مفاهیمی که مهندسین باید راجع به روشنایی بدانند

 بهتر است پیش از آنکه دستگاهی را خریداری نماییم با مفاهیم پایه و مهندسی آن جهت کارایی بیشتر آشنا شویم، ازین رو مهندسین شرکت تجهیزات اندازه گیری بهروز تصمیم گرفته اند اطلاعات دقیق و گام به گامی را به مشتریان خود عرضه نمایند. هر منبع نور به مقدار مساوی نور را به تمام جهات منتشر نمی کند بلکه درهر جهت مشخص فاکتور Candela power، مقدار نور را در آن جهت تعریف می کند. در حقیقت می توان گفت مقدار نور در یک جهت خاص یا شدت درخشندگی با کندلا مشخص می شود.

مفاهیم مهندسی نور

1. Candlepower

شدت نور با کندلا (Candela) اندازه گیری می شود. Candlepower معمولاً برای مشخص کردن شدت نور در جهات مختلف یک منبع نور به کار برده می شود.

2. Candlepower Distribution Curve

یک منحنی (معمولا قطبی) ، که معرف تغییرات شدت درخشندگی یک لامپ یا دستگاه نور افکن از مرکز منبع نور است.

3. روشنایی (Brightness)

روشنایی (یاLuminance) در واقع شدت نوری است که به طور مستقیم از منبع به چشم ما می رسد.

4. تشعشع (Glare)

وقتی جسمی درخشان در میدان دید ما قرارمی گیرد، تصویرایجاد شده در چشم ما  معمولاً روشنتر از بعد از تطبیق چشم به نظر می رسد.

5. شدت روشنایى (Illuminance)

در واقع چگالی شار درخشندگی بر روی سطح است، که بوسیله واحد Footcandle) یا لوکس Lux در واحدمتریک اندازه گیری می شود. فرم معمول این خاصیت  Illuminance  است.
Illuminance در واقع برای اندازه گیری مقدار خاصيت شار درخشندگی که در سطح ظاهر می شود، است که متاثر از شدت ثبوت نور در جهت سطح و فاصله منبع نور با سطح و زاویه تلاقی نور رسیده به سطح است. به هرحال شدت روشنایى فاکتوری است که با چشم اندازه گیری نمی شود ولی معمول ترین ملاک در طراحی های نوری است.

6. لومن Lumen  

واحد پایه ربای اندازه گيری نور است. یک شمع سر میز شام حدود 12 لومن و یک حباب 60 واتی سفيد با قدرت بیشتری در حدود 855 لومن، نور صاتع می کند.
اگر ما یک منبع نقطه ای نور یک کندلا در مرکز کره ای به شعاع يک فوت باشد که در حدود یک فوت مربع گشودگی در سطح آن دارد، مشابه چراغی است که یک لومن نور صاتع میکند.

7. شدت نور: لومن

شار نوری عبوری از واحد زاویه فضایی (استرادیان) شدت نور نام دارد که بر حسب کاندلا سنجیده می شود. زاویه فضایی، زاویه ای است که از مرکز یک کره دیده می شود و سطح آن را در بر می گیرد. اندازه زاویه فضایی برابر است با نسبت اندازه سطح به مجذور شعاع کره. شدت نور در هر نقطه از فضا مستقل از دوری و نزدیکی به منبع نور به یک میزان است اما در جهت های مختلف نسبت به آن مقادیر متفاوتی دارد.
لومن : مقدار نور مرئی كه از یك منبع روشنایی دریافت می شود يا میزان شار نوری كه از هر استاردیان زاویه فضایی خارج ميشود.

8. تشعشع (Luminance)

شدت درخشندگی (روشنایی فوتومتریک) هر سطح در یک جهت مشخص به ازای يک واحد مشخص از آن سطح که در همان جهت مشاهده می شود، که با واحد Candela/m^2  اندازه گیری می شود.

9. شار درخشندگی (Luminous flux)

اندازه تمام نوری است که بوسیله منبع نور تولید می شود. در واقع مقدار نوری است که سطح جسم را بدون در نظر گرفتن جهت آن ترک می کند. يک لامپ 100واتی معمولی نئون، در حدود 1700لومن و يک لامپ 400 وات بخار سدیمی پر فشار درحدود 50000 لومن نور ساطع می کند. نرخ شار درخشندگی هر لامپ بوسيله شرکت های سازنده آن عرضه شده است و ليست مقدار لومن های لامپ های معمولی را می توان در Lamp Matrix يافت.

10. شدت درخشندگی نور (Candelas)

شدت درخشندگی در واقع شدت امتداد نوری است که در يک جهت مشخص ساطع می شود. در واقع شدت درخشانی يک سيستم نوری در نمودارهای گرافيکی خاصی که منحنی های تغييراتی کندلا يا  Candela  power ناميده ميشوند مشخص می شوند. هم نمودارها قطبی وهم کارتزين در صنايع نوری برای اين هدف به کار می روند. اين اطلاعات معمولا در جدول های رقومی مورد دسترس است.

11. شدت روشنایی Lux

واحد اندازه گيری Illuminance در دستگاه متريک است. و در واقع مقدار نور واقع در صفحه ای متر مربعی است که در آن به طور يک نواخت شار نوری يک لومن بر آن بتابد. در واقع 76/10 لوکس مساوی با يک Foot candle است. يک لوکس مساوی با 09/0 Foot candle است و يک دلوکس مساوی ده لوکس است  

1-76/10 لوکس= 1 Foot candle
2- 1   لوکس= 09/0 Foot candle
3- 1   دلوکس= 10 لوکس
چگالی سطحی شار نوری تابیده به یک سطح را شدت روشنایی می نامند که بر حسب لوکس سنجیده می شود. میزان شدت روشنایی لازم برای کاربردهای مختلف، در مراجع پیشنهاد می شود. این پیشنهادات بر اساس دقت پیچیدگی کارهایی که باید انجام شود، ارائه می گردد.
به عنوان مثال برای کارهای ساده ای مانند راه رفتن در راهرو شدن روشنایی مورد نیاز 120 لوکس و در مورد کارهایی مانند مونتاژ ماشین ها و ابزار بسیار ریز که میزان دید انسان اهمیت زیادی دارد، شدت روشنایی بالا در حدود 1000 لوکس مورد نیاز است.

12. واحد لوكس

واحد شدت روشنائي را به لوكس نشان ميدهند و يك لوكس واحد روشنایی تولید شده از فلوی نور يكنواخت يك شمع در سطح يك متر مربع است.
شدت روشنایی در بعضی از محل های آشنا
سطح خيابان                           30 لوكس
اطاق نشيمن                           100 لوكس
اطاق كار                                300 لوكس
سطح زمين در خورشيد زمستان    10000 لوكس
سطح زمين در خورشيد تابستان    100000 لوكس

13. شار نوری

شار نوری بیان کننده آهنگ تابش نور از یک منبع نوری است و بر حسب لومن اندازه گیری می شود. یعنی اگر یک منبع نقطه ای نور، با شدت یک کاندلا، درمرکز کره ای به شعاع یک متر قرار بگیرد، سطحی با مساحت یک متر مربع در داخل این کره، شار نوری ای برابر یک لومن دریافت خواهد کرد. هرچه لومن تولید شده توسط یک منبع نور به ازای هر وات توان ورودی بیشتر باشد منبع نور بازدهی بیشتری دارد.

14. توزیع شدت نور

منحنی پخش نور در مختصات قطبی، میزان شدت نور یک لامپ یا چراغ را در صفحه ای نشان می دهد که دقیقاً از مرکز لامپ یا چراغ می گذرد.
شدت نور در زوایای مختلف اطراف یک لامپ در جدولی نشان داده می شود. از آن جا که در بسیاری از حالات، توزیع شدت نوردر اطراف یک چراغ متقارن نیست، منحنی شدت نور را برای صفحات مختلف رسم می کنند. سه صفحه معمول عبارتند از: صفحه عمود بر محور لامپ, صفحه موازی با محور لامپ و صفحه با زاویه 45 درجه نسبت به محور لامپ. پس از انتخاب صفحات، منحنی شدت نور هر صفحه را می توان تهیه کرد. لامپ و ترکیب لامپ و چراغ هر کدام منحنی منحصر به فرد و مخصوص خود را دارد. منحنی شدت نور به طراحی چراغ، جنس پوشش چراغ و نوع بالاست بستگی دارد.

15. درخشندگی

عبارت است از نسبت شدت نور منبع (یا شی بازتابنده نور) به مساحت بخش تابنده منبع (یا مساحت آن بخش از شی که نور را باز می تاباند) هر چه مساحت سطح درخشان کوچک تر باشد، درخشندگی آن بیشتر است.
درخشندگی بر حسب کاندلا بر متر مربع (استیلب) یا کاندلا بر سانتیمتر مربع (نیت) سنجیده می شود. درخشندگی مناسب برای چشم انسان در محدوده 65 تا 6500 نیت است.
درخشندگی يا تراكم نور: اگر دو منبع نورانی كه شدت نور برابر ولی اندازه فیزيكی مختلف داشته باشند، اگر به طور پشت سر هم رويت شود منبعی كه كوچك تر است درخشنده تر به نظر می رسد. واحد درخشندگی كانديلا بر متر مربع است (نيت). يك كانديلا 60 برابر كوچك تر از شدت نور ساطع شده از يك سانتيمتر مربع سطح جسم سياه در درجه حرارت 2045 كلوين در جهت عمود بر سطح است.

16. بهره وری

رابطه نور خروجي را با توان ورودی توصيف می كند. بهره وری به صورت لومن بر وات بيان می شود. حداكثر مقدار بهره وری برابر 680 لومن بر وات است كه از يك لامپ فرضي كه هيچ گونه تلفات ندارد و همه تشعشع آن در طول موج 555/0 ميكرون صورت می گيرد به دست می آيد. در مورد لامپ های التهابی 8 تا 20 لومن بر وات است كه پايين ترين بهره وری را در ميان لامپ ها دارند، برای لامپ های فلورسنت تا حدود 90 لومن بر وات، برای لامپ های جيوه ای تا حدود 50 لومن بر وات و برای لامپ های سديمی تا بيشتر از 100 لومن بر وات است كه بالاتری بهره وری را در ميان لامپ ها دارند.

17. چگالی توان ورودی

مقدار توان بكار رفته برای مقاصد روشنائی در محدوده ای مشخص يا در كل ساختمان را تعريف می كنند و بر حسب وات بر واحد سطح w/m2 بيان می شود

18. دمای رنگ (کلوین)

دمای رنگ بر اساس رنگ تابيده شده از جسمی سياه در دمای معين تعريف شده است و بر حسب درجه كلوين بيان می شود. دمای رنگ بيشتر از 4000 درجه كلوين به عنوان نور سرد و دمای رنگ پايين تر از 3000 درجه كلوين به عنوان نور گرم در نظر گرفته می شود.

تأثیر نور و روشنایی در محیط کار  

چشم همانقدر که عضو خارق‌العاده و شگفت‌انگیز است بهمان اندازه نیز ظریف و بی‌پناه و آسیب‌پذیر می باشد بنابراین در هنگام کار یا هر جای دیگری باید از آن محافظت نمود.
ناراحتی‌های چشمی اکثراً‌ در ساعات کار اتفاق افتاده و ناشی از علل گوناگون می‌باشد. این صدمات ممکن است ناشی از ازدیاد نور، کمبود نور، پرتاب ذرات، تاثیر مواد سمی، اشعه ایکس یا سایر تشعشعات یونیزان و حرارت باشد.
نور یکی از عوامل مهم فیزیکی است که وجود آن در تمام محیط‌های زندگی و کار اهمیت ویژه‌ای دارد.
نور از نقطه نظر فیزیکی به عنوان قسمتی از یک طیف الکترومغنا طیسی تلقی می شود که بین طول موج های 380 تا 780 نانومتر قرار دارد.
تامین روشنایی مناسب برای کار، مطالعه، تفریح و ... یکی از اصول اولیه مدیریت تامین سلامت است. این موضوع در مقوله بهداشت حرفه‌ای یکی از مباحث مرتبط با علم ارگونومی است. بعضی از کارها به علت دقت خاصی که در انجام‌ آنها لازم است احتیاج به نور بیشتری دارند. وضع تابش ‌نور در محیط کار، نوع منبع نورانی و فاصله‌ای که نور از سطح کار لازم است داشته باشد تابع قوانین مخصوصی است. مقدار نوری که در محیط‌های کاری مختلف لازم است تامین شود تا به سلامت چشم‌ها و نیز دقت انجام کار صدمه نزند، بسته به نوع فعالیت و محیط متفاوت بوده و تابع جداول استاندارد است.
بدین ‌ترتیب داشتن مقدار نور لازم برای هر کاری و اندازه‌گیری آن به منظور پیشگیری از آسیب‌های بینایی و انجام کار درست، از شرایط اساسی مدیریت ایمنی محیط کار می‌باشد.
تامین نور کافی و مناسب در محیط اعم از محیط‌های کاری و زندگی موجب می‌شود که:

1. میل و رغبت به کار افزایش یابد.
2. دقت عمل در کار بیشتر شود.
3. راندمان و نتیجه کار افزوده گردد.
4. سلامت چشم و قدرت بینایی افراد محفوظ مانده و خستگی اعصاب کمتر شود.
5. از میزان حوادث حین کار کاسته گردد.

در محیط‌هایی که نور مناسب و کافی وجود نداشته باشد به خصوص در مورد کارهای ظریف و دقیق و مطالعه باعث اختلال در بینایی خواهد شد
مهم‌ترین عارضه ناشی از ازدیاد نورخیرگی است. این حالت در اثر برخورد مستقیم نور به چشم و یا انعکاس شعاع تابش نور از سطوح شفاف به چشم به وجود می‌آید. همچنین اگر نور در محیط کار کم باشد عوارضی چون فشار در چشم، سردرد، سرگیجه، خستگی و بی‌میلی نسبت به کار ایجاد خواهد شد.

جلوگیری از عوارض نور و حفظ سلامت بینایی

برای جلوگیری از این عوارض، برای تامین روشنایی مناسب و حفظ سلامت بینایی نکات زیر حائز اهمیت است:

1. ارزیابی میزان روشنایی موجود محیط
2. تامین میزان روشنایی مناسب با توجه به شرایط محیطی، نوع فعالیت، نوع منبع روشنایی
3. آرایش لامپ‌ها
4. سرویس‌ و نگهداری سیستم روشنایی
5. انجام معاینات چشم حداقل سالی یک بار

نظارت بر تامین، حفظ و ارتقاء روشنایی مطلوب به همراه تامین پارامترهای کیفی برای اهداف ایمنی ، سلامت و رفاه اجتماعی مستلزم اندازه گیری و ارزشیابی روشنایی در معابر ،محوطه ها و داخل اماکن مسکونی ،عمومی و صنعتی است. بررسی های انجام شده توسط دفتر سلامت محیط وکار و وزارت بهداشت بر روی کارگاههای دارای 10 نفر کارگر وبالاتر نشان داد که 18 % کارگاه ها فاقد روشنایی مطلوب بوده که در آن ها 16% کارگران در معرض روشنایی نامطلوب مشغول به کار هستند.
نظر به اینکه اندازه گیری و ارزشیابی روشنایی در محیط های مختلف نیازمند روش مناسب می باشد، شناخت کامل در مورد اصول و روش های اندازه گیری، خصوصیات محیط، استانداردها، نیازهای استفاده کنندگان و جنبه های کیفی تامین روشنایی دارای اهمیت است .
برای روشنایی، از دو منبع نور طبیعی (نور خورشید) و نور مصنوعی (الکتریکی) می‌توان استفاده نمود.

روشنایی طبیعی

نور آفتاب سالم‌ترین و ارزان‌ترین وسیله روشنایی و یکی از منابع مهم تامین انرژی نورانی می‌باشد.
به منظور استفاده بهتر و صحیح‌تر از روشنایی روز بایستی به نکات زیر توجه نمود:

• در صورتی که محل کار بزرگ باشد و پنجره‌های آن برای رساندن نور به همه قسمت ها کافی نباشد باید در قسمتهایی از سقف از پوشش شیشه‌ای استفاده شود.
• سقف و قسمت بالایی دیوارها معمولاً به منظور افزایش راندمان روشنایی وارده از پنجره‌ها به رنگ روشن و قسمت پایین دیوارها برای ایجاد شرایط آسایش به رنگ تیره رنگ آمیزی شوند.
• برای استفاده بیشتر از نور آفتاب باید سقف محل کار و دیگر سطوح منعکس کننده نور به رنگ روشن بوده تا نور را بهتر منعکس کند.
• برای اینکه نور کافی به محل کار برسد بایستی با توجه به نوع کار، تابش نور و آفتابی بودن محل، مجموع سطوح پنجره‌ها و یا سقف شیشه‌ای متناسب با مساحت کف محل کار باشد.

روشنایی مصنوعی

در طرح روشنایی مصنوعی برای محیط کار این نکات باید مورد توجه قرار گیرد:

• نور حاصله از منابع روشنایی باید تا حدامکان به روشنایی روز نزدیک باشد.
• مقدار نور حاصله از منابع روشنایی باید ثابت و به اندازه کافی بوده و بر کلیه سطوح محیط کار به طور یکنواخت توزیع شود تا از بوجود آمدن سایه و زوایای تاریک جلوگیری شود.
• تعمیر و سرویس به موقع منابع روشنایی

منابع روشنایی مصنوعی به شرح زیر است

1. لامپ های ملتهب
2. لامپ های تخليه در گاز
3. لامپ های فلورسنت

فاکتورهای مؤثر در انتخاب منابع روشنایی

• شار نوری لامپ
• بهره نوری منبع
• عمر لامپ
• درخشندگی لامپ
• رنگ نور
• درجه حفاظت لامپ
• هزینه و ...

نکات مهم قبل از اقدام به اندازه گیری و ارزیابی روشنایی

1. تعیین هدف اندازه گیری
2. گرد آوری اطلاعات مورد نیاز از محل و نیاز های استفاده کنندگان
3. زمان اندازه گیری
4. تعیین روش اندازه گیری
5. شناخت و توجه به استانداردهای روشنایی عمومی و موضعی

هدف اندازه گیری

قبل از اقدام به اندازه گیری هدف از اندازه گیری باید مشخص باشد . برای دستیابی به هر هدف، روش دستگاه و نحوه ارزیابی متفاوت می باشد . اندازه گیری شدت روشنایی می تواند به منظور های زیر باشد:

• اندازه گیری محیطی: تعیین شدت روشنایی و متوسط آن و درخشندگی
• اندازه گیری موضعی: تعیین شدت روشنایی و درخشندگی در موضع مشخص
• اندازه گیری به منظور ارزیابی فنی  و ممیزی
• گرد آوری اطلاعات مورد نیاز

اولین مرحله از فرایند اندازه گیری و ارزیابی روشنایی، گرد آوری اطلاعات مورد نیاز در محیط مورد سنجش و نیاز های استفاده کنندگان می باشد. در این مرحله ابتدا نقشه ساده ای از محیط مورد نظر که دارای مقیاس و مشخصات مهم مرتبط با تامین روشنایی باشد تهیه می  گردد. سپس محل های تردد افراد، مدت زمان کار آن ها و اطلاعات مربوط به میزان دقت کار لیست شود.

زمان اندازه گیری

یكی از معیار های مهم در تایید اعتبار نتایج اندازه گیری روشنایی زمان آن است. تاثیر تابش نور روز در ساعات مختلف بر كمیت روشنایی داخل اماكن انكار ناپذیر است. لذا می توان اثبات نمود كه شدت روشنایی داخل بنا در ساعات مختلف روز اگر چه وابسته به تابش منابع مصنوعی نور است اما كمیت تابش نور خورشید به داخل مكان مورد نظر نیز اثر افزایشی دارد. پیش از طلوع آفتاب و هنگام غروب آن و همچنین روزهای ابری اثر تابشی خورشید در داخل بناها حداقل است. ساعات میانی روزهای آفتابی تابش نور خورشید در داخل اماكن باعمق فضای محدود استفاده از روشنایی مصنوعی را منتفی می كند. در اماكن مسقف بزرگ مانند كارگاه ها و سالن های عمومی تغییرات اثر تابشی نور طبیعی به دلیل عمق فضا كمتر است. در ساعات تاریكی شب كه تابش طبیعی تقریبا به صفر می رسد سیستم روشنایی مصنوعی باید كارآیی كافی در تامین شدت روشنایی مورد نیازرا داشته باشد.

وسایل اندازه گیری روشنائی

اندازه گیری شدت روشنایی با دستگاه لوکس متر یا نور سنج انجام می شود . لوكس متر وسیله اندازه گیری « شدت روشنایی» با واحد LUX می باشد، دستگاه مورد نظر «شدت نور» بر سطح سنسور را حس نموده و با توجه به ضرایب تبدیل اختصاص داده شده به دستگاه دیجیتالی، شدت روشنایی محلی كه سنسور در آن واقع است را نشان می دهد. این اجزاء نور سنج  عبارتند از:

• دریافت کننده
• پردازشگر
• نمایشگر

طریقه کار با لوکس متر نور سنج

انواع اندازه گیری روشنایی

اندازه گیری روشنایی عمومی

روشنایی موضعی