Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2011 №1

Исследование фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов для нужд железнодорожного транспорта

Мурашова Мальва

Никифоров Сергей

Шищенко Алексей


В последнее время полупроводниковые источники света (светоизлучающие диоды повышенной яркости) получают все большее распространение в разных областях светотехники. Их глубокое проникновение на рынок и быстро расширяющийся диапазон применений высокоярких и слепящих осветительных приборов (ОП) на основе светоизлучающих диодов (СД) привели к необходимости задуматься об уровне безопасности их излучения.

Вред для глаз от излучения СД состоит в возможном термическом или фотохимическом повреждении сетчатки. Опасности оптического излучения (ОИ) оцениваются в соответствии с руководящими указаниями Международной комиссии по защите от неионизирующих излучений (МКЗНИ, ICNIRP), в которых устанавливаются пределы времени воздействия (экспозиции) и рассматриваются вопросы оценки опасностей ОИ для глаз и кожи, раздельно для лазеров и для некогерентных широкополосных источников оптического излучения (ИИ). Эти пределы были положены в основу соответствующей директивы Европейского Союза (ЕС) [1].

Международная комиссия по освещению (МКО, CIE) (Отделение 6) совместно с Международной электротехнической комиссией (МЭК, IEC) разработала для ламп методы оценки и классификации рисков со стороны синего и ИК-излучений. Эти методы приведены в стандарте МКО/CIE S009 [2], затем принятого МЭК в качестве стандарта IEC 62471 [3].

Так как конкретное использование ИИ обычно заранее неизвестно, стандарты по безопасности продукции требуют определения некоторых радиометрических параметров для сравнения их с допустимыми пределами [4]. Эти пределы соответствуют одному из классов опасности (или группе риска), каждый из которых отражает традиционную философию безопасности. В этих стандартах указываются и необходимые условия измерения этих параметров, основанные на учете наиболее тяжелых условий экспозиции. Масштабное внедрение светодиодной техники на объектах железнодорожного транспорта, проводимое в настоящее время, стало возможным лишь после внесения Роспотребнадзором изменений и дополнений, разрешающих использование светодиодного освещения на объектах железнодорожного транспорта, в следующие Санитарные правила:

  1. «Санитарные правила по проектированию, размещению и эксплуатации депо по ремонту подвижного состава железнодорожного транспорта» СП 2.5.1334-03;
  2. «Санитарные правила по проектированию, изготовлению и реконструкции локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта» СП 2.5.1336-03;
  3. «Санитарные правила для формирований железнодорожного транспорта специального назначения» СП 2.5.1335-03;
  4. «Санитарные правила по организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте» СП 2.5.1250-03.

В то же время применение светодиодов для освещения кабин машинистов и рабочих мест диспетчеров-операторов, связанных с обеспечением безопасности движения, Главным санитарным врачом ОАО «РЖД» не разрешено. Для решения вопроса о возможности получения такого разрешения необходимы исследования, подтверждающие фотобиологическую и гигиеническую безопасность длительного воздействия излучения светодиодов на организм человека при выполнении трудовых обязанностей специалистов водительских (машинистов и помощников машинистов) и диспетчерских профессий.

Данная статья посвящена исследованию фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов, предназначаемых для использования при освещении кабин подвижного состава и помещений диспетчерских систем железнодорожного транспорта. Настоящие исследования проводились в России впервые и выполнялись по заданию Департаментов Управления охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля и Технической политики ОАО «РЖД» в лаборатории «Л.И.С.Т.» («Лаборатория Исследования Световых Технологий»).

Объектом исследований являлись осветительные приборы со светодиодами (ОП с СД), наиболее близкие по конструкции и светотехническим параметрам к светильникам с традиционными источниками света, используемым в настоящее время в кабинах локомотивов и помещениях диспетчерских систем железнодорожного транспорта. Были выбраны и исследовались следующие осветительные приборы: светильники СОЛ-1 (образцы № 1 и 3, производства ЗАО НПО «РоСАТ») для освещения кабин локомотивов, предназначаемые для замены плафонов с лампой накаливания, светодиодная панель ЕхР-600 (производства ООО «Экспомет») для освещения помещений диспетчерских систем, предназначаемая для замены светильников с люминесцентными лампами. Фотографии светильников представлены на рис. 1.

По данным В. Йордан, В. Халбриттер и В. Хорак [4], основным радиометрическим параметром при оценке фотобиологической опасности светильников является спектральное распределение их энергетической яркости. При измерении радиометрических характеристик светильников должны строго соблюдаться условия, приведенные в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [4]. Измерение радиометрических параметров излучения светильников общего освещения должно проводиться с расстояний, на которых светильники создают освещенность, равную 500 лк, при входном (апертурном) угле у, определяемом конкретным видом опасности и группой риска.

Энергетическая яркость светильника L (Вт/м²·ср) определялась по формуле (1):

где Р — измеряемая радиометром интегральная мощность излучения, Вт, S — площадь светящейся части светильника, вырезанная углом ϒ, м²; Ω — телесный угол, в котором заключено измеренное излучение, ср.

При этом:

где r1 — радиус светящейся части площади светильника, вырезанной углом ϒ, м ; r — рас-тояние от светильника до измерительной апертуры радиометра, м.

Расстояние r предварительно определялось от поверхности рассеивателя светильника до плоскости, на которой освещенность была равна 500 лк. Перед измерениями освещенности светильники работали более 1,5 ч. Результаты измерений расстояния приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расстояние для измерений радиометрических параметров r

Наименование светильника Расстояние от светильника по направлению осевой силы света, на котором обеспечивается освещенность 500 лк, м
СОЛ-1, образец № 1 0,443
СОЛ-1, образец № 3 0,486
Светодиодная панель ЕхР-600 1,440

Для измерения интегральной мощности излучения использовалась радиометрическая головка и гониометр в составе стенда «Флакс 20»; для измерения относительного спектрального распределения мощности излучения — спектрометрический стенд «Спекорд»; для измерения пространственного распределения силы света — фотометрический стенд «Флакс 20», включающий гониометр и фотометрическую головку.

В помещении фотометрической лаборатории поверхности потолка, стен и пола имели светопоглощающее покрытие с коэффициентом отражения менее 0,03. Температура в помещении во время измерений составляла +25±1 °C.

Измерения мощности излучения всех исследуемых светильников проводились при диаметре апертурной диафрагмы радиометрической головки 7 мм (приведено к диаметру зрачка темноадаптированного глаза). Для оценки светильников по требованиям «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки» при измерениях мощности излучения обеспечивался входной (апертурный) угол у = 0,1 рад. А для оценки светильника СОЛ-1 образец № 1, с максимальным излучением в длинноволновой области спектра из исследованных светильников, по требованиям «группы полного отсутствия риска от термической опасности для сетчатки» мощность излучения была измерена и при входном (апертурном) угле ϒ = 0,011 рад. Соответствующие входные углы обеспечивались расстояниями между плоскостью входного окна радиометра (табл. 1) и масками, устанавливаемыми на соответствующий светильник, с диаметрами диафрагм поля зрения, приведенными в таблице 2.

Таблица 2. Диаметры диафрагм поля зрения

Наименование светильника Входной (апертурный) угол ϒ, рад Диаметры диафрагмы поля зрения, м
СОЛ-1, образец № 1 0,1 0,0443
0,011 0,0049
СОЛ-1, образец № 3 0,1 0,0486
Светодиодная панель ЕхР-600 0,1 0,160

Исследования фотобиологической опасности светильников с СД проводились в следующем порядке.

Светильник устанавливался на гониометр фотометрического стенда «Флакс 20» (рис. 2), и на него подавалось номинальное напряжение.

Светильник работал в течение 1,5-2 ч, до достижения стабилизации параметров.

Далее измерялось пространственное распределение силы света с помощью фотометрической головки, расположенной на расстоянии порядка 18 м от гониометра (точное расстояние зависит от типа светильника и его геометрических размеров) (рис. 3).

На выбранном (табл. 1) расстоянии для каждого светильника измерялось относительное спектральное распределение мощности излучения с помощью спектрометрического стенда «Спекорд» (рис. 4) по оптической оси светильника и под углом 75° к оптической оси в плоскости симметрии светильника. Последнее выполнялось для оценки отличия спектрального распределения излучения в направлении оси светильника и под большим углом наблюдения, всегда присутствующего у приборов на основе светодиодов и могущего повлиять на дальнейшие расчеты и достоверность полученных значений энергетической яркости.

Затем на светильник устанавливалась подготовленная заранее маска с диафрагмой, диаметр которой по таблице 2 соответствовал входному (апертурному) углу ϒ = 0,1 рад (рис. 5).

Поворотная часть гониометра со светильником устанавливалась так, чтобы оптическая ось светильника была параллельна рельсу, на котором установлены гониометр и радиометр и который расположен под углом к направлению измерения пространственного распределения силы света фотометром. На рельсе устанавливалась радиометрическая головка (рис. 6) с входной (апертурной) диафрагмой в 7 мм на расстоянии по таблице 1, измеренном с помощью лазерного дальномера Leica Disto А5. В процессе исследования замерялся ток I в измерительной цепи радиометрической головки, освещенной светильником через диафрагму маски. Для светильника СОЛ-1 образец № 1 дополнительно устанавливалась маска с диафрагмой, диаметр которой по таблице 2 соответствовал входному (апертурному) углу у = 0,011 рад, и снова замерялся ток в измерительной цепи радиометрической головки.

Мощность излучения светильника P, измеренная радиометром и заключенная в заданном входным углом ϒ телесном угле Ω, определялась по следующей формуле (4):

где I — ток радиометра, А; Кх — коэффициент чувствительности радиометра для спектрального распределения излучения исследуемого светильника.

Коэффициент Кх (А/Вт) определялся на основе относительного спектрального распределения излучения светильника φλ, измеренного ранее, характеристики относительной спектральной чувствительности радиометра λλ (рис. 7) и паспортного максимального коэффициента чувствительности радиометра λmax = 0,50622 А/Вт по следующей формуле (5):

Энергетическая яркость светильника L (Вт/(м²·ср нм) определялась по формуле (1). Спектральное распределение энергетической яркости светильника для заданных условий измерения определялось по следующей формуле (6):

где φ λ — относительное спектральное распределение излучения светильника, С - нормирующий коэффициент (Вт/(м²·ср нм), рассчитываемый следующим образом (7):

Для оценки опасности «синего» излучения светильника для сетчатки рассчитывалось значение энергетической яркости эффективного излучения синего света LB (Вт/(м²·ср)) по следующей формуле (8) [1]:

где В(λ) — спектральное взвешивание с учетом длины волны, вызывающее фотохимическое поражение зрения синим светом (табл. 1.3 [1]).

Для оценки термической опасности излучения светильника для сетчатки рассчитывалось значение энергетической яркости эффективного излучения теплового поражения LR по формуле (9) [1]:

где R(λ) — спектральное взвешивание с учетом длины волны, наносящее тепловое поражение

зрению посредством видимого и импульсного излучения, приведено в таблице 1.3 [1]. При этом значения Lλ должны быть определены для соответствующего значения входного угла ϒ = 0,011.

Окончательная оценка фотобиологической опасности осветительных приборов со свето-диодами проводилась сравнением значений LB и LR с предельными значениями, приведенными в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [4].

Полученные данные удобнее рассматривать отдельно для каждого образца, представляющего свой класс по характеристикам и месту применения.

Результаты исследований светодиодной панели ЕхР-600

Светодиодная панель ЕхР-600 (далее светодиодная панель) может использоваться в качестве встраиваемого светодиодного светильника в подвесные потолки с шагом ячейки 600×600 мм или как отдельный накладной светильник потолочного или настенного крепления. Светодиодная панель предназначена для освещения офисов, торговых и складских помещений.

Технические характеристики ЕхР-600 (по данным производителя):

  1. питающее напряжение 110-240 В 50-60 Гц;
  2. потребляемая мощность светильника 45 Вт;
  3. класс электробезопасности II;
  4. коэффициент пульсации 4,75;
  5. цвет белый (5000 К) и теплый белый (2800 К);
  6. класс защиты IP40;
  7. климатическое исполнение У3.1;
  8. рабочий диапазон температур -20.. .+50 °С;
  9. массо-габаритные показатели 597x597x75 мм, 1,8 кг.

Светодиодная панель имеет две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии. Результаты измерения пространственного распределения силы света в них и расчетов фотометрических параметров на основе диаграмм распределения показаны на рис. 8. В таблице 3 приведены результаты измерения основных светотехнических параметров светодиодной панели.

Таблица 3. Светотехнические параметры светодиодной панели

Осевая сила света, кд 1206
Световой поток, лм 2643
Потребляемая мощность, Вт 58
Световая отдача, лм/Вт 45,65
Цветовая температура Тцв, К 4988

Результаты измерения относительного спектрального распределения излучения светодиодной панели иллюстрирует рис. 9.

Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки», приведены в таблице 4.

Результаты исследований светодиодного светильника СОЛ-1

Светодиодные светильники СОЛ-1 (далее светильники) предназначены для освещения: оборудования, устанавливаемого в кузове локомотива; проходов и коридоров; ходовой части локомотива; жилых и общественных помещений; производственных зданий; гаражных боксов; лестничных клеток; лифтов; подземных переходов. Светильники устанавливаются на стеновые или потолочные поверхности.

Технические характеристики светильника (по данным производителя):

  1. потребляемая мощность не более 15 Вт;
  2. диапазон номинальных напряжений питания постоянного тока 24-110 В;
  3. диапазон номинальных напряжений питания переменного тока 50-240 В;
  4. световой поток Ф 450 ±90 лм;
  5. срок службы 50 000 ч;
  6. цвет холодный белый (6500-8000 К), натуральный белый (4000-5000 К), теплый белый (3000 К);
  7. класс защиты IP53;
  8. климатическое исполнение УХЛ1 по ГОСТ 15150-69;
  9. диапазон рабочих температур -55.. .+60 °C;
  10. массо-габаритные показатели 157×128×106 мм, 2 кг.

Светильник имеет две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии.

Светильник СОЛ-1, образец № 3

Результаты измерения пространственного распределения силы света в двух плоскостях симметрии и расчетов на их основе фотометрических параметров образца № 3 показаны на рис. 10. В таблице 5 приведены результаты измерения его основных светотехнических параметров.

   

Таблица 5. Светотехнические параметры образца № 3

Осевая сила света, к 142
Световой поток, лм 475
Потребляемая мощность, В 10
Световая отдача, лм/Вт 47,5
Цветовая температура Тцв, К 4210

Результаты измерения относительного спектрального распределения излучения и координаты цветности образца № 3 можно увидеть на рис. 11. Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки», приведены в таблице 6.

 

Светильник СОЛ-1, образец № 1

Результаты измерения пространственного распределения силы света в двух плоскостях симметрии и расчетов фотометрических параметров на их основе образца № 1 показаны на рис. 12. В таблице 7 приведены результаты измерения его основных светотехнических параметров.

 

Таблица 7. Светотехнические параметры образца № 1

Осевая сила света, кд 120
Световой поток, лм 438
Потребляемая мощность, В 10,8
Световая отдача, лм/Вт 40,45
Цветовая температура Тцв, К 3030

Результаты измерения относительного спектрального распределения излучения и координаты цветности образца № 1 иллюстрирует рис. 13. Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки», представлены в таблице 8.

Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от термической опасности для сетчатки», приведены в таблице 9.

Оценка фотобиологической опасности светодиодных светильников

Оценка фотобиологической опасности светодиодных светильников проводилась сравнением значений энергетической яркости эффектив ного излучения синего света LB и энергетической яркости эффективного излучения теплового поражения LR, определенных в процессе исследований, с предельными значениями, приведенными в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [4].

Степень термической опасности для сетчатки глаза зависит от размера изображения источника излучения (ИИ) на ней. Поэтому в случае доминирования термических опасностей угловой размер ИИ а известен. При этом:

где d — характерный размер светящего тела; r — расстояние от последнего до измерительной апертуры.

Для определения d используется половина точек изображения ИИ. Для нахождения соответствующего угла а по данной формуле используются два его ограничения: αmin = 1,7 мрад и αmax = 100 мрад. Выше и ниже этих границ пределы термической опасности для сетчатки не зависят от размеров ИИ.

Для светильника СОЛ-1 № 1: d = 0,0785 м; r = 0,443 м; α = 0,177 рад, что в 1,77 раза больше αmax = 100 мрад. Следовательно, для определения предельного значения LR принимаем α = 100 мрад, и предельное значение LR = 2,8 × 104/а = 280 Вт/(м2-ср).

В таблице 10 представлены значения LB и LR, полученные в результате исследования светодиодных светильников, предназначаемых для освещения рабочих мест машинистов локомотивов и диспетчерских систем железнодорожного транспорта. В той же таблице приведены предельные значения LB для «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки» и предельные значения LR для «группы полного отсутствия риска от теплового поражения сетчатки».

Анализ данных таблицы 10 показывает, что для всех исследованных осветительных приборов со светодиодами величины LB и LR значительно меньше предельных.

В результате проведенной оценки фотобиологической опасности исследованных светильников можно сделать вывод о том, что они относятся к «группам полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения и теплового поражения сетчатки».

В заключение следует отметить, что использованный метод измерения энергетической яркости без создания изображения светящей части светильника на приемнике радиометра с помощью объектива вносит дополнительную погрешность. Погрешность составляет 10-20% от заданного входного угла Y в сторону его увеличения. Дополнительная погрешность увеличивает измеренные значения энергетической яркости. Однако превышение предельных значений намного больше даже увеличенных измеренных величин, что никак не влияет на оценку фотобиологической безопасности исследованных светильников.

Литература

  • Richtlinie 2006/25/EG // Amtsblatt der Europaischen Union. 2006. Vol. 27, № 4.
  • CIE S009:2006 (http://www.cie.co.at/cie/).
  • IEC 62471:2006 (http://www.iec.ch/).
  • Йордан В., Халбриттер В., Хорак В. Метрологические требования к определению характеристик фотобиологических опасностей ламп и светодиодов // Светотехника. 2009. № 5.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке