Chiếu sáng trong sản xuất

Trong sản xuất, chiếu sáng cũng ảnh hưởng nhiều tới năng suất lao động. ánh sáng chính là nhân tố ngoại cảnh rất quan trọng đối với sức khỏe và khả năng làm việc của công nhân. Trong sinh hoạt và lao động con mắt đòi hỏi phải được chiếu sáng thích hợp. Chiếu sáng thích hợp sẽ tránh mệt mỏi thị giác, tránh TNLĐ và BNN.

1. Một số khái niệm về ánh sáng, đơn vị đo ánh sáng và sinh lý mắt người
1.1. Các khái niệm về ánh sáng
* Ánh sáng thấy được: là những bức xạ photon có bước sóng trong khoảng 380¸760μm ứng với các dải màu tím, lam, xanh, lục, vàng, da cam, hồng, đỏ... Bức xạ điện từ có bước sóng ở xác định trong miền thấy được, khi tác dụng vào vào mắt người sẽ tạo một cảm giác màu sắc xác định. Ví dụ bức xạ có bước sóng λ = 380¸450µm mắt người cảm giác màu tím nhưng khi λ = 620¸760µm con người cảm giác màu đỏ.

Độ nhạy của mắt người không giống nhau với những bức xạ có bước sóng khác nhau. Mắt chúng ta nhạy với bức xạ đơn sắc màu vàng lục λ = 555µm.

Để đánh giá độ sáng tỏ của các loại bức xạ khác nhau, người ta lấy độ sáng tương đối của bức xạ vàng lục làm chuẩn để so sánh.

* Quang thông (F): là phần công suất bức xạ có khả năng gây ra cảm giác sáng cho thị giác của con người. Quang thông được sử dụng để đánh giá khả năng phát sáng của vật.

Nếu gọi công suất bức xạ ánh sáng đơn sắc λ của vật là F_λ, thì quang thông do chùm tia đơn sắc đó gây ra là: Φ_λ = C.F_λ.V_λ

          Trong đó:

- V_λ - độ sáng tỏ tương đối của ánh sáng đơn sắc λ.

          - C - hằng số phụ thuộc vào đơn vị đo, nếu quang thông F được đo bằng lumen (lm), công suất bức xạ F_λ đo bằng watt thì hằng số C = 638.

          Với chùm tia sáng đa sắc không liên tục thì:  

          Với chùm tia sáng đa sắc liên tục thì:                                                                              

                                     

Quang thông  của đèn dây tóc nung 100 w  khoảng 1600 lm, còn đèn dây tóc nung loại 60w  khoảng  850 lm.

* Cường độ sáng (I):

Quang thông của một nguồn sáng nói chung phân bố không đều theo các phương do đó để đặc trưng cho khả năng phát sáng theo các phương khác nhau của nguồn người ta dùng đại lượng cường độ sáng I.

Cường độ sáng theo phương n là mật độ quang thông bức xạ phân bố theo phương n đó. Cường độ sáng I_n là tỷ số giữa lượng quang thông bức xạ dệ trên vi phân góc khối dự theo phương n (hình 8):

Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd). Candela là cường độ sáng đo theo phương vương góc với tia sáng của mặt phẳng bức xạ toàn phần có diện tích 1/600.000m², bức xạ như một vật bức xạ toàn phần (ở nhiệt độ 2.046^oK) tức là nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101.325N/m².

Cường độ sáng của một vài nguồn sáng như sau:

Nến trung bình:              I ≈1 cd

Đèn dây tóc 60W:     I ≈68 cd

Đèn dây tóc 100W:   I ≈128 cd

Đèn dây tóc 500W:   I ≈700 cd

Đèn dây tóc 1500  :   I ≈2.500 cd

* Độ rọi (E):

Độ rọi là đại lượng để đánh giá độ sáng của một bề mặt được chiếu sáng.

Độ rọi tại một điểm M trên bề mặt được chiếu sáng là mật độ quang thông của luồng ánh sáng tại điểm đó. Độ rọi E_M tại điểm M là tỷ số giữa lượng quang thông chiếu đến dệ trên vi phân diện tích dS được chiếu sáng tại điểm đó:

Sau đây là độ rọi trong một số trường hợp thường gặp:

+ Nắng giữa trưa:   ≈100.000 lux.

+ Trời nhiều mây:  ≈1000 lux.

+ Đủ để đọc sách: ≈30 lux

+ Đủ để làm việc tinh vi:  ≈500 lux

+ Đủ để lái xe:       ≈0,5 lux

+ Đêm trăng tròn:  ≈0,25 lux

Ánh sáng yêu cầu vừa phải, không quá sáng làm lóa mắt, gây đầu óc căng thẳng;  hoặc quá tối, không đủ sáng, nhìn không rõ cũng dễ gây tai nạn. Nhu cầu ánh sáng đối với một số trường hợp cụ thể như sau: Phòng đọc sách: 200 lux; xưởng dệt: 300 lux; nơi sửa chữa đồng hồ: 400 lux.

* Độ chói (B):

Độ chói nhìn theo phương n là tỷ số giữa cường độ phát ra theo phương nào đó trên diện tích hình chiếu của mặt sáng xuống mặt phẳng thẳng góc với phương n (hình 9):

          Đơn vị đo độ chói là nít:

Độ chói của một vài vật:

+ Đội chói nhỏ nhất mắt người có thể nhận biết: ≈10^-6 nt

+ Mặt trời giữa trưa: ≈2.10⁹ nt

+ Dây tóc của bóng đèn: ≈10⁶ nt

+ Đèn neon: ≈10³ nt 
1.2. Quan hệ giữa chiếu sáng và sự nhìn của mắt

Sự nhìn rõ của mắt liên hệ trực tiếp với những yếu tố sinh lý của mắt, vì vậy cần phân biệt thị giác ban ngày và thị giác hoàng hôn (ban đêm).

* Thị giác ban ngày:

Thị giác ban ngày liên hệ với sự kích thích của tế bào hữu sắc. Khi độ rọi E đủ lớn (với E ≥ 10 lux - tương đương ánh sáng ban ngày) thì tế bào hữu sắc cho cảm giác màu sắc và phân biệt chi tiết của vật quan sát. Như vậy khi độ rọi E ≥ 10 lux thì thị giác ban ngày làm việc.

* Thị giác ban đêm (còn gọi là thị giác hoàng hôn):

Thị giác ban đêm liên hệ với sự kích thích của tế bào vô sắc. Khi độ rọi E ≤ 0,01 lux ( tương đương ánh sáng hoàng hôn) thì tế bào vô sắc làm việc.

Thông thường 2 thị giác đồng thời tác dụng với mức độ khác nhau, nhưng khi E ≤ 0,01 lux thì chỉ có tế bào vô sắc làm việc. Khi E = 0,01¸10 lux thì cả 2 tế bào cùng làm việc.

* Quá trình thích nghi:

Khi chuyển từ độ rọi lớn qua độ rọi nhỏ, tế bào vô sắc không thể đạt ngay độ hoạt động cực đại mà cần có thời gian quen dần, thích nghi và ngược lại từ trường nhìn tối sang trường nhìn sáng, mắt cần thời gian nhất định, thời gian đó gọi chung là thời gian thích nghi.

Thực nghiệm nhận thấy thời gian khoảng 15¸20 phút để mắt thích nghi nhìn thấy rõ từ trường sáng sang trường tối, và ngược lại khoảng 8¸10 phút.

* Tốc độ phân giải và khả năng phân giải của mắt:

Quá trình nhận biết một vật của mắt không xảy ra ngay lập tức mà phải qua một thời gian nào đó. Thời gian này càng nhỏ thì tốc độ phân giải của mắt càng lớn. Tốc độ phân giải phụ thuộc vào độ chói và độ rọi sáng trên vật quan sát. Tốc độ phân giải tăng nhanh từ độ rọi bằng 0¸1.200 lux sau đó tăng không đáng kể.

Người ta đánh giá khả năng phân giải của mắt bằng góc nhìn tối thiểu α_ng mà mắt có thể nhìn thấy được vật. Mắt có khả năng phân giải trung bình nghĩa là có khả năng nhận biết được hai vật nhỏ nhất dưới góc nhìn α_ng = 1’ trong điều kiện chiếu sáng tốt. 
1.3. Độ tương phản giữa vật quan sát và nền

Tỷ lệ độ chói giữa vật quan sát và nền chỉ mức độ khác nhau về cường độ sáng giữa vật quan sát và nền của nó.

Tỷ lệ này biểu thị bằng hệ số tương phản K:

Trong đó:

- B_n - Độ chói của nền.  

- B_ν - Độ chói của vật.

Biểu thức này cho thấy rằng một vật sáng đặt trên nền tối, giá trị K > 0 và biến thiên từ 0 đến +∞ . Ngược lại một vật tối đặt trên nền sáng giá trị K<0 và biến thiên từ 0 đến -1.

Giá trị K nhỏ nhất mà mắt có thể phân biệt được vật quan sát gọi là độ phân biệt nhỏ nhất (K_min) còn gọi là ngưỡng tương phản (K_min = 0,01).

Nghịch đảo của K_min  gọi là độ nhạy tương phản S_min  nó đặc trưng cho độ nhạy của mắt khi quan sát:

Độ nhạy tương phản phụ thuộc vào mắt với mức độ khá lớn ngoài, phụ thuộc vào độ chói của nền và phụ thuộc vào kích thước vật quan sát (tức là góc nhìn α). Góc nhìn càng bé thì độ nhạy tương phản càng giảm.
2. Kỹ thuật chiếu sáng 
2.1. Hình thức chiếu sáng

Trong đời sống cũng như trong sản xuất, người ta thường dùng hai nguồn sáng: ánh sáng tự nhiên và ánh sáng điện.

* Chiếu sáng tự nhiên:

Tia sáng mặt trời xuyên qua khí quyển một phần bị khí quyển tán xạ và hấp thụ, một phần truyền thẳng đến mặt đất.

Ánh sáng mặt trời khi chiếu xuống mặt đất đi xuyên qua lớp khí quyển bị các hạt trong tầng không khí hấp thụ nên các tia truyền thẳng (trực xạ) một mặt bị yếu đi, mặt khác bị các hạt khuyếch tán sinh ra áng sáng tán xạ làm cho bầu trời sáng lên.

Ánh sáng mặt trời và bầu trời sinh ra là ánh sáng có sẵn, thích hợp và có tác dụng tốt về mặt sinh lý đối với con người, song không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện bố trí... Độ rọi do ánh sáng tán xạ của bầu trời gây ra trên mặt đất về mùa hè đạt đến 60.000¸70.000 lux, về mùa đông cũng đạt tới 8.000 lux.

Bức xạ trực tiếp là những tia truyền thẳng xuống mặt đất tạo nên độ rọi trực xạ E_tx. Trong vòm trời thường xuyên có những hạt lơ lững trong khí quyển làm khuyếch tán và tán xạ ánh sáng mặt trời tạo nên nguồn ánh sáng khuyếch tán với độ rọi E_kt. Ngoài ra có sự phản xạ của mặt đất và các bề mặt xung quanh tạo nên độ rọi do phản xạ E_p.

Như vậy ở một nơi quang đãng và một điểm bất kỳ nào ngoài nhà, độ rọi là:

E_ng = E_tx + E_kt + E_p

Độ rọi E_ng thay đổi thường xuyên theo từng giờ, từng ngày, từng tháng, từng năm và còn theo vị trí địa lý từng vùng, theo thời tiết khí hậu vì thế ánh sáng trong phòng cũng thay đổi theo. Để tiện cho tính toán chiếu sáng tự nhiên, người ta lấy đại lượng không phải là độ rọi hay độ chói trên mặt phẳng lao động mà là một đại lượng quy ước gọi là hệ số chiếu sáng tự nhiên viết tắt là HSCSTN.

Ta có HSCSTN tại một điểm M trong phòng là tỷ số giữa độ rọi tại một điểm đó( E_M) với độ rọi sáng ngoài nhà (E_ng) trong cùng một thời điểm tính theo tỷ số phần trăm:

  Hệ thống cửa chiếu sáng trong nhà công nghiệp dùng chiếu sáng tự nhiên bằng cửa sổ, cửa trời (cửa mái) hoặc cửa sổ cửa trời hỗn hợp. Cửa sổ chiếu sáng thường dùng là loại cửa sổ một tầng, cửa sổ nhiều tầng, cửa sổ liên tục hoặc gián đoạn. Cửa trời chiếu sáng là loại cửa trời hình chữ nhật, hình M, hình thang, hình chỏm cầu, hình răng cưa v.v...

Cửa sổ bên cạnh được đánh giá bằng HSCSTN tối thiểu e_min. Cửa sổ cửa trời, cửa sổ tầng cao… được đánh giá bằng HSCSTN trung bình (E_tb).

Thiết kế chiếu sáng tự nhiên cho phòng phải tùy thuộc vào đặc điểm và tính chất của nó, vào yêu cầu thông gió, thoát nhiệt với những giải pháp che mưa nắng để chọn hình thức cửa chiếu sáng thích hợp.

Với điều kiện khí hậu ở nước ta, kinh nghiệm cho thấy thích hợp nhất là kiểu mái hình răng cưa. Trên hình 10 giới thiệu cửa chiếu sáng mái kiểu răng cưa.

Khi thiết kế cần tính toán diện tích cửa lấy ánh sáng đầy đủ, các cửa phân bố đều, cần chọn hướng bố trí cửa Bắc-Nam, cửa chiếu sáng đặt về hướng bắc, cửa thông gió mở rộng về phía Nam để tránh chói lóa, phải có kết cấu che chắn hoặc điều chỉnh được mức độ chiếu sáng.

* Chiếu sáng nhân tạo (chiếu sáng dùng đèn điện):

Hình 10. Các loại cửa chiếu sáng tự  nhiên trong công nghiệp

Khi chiếu sáng điện cho sản xuất cần phải tạo ra trong phòng một chế độ ánh sáng đảm bảo điều kiện nhìn rõ, nhìn tinh và phân giải nhanh các vật nhìn của mắt trong quá trình lao động. Dùng điện thì có thể điều chỉnh được ánh sáng một cách chủ động nhưng lại rất tốn kém.

* Nguồn chiếu sáng nhân tạo:

Đèn điện chiếu sáng thường dùng đèn dây tóc nung nóng, đèn huỳnh quang, đèn thủy ngân cao áp.

+ Đèn nung sáng: Phát sáng theo nguyên lý các vật rắn khi được nung trên 500^oC sẽ phát sáng. Đèn dây tóc nung sáng do chứa nhiều thành phần màu đỏ, vàng gần với quang phổ của màu lửa nên rất phù hợp với tâm sinh lý con người, ngoài ra đèn nung sáng rẻ tiền dễ chế tạo, dễ bảo quản và sử dụng. Đèn nung sáng phát sáng ổn định, không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, có khả năng chiếu sáng tập trung với cường độ thích hợp. Loại đèn này có nhiều loại với công suất từ 1¸1.500W. Đèn nung sáng có thể phát sáng khi điện áp thấp hơn điện áp định mức của đèn nên được sử dụng để chiếu sáng sự cố hoặc chiếu sáng an toàn...

+ Đèn huỳnh quang: là nguồn sáng nhờ phóng điện trong chất khí. Đèn huỳnh quang chiếu sáng dựa trên hiệu ứng quang điện. Có nhiều loại đèn huỳnh quang khác nhau như đèn thủy ngân thấp, cao áp, đèn huỳnh quang thấp cao áp và các đèn phóng điện khác. Chúng có ưu điểm hiệu suất phát sáng cao, thời gian sử dụng dài vì thế hiệu quả kinh tế cao hơn đèn nung sáng từ 2¸2,5 lần. Đèn huỳnh quang cho quang phổ phát xạ gần với ánh sáng ban ngày. Tuy nhiên chúng có nhược điểm như: phát quang không ổn định khi nhiệt độ không khí dao động, điện áp thay đổi thậm chí không phát sáng. Ngoài ra đèn huỳnh quang có giá thành cao, sử dụng phức tạp hơn. Hầu hết đèn huỳnh quang và đèn phóng điện trong chất khí có thêm thành phần bước sóng dài (màu đỏ, màu vàng, màu da cam...) nên không thuận với tâm sinh lý của con người. Đèn huỳnh quang còn có hiện tượng quang thông dao động theo tần số của điện áp xoay chiều làm khó chịu khi nhìn, có hại cho mắt.

* Các loại thiết bị chiếu sáng:

Thiết bị chiếu sáng có nhiệm vụ sau:

- Phân bố ánh sáng phù hợp với mục đích chiếu sáng.

- Bảo vệ mắt trong khi làm việc không bị chói, lóa…

- Bảo vệ nguồn sáng, tránh va chạm, bị gió, mưa, nắng, bụi…

- Để cố định và đưa điện vào nguồn sáng

Có nhiều loại đèn chiếu sáng khác nhau và được phân loại theo các mục đích khác nhau:

* Theo đặc trưng phân bố ánh sáng của đèn:

+ Chiếu sáng phân bố ánh sáng trực tiếp: loại này hơn 90% quang thông rọi trực tiếp xuống bề mặt làm việc.

+ Chiếu sáng phân bố ánh sáng bán trực tiếp: loại này khoảng 60¸90% ánh sángtrực tiếp rọi xuống mặt làm việc, một phần tường được rọi sáng nên hoàn cảnh ánh sáng tiện nghi hơn.

+ Chiếu sáng phân bố ánh sáng hỗn hợp: loại này khoảng 40¸60% ánh sáng trực tiếp rọi xuống bề mặt làm việc, các bề mặt giới hạn của phòng cũng nhận được ánh sáng.

+ Chiếu sáng phân bố ánh sáng gián tiếp: loại này hơn 90% quang thông hướng lên trên, ánh sáng có được nhờ sự phản xạ ánh sáng xuống của các bề mặt giới hạn như: trần, tường… loại này không dùng trong sản xuất.

* Theo kiểu dáng cấu tạo dụng cụ chiếu sáng:

+ Đèn hở, chụp đèn có miệng hở

+ Đèn kín, chụp đèn là quả cầu tròn bằng thủy tinh xuyên sáng.

+Đèn chống ẩm, vật liệu và cấu tạo đảm bảo chống được ẩm ướt.

+ Đèn chống bụi.

+ Đèn chống cháy nổ.

* Theo mục đích chiếu sáng:

+ Đèn chiếu sáng trong nhà.

+ Đèn chiếu sáng ngoài nhà.

+ Đèn chiếu sáng nơi đặc biệt.
2.2. Thiết kế và tính toán chiếu sáng điện

* Thiết kế chiếu sáng điện:

Thiết kế chiếu sáng điện phải đảm bảo điều kiện sáng cho NLĐ tốt nhất, hợp lý nhất mà lại kinh tế nhất. Có 3 phương thức chiếu sáng cơ bản:

+ Phương thức chiếu sáng chung: trong toàn phòng có một hệ thống chiếu sáng từ trên xuống gây ra một độ chói không gian nhất định và một độ rọi nhất định trên toàn bộ các mặt phẳng lao động.

+ Phương thức chiếu sáng cục bộ: chia không gian lớn của phòng ra nhiều không gian nhỏ, mỗi không gian nhỏ có một chế độ chiếu sáng khác nhau.

+ Phương thức chiếu sáng hỗn hợp: vừa chiếu sáng chung vừa kết hợp với chiếu sáng cục bộ.

* Tính toán chiếu sáng điện:

Tính toán để chiếu sáng điện chủ yếu là tính công suất điện cần thiết để chiếu sáng theo tiêu chuẩn của nhà nước quy định.

Trong kỹ thuật chiếu sáng, thường sử dụng hai phương pháp là phương pháp công suất đơn vị và phương pháp hệ số sử dụng:

+ Phương pháp công suất đơn vị: là phương pháp dựa vào tính chất lao động và các thông số của đèn để chiếu sáng, xác định công suất cần thiết cho một đơn vị diện tích 1m² của gian nhà:

Trong đó: 

- E - độ rọi nhỏ nhất theo tiêu chuẩn nhà nước (lux)

- K - hệ số dự trử của đèn phụ thuộc vào đặc điểm của gian phòng (nhiều hay ít bụi) thường K= 1,5 - 1,7

         là tỷ số độ rọi trung bình và độ rọi nhỏ nhất Z = 1¸1,25

- g - Hiệu suất phát quang của đèn (lm/w)

- ξ - Hệ số chiếu sáng hữu ích của đèn, ξ phụ thuộc vào loại đèn chiếu sáng

Từ công suất đơn vị w, tính được công suất của cả phòng P với N là số đèn:

Phương pháp công suất đơn vị đơn giản, dùng để tính toán sơ bộ như thiết kế, kiểm nghiệm kết quả các phương pháp tính khác và để so sánh tính kinh tế của hệ thống chiếu sáng nhưng phương pháp này kém chính xác.

+ Phương pháp hệ số sử dụng η: được dùng để tính toán cho chiếu sáng chung.

Trước khi đi vào tính toán cụ thể cần xác định cách bố trí đèn. Bố trí đối xứng đèn theo kiểu treo thành hàng dọc hoặc hàng ngang của gian nhà thì ánh sáng đều nhưng tốn điện. Sau đó xác định L/H_c, trong đó L là khoảng cách treo đèn, H_c là độ cao treo đèn. Dựa vào tỷ số L/H_c, nếu bố trí hình chữ nhật thì L/H_c lấy từ 1,4¸2, hình thoi lấy từ 1,7¸2,5.

Tính H_c theo công thức:

H_c = H-H_c-H_p

Trong đó:

- H là chiều cao từ sàn tới trần,

- H_c chiều cao từ đèn tới trần 

- H_p là chiều cao từ sàn đến bề mặt làm việc.

Dựa vào kết quả tính H_c và tỷ số L/H_c suy ra L.

Xác định chỉ số phòng i:

với a, b là chiều rộng và chiều dài.

Căn cứ vào i để xác định hệ số sử dụng η:

Với i ≥ 0,8 thì  η = 0,05¸0,36

       i≤ 2   thì  η = 0,08¸0,47

Cuối cùng xác định trị số quang thông của ngọn đèn công suất cho một ngọn đèn:

Trong đó:

- E- Độ rọi theo tiêu chuẩn nhà nước quy định (lux).

- S - Diện tích cần được chiếu sáng, m²

- K- hệ số dự trữ.

- Z - Tỷ số giữa độ rọi e_tb và e_min  lấy từ 1,5¸1,25

- n - Số đèn chiếu sáng cho gian phòng.