Расчет света для аквариума (немного математики)

[oltrew]

Сообщение от Ye_Lviv

Вы не внимательно читали, четко выше указано какая плошадь с примерами рассчета. Надеюсь вы сможете определить плащадь поверхности аквариума. А если вас смущает что одна часть этой поверхности будет на пять копек ярче другой то это уже тяжелый случай.

И не нужно ловить зайчиков по всей комнате и измерять их, достаточно только того что попадает на поверхность аквариума. Надеюсь размеры аквариума вы сможете померять и пощитать площадь его поверхности.

Нет, это Вы невнимательно читали.
1. На каком основании Вы считаете, что весь поток, вышедший из отражателя, попадет на вашу конкретную поверхность?
Чтобы весь свет попал на поверхность, вам нужно положить отражатель на поверхность, а площадь этой поверхности должны быть равна площади отражателя.
2. На каком основании Вы считаете, что ВСЯ поверхность будет освещена?
3. Почему именно поверхность воды, а дальше что - дальше свет идет однородно и равномерно по единой закономерности, невзирая на углы?
Утрированные примеры:
1. Большой отражатель на расстоянии светит в маленькую баночку.
2. Маленький отражатель (фонарик) светит на большой аквариум - почти вся поверхность абсолютно темная.
3. Солнце освещает всю поверхность под большим углом - при этом (по закону преломления) будет освещена только дальняя часть дна.

[Ye_Lviv]

Сообщение от oltrew

1. На каком основании Вы считаете, что весь поток, вышедший из отражателя, попадет на вашу конкретную поверхность?

Черт не такой уже и страшный ка вы его рисуете, см рисунок внизу, при угле падения 60 градусов отражается только около 5%, но учтите что не весь сет падает под таким углом.

Сообщение от oltrew

2. На каком основании Вы считаете, что ВСЯ поверхность будет освещена?

блохи не считаю, см. пункт 1.

Сообщение от oltrew

3. Почему именно поверхность воды, а дальше что

а куда еще светить на потолок чтоли? Кстати кода вы положите рефлектор на воду угол отражения возрастет см. рисунок (луч будет идти вскользь) и потери возрастут.

[oltrew]

Ye_Lviv , по первому зачем приплетать отражение? Отражением поверхностью можно пренебречь. Не знаю, откуда Вы взяли диаграмму, но при угле падения 60 гдадусов коэффициент отражения будет 0,11 - т.е. 11% отразится. Но таких углов в аквариуме с отражателями не бывает.
2. Какие блохи? Одна часть поверхности может быть освещена В ДЕСЯТКИ РАЗ хуже другой, например на пару сантиметров в сторону от конца лампы.
3. Ваша поверхность обладает свойствами нанолюминофора? Она что, переизлучает принятый свет дальше перпендикулярно поверхности? Насчет (луч будет идти вскользь) ничего не понял. Если положить отражатель на поверхность, то весь свет выходящий из отражателя попадет на поверхность - свет делится на "В отражателе" и "Не в отражателе", третьего не дано. Какие в этом могут быть сомнения?

[Анна2010]

Тема хорошая вообще и нужная, но для профессионалов, конечно же, а не для таких любителей как я - в принципе, я так подумала, что если человек заводит 500 литров себе а то и больше - то все покупки ламп и светильинков "на глазок" и по правилу 0,5 вт на литр - могут плохо закончится для аквариума и для кошелька. Потому как действительно надо точно расчитать тогда - и глубину и площадь поверхности, с ручкой и бумагой в руках - по другому может и действительно не получится. Это для маленьких аквариумов до 100 -150 литров, в принципе можно и на "глазок" чудить без гармошки - со светом и со многими другими вещами - но никак ни с большим профессиональным хозяйством. Так что, мои извинения топикстартеру - тема очень правильная , признаю.

[Ye_Lviv]

Сообщение от Анна2010

"на глазок" и по правилу 0,5 вт на литр - могут плохо закончится ...

Примерно так как вы сказали, но одно маленькое уточнение, все эти рассчеты с некоторым запасом нужны только в аквариумах с травяными ковриками, конкретнее там где глоссостигма, гемиантус куба, утрикулярия, ситняг малый.
В остальном катастофы большой не будет, но при малом свете удлинняется междоузлия длинностебельных растений.

[oltrew]

Тему следовало бы назвать "Самый сложный, запутанный и неправильный расчет света для аквариума (без математики!)"

На предыдущие вопросы по теме так и не получил ответов от Starcomputer. Продолжу еще задавать неудобные, зато распутывающие вопросы.

Сообщение от Starcomputer

Коэффициент ослабления света от глубины для аквариумов примерно равен:
0,3 м – 0,47-0,65 (0,56);
0,4 м – 0,37-0,55 (0,46); - 17,9%
0,5 м – 0,29-0,48 (0,39); - 15,2%
0,6 м – 0,22-0,40 (0,31); - 20,5%
0,7 м – 0,17-0,35 (0,26); - 16,1%
0,8 м – 0,14-0,30 (0,22). - 15,4%
(в скобках указаны средние значения).

1. Откуда такой провал в диапазоне 0,5-0,6 м? Там что, формируется особо плотный слой воды, поглощающий свет сильнее других слоев? Если это погрешность измерения, то с учетом усредненных значений - слишком большая (и порождающая недоверие к последующим данным и выводам).

2. Откуда взят такой огромный коэффициент поглощения света аквариумной водой? Причем все этому верят - за полтора года существования темы и калькулятора Starcomputer и за несколько лет жизни Миклухиной страницы никто в этом коэффициенте не усомнился. Вода, она ведь прозрачная! Неужели вы этого не видите?
А ведь его очень легко проверить простым наблюдением. При коэффициенте поглощения 2,5 по закону Бугера глубины 2 метра достигнет менее процента (0,67%) света. Нужно еще учесть, что на границе вода-стекло по нормали теряется 0,36%, на границе стекло-воздух - 4% = еще минус 4,36 процента, т.е. на глубине 2 м - практически полная тьма. Нам не обязательно нужна глубина - можно проверить и на горизонтальном слое воды. У кого есть доступ к аквариуму длиной 2 метра - почистите одно боковое стекло и посмотрите сбоку - у противоположной стенки ничего не должно быть видно. Так ли это? Я проверял в бассейне - при чистой воде видимость метров до 30. Вода в бассейне вполне сравнима с аквариумной - простая водопроводная, подкрашенная медным купоросом, хлоркой или более современными бирюзовыми антисептиками + кожа, волосы, сопли, слюни, пот, моча.

3. Откуда взят такой большой коэффициент старения, 1,2? Производители заявляют 3-7% через год или даже несколько лет. И лампы новые, а коэффициент уже считается - тоже как-то неубедительно.

Сообщение от Starcomputer

Коэффициент ослабления при входе равен 0,83. (Данные взяты с "УКроПа")

4. Откуда интересно появились эти 0,83 ослабления (17% отражения)? Может опять погрешности измерений? Из школьного курса физики известно, что отражение поверхностью воды в нормали - 0,02 (2%), под углом увеличивается очень медленно - 45 грд. - 5%, 60 грд. - 11%. Разумно было бы принять средний коэффициент отражения до 0,04 (4%). А проще отражением поверхностью воды пренебречь.

Угловой коэффициент.
5. Starcomputer, на каком основании вообще используются обычные углы? Свет в аквариуме распространяется по законам Пифагора? Он (свет) у вас с Миклухой плоский?
Угловой метод дает очень большую погрешность. Для точечного источника - раза в два, для линейных - десятки процентов. При бесконечной длине лампы погрешность стремится к нулю, при коротких длинах ламп погрешность увеличивается. Также зависит от расстояния до дна - чем больше расстояние, тем меньше погрешность, на расстояниях больше 60 см для стандартных ламп погрешность невелика - видимо лампа начинает "работать" как ламбертов источник (по закону Ламберта).

Сообщение от Starcomputer

Угловой коэффициент можно посчитать, зная угол от центра лампы к краям аквариума

6. Может правильнее все-таки не к углам аквариума, а к углам, образованными поверхностью воды и длинными стеклами?

7. Зачем в расчете вообще нужен угловой коэффициент Ку? Ведь постулируется, что весь свет, входящий в воду, остается внутри аквариума. который является световодом. Если предположить наличие отражателя или отражающей крышки (а разве бывает по-другому?), то весь свет там и окажется, кроме поглощенного отражателем. Куда ж ему еще деваться? Не проще ли, чтобы не задурять особо голову четырьмя коэффициентами ослабления, поглощения, старения и Ку, ввести единый поправочный коэффициент на единицу глубины аквариума? Итого, получите удобную (простую) формулу расчета силы света, практически без математики: желаемые люксы умножить на площадь дна и поправка коэффициентом (например, просто умножить на глубину в метрах) = требуемые люмены. Еще немного скорректировать коэффициентом отражателя (0,5-0,9) и всё. Как вам такая простота? По-моему, ничем не хуже всей этой псевдонаучной путаницы.

Starcomputer, ошибку в калькуляторе для значений глубины больше 97 см так и не подправил.

[Starcomputer]

Сообщение от oltrew

Как вам такая простота?

Можно еще проще - ватт/литр

Сообщение от oltrew

При коэффициенте поглощения 2,5 по закону Бугера

Для какой длины волны ? Закон Бугера-Ламберта-Бера выведен для монохроматического источника.

Сообщение от oltrew

Я проверял в бассейне - при чистой воде видимость метров до 30

Проверяли "на глаз" или приборами ?
Не забывайте, что глаз человека "приноравливается" к освещенности сжимая или расширяя зрачек.
Вот данные о падении освещенности, которые получил Андрей (Кениец), меряя даже не в воде, а в воздухе:
http://www.aquaforum.ua/showthread.php?t=24684
Как видите к-ты довольно схожие.

[oltrew]

Сообщение от Starcomputer

Можно еще проще - ватт/литр
Для какой длины волны ? Закон Бугера-Ламберта-Бера выведен для монохроматического источника.

Откуда мне знать длину волны? Это же Ваши данные - из Вашей таблички "Коэффициента ослабления", рассчитаной Миклухой по закону Бугера для коэффициента поглощения 1,5-2,5. Так что вопрос не по адресу. Возможно, это среднее значение для видимых спектров.
Еще перепроверю себя - возможно где-то ошибся в расчетах.

Не, ватт/литр неинтересно - совсем негде потеоретизировать.

[Starcomputer]

Сообщение от oltrew

рассчитаной Миклухой по закону Бугера

Да не расчитывал их никто. Они вычислены эмпирическим путем.
Если уж на то пошло, то их можно попробовать рассчитать по формулам Френеля

[oltrew]

Себя проверил, ошибок не нашел.

Сообщение от Starcomputer

Да не расчитывал их никто. Они вычислены эмпирическим путем.
Если уж на то пошло, то их можно попробовать рассчитать по формулам Френеля

По формулам Френеля рассчитать что? Поглощение?

Именно что рассчитаны. Сейчас проверил в Excel - совпадение с расчетными значениями для k 1,5 и 2,5 до процента. Такого совпадения в 12 точках разнородных процессов (расчетного поглощения и эмпирически измеренного ослабления при удалении) добиться невозможно.
Сравнение выглядит вот так:

Заодно выяснил почему провал на 0,6 м. Поглощение нельзя считать среднее простым способом - там же не линейная закономерность. Можно сравнить с расчетными значениями "пропускания" для k=2. И еще погрешности с округлениями.

Короче, если резюмировать. По поглощению Миклуха ошибся ровно в 10 раз. Ну с кем не бывает, просто ошибся, всего на порядок. Ошибку не заметил, но, чтобы исправить явный косяк - рассогласование с реальностью - пренебрег в расчете ослаблением света при удалении от источника и добавил всякие высоченные коэффициенты вхождения, старения, Ку. Никакого отношения к реальности такой расчет не имеет, совпадения с реальными измерениями могут быть только случайными.
Коэффициент поглощения света водой, усредняя спектры, для чистой аквариумной воды - 0,15, для старой желтой - 0,25. По спектрам картина такая:

Расследование в основном закончил.

[Ye_Lviv]

Сообщение от sashha

А я вот везде читаю что от 6400 хорошо растут зеленые водоросли и забивают весь аквариум. В другом месте читаю, что под 2700 водоросли растут быстрее. Где же истина? Тема видимо спорная.

Це бездоказова теза і це не наукова стаття (потрібні доказові експеременти і т.д.), але згідно логіки картина виглядає так:
6400К ефективніша для рослин 2700К менш ефективна але водорослі пристосовані до любого світла,
отже коли краще для рослин то відповідно гірше для водоростей, бо коли рослинам добре зле водоростям.
Там де є будь яке світло можливі водорості, оскільки є маса різних факторів це Редфілд коефіцієнт, СО2, добрива, кількість маси рослин тощо...при рівних умовах 6400 до 2700 збільшує ймовірність на користь рослин.

Сообщение от Скиталец

Наприклад те , що Ви палкий прихильник продукцii ADA та iнших "моднiх" тенденцiй...
(даруйте, менi так здалося).

Я палкий прихильник бобутових Т5 і МГ ламп замість спеціалізованих фітоламп, але тільки серій 8ХХ або 9ХХ і кольорів 4100К і більше.
А малюночок приведений як спектр поглинання фотосинтезуючих пігментів на різних довжинах хвиль світла, хоч там є і лампа АДА. І в статті на яку є посилання теж багато про побутові лампи. Звідки такі висновки?

[oltrew]

Сообщение от Starcomputer

Вот данные о падении освещенности, которые получил Кениец
http://www.aquaforum.ua/showthread.php?t=24684
Как видите к-ты довольно схожие.

Зря вы эту ссылку дали. Там вообще полная каша. Человек меряет разные лампы в разных коробках, шестая вообще в люстре под потолком, длины не указывает, без воды, т.е. не работает эффект полного внутреннего отражения. Точки замера всего две: 10 см и 50 см - закономерность не выстроишь. В результате - просто что-то померял (как в мультике удава). Никакие выводы из такой каши сделать нельзя. Кроме вывода об отсутствии какой-либо методики.
А еще Кениец там такой перл воспроизводит: на каждые 10 см в воде происходит потеря примерно 50 % излучения. И даже картинку привел, где на глубине 50 см остается всего 3% излучения. Если продолжить "суперзакономерность", то выяснится, что на глубину 1 м попадет всего 0,01% света. Как раз недавно затеял небольшое исследование на российском форуме и еще здесь - искал источник этого мифа "10 см - 50%". Получились три версии. Если интересно, могу и здесь повторить. А абсурдность такой "закономерности" настолько очевидна, что даже доказывать ничего не нужно - просто посмотрите в свой аквариум. Если ничего не заметили - посмотрите с торца - видна тьма?

Сообщение от Starcomputer

Проверяли "на глаз" или приборами ?

Какая разница - глаз отличит освещенное человеческое тело от полной тьмы или еще проще - свет от тьмы. В бассейне видимость метров 20, до 30. И как это проверить приборами? Это нужно арендовать бассейн в безлунную ночь, выключить фонари снаружи, покрасить дно и стенки в черный цвет, под поверхностью воды натянуть черную ткань, чтобы исключить эффект полного отражения. Включить подводную лампочку и потом нырять и мерять. И где взять такой чувствительный прибор, который покажет микрозначения освещенности - подводный цифровой телескоп у астрономов-подводников? На воздухе на расстоянии 30 м освещенность от лампы 1000 лм составит 0,2 люкса, а в воде со средним коэффициентом поглощения 0,2 - 0,0005 люкса. А бытовые люксметры оперируют тысячами и сотнями люксов.

[oltrew]

Ye_Lviv, не стоит безоглядно верить авторитетам - у них тоже есть ошибки, тем более что амания - это совсем не ADA. Картинка с амании - очень хорошая демонстрация этой мысли. Как раз недавно на белорусском форуме рассматривал именно эту картинку с пристрастием. Так что копипастю уже готовый ответ:
Во-первых, в заголовке диаграммы две грубые ошибки - с орфографией и пунктуацией автор картинки не дружит. Если бы это был пост в форуме, то несущественно, но эта картинка вроде претендует на научность. Ладно, спишем на неграмотность переводчика. Но осадок уже остался.
Во-вторых, диаграмма вообще некорректна. Там недостаточно данных - не указан слой воды. Получается кофейная гуща: в красном спектре растений достигнет 60% света! Ни больше, ни меньше. И на глубине километр - тоже.
В-третьих, вызывают недоверие субстанции: "мутная береговая вода", всего на 20% отличающаяся от нее "вода после фильтрации" и какая-то "чистая вода". По графику через мутную береговую воду к растениям пробьется 40% света, а через фильтрованную - 60%. Что за фильтрация такая, делающая воду полумутной (график фильтрованной проходит примерно посередине между мутной и чистой)?
В-четвертых, в названии диаграммы нет ничего про поглощение, там видим какое-то "достижение", в описании диаграммы "дохождение". На достижение (дохождение) могут влиять и другие факторы - может там еще поверхность воды учитывать нужно - преломление/отражение у разных спектров тоже разное, может еще чего, свойства люксметра например. Тем более, что неизвестны условия эксперимента, которого, похоже, и не было - данные взяты с потолка и "интуитивно выверены".
В описании диаграммы ссылка на авторитет - Кристель Кассельман. Цитата из Кассельман изменена. В оригинале: "в воде, окрашенной гумусом в желтый или коричневый цвет, происходит не только сильное поглощение света, но и смещение его спектрального состава, вследствие чего на большую глубину проникает уже не голубой, а желтый цвет".
В статье с амании кусок "окрашенной гумусом в желтый или коричневый цвет" пропустили и сразу перешли к аквариумной воде.
После таких подтасовок доверия картинке - ноль.

Третью картинку вообще зачем привел? Это график зависимости проникновения света в воду ОТ ВРЕМЕНИ после восхода (первые три часа), т.е. при очень больших углах альфа. Речь идет об озерной воде, условия измерений подробно не описаны (кроме температуры), глубина приведена лишь мимоходом, поглощение в статье не рассматривается, потому что давно исследовано. Из текста статьи следует, что измерения производились не на открытой воде, а в емкости. В этом случае при больших углах альфа освещается только дальняя часть емкости. Погружать люксметр перпендикулярно поверхности будет некорректно - там освещенность ниже за счет больших углов - затененность. Если будет больше информации по измерениям, могу проанализировать.

[Starcomputer]

Сообщение от oltrew

Там недостаточно данных - не указан слой воды

Указан

на глубине 40см

.

Сообщение от oltrew

амания - это совсем не ADA

Ниже приведена диаграмма ADA, подтверждающая диаграмму .... нет, не Амании, Амания взяла диаграмму из "Andersen T, Christensen C & Pedersen O (2007) Light - the driving force for growth of aquatic plants. THE AQUATIC GARDENER 20 (2)".

Сообщение от oltrew

В статье с амании кусок "окрашенной гумусом в желтый или коричневый цвет" пропустили и сразу перешли к аквариумной воде.

Нет не опустили,

В "желтой" и "коричневой" воде

, они просто не цитируют Кассельман дословно.

Сообщение от oltrew

В этом случае при больших углах альфа освещается только дальняя часть емкости.

Только если длина и ширина емкости равны ее глубине. За счет преломления свет проникает в воду под углом не более 48,5 грд от нормали, следовательно дальние углы от точки падения как раз НЕ будут освещены.
(я Вам уже давал ссылку на формулы Френеля, вижу Вы их не анализировали).

Сообщение от oltrew

Если будет больше информации по измерениям ....

Почему бы не померять самому ? Люксметр трудно найти (занять на пару часов) ?

Сообщение от oltrew

могу проанализировать

Сорри, но я пока не увидел у Вас анализа, кроме ссылок, что в бассейне все прекрасно видно и таблиц без основ расчета и первоисточников.
В посте 134 Вы привели таблицы, приведите пожалуйста формулы, по котором они расчитаны, дабы все могли убедиться в Вашей правоте и НАУЧНОМ подходе.

[Starcomputer]

Поглощение света в дистилированной воде при нормальном падении светового потока по закону Бугера - Ламберта - Бера.
Сам закон:
I = Io * e^(-k*l), где
Io - входящий поток;
e - 2,718
k - к-т поглощения, зависящий от длины волны:
Красный свет - 0,675;
Желтый - 0,625
Оранжевый - 0,575
Желтый - 0,525
Синий - 0,475
Фиолетовый - 0,425
Т.к. нам нужно получить соотношение Io / I, то Io принимаем за единицу.
Таблица, графики и сам расчет во вложении.
В самой программе калькулятора это реализовано так:

BugerBox.Value := DnoLightBox.Value / Power(2.718281828, (-2 * AquaH / 10)); // к-т поглощения
BugerBox.Value := BugerBox.Value / 0.8; // за счет входа в воду
BugerBox.Value := BugerBox.Value * (AquaL * AquaW / 100); // на площадь
BugerBox.Value := BugerBox.Value / ((Arctan((AquaW / 2) / (LampHBox.Value/10)) * 2 * 180 / Pi) / 360); // угловой к-т
BugerBox.Value := BugerBox.Value / Kref; // отражатели

К-т поглощения 2 взят потому что в аквариуме вода не дистилированная.

Сообщение от oltrew

Starcomputer, ошибку в калькуляторе для значений глубины больше 97 см так и не подправил.

Я выложил исходники программы расчета. Где ошибка ? Я не использую таблицы, я использую формулы.