Arbeitswissenschaftliches Praktikum - Messung lichttechnischer Größen (Beleuchtung) -

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1 Arbeitswissenschaftliches Praktikum - Messung lichttechnischer Größen (Beleuchtung) - Universität Karlsruhe (TH) - Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion Abteilung Arbeitswissenschaften / Prof. Knauth

2 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 2

3 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 3

4 Beleuchtung im betrieblichen Arbeitsumfeld birgt Potential für Verbesserungen - 80 % der Sinneseindrücke der (Arbeits-) Umgebung werden über die Augen wahr genommen - Die Beleuchtung kann ganz wesentlich Einfluss auf Quantität und Qualität der verrichteten Arbeit haben - Optimale Beleuchtung wirkt daher produktivitätssteigernd - Finanziell und technisch überschaubarer Aufwand zur optimalen Arbeitsplatzbeleuchtung - Die Bedeutung optimaler Arbeitsplatzbeleuchtung ist noch nicht in vollem Unfang erkannt und birgt somit Potential für wirtschaftliche und gesundheitliche Verbesserungen 4

5 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 5

6 Die Funktionsweise des Auges ähnelt der einer optischen Kamera - Objektiv = Hornhaut + Linse - Blende = Iris (Anpassung Lichtverhältnis) - Film = Netzhaut (Fotorezeptoren) -7 Mio. Zapfen (Sehen am Tag + in Farbe) -130 Mio. Stäbchen (Sehen bei Nacht, k. Farbe) Wichtige Funktionen - Akkomodation -Anpassung des Auges an unterschiedliche Entfernungen - Adaptation -Anpassung des Auges an unterschiedliche Helligkeiten - Fixierung -Einstellung des Auges auf ein bestimmtes Wahrnehmungsobjekt 6

7 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 7

8 Lichttechnische Grundgrößen [1] - Lichtfarbe -die Lichtfarbe ist in drei Gruppen eingeteilt: -warmweiß (ww) < 3300 K -neutralweiß (nw) 3300 K 5300 K -tageslichtweiß (tw) > 5300 K - Lichtstrom [Φ] = Lumen [lm] -Der Lichtstrom ist ein Maß für die gesamte von einer Strahlungsquelle ausgesandte sichtbare Strahlung - Lichtausbeute [η] = Lichtstrom/Leistung -Verhältnis der erbrachten Lichtleistung (Lichtstrom) zu der dazu benötigten elektrischen Leistung - Beleuchtungsstärke [Ε] = Lux [lx] -Die Beleuchtungsstärke ist eine reine Empfängergröße 8

9 Lichttechnische Grundgrößen [2] - Lichtstärke [I] = Candela [cd] -Strahlungsleistung einer Lichtquelle pro Raumwinkel - Leuchtdichte [L] = cd/m 2 -Die Leuchtdichte ist das, was Menschen als Helligkeit wahrnehmen - Reflexionsgrad [ρ] = [%] -Der Reflexionsgrad ρ (Reflexionsvermögen) ist das Verhältnis zwischen reflektierter und einfallender Intensität 9

10 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 10

11 Die Sonne als natürliche Lichtquelle deckt alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes ab konnte H. Hertz nachweisen, dass Licht die gleichen Eigenschaften wie Rundfunkwellen hat - Sichtbares Licht ist Teil des elektromagnetischen Wellenspektrums ( nm) - Licht ist das Medium der Informationsübermittlung zwischen Objekt und Auge 11

12 Künstliche Lichtquellen und ihre Gruppierungen Künstliche Lichtquellen Temperaturstrahler (Glühwendel) Luminiszensstrahler (Gasentladung) Niederdruckentladung Hochdruckentladung 12

13 Arten und Eigenschaften von Temperaturstrahlern (Glühwendel) Vorteile Nachteile Glühlampe Niedrige Anschaffungskosten Großes Angebot an Leistungsstufen und Bauformen Angenehmes Licht Geringe Lichtausbeute 6 14 lm/w Geringe Lebensdauer ca Betriebsstunden Hohe Wärmebelastung Halogenglühlampe Lichtausbeute ca. 25 lm/w Lebensdauer 2000 h Großes Angebot an Leistungsstufen und Bauformen Sehr grelles Licht Hohe Wärmebelastung 13

14 Arten und Eigenschaften von Entladungs- und Leuchtstofflampen Vorteile Nachteile Sehr hohe Lichtausbeute bis zu 100 lm/w Hohe Lebensdauer ca h Viele verschiedene Varianten von Lichtfarbe und Farbwiedergabe Hohe Anschaffungskosten Schwierige Entsorgung Leuchtstoffröhre Niederdruckentladungslampe Natrium- dampf- Niederdrucklampe Extrem hohe Lichtausbeute mit bis zu 200 lm/w Gute Durchdringung des Lichtes bei Nebel Keine Farberkennung möglich 14

15 Arten und Eigenschaften von Entladungs- und Leuchtstofflampen Vorteile Nachteile Energiesparlampe Hochdruckentladungslampen Lange Lebensdauer bis ca h Gute Lichtausbeute lm/w Schlechte Farbwiedergabe Lange Anlauf- und Wiederzündzeiten 15

16 Weitere Möglichkeiten zur Energieeinsparung Tageslichtsysteme Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) Abwesenheitssensoren Funktion Bauliche Maßnahmen Lichtleitsysteme Kommen bei Leuchtstofflampen zum Einsatz Arbeiten mit hochfrequenter Wechselspannung kHz Bewegungsmelder Präsenskontrolle Potential Optimale Beleuchtung durch breites Lichtspektrum Kombinierter Einsatz mit künstlichen Lichtquellen möglich Verbesserte Lichtausbeute Geringerer Stromverbrauch Längere Nutzlebensdauer Konstant ruhiges Licht Keine Stromverschwendung bei Nichtbenutzung des Lichtes Einsparung an Energieverbrauch 40 % 30 % 12 % Einsparung gesamt 82 % 16

17 Vergleich mittlerer Beleuchtungsstärken - Natürliches Licht -sonniger Sommertag: bis Lux -trüber Wintertag: Lux -mondhelle Nacht: 0,2 Lux - Künstliches Licht -Lagerplätze: 10 Lux -Sozialräume: Lux Hellempfindlichkeitskurve für Nacht-(links) und Tagsehen. -Tankstellen: 200 Lux -Büroarbeitsplätze: Lux -OP-Feldbeleuchtung: >20000 Lux 17

18 Linienspektren von Lichtquellen - Die Qualität des Lichtes ist auch abhängig von der Beschaffenheit des Linienspektrums - Tageslichtlampen weisen ein weites Linienspektrum auf und können daher Sonnenlicht simulieren Linienspektrum von Natrium-Dampf Linienspektrum von Quecksilber-Dampf Linienspektrum von Neon-Dampf 18

19 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 19

20 Aufgaben und Merkmale einer guten Arbeitsplatzbeleuchtung - Aufgaben richtiger Beleuchtung -Hohe Qualität der Beleuchtung -Arbeitssicherheit -Persönliches Wohlbefinden - 5 Merkmale für gute Arbeitsplatzbeleuchtung -Mindestbeleuchtungsstärke einhalten -Leuchtdichteunterscheide vermeiden und Arbeitsraum Farbkontrastreich mit harmonischer Helligkeitsverteilung -Direkt- und Reflexblendung vermeiden -Lichtrichtung und Schattigkeit -Lichtfarbe und Farbwiedergabe 20

21 Farbwiedergabe und Lichtfarbe - Körperfarbe -Körperfarben können nicht direkt wahrgenommen oder gemessen werden. Nur ihr Effekt, nämlich die Farbe des zurückgeworfenen Lichts, ist messbar - Lichtfarbe = Farbeindruck einer Lichtquelle -Die Lichtfarbe entspricht dem farblichen Eindruck beim direkten Betrachten der Lichtquelle (s. Lichttechnische Grundgrössen) -Die Lichtfarbe hat entscheidenden Einfluss auf das Raumklima 21

22 Beleuchtungsarten Direkte Strahlung Indirekte Strahlung Gemischte Strahlung - Für Büroräume eignet sich besonders eine indirekte Deckenbeleuchtung kombiniert mit individuellen Arbeitsplatzleuchten 22

23 Agenda Motivation Physiologie des Auges Lichttechnische Grundgrößen Lichtquellen / Natürliches und künstliches Licht Richtige Beleuchtung Versuche / Bestimmung der Lichtfarbe und Messung lichttechnischer Größen 23

24 Praxisteil 1 / Bestimmung der Lichtfarbe und Farbwiedergabefähigkeit- Begriffsklärung - Lichtfarbe -Farbeindruck durch direktes Betrachten der Lichtquelle - Lichtausbeute -Maß für die effektive Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie - Farbwiedergabe Eigenschaft einer Lichtquelle, Körperfarben richtig wiederzugeben 24

25 Praxisteil 1 / Bestimmung der Lichtfarbe und Farbwiedergabefähigkeit Lampenart Lichtfarbennummer A Hellweiß Nr.20 B Universalweiß Nr. 25 C Weiß de Lux Nr. 30 D Na-Lampe Nr. 35 Lichtfarbe Tageslicht Neutralweiß Warmweiß Gelb/Orange Lichtausbeute Gut Gut Befriedigend Sehr Gut Farbwiedergabe Einsatzbereich 25

26 Praxisteil 1 / Bestimmung der Lichtfarbe und Farbwiedergabefähigkeit Lampenart Lichtfarbennummer A Hellweiß Nr.20 B Universalweiß Nr. 25 C Weiß de Lux Nr. 30 D Na-Lampe Nr. 35 Lichtfarbe Tageslicht Neutralweiß Warmweiß Gelb/Orange Lichtausbeute Gut Gut Befriedigend Sehr Gut Farbwiedergabe Sehr Gut Gut Befriedigend Keine Einsatzbereich OP Büro Sozialräume Zebrastreifen 26

27 Praxisteil 2 / Kontrastversuch [1] - Beleuchtungsstärke -Messung wird mit dem Luxmeter durchgeführt -Der Luxmeter ist ein photoelektrischer Empfänger mit Strommesser -Untergrundfarbe hat keinen Einfluss auf die Beleuchtungsstärke - Leuchtdichte -Messung erfolgt mit internen Sensor -Kontraste werden nach folgender Formel berechnet (Leuchtdichte Objekt Leuchtdichte Hintergrund) - Kontrast (K) = x 100 [%] Leuchtdichte Hintergrund 27

28 Praxisteil 2 / Kontrastversuch [2] Beleuchtungsstärke [E] = [lx] Leuchtdichte [L] = [cd/m²] Schwarzes Objekt Pinkfarbenes Objekt Graues Objekt Wert Wert Wert Grauer Hintergrund Grüner Hintergrund Weißer Hintergrund Wert Wert Wert Wert Wert Wert Wert Wert Wert Wert Wert Wert Kontrast [%] Schwarzes Objekt Pinkfarbenes Objekt Graues Objekt Grauer Hintergrund Wert Wert Wert Grüner Hintergrund Wert Wert Wert Weißer Hintergrund Wert Wert Wert 28

29 Praxisteil 3 / Reflexionsgrad p n x L x - Reflexionsgrad [p x ] = x 100 [%] L n p x := Reflexionsgrad der untersuchten Fläche p n := Reflexionsgrad des Normals = 0,93 (gegeben) L x := Leuchtdichte der untersuchten Fläche L n := Leuchtdichte des Normals Leuchtdichte L [cd/m²] Reflexionsgrad p Untersuchte Fläche 1 (Rot) Wert Wert Untersuchte Fläche 1 (Weiß) Wert Wert Reflexnormal Wert p n = 0,93 (vorgegeben) 29