облучение проводится в СВЧ тракте, его интенсивность определяется удельной поглощательной мощностью в единице объема или массы объекта и выражается в Вт/м3 или Вт/кг. Дозу поглощения выражают через энергию микроволн, поглощаемую единицей массы объекта (Дж/кг).
Доля поглощенной СВЧ энергии и ее относительное распределение в различных материалах зависят от формы и размеров объекта, его ориентации в поле, длины волны, электрических свойств материала. В микроволновом диапазоне линейные размеры облучаемого объекта сравнимы с длиной волны или превышают ее. Количественной мерой поглощения служит отношение поглощенной в объекте мощности к общей мощности, падающей на его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В связи с тем, что некоторые изделия имеют композитную структуру, слои которой обладают разной толщиной, диэлектрической проницаемостью и проводимостью, максимумы поглощения могут возникать и внутри объекта.
В общем виде поглощенную мощность СВЧ излучения Рп можно оценить по формуле:
,
где εк - диэлектрическая проницаемость объекта; Ро - плотность потока мощности у поверхности объекта, мВт/см2; S - площадь сечения объекта, см2.
Поглощенная мощность убывает с глубиной проникновения по экспоненциальному закону. Так, для электрической составляющей ЭМИ поглощенная мощность связана с глубиной проникновения соотношением:
Pn = (σ / 2) Е2 еxp(-2r / δc),
где r - расстояние от поверхности, м; δc - глубина проникновения, м;
Е - напряженность электрической составляющей ЭМИ, В/м; σ - проводимость материала, (Ом×м)–1.
Уровни излучений на предприятиях связи обязательно регламентируются (табл.2). Настройка, регулировка и профилактические работы излучающего оборудования должны проводиться на пониженной мощности, при этом оборудование будет давать только часть проектной мощности. Одновременно необходимо предусматривать дистанционное управление с использованием заземленных поглощающих и отражающих экранов в виде листов или мелкоячеистой сетки. Материал экранов должен обладать высокой электропроводностью (Сu, Аl). При необходимости визуального контроля за работой излучающего оборудования можно использовать смотровые окна из стекла, покрытого двуокисью олова, обладающего экранирующим действием. Толщину экрана выбирают исходя из конструктивных соображений, учитывая, что глубина проникновения высоких и сверхвысоких частот в экран обычно не превышает одного миллиметра.
Таблица 2
Уровни излучений на предприятиях связи для диапазона частот 0,06 - 300 МГц, регламентируемые ГОСТ 12.1.006-76
|
Диапазоны частот, МГц |
Электрическая составляющая, Е (В/м) |
Магнитная составляющая, H (А/м) |
|
0,06 - 1,5 |
50 |
5 |
|
1,5 - 3 |
- |
- |
|
3 - 30 |
20 |
- |
|
30 - 50 |
10 |
0,3 |
|
50 - 300 |
5 |
- |
Наиболее распространенной технической мерой защиты от воздействия радиоизлучений является защита расстоянием, основанная на том, что плотность потока энергии W обратно пропорциональна квадрату расстояния до излучателя:
W = P×Θ / 4πR2,
где Р - излучаемая мощность на выходе антенны, мкВт; Θ - коэффициент направленности антенны; R - расстояние до излучателя, м.
Одна из мер защиты от вредного воздействия ЭМП - электромагнитное экранирование помещений, в которых находятся источники ЭМП, вызывающие экологическое загрязнение, или чувствительные измерительные приборы, на работу которых могут влиять внешние ЭМП.
Критерием выбора материала экрана является наибольшее поглощение плотности потока ЭМИ. Экраны можно разделить на поглощающие, отражающие, смешанные. Поглощающие экраны в основном поглощают ЭМИ, преобразуя его в тепло; отражающие экраны от своей поверхности отражают большую часть СВЧ излучения; смешанные экраны как правило, частично поглощают, частично отражают ЭМИ.
Еще одним критерием выбора материала экрана является удельная теплоемкость C [Дж / (кг×К)]. Эффективность экранирования Q определяется по формуле
, (9.2)
где Wэ, W - поверхностный поток энергии ЭМИ с использованием экрана и без него.
Все многообразие действия электромагнитных экранов сводят к характерным случаям защиты от электрической или магнитной составляющих поля электромагнитных волн. Если источником поля являются различные проводники, создающие электрические, емкостные связи, задача сводится к устранению или уменьшению этой электрической (емкостной) связи. Если источником поля являются токонесущие цепи, в частном случае катушки, преобладающим является индуктивное влияние, т.е. связь за счет магнитного поля. Оба источника таких полей создают “наводки” на соседние электрические цепи, которые становятся переизлучателями и создают вокруг себя вторичные поля или вызывают распространение высокочастотных колебаний по проводам на значительные расстояния.
В диапазонах радиочастот определяющей оценкой выбора материала для электромагнитного экранирования является произведение проводимости материала на его магнитную проницаемость σ×μ. При этом главную роль играет поверхностный эффект, поскольку токи, протекающие в глубинных слоях толщи экрана, существенно меньше токов, наводимых в поверхностных слоях. Поверхностный эффект характеризуют глубиной проникновения δ, т.е. глубиной, на которой наводимый внешним полем ток будет в e ≈ 2,73 раза меньше тока в поверхностном слое:
,
где δ - глубина проникновения, м; σ - проводимость материала, (Ом·м)–1;
μ - магнитная проницаемость, Гн/м; w - частота, Гц.
Регулярный контроль допустимых уровней ЭМИ осуществляется по методике Минздрава России специальными приборами - измерителями электромагнитного поля. Внеплановый контроль обязателен при любых изменениях режимов работы излучающего оборудования, особенно при подключении новых излучающих элементов.
В лабораторной работе эксперименты проводятся на стенде (см. рисунок). Измерение параметров электромагнитного поля, а именно магнитной и электрической напряженности проводится на анализаторе электромагнитного поля СВЧ диапазона АЭМП-01. Магнитная составляющая определяется с помощью магниторезистивного чувствительного элемента KMZ-10A фирмы Philips. Электрическая составляющая определяется с помощью датчика электрического потенциала PKE05A1 фирмы Murata. Источником СВЧ излучения служит бытовая микроволновая печь “Плутон” с рабочей частотой 2450 МГц и мощностью
700 Вт. На панели с помощью ручек управления можно изменять мощность и время излучения. Для проведения экспериментов по экранированию СВЧ излучения используют экраны из листового алюминия и латунной сетки. Для отсчета длин используется координатная сетка лабораторного стола.
Методика выполнения работы
Ознакомиться с устройством приборов. Проверить наличие заземления электрических приборов, используемых в лабораторной работе. Включить СВЧ печь (см. рисунок поз.1), установить по заданию преподавателя мощность излучения.
Включить анализатор электромагнитного поля АЭМП-01 (см. рисунок, поз. 4) и направить его на источник излучения. Через равномерные интервалы (0,4 - 0,5 м.) замерить электрическую и магнитную напряженности ЭМИ на расстоянии от 0 м до 3 м. Данные занести в форму табл.3. Построить графики электрической напряженности от расстояния и магнитной напряженности от расстояния.
Рассчитать плотность потока ЭМИ по формуле (1). Построить график его изменения от расстояния.
Форма таблицы 3
Результаты измерений
|
Точка измерения |
Расстояние от источника ЭМИ, (м) |
Напряженность электрического поля (Е), В/м |
Напряженность магнитного поля (Н), А/м |
Плотность потока ЭМП (W), Вт/м2 |
|
1 |
||||
|
2 |
По построенным графикам и табл. 1 и 2 определить безопасное расстояние.
Повторить измерения пп. 2, 3 с защитными экранами. Рассчитать эффективность экранирования по формуле (2). Построить график эффективности в зависимости от расстояния.
Оформить отчет.
Отчет должен содержать:
название и цель работы;
результаты измерений, оформленные в виде табл.3;
графики зависимости Е, Н, W от расстояния с указанием безопасного расстояния;
графики эффективности экранирования;
выводы о проделанной работе.
Что составляет основу ЭМИ?
Какими параметрами описывается ЭМИ?
Что такое плотность потока электромагнитного излучения?
Что такое напряженность магнитного поля?
Что такое напряженность электрического поля?
Какое воздействие СВЧ излучение оказывает на жизнедеятельность человека?
Какие приборы наиболее чувствительны к воздействию ЭМИ СВЧ диапазона?
Что такое тепловой эффект микроволн?
Объясните, почему при воздействии ЭМИ СВЧ диапазона на организм максимальный разогрев наблюдается не в поверхностных тканях.
Назовите методы защиты от СВЧ излучения.
Литература
1. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.
Кольцов Владимир Борисович
Ларионов Николай Михайлович
Никулина Ирина Михайловна
Привалов Вячеслав Петрович
Рябышенков Андрей Сергеевич
Чечерников Игорь Михайлович
Лабораторный практикум по курсу “Безопасность жизнедеятельности”
Редактор Е.Г, Кузнецова. Технический редактор Л.Г. Лосякова. Корректор Л.Г. Лосякова. Верстка авторов.
Подписано в печать с оригинал-макета. Формат60х84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. . Уч. –изд. л. . Тираж 700 экз. Заказ .
Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.