Manual IP _ EDPD _ Volume 1 _ 2010

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010

2010

Manual de Iluminação Pública Volume 1 – Conceitos Básicos de Luminotecnia

EDP – Distribuição ISR – UC | EDP Distribuição 1 ISR – UC 05-07-2010


“A Iluminação Pública (IP) é definida como uma instalação luminosa fixa com o objectivo de providenciar boa visibilidade para os utilizadores de áreas públicas exteriores, durante as horas de escuridão, proporcionando segurança pessoal e rodoviária.” EN 13201

ISR – UC | EDP Distribuição

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Índice

Lista de Figuras ................................................................................... 6 Lista de Tabelas................................................................................... 9 Abreviaturas...................................................................................... 10 Síntese do Volume ............................................................................. 11 1.

2.

A Luz ........................................................................................... 12 1.1.

História da Teoria da Luz .......................................................... 12

1.2.

Conceitos e Definições ............................................................. 15

1.3.

Comportamento da Luz ............................................................ 19

1.3.1.

Reflexão........................................................................... 20

1.3.2.

Refracção ......................................................................... 20

1.3.3.

Transmissão e Absorção ..................................................... 22

O Olho humano ........................................................................... 23 2.1.

3.

4.

Princípio Básico de Funcionamento ............................................ 23

Visão ........................................................................................... 28 3.1.

Acuidade................................................................................ 28

3.2.

Adaptação .............................................................................. 29

3.3.

Acomodação ........................................................................... 31

3.4.

Contraste ............................................................................... 31

3.5.

Visão Escotópica (nocturna) ...................................................... 33

3.6.

Visão Fotópica (diurna) ............................................................ 34

3.7.

Visão Mesópica ....................................................................... 34

A Cor ........................................................................................... 35 4.1.

Introdução ............................................................................. 35

4.2.

Temperatura de Cor ................................................................ 37

4.3.

Índice de Restituição de Cor (IRC) ............................................. 40


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 5.

Grandezas e conceitos ................................................................. 42 5.1.

Introdução ............................................................................. 42

5.2.

Fluxo Luminoso....................................................................... 44

5.3.

Rácio de Saída do Fluxo Luminoso – Light Output Ratio (LOR) ....... 45

5.4.

Factor de Utilização ................................................................. 46

5.5.

Intensidade Luminosa .............................................................. 47

5.6.

Eficiência Luminosa ................................................................. 48

5.7.

Iluminância ............................................................................ 50

5.7.1.

Iluminância Horizontal ....................................................... 51

5.7.2.

Iluminância Hemisférica ..................................................... 52

5.7.3.

Iluminância Semicilíndrica .................................................. 52

5.8.

Luminância ............................................................................ 55

5.9.

Lei do Inverso do Quadrado da Distância .................................... 57

5.10.

Lei do Coseno ......................................................................... 58

5.11.

Lei de Lambert ....................................................................... 58

5.12.

Representação da Informação Fotométrica em Diagramas............. 59

5.12.1.

Introdução ....................................................................... 59

5.12.2.

Diagrama Polar ................................................................. 60

5.12.3.

Diagrama Isocandela ......................................................... 62

5.12.4.

Diagrama Isolux ................................................................ 63

5.12.5.

Curvas do Factor de Utilização............................................. 63

5.13.

Incremento Limite (TI – Threshold Increment) ............................ 64

5.14.

Rácio Envolvente (SR - Surround Ratio) ..................................... 65

5.15.

Uniformidade da Iluminação ..................................................... 67

5.16.

Tempo de Vida Útil .................................................................. 68

5.17.

Poluição Luminosa ................................................................... 69

5.17.1.

Introdução ....................................................................... 69

5.17.2.

Luz emitida para o céu (Sky Glow) ....................................... 70 ISR – UC | EDP Distribuição

4


6.

5.17.3.

Luz Intrusiva .................................................................... 70

5.17.4.

Brilho Encandeante (glare) ................................................. 71

5.18.

Factor de Manutenção .............................................................. 72

5.19.

LLMF ..................................................................................... 73

5.20.

LSF ....................................................................................... 73

5.21.

LMF ....................................................................................... 74

5.22.

Equipamentos de Medição ........................................................ 75

5.22.1.

Luxímetro ........................................................................ 75

5.22.2.

Luminancímetro ................................................................ 75

5.22.3.

Esfera de Ulbricht .............................................................. 76

5.22.4.

Goniofotómetro ................................................................. 76

5.22.5.

Colorímetro ...................................................................... 78

Referências ................................................................................. 79


5


Lista de Figuras Figura 1.1 – Fenómeno fotoeléctrico ....................................................... 14 Figura 1.2 – Evolução temporal das teorias da natureza da luz ................... 14 Figura 1.3 – Comprimentos de onda do espectro electromagnético e do espectro visível ..................................................................................... 15 Figura 1.4 – Espectro Solar ................................................................... 16 Figura 1.5 – Onda sinusoidal periódica .................................................... 17 Figura 1.6 – Polarização da luz .............................................................. 18 Figura 1.7 – Reflexão da luz .................................................................. 20 Figura 1.8 – Refracção da Luz................................................................ 21 Figura 1.9 – Efeito de estufa no interior de um carro................................. 22 Figura 2.1 – Composição do olho humano ............................................... 23 Figura 2.2 – Compreensão da imagem detectada pelo cérebro ................... 25 Figura 2.3 – Estrutura dos Cones ........................................................... 26 Figura 2.4 – Localização dos cones e dos bastonetes................................. 26 Figura 3.1 – Esquematização da acuidade visual ...................................... 28 Figura 3.2 – Teste de acuidade visual ..................................................... 29 Figura 3.3 – Adaptação do olho humano a variações de intensidades luminosas .......................................................................................................... 30 Figura 3.4 – Adaptação do claro ao escuro .............................................. 30 Figura 3.5 – Acomodação do olho para imagens a distâncias diferentes ....... 31 Figura 3.6 – Representação de vários níveis de contraste .......................... 31 Figura 3.7 – Definição de contraste ........................................................ 32 Figura 3.8 – Acuidade visual relativa em função do contraste e da luminância .......................................................................................................... 32 Figura 3.9 – Curva de sensibilidade do olho humano ................................. 33 Figura 3.10 – Eficiência luminosa máxima para visão fotópica e escotópica .. 33 Figura 3.11 – Absorção relativa dos cones em função do comprimento de onda .......................................................................................................... 34 Figura 3.12 – Gamas de luminância para cada tipo de visão e dos fotorreceptores ..................................................................................... 35 Figura 4.1 – Diagrama de cores da CIE (x corresponde à cromaticidade do espectro; y é uma medida da luminosidade percebida de uma fonte de luz) ... 36


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Figura 4.2 – Espectro da radiação térmica de um corpo negro para várias temperaturas de cor (esquerda). Curvas normalizadas em 555 nm para melhor observação da cor correspondente a uma determinada temperatura (direita). 37 Figura 4.3 – Temperatura de cor associada à cor emitida pelo corpo negro .. 37 Figura 4.4 – Temperaturas de cor no diagrama de cores da CIE (x corresponde à cromaticidade do espectro; y é uma medida da luminosidade percebida de uma fonte de luz, ou seja, o quão brilhante parece para um observador)....... 38 Figura 4.5 - Variação da eficiência luminosa com a temperatura de cor (stateof-the-art dos LEDs) .............................................................................. 40 Figura 4.6 – Temperatura de cor e índices de restituição de cor .................. 41 Figura 5.1 – Esquematização dos conceitos associados à Radiometria e à Fotometria ........................................................................................... 42 Figura 5.2 – Ângulo plano (radianos) e ângulo sólido (esterorradianos) ....... 43 Figura 5.3 – Fluxo luminoso .................................................................. 45 Figura 5.4 – ULOR e DLOR .................................................................... 46 Figura 5.5 – Factor de utilização de uma instalação .................................. 47 Figura 5.6 – Vectores da intensidade luminosa ......................................... 48 Figura 5.7 – Curva V(λ) para visão fotópica e V’(λ) escotópica ................... 49 Figura 5.8 – Curvas V’’(λ) para visão mesópica ........................................ 49 Figura 5.9 – Iluminância sobre uma superfície ......................................... 51 Figura 5.10 – Ângulos usados no cálculo da iluminância semicilíndrica......... 53 Figura 5.11 – Ângulos usados no cálculo da iluminância vertical ................. 54 Figura 5.12 – Esquematização da Luminância .......................................... 55 Figura 5.13 – Área aparente de uma superfície ........................................ 56 Figura 5.14 – Cálculo da luminância num ponto, para um observador ......... 56 Figura 5.15 – Lei do Inverso do Quadrado da Distância ............................. 57 Figura 5.16 – Lei do coseno .................................................................. 58 Figura 5.17 – Lei de Lambert ................................................................ 58 Figura 5.18 – Sistema de coordenadas (C, ) ........................................... 59 Figura 5.19 – Curva de Distribuição Luminosa de uma lâmpada ................. 61 Figura 5.20 – Diagrama Polar ................................................................ 61 Figura 5.21 – Diagrama Isocandela ........................................................ 62 Figura 5.22 – Diagrama Isolux .............................................................. 63 Figura 5.23 – Curva de Factor de Utilização ............................................. 64 Figura 5.24 – Esquematização dos parâmetros para o cálculo do TI ............ 65 ISR – UC | EDP Distribuição

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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Figura 5.25 – Faixas longitudinais para o cálculo do SR ............................. 66 Figura 5.26 – Largura máxima das faixas para o cálculo do rácio envolvente (SR) .................................................................................................... 66 Figura 5.27 – Esquematização para a situação em que o cálculo do SR é feito para metade da largura da estrada .......................................................... 67 Figura 5.28 – Parede de tijolo a obstruir a faixa longitudinal exterior de largura W ............................................................................................. 67 Figura 5.29 – Uniformidade longitudinal .................................................. 68 Figura 5.30 – Tempo de vida médio e útil de uma lâmpada ....................... 69 Figura 5.31 – Distribuição luminosa de um ponto de iluminação pública ...... 72 Figura 5.32 – Factor de Manutenção de uma instalação (FM) ..................... 72 Figura 5.33 – Factor de Manutenção da Luminosidade da Lâmpada (LLMF) .. 73 Figura 5.34 – Factor de Sobrevivência da Lâmpada (LSF) .......................... 73 Figura 5.35 – Factor de Manutenção da Luminária (LMF) ........................... 74 Figura 5.36 – Luxímetro (SI – lux) ......................................................... 75 Figura 5.37 – Luminancímetro (SI – cd/m2)............................................. 75 Figura 5.38 – Esfera de Ulbricht (SI – lumen) .......................................... 76 Figura 5.39 – Esquema da estrutura de um goniofotómetro ....................... 77 Figura 5.40 – Fotos de um goniofotómetro .............................................. 77 Figura 5.41 – Colorímetro ..................................................................... 78


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Lista de Tabelas Tabela 1.1 – Incandescência e Luminescência .......................................... 19 Tabela 2.1 – Função das partes constituintes do olho ................................ 24 Tabela 2.2 – Caracterização das células fotossensíveis (cones e bastonetes) 27 Tabela 4.1 – Comprimento de onda, frequência e energia das várias cores do espectro do visível ................................................................................. 36 Tabela 4.2 – Aparência das várias temperaturas de cor em Iluminação Pública .......................................................................................................... 39 Tabela 4.3 – Exemplos de índices de restituição de cor.............................. 41 Tabela 5.1 – Definição de grandezas radiométricas ................................... 43 Tabela 5.2 – Valores de eficiência luminosa para visão fotópica e escotópica 50 Tabela 5.3 – Ângulos de C e ................................................................ 60 Tabela 5.4 - Número de horas por regime de funcionamento ...................... 74


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Abreviaturas A cd CFL CIE DLOR E eV FU Hz I IP IRC IV K km L LED LLMF lm LMF LOR LSF lx m P rad s SHR sr SR TI ULOR UV W

Ampère Candela Lâmpada Florescente Compacta Comissão Internacional de Iluminação Rácio de Saída do Fluxo Luminoso para baixo Iluminância Electrão-Volt Factor de Utilização Hertz Intensidade Luminosa Iluminação Pública Índice de Restituição Cromático Infravermelho Kelvin Kilómetro Luminância Díodo Emissor de Luz Factor de Manutenção do Fluxo da lâmpada Lúmen Factor de Manutenção da Luminária Rácio de Saída do Fluxo Luminoso Factor de Sobrevivência da Lâmpada Lux metro Potência Radiano Segundo Rácio Espaçamento – Altura Esterorradiano Rácio Envolvente Incremento Limite Rácio de Saída do Fluxo Luminoso para cima Ultravioleta Watt


10


Síntese do Volume Este Manual visa apresentar todo um conjunto de informação relevante, no que concerne às normas existentes para projecto de uma rede de iluminação pública e aos valores exigidos para os vários parâmetros luminotécnicos, passando pela caracterização técnica e económica dos vários componentes de um

conjunto funcional (lâmpadas,

luminárias, balastros

e sistemas de

controlo), com o objectivo de tornar a iluminação pública mais eficiente e segura, tendo em vista as preocupações actuais de protecção, eficiência energética e utilização racional de energia, adoptando as recomendações internacionais da CIE e as melhores práticas, numa perspectiva técnicoeconómica.

A estrutura global do Manual está dividida em três volumes. No Volume 1 são definidos conceitos básicos de luminotecnia e parâmetros intrinsecamente relacionados com o universo da iluminação pública, para uma melhor percepção das questões abordadas ao longo do Manual.


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1.

A Luz

1.1. História da Teoria da Luz As teorias iniciais dos pensadores Gregos acerca da luz foram limitadas pela falta de conhecimento do funcionamento do olho humano. Pitágoras no século V a.C. pensava que a luz era emanada pelos objectos visíveis. Platão no século III a.C. defendia a teoria de que o olho é que emitia um raio, que ao tocar no objecto o tornava visível. Esta teoria fora mais tarde (no século X) refutada pelo cientista árabe Alhazen, ao afirmar que se tínhamos de fechar as pálpebras ou desviar os olhos quando olhávamos para o sol, então era porque “algo entrava e não porque algo saía”. No entanto algumas ideias iniciais dos Gregos estavam correctas, por exemplo: Empédocles (século V a.C.) acreditava que a luz tinha velocidade finita. Aristóteles (século IV a.C.) explicou o fenómeno do arco-íris como uma espécie de reflexão das gotas de água. Euclides (século III a.C.) entendeu a lei da reflexão e as propriedades dos espelhos. No início do século XVII o pensamento científico renasceu na Europa e novas teorias acerca do comportamento e da natureza da luz foram formuladas. Galileu,

Johannes

Kepler

e René Descartes

contribuíram

para

o

entendimento do que é a luz. Willebrord Snell, em 1620, formulou a Lei da Reflexão e Refracção. Isaac

Newton

tornou-se defensor

da

Teoria Corpuscular, onde

afirmava que a luz se comporta como uma partícula: o

Corpos

luminosos

emitem

energia

radiante

na

forma

de

partículas, lançadas intermitentemente em linha recta.


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Cristiaan Huygens defende na mesma altura a Teoria Ondulatória, na qual a luz se comporta como uma onda: o

A luz era resultante da vibração molecular de materiais luminosos, emitida através de uma substância invisível e sem peso, existente no ar e no espaço.

Durante o século XVIII cientistas como Augustin Fresnel, e Thomas Young construíram uma base sólida matemática que descrevia a luz como uma onda, tendo esta teoria sido completamente aceite em 1815. Sir William Hamilton clarificou a relação entre os pontos de vista onda e partícula, desenvolvendo uma teoria que unificou a óptica e a mecânica quântica, muito importante para o posterior desenvolvimento desta última. James Maxwell, no século XIX, formula a Teoria dos Campos Electromagnéticos, sendo que Hertz a confirma, com a descoberta das ondas electromagnéticas de baixa frequência, cuja teoria previa. o

Os campos eléctrico e magnético afectam-se mutuamente de tal modo que permitem que as ondas viajem pelo espaço. A luz emitida pelos corpos radiantes propaga-se desta forma.

Max Plank, no século XX, propõe a existência de um quantum de luz, i.e. um pacote finito de energia denominado fotão 1. Assim, surge a Teoria Quântica, que apenas foi compreendida quando Einstein mostrou que podia ser usada para explicar o fenómeno fotoeléctrico, sugerindo que a energia de um fotão (E) está relacionada com a sua frequência (ν),

através da constante de Plank ( o

).

A teoria completa que descreve as interacções entre a radiação electromagnética com as partículas carregadas e entre as próprias

1

Partícula portadora de energia, associada a uma onda electromagnética com uma determinada frequência.


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 partículas (QED – Quantum Electrodynamics) está acreditada ao trabalho independente de Richard Feynman, Julian Schwinger e Tomonaga Shin’ichiro. Os campos eléctrico e magnético de Maxwell são quantizados e os fotões são os portadores das forças eléctricas e magnéticas.

Figura 1.1 – Fenómeno fotoeléctrico

Figura 1.2 – Evolução temporal das teorias da natureza da luz


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1.2. Conceitos e Definições A luz é a radiação cuja gama de comprimentos de onda do espectro da radiação electromagnética consegue ser detectada pelo olho humano. Esta gama situase entre a radiação ultravioleta e infravermelha, ou seja, entre os 380 nm (violeta) e os 760 nm (vermelho) do espectro electromagnético.

Figura 1.3 – Comprimentos de onda do espectro electromagnético e do espectro visível

2

O espectro electromagnético cobre todas as frequências ou comprimentos de onda, das ondas electromagnéticas. A fonte mais familiar destas ondas é o Sol. Cerca de metade (50%) da energia proveniente do Sol que atinge a superfície terrestre, situa-se na região do espectro visível, 3% é radiação ultravioleta e o restante (47%) é radiação infravermelha. A densidade de radiação mais intensa está precisamente na região do visível, cujo pico de intensidade radiante tem um comprimento de onda de cerca de 550nm (verde).

2

1 nm = 10-9 m


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Figura 1.4 – Espectro Solar

O comprimento de onda ( ) é a distância entre dois valores repetidos numa forma de onda periódica. Por exemplo, na onda sinusoidal da Figura 1.5, o comprimento de onda é a distância entre os valores máximos (picos). Matematicamente, o comprimento de onda é igual à velocidade da onda ( ) dividida pela sua frequência ( ):

No vácuo, a velocidade da onda electromagnética é a velocidade da luz, ou seja, 300 000 km/s. As três grandezas físicas básicas da luz e de toda a radiação electromagnética são: Frequência (cor). Amplitude (brilho). Polarização (ângulo de vibração).


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 A frequência de uma onda, medida em Hertz (Hz), é o número de ciclos (repetições) por segundo executados pela onda e é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Observamos na Figura 1.3 que a radiação de menor comprimento de onda (raios gama) tem a frequência mais elevada. O inverso da frequência é denominado período da onda ( ). Este é o tempo que um dado valor, da onda periódica, demora a repetir-se e é dado pela expressão:

A amplitude (A) de uma onda é a altura medida desde o ponto médio entre o máximo e o mínimo da onda, até ao seu pico.

Figura 1.5 – Onda sinusoidal periódica

A

polarização

refere-se

à

direcção

do

campo

eléctrico

numa

onda

electromagnética. Uma onda cujo campo eléctrico oscila na direcção vertical está polarizada verticalmente. Os fotões dessa onda estarão todos alinhados segundo essa direcção e irão interagir com a matéria, de forma diferente aos de uma onda polarizada horizontalmente (cujo campo eléctrico oscila na direcção horizontal).


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 O campo eléctrico das ondas de luz provenientes do Sol vibra em todas as direcções, assim sendo, a luz solar directa diz-se não polarizada.

Figura 1.6 – Polarização da luz

Quando a luz passa através de um filtro polarizador, são bloqueados os fotões cujo campo eléctrico não tenha uma determinada orientação. Com efeito, um filtro horizontal (Figura 1.6) absorve os fotões, cuja direcção do campo eléctrico não seja horizontal. Os fotões restantes, com campo eléctrico horizontal, só serão absorvidos na presença de um segundo filtro (neste caso vertical). O Sol é a grande fonte luminosa do planeta, mas no entanto não é a única fonte. Consoante a origem da energia luminosa, se térmica ou eléctrica/química a fonte de luz é classificada nos fenómenos definidos na Tabela 1.1.


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Tabela 1.1 – Incandescência e Luminescência

1.3. Comportamento da Luz A luz só é visível quando interage com a matéria (electrões). Nesse contacto, a luz incidente pode ser: Reflectida pelo objecto. Absorvida pelo objecto. Refractada se sofrer alteração da direcção através do objecto. Transmitida se passar totalmente pelo objecto.


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 1.3.1.

Reflexão

Os objectos podem ser vistos pela luz que emitem, ou então mais usualmente, pela luz que reflectem. A luz pode reflectir-se de várias maneiras, no entanto, segue sempre a seguinte lei: O ângulo de incidência (i) é igual ao ângulo de partida ou reflexão (r).

Figura 1.7 – Reflexão da luz

A maior parte dos objectos exibem uma reflexão difusa, pois apesar de todos os objectos obedecerem à lei da reflexão a um nível microscópico, as irregularidades na superfície do objecto, maiores que o comprimento de onda da luz, fazem com que esta seja reflectida em todas as direcções. Para objectos como os espelhos, com superfícies microscópicas lisas, ou seja, com irregularidades mais pequenas que o comprimento de onda da luz visível, a luz é reflectida na sua totalidade, numa única direcção, com ângulo equivalente ao da radiação incidente.

1.3.2.

Refracção

Quando a luz atravessa um outro meio, como por exemplo vidro, diamante, ou plástico, viaja a uma velocidade diferente proporcional ao índice de refracção ( ). Este índice é definido como sendo o rácio entre a velocidade da luz no vácuo ( ), normalmente designada por velocidade da luz, e a velocidade ( ) nesse meio, ou seja: ISR – UC | EDP Distribuição

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Quando a luz viaja de um meio para outro, a sua velocidade é alterada, tal como o seu comprimento de onda. Logo, o índice de refracção também pode ser determinado tendo em conta o comprimento de onda no vácuo (λ) e o comprimento de onda no meio (λm), ou seja:

Não obstante a alteração da velocidade e do comprimento de onda da luz refractada, a sua frequência ir-se-á manter constante.

Figura 1.8 – Refracção da Luz

Se um raio de luz a viajar num meio 1 incide um meio 2, com um determinado ângulo de incidência (i) medido em relação à normal do interface (Figura 1.8), o ângulo de transmissão (r) no meio 2, estará relacionado com o ângulo de incidência pela Lei de Snell:


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Transmissão e Absorção

A transmissão de luz ocorre quando esta passa através de um corpo. Os materiais que permitem a transmissão dizem-se transparentes. Na absorção o que ocorre é precisamente o inverso, ou seja, parte da totalidade da energia proveniente da radiação luminosa, não consegue atravessar o material, sendo absorvida por este.

A absorção da luz torna um objecto escuro à frequência da onda de luz incidente. Alguns materiais são opacos para alguns comprimentos de onda, mas transparentes para outros. Na Figura 1.9 está exemplificado o efeito de estufa que ocorre no interior de um carro quando radiações de elevadas frequências são absorvidas pelas partes do carro (nomeadamente pelos bancos de couro). Posteriormente são reemitidas na faixa do infravermelho, cujo comprimento de onda não consegue atravessar o vidro, aumentando a temperatura no seu interior.

Figura 1.9 – Efeito de estufa no interior de um carro


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2.

O Olho humano

2.1. Princípio Básico de Funcionamento O olho humano, além de possibilitar a análise do ambiente no campo de visão, permite discriminar os objectos quanto à sua forma, se estão perto ou longe, se estão em movimento e se são ou não coloridos, diferenciando a sua tonalidade. A constituição do olho está esquematizada na Figura 2.1.

Figura 2.1 – Composição do olho humano


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Tabela 2.1 – Função das partes constituintes do olho


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 O olho humano é um sistema óptico que capta uma determinada gama de radiação electromagnética (luz visível), do meio ambiente. Ao chegarem ao olho, as ondas luminosas são focalizadas de forma a passar pela córnea e pelo cristalino até atingirem a retina. As diversas células fotossensíveis aí existentes (cones e bastonetes) irão interagir com as células nervosas associadas, provocando diversos impulsos neuronais, que serão transmitidos ao cérebro. Posteriormente, o cérebro irá descodificar e interpretar o significado desses sinais, produzindo a imagem no córtex visual.

Figura 2.2 – Compreensão da imagem detectada pelo cérebro

Os bastonetes apenas são sensíveis à quantidade de luz que os atinge, sendo por isso responsáveis pela indicação de níveis de luminosidade e estão presentes em maior número na orla da retina sendo menos numerosos no centro. Este facto resulta, em ambientes de baixa luminosidade, numa maior capacidade de visão e discernimento das formas na orla do campo visual e menos no centro.


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Os cones são sensíveis, na banda visível, a partes específicas do espectro electromagnético sendo responsáveis pela percepção da cor. Estes estão divididos em três grupos: Cones azuis sensíveis a comprimentos de onda mais curtos do espectro (cones – S). Cones verdes sensíveis a comprimentos de onda médios, que terá o centro nos 530 nm (cones – M). Cones vermelhos sensíveis a ondas de comprimento longo (cones – L).

Figura 2.3 – Estrutura dos Cones

Quando vemos um objecto de cor branca os três cones estão a ser estimulados ao mesmo tempo, o que não acontece quando vemos um objecto amarelo em que sobretudo são os cones vermelhos e verdes que estão a ser estimulados.

Figura 2.4 – Localização dos cones e dos bastonetes


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MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Tabela 2.2 – Caracterização das células fotossensíveis (cones e bastonetes)


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3.

Visão

3.1. Acuidade A acuidade visual relaciona-se com a capacidade de resolução espacial de dois pontos e depende da densidade dos receptores na retina e do poder de refracção do sistema das lentes ópticas. Por outras palavras a acuidade visual é a capacidade que o olho tem de reconhecer separadamente, com nitidez e precisão, objectos muito pequenos e próximos entre si. As distâncias na retina são referidas em termos de ângulo visual ( ). Assim, dizemos que a capacidade do olho em distinguir dois pontos está associada a um certo valor de ângulo visual. Quantitativamente, podemos dizer que a acuidade visual é o inverso do ângulo mínimo sob o qual os olhos conseguem distinguir um pormenor.

Figura 3.1 – Esquematização da acuidade visual

Quando, por exemplo, são realizados testes visuais com letras e números de diferentes tamanhos num consultório oftalmológico, está a ser pesquisada a acuidade visual do paciente. O olho (na região da fóvea) possui uma capacidade de focagem elevada que permite discriminar duas linhas afastadas por 0,3 mm a uma distância de 1 metro.


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Figura 3.2 – Teste de acuidade visual

Existem vários factores que irão influenciar a acuidade visual, tais como: Adaptação. Acomodação. Contraste. Idade: o

A capacidade visual de uma pessoa diminui com a idade, uma vez que, com o passar dos anos o cristalino endurece perdendo a sua elasticidade, o que torna mais complicada a tarefa de focalização das imagens dos objectos.

Os três pontos seguintes explicam mais pormenorizadamente os restantes factores mencionados.

3.2. Adaptação A adaptação é o processo que ocorre quando o estado do sistema visual é modificado pela exposição prévia ou posterior a um estímulo. Este estímulo poderá ser dotado de determinadas luminâncias e distribuições espectrais. [EN 12665:2002] Por outras palavras, a adaptação é simplesmente a capacidade que o olho humano possui para se ajustar a diferentes níveis de intensidade luminosa, mediante os quais, a pupila irá dilatar ou contrair (Figura 3.3). ISR – UC | EDP Distribuição

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Figura 3.3 – Adaptação do olho humano a variações de intensidades luminosas

A adaptação ao escuro é a capacidade de ajuste da sensibilidade visual quando subitamente somos submetidos à alteração de luminosidade ambiental do mais claro para o mais escuro (e.g. entrada numa sala de cinema). No início temos uma certa dificuldade temporária de visualização, mas após 20 - 30 minutos ocorre a adaptação à nova condição de luminosidade: o diâmetro pupilar aumenta, os bastonetes começam a funcionar e recuperamos a visibilidade, porém com perda da resolução detalhada e da visão em cores.

Figura 3.4 – Adaptação do claro ao escuro [Fonte: Licht.de]

Assim como ocorre a adaptação ao escuro (visão escotópica), o contrário também acontece. Quando termina o filme, as luzes são subitamente acesas, sentimos um clarão intenso e atordoante dificultando a visão (reagimos fechando as pálpebras, reduzindo o diâmetro pupilar) e rapidamente (em poucos segundos), o olho está adaptado às novas condições de luminosidade (visão fotópica). Esse ajuste denomina-se adaptação ao claro e ocorre de maneira bem mais rápida. ISR – UC | EDP Distribuição

30


3.3. Acomodação A acomodação é o ajustamento das lentes do cristalino do olho, de modo a que a imagem esteja permanentemente focada na retina. [EN 12665:2002] Assim, a capacidade de acomodação do cristalino garante que os objectos pareçam-nos sempre nítidos, independentemente do facto de se encontrarem longe ou perto. Se o objecto se encontrar mais próximo do olho, a curvatura do cristalino é maior do que quando este se encontra mais longe.

Figura 3.5 – Acomodação do olho para imagens a distâncias diferentes

3.4. Contraste Pode ser entendido como a avaliação na diferença da aparência de duas ou mais partes de algo, vistas simultaneamente ou sucessivamente. Ou seja, é a diferença de luminância entre um objecto que se observa e o seu espaço envolvente.

Figura 3.6 – Representação de vários níveis de contraste


31

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 O contraste (C) é então definido em função da luminâncias (L):

Figura 3.7 – Definição de contraste

A acuidade visual, ainda que varie substancialmente de sujeito para sujeito, é consideravelmente influenciada quer pelo contraste luminoso, quer pela luminância, ainda que seja mais sensível à variação do contraste. À medida que ambos aumentam, a acuidade visual melhora. No entanto, a taxa de aperfeiçoamento da acuidade visual é altamente não linear, logo, irá atingir rapidamente a saturação. A partir deste momento, o aumento da acuidade torna-se negligenciável com o aumento de ambas as variáveis.

Figura 3.8 – Acuidade visual relativa em função do contraste e da luminância


32


3.5. Visão Escotópica (nocturna) A visão escotópica é o termo científico para referir a visão humana no escuro, sendo que nestas condições o olho humano utiliza os bastonetes para percepcionar a luz. A gama de sensibilidade dos bastonetes torna o olho mais sensível à luz azul durante a noite, enquanto a luz vermelha é quase exclusivamente percepcionada na visão fotópica (visão diurna). A máxima eficácia é 1700 lm/W num comprimento de onda de 507 nm.

Figura 3.9 – Curva de sensibilidade do olho humano

Figura 3.10 – Eficiência luminosa máxima para visão fotópica e escotópica


33


3.6. Visão Fotópica (diurna) A visão fotópica é o termo científico para a visão colorida dos humanos, sob condições normais de luminosidade durante o dia. O olho humano usa três tipos de cones para percepcionar a luz em três bandas respectivas de cor. Os pigmentos dos cones têm um valor máximo de absorção em comprimentos de onda de cerca de 445 nm (azul), 540 nm (verde) e 575 nm (amarelo). As suas gamas de sensibilidade sobrepõem-se para proporcionar uma visão contínua (mas não linear) ao longo do espectro visual. A máxima eficácia é 683 lm/W num comprimento de onda de 555 nm (amarelo).

Figura 3.11 – Absorção relativa dos cones em função do comprimento de onda

3.7. Visão Mesópica A visão mesópica é o termo científico para a combinação entre a visão fotópica e escotópica em situações com uma luminosidade baixa, mas não totalmente escuro. Portanto, na iluminação pública estamos em condições de visão mesópica. A Figura 3.12 estabelece os níveis de luminância para os diferentes tipos de visão, sendo que as normas mais recentes de IP estabelecem, de acordo com o tipo de via, valores aconselháveis de luminância entre 0,03 e 2 cd/m2. ISR – UC | EDP Distribuição

34


Figura 3.12 – Gamas de luminância para cada tipo de visão e dos fotorreceptores

4.

A Cor

4.1. Introdução Isaac Newton, descobriu em 1666 a decomposição da luz solar branca no espectro de cores e em 1860, Charles August Young, aprofundando as experiências de Newton, obteve a cor branca projectando luz de lanternas com as várias cores do espectro. A cor tem três qualidades: Tom: o

Qualidade que designa a cor.

Valor: o

Qualidade que indica o grau de luminosidade da cor. O valor é alterado quando se adiciona preto, branco ou luz.

Saturação: o

Qualidade que indica o grau de pureza de uma cor. Uma cor misturada é menos brilhante e intensa do que uma cor pura (mais saturada).

Qualquer alteração numa destas três qualidades produz uma nova cor que se denomina matiz. Com efeito, a CIE estabeleceu o seguinte diagrama. ISR – UC | EDP Distribuição

35


Figura 4.1 – Diagrama de cores da CIE (x corresponde à cromaticidade do espectro; y é uma medida da luminosidade percebida de uma fonte de luz)

A cor não é uma propriedade intrínseca dos objectos, ou seja, isoladamente os objectos não possuem cor. Nós, humanos, através do nosso sistema neuronal óptico complexo, conseguimos atribuir cor a um determinado comprimento de onda do espectro electromagnético, na região do visível (380 – 780 nm). A sensação de cor é portanto uma resposta do nosso cérebro, ao estímulo visual provocado pela incidência de pacotes de radiação reflectidos pelas moléculas constituintes dos objectos e do meio ambiente. Tabela 4.1 – Comprimento de onda, frequência e energia das várias cores do espectro do visível


36


4.2. Temperatura de Cor Em termos visuais é bastante difícil a avaliação comparativa entre a sensação da tonalidade de cor das diversas lâmpadas. Com efeito, definiu-se o conceito de Temperatura de Cor (Kelvin) para classificar a luz. Para um melhor entendimento deste conceito, é pertinente definir, em primeira instância, um outro conceito básico importante, o corpo negro. Um corpo negro é um objecto que, idealmente, absorveria toda a radiação electromagnética que lhe chegasse. Este corpo emite um espectro de luz em função da temperatura, sendo esta radiação térmica o que o define como um corpo negro radiante.

Figura 4.2 – Espectro da radiação térmica de um corpo negro para várias temperaturas de cor (esquerda). Curvas normalizadas em 555 nm para melhor observação da cor correspondente a uma determinada temperatura (direita).

À temperatura ambiente, os corpos negros emitem luz infravermelha. À medida que a temperatura aumenta (acima de algumas centenas de ºC), os corpos negros começam a emitir comprimentos de onda visíveis, desde o vermelho, passando pelo laranja, amarelo e branco até ao azul.

Figura 4.3 – Temperatura de cor associada à cor emitida pelo corpo negro


37

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 A temperatura de cor é, então, uma característica da luz visível, determinada pela comparação da sua saturação cromática com a de um corpo negro radiante ideal. Ou seja, é a temperatura a que um corpo negro irradiaria a mesma cor da fonte luminosa (usualmente medida em Kelvin – K). Algumas fontes de luz, como por exemplo as lâmpadas fluorescentes ou lâmpadas de descarga de alta intensidade (e.g. vapor de sódio de alta pressão), emitem luz por outros processos que não o aumento da temperatura de um corpo. Isto significa que a radiação emitida não segue a forma do espectro de um corpo negro. A estas fontes luminosas associa-se, não o conceito de temperatura de cor, mas mais correctamente o de temperatura de cor correlacionada. Esta é a temperatura de cor de um corpo negro radiante que, em termos de percepção da cor, está mais próxima da luz da fonte luminosa.

Figura 4.4 – Temperaturas de cor no diagrama de cores da CIE (x corresponde à cromaticidade do espectro; y é uma medida da luminosidade percebida de uma fonte de luz, ou seja, o quão brilhante parece para um observador)


38

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Elevadas temperaturas de cor (T) correspondem a cores frias, logo, quanto mais elevada for, mais fria será a cor. Na iluminação de espaços públicos podemos considerar três gamas de temperaturas de cor (não se aplica às lâmpadas coloridas): Quente (T < 3300K). Intermédia (3300K < T < 5000K). Fria (T > 5000K). Na tabela seguinte encontram-se alguns exemplos da temperatura de cor e respectiva aparência.

Tabela 4.2 – Aparência das várias temperaturas de cor em Iluminação Pública


39

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Sabendo que a Iluminação Pública está

na

zona de visão mesópica,

compreende-se que a presença da cor azul no espectro de emissão luminosa de uma lâmpada aumenta a sua eficiência luminosa. Logo, a eficiência luminosa será superior para temperaturas de cor superiores (Figura 4.5).

Figura 4.5 - Variação da eficiência luminosa com a temperatura de cor (state-ofthe-art dos LEDs)

4.3. Índice de Restituição de Cor (IRC) A restituição de cores é uma expressão que designa, sob o aspecto da reprodução cromática, o efeito da radiação emitida por uma fonte, nos objectos que ilumina. Este efeito é comparado ao aspecto cromático dos mesmos objectos iluminados, por uma fonte de referência (luz do dia). Ou seja, o IRC indica a capacidade que uma fonte luminosa possui em restituir fielmente as cores de um objecto ou de uma superfície iluminada. Este índice varia entre 0 (nenhuma fidelidade) e 100 (máxima fidelidade). Quanto maior o IRC, melhor o equilíbrio entre as cores. Quanto maior a diferença na aparência de cor do objecto iluminado em relação ao padrão, menor será o seu IRC.


40

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Tabela 4.3 – Exemplos de índices de restituição de cor

A temperatura de cor apenas se refere à sua cor e não à sua composição espectral que irá influenciar a capacidade de reproduzir a cor do objecto. Assim se explica o facto de lâmpadas com a mesma temperatura de cor possuírem um índice de restituição de cor diferente.

Figura 4.6 – Temperatura de cor e índices de restituição de cor


41


5.

Grandezas e conceitos

5.1. Introdução A Radiometria e a Fotometria desenvolveram uma série de métodos e processos de medida das grandezas luminosas. Enquanto a Radiometria se preocupa com toda a radiação do espectro electromagnético emitida por uma fonte, a Fotometria apenas se debruça sobre a radiação visível (comummente designada luz). A cada grandeza radiométrica está associada uma grandeza fotométrica, sendo que a Figura 5.1 evidencia este paralelismo.

Figura 5.1 – Esquematização dos conceitos associados à Radiometria e à Fotometria


42

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Tabela 5.1 – Definição de grandezas radiométricas 3

O ângulo sólido (Ω) é uma extensão tridimensional do conceito de ângulo plano ( ) entre duas linhas que definem um arco de circunferência ( ). Para caracterizarmos um ângulo sólido é necessário definir um vértice (fonte de luz pontual). A partir deste, e ao longo de uma distância (d), é definida uma área (A) na superfície esférica, que tem como centro a fonte de luz pontual (V).

Figura 5.2 – Ângulo plano (radianos) e ângulo sólido (esterorradianos) 3

O fluxo radiante aqui representado por Φ é denominado no ponto 5.2, como


.

43

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Em iluminação pública, são as grandezas fotométricas que irão estabelecer parâmetros de qualidade comparativos de uma dada instalação para um determinado local. Os subcapítulos seguintes tratam os seguintes conceitos: Fluxo Luminoso. Rácio de Saída do Fluxo Luminoso (LOR). Factor de Utilização (FU). Intensidade Luminosa. Eficiência Luminosa. Iluminância. Luminância. Finalmente são referidas algumas leis fundamentais e descritos métodos de representação dos parâmetros fotométricos para análise rápida, as chamadas curvas

de distribuição

fotométricas

e

serão

definidos

alguns

conceitos

importantes auxiliares a ter em conta na execução de um projecto de iluminação pública: Poluição Luminosa. Rácio Envolvente (SR). Incremento Limite (TI). Tempo de Vida Útil. Factores de Manutenção.

5.2. Fluxo Luminoso O fluxo luminoso ( ) é a quantidade derivada do fluxo radiante (

), avaliada

de acordo com a sensibilidade do olho humano, tendo em conta a sua acção segundo um observador fotométrico padrão da CIE. Por outras palavras, é a luz emitida ou observada num segundo, e é dada pela seguinte expressão:


44


Onde a parcela

é a distribuição espectral do fluxo radiado e

eficiência espectral luminosa. A constante

é a

toma um determinado valor

consoante se esteja a calcular o fluxo luminoso para visão fotópica ou escotópica (ver IEC 50 (845) /CIE 17.4:1987; 845-01-56). A unidade do fluxo luminoso é o lumen. Este define o fluxo luminoso dentro de um cone de 1 esterorradiano, emitido por um ponto luminoso com intensidade de 1 candela, em todas as direcções, ou seja:

Figura 5.3 – Fluxo luminoso

O fluxo luminoso consegue ser medido através da esfera de Ulbricht, inserindo a fonte luminosa no seu interior.

5.3. Rácio de Saída do Fluxo Luminoso – Light Output Ratio (LOR) O rácio de saída do fluxo luminoso (LOR) pode ser entendido como o quociente entre o fluxo luminoso ( ) total de uma luminária (medido em condições práticas específicas com as suas lâmpadas e equipamento auxiliar), e a soma dos fluxos luminosos individuais dessas mesmas lâmpadas, quando operadas fora da luminária com o mesmo equipamento auxiliar e condições práticas.


45

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Para a realização de um projecto de iluminação pública eficiente, convém conhecer-se dois conceitos derivados do LOR, ou seja: Rácio de Saída do Fluxo Luminoso Ascendente – Upward Light Output Ratio (ULOR). Rácio de Saída do Fluxo Luminoso Descendente – Downward Light Output Ratio (DLOR). O ULOR de uma luminária é o rácio entre o fluxo emitido para cima pela luminária, com a soma dos fluxos luminosos individuais dessas mesmas lâmpadas quando operadas fora da luminária. O DLOR de uma luminária é o rácio entre o fluxo emitido para baixo pela luminária, com a soma dos fluxos luminosos individuais dessas mesmas lâmpadas quando operadas fora da luminária.

Figura 5.4 – ULOR e DLOR

5.4. Factor de Utilização O factor de utilização (FU) de uma instalação é o rácio do fluxo luminoso recebido pela superfície que se pretende iluminar (fluxo útil -

), com a

soma dos fluxos individuais de cada lâmpada da instalação. O factor de utilização depende de vários parâmetros associados às luminárias e ao meio envolvente, nomeadamente: ISR – UC | EDP Distribuição

46

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 LOR da luminária. Distribuição do fluxo luminoso da luminária. Reflexão dos objectos vizinhos (e.g. muros, casas, etc.). SHR (Space Height Ratio): o

Rácio entre a altura e o espaçamento dos postes de iluminação.

Figura 5.5 – Factor de utilização de uma instalação

5.5. Intensidade Luminosa A intensidade luminosa (I) de uma fonte, numa dada direcção, é o quociente entre o fluxo luminoso ( ângulo sólido (

) emitido pela fonte e propagado num determinado

):

Se a fonte luminosa irradiasse a luz uniformemente em todas as direcções, o fluxo luminoso era distribuído em forma de esfera. Tal facto, porém, é quase impossível de acontecer, assim, é necessário medir o valor dos lumens emitidos em cada direcção, representando a distribuição espacial por vectores, cujo comprimento indica a Intensidade Luminosa (Figura 5.6). A esta representação esquemática no espaço envolvente da fonte luminosa, dáse o nome de diagrama fotométrico.


47


Figura 5.6 – Vectores da intensidade luminosa [Fonte: OSRAM]

A unidade de medida da intensidade luminosa é a candela (cd). É definida como sendo a intensidade numa dada direcção de uma fonte que emite radiação monocromática, de frequência de 540 x 1012 Hz, e que tem uma intensidade radiante, nesta direcção, de 1/683 Watt por esterorradiano.

5.6. Eficiência Luminosa A eficiência luminosa (η) de uma fonte é a relação entre o fluxo luminoso total emitido pela fonte (φ) e a potência por ela absorvida (P). A unidade SI é o lm/W (lumen por Watt).

Os equipamentos fotométricos e os medidores de luz são geralmente calibrados conforme a sensibilidade espectral dos cones, ou seja, na visão fotópica. Assim, o fluxo luminoso das lâmpadas é avaliado somente em termos da sua resposta fotópica. Para calcularmos os lumens eficientes, de uma fonte de luz qualquer, a níveis escotópicos,

basta

substituirmos

os

valores

de

V(λ)

pelos

valores

da

sensibilidade escotópica do olho V'(λ).


48


Figura 5.7 – Curva V(λ) para visão fotópica e V’(λ) escotópica

No caso da região mesópica (condições da iluminação pública), continua a ser muito difícil estabelecer uma curva espectral de eficiência luminosa (Figura 5.8), uma vez que, os níveis da sensibilidade visual variam com o nível da iluminação e consequentemente com a proporção de cones e bastonetes activos. Assim, perto dos 3 cd/m2 a sensibilidade espectral é muito parecida com a da visão fotópica, V(λ), com grande proporção de cones activos, e à medida que a luminância decresce até aos 0,001 cd/m2, a curva de sensibilidade espectral irá deslocar-se para comprimentos de onda mais pequenos, até se assemelhar à curva da visão escotópica, V’(λ), onde a maioria das células fotossensíveis activas são os bastonetes.

Figura 5.8 – Curvas V’’(λ) para visão mesópica


49

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Recentes pesquisas indicam que a distribuição espectral da fonte de luz tem, de facto, efeito na visibilidade que ela produz. Em termos de visão mesópica, estas pesquisas têm apontado no sentido das fontes de luz brancas serem mais eficientes que as amareladas.

Tabela 5.2 – Valores de eficiência luminosa para visão fotópica e escotópica

5.7. Iluminância A iluminância tem como unidade o lux (lx) e segundo a norma EN 12665 é o quociente entre o fluxo luminoso ( a área (

) incidente num elemento da superfície, e

) desse elemento. Ou seja, é a quantidade de fluxo luminoso

recebido pela unidade de área iluminada. Matematicamente, a iluminância pode ser definida como:

Legenda: E – Iluminância. L – Luminância num dado ponto nas várias direcções dos raios elementares incidentes do ângulo sólido. - Ângulo sólido. – Ângulo entre qualquer um dos raios incidentes e a normal à superfície num dado ponto. ISR – UC | EDP Distribuição

50


Figura 5.9 – Iluminância sobre uma superfície

Existem quatro medidas de iluminância possíveis: Horizontal. Vertical. Semi-cilíndrica. Hemisférica.

5.7.1.

Iluminância Horizontal

Os pontos de cálculo devem estar localizados num plano ao nível do chão na área de interesse. Para cada ponto, a iluminância horizontal é calculada pela seguinte fórmula:

Legenda: – Iluminância horizontal num ponto, em lux. – Intensidade luminosa na direcção do ponto, em candelas (cd), normalizada por kilolumen (klm).

– Ângulo de incidência da luz no ponto, em graus. – Altura a que se encontra a luminária, em metros. - Fluxo luminoso inicial da(s) lâmpada(s) da luminária, em klm. – Produto do factor de manutenção do fluxo da lâmpada (LLMF) com o factor de manutenção da luminária (LMF). ISR – UC | EDP Distribuição

51


Iluminância Hemisférica

Os pontos de cálculo são novamente localizados num plano ao nível do chão, na área de interesse. Para o cálculo da iluminância hemisférica num determinado ponto, recorre-se à seguinte equação:

Legenda: – Iluminância horizontal num ponto, em lux. – Intensidade luminosa na direcção do ponto, em cd, normalizada por klm.

– Ângulo de incidência da luz no ponto, em graus. – Altura a que se encontra a luminária, em metros. - Fluxo luminoso inicial da(s) lâmpada(s) da luminária, em klm. – Produto do factor de manutenção do fluxo da lâmpada com o factor de manutenção da luminária.

5.7.3.

Iluminância Semicilíndrica

Os pontos de cálculo devem estar localizados num plano a 1,5 metros acima da superfície da área de interesse. Para cada ponto, a iluminância semicilíndrica é calculada pela seguinte fórmula:

Legenda: – Iluminância semicilíndrica num ponto, em lux. I – intensidade luminosa na direcção do ponto, em cd, normalizada por klm.

– Ângulo entre o plano vertical que contém o caminho do raio incidente, com o plano vertical em ângulos rectos à superfície rebatida do semicilindro (Figura 5.10). ISR – UC | EDP Distribuição

52



Figura 5.10 – Ângulos usados no cálculo da iluminância semicilíndrica

5.7.3.1.

Iluminância Vertical

Os pontos de cálculo devem igualmente estar localizados num plano a 1,5 metros acima da superfície da área de interesse. Para cada ponto, a iluminância vertical é calculada pela seguinte fórmula:

Nota: Esta fórmula é apenas válida para

e


53

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Legenda: – Iluminância semicilíndrica num ponto, em lux. I – intensidade luminosa na direcção do ponto, em cd, normalizada por klm.

– Ângulo entre o plano vertical que contém o caminho do raio de luz incidente, com o plano vertical em ângulos rectos ao plano vertical de cálculo (Figura 5.11).


Figura 5.11 – Ângulos usados no cálculo da iluminância vertical


54

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 5.7.3.2.

Iluminância Total num ponto

A iluminância total num ponto (Ep) é a soma das contribuições (E1, E2, …, En) de todas as luminárias que iluminam esse ponto. Ou seja:

Nota: Apenas se poderá somar iluminâncias do mesmo tipo, ou seja, horizontais com horizontais, hemisféricas com hemisféricas, etc.

5.8. Luminância A luminância é uma medida da densidade da intensidade da luz reflectida numa dada direcção, que descreve a quantidade de luz que atravessa ou é emitida de uma superfície, segundo um ângulo sólido (∂Ω). Tem como unidade SI a candela por metro quadrado (cd/m2), igualmente conhecida por nit (nt).

Figura 5.12 – Esquematização da Luminância

Matematicamente, a luminância (L) pode ser entendida como o quociente entre a intensidade luminosa (I) e a área (A) que a reflecte segundo uma determinada direcção ( ), ou seja:


55

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Ao denominador desta equação, dá-se o nome de área aparente, que não é mais do que a área projectada na direcção do observador, correspondente à área da superfície iluminada.

Figura 5.13 – Área aparente de uma superfície

O cálculo da luminância ( ) num ponto da estrada pode ser efectuado através da expressão:

Legenda: – Intensidade luminosa (cd) normalizada por klm. – Coeficiente de luminância reduzida para um vector de luz incidente, com coordenadas

angulares

pavimento, em

( , )

obtido através

da

tabela

de reflexão

do

.

– Fluxo luminoso inicial de cada luminária (klm). – Produto do LLMF com o LMF.

Figura 5.14 – Cálculo da luminância num ponto, para um observador


56


5.9. Lei do Inverso do Quadrado da Distância Esta lei é um dos factores que afecta a iluminação numa superfície. Em termos simples, a quantidade de luz incidente numa superfície decresce drasticamente à medida que a superfície se distancia da fonte luminosa. A lei do inverso do quadrado da distância postula que a variação do nível de iluminação é inversamente proporcional ao quadrado da distância.

Assim, ao triplicarmos a distância da superfície iluminada à fonte luminosa, diminui nove vezes a sua iluminância.

Esta lei apenas é válida para fontes luminosas, perpendiculares à superfície, cujas dimensões são pequenas em relação à distância d, e que se podem considerar como pontuais. Admite-se que esta lei é praticamente exacta na condição de que a distância d seja igual a mais de cinco vezes a dimensão da luminária.

Figura 5.15 – Lei do Inverso do Quadrado da Distância


57


5.10.

Lei do Coseno

Caso a luminária esteja inclinada relativamente à superfície que ilumina, então ter-se-á de ter em conta a chamada lei do coseno. Ou seja, à fórmula da lei do inverso do quadrado da distância será adicionado um novo termo (cos

), que

representa a influência da inclinação ( ) no nível de iluminação da superfície. Assim temos:

Figura 5.16 – Lei do coseno

5.11.

Lei de Lambert

Existem superfícies que apresentam a mesma luminância seja qual for o ângulo a partir do qual são observadas, proporcionando a mesma sensação de claridade. Estas são conhecidas por superfícies Lambertianas. A lei de Lambert afirma que a intensidade radiante reflectida por uma superfície Lambertiana (S) é directamente proporcional ao coseno do ângulo entre a linha de visão do observador e a normal (N) à superfície.

Figura 5.17 – Lei de Lambert


58

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Legenda: I0 – Intensidade radiante reflectida na direcção da normal à superfície ( =0). I – Intensidade radiante reflectida com um ângulo

.

L0 – Luminância na direcção da normal à superfície ( =0).

L – Luminância para um ângulo

5.12.

5.12.1.

.

Representação da Informação Fotométrica em Diagramas Introdução

A partir da informação fotométrica das luminárias e da superfície da zona a iluminar, podem ser criados vários diagramas e tabelas que facilitam a sua compreensão e que são disponibilizados pelos fabricantes, nomeadamente: Diagrama Polar. Diagrama Isocandela. Diagrama Isolux. Curvas do Factor de Utilização. O sistema de coordenadas mais utilizado para luminárias de iluminação pública, na representação da informação fotométrica é o sistema (C – ) esquematizado na Figura 5.18.

Figura 5.18 – Sistema de coordenadas (C, )


59

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 O vector I representa o valor da intensidade luminosa e indica a sua longitude, ao passo que C e

assinalam a sua direcção. C indica qual o plano vertical

onde os vectores estão localizados e

mede a inclinação relativa ao eixo

fotométrico vertical da luminária.

Tabela 5.3 – Ângulos de C e

5.12.2.

Diagrama Polar

Se traçarmos num plano transversal, uma curva ao longo das extremidades de todos os vectores de I (cd/m2), que tem como origem a lâmpada, obtemos a curva de distribuição luminosa dessa fonte (Figura 5.19).


60


Figura 5.19 – Curva de Distribuição Luminosa de uma lâmpada

Assim, o diagrama polar é a representação da intensidade luminosa em todos os ângulos ( ), sobre os quais é direccionada, num plano vertical (C). Quando a curva de distribuição luminosa apresenta simetria, em relação ao eixo da lâmpada, basta a representação de um plano no diagrama. Caso haja assimetria na distribuição luminosa de uma luminária, então um diagrama polar terá de apresentar as curvas de distribuição nos planos verticais necessários à sua caracterização, onde forçosamente terá de estar incluído o plano onde a intensidade luminosa é máxima. (Figura 5.20).

Figura 5.20 – Diagrama Polar


61

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 De modo a evitar a existência de um diagrama para cada lâmpada, quando a única diferença é a sua potência, efectua-se a uniformização dos valores das curvas. Com efeito, estas geralmente são referidas a uma lâmpada de 1000 lm. Para se determinar o valor da intensidade luminosa, é necessário multiplicar o valor encontrado no diagrama, pelo fluxo luminoso da lâmpada em questão, e dividir o resultado por 1000.

5.12.3.

Diagrama Isocandela

Não obstante os diagramas polares serem uma ferramenta muito útil e prática, apresentam um grande inconveniente, uma vez que só dão informação no que ocorre nos planos verticais (C), não se sabendo o que se passa nos restantes pontos. Para evitar este inconveniente e conjugar uma representação plana com a informação sobre a intensidade luminosa em qualquer direcção, foi criado o diagrama isocandela. Este consiste em simular a luminária no centro de uma esfera, em que na sua superfície exterior se unem, numa linha, os pontos com a mesma intensidade (curvas isocandelas). Geralmente as luminárias têm como mínimo, um plano de simetria, pelo que se considera apenas uma semi-esfera (Figura 5.21).

Figura 5.21 – Diagrama Isocandela [Fonte: Indalux]


62

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Esta forma de representação é bastante completa, tem no entanto o inconveniente

de

exigir

uma

maior

experiência

para

que

se

consiga

visualizar/entender a informação nela contida.

5.12.4.

Diagrama Isolux

Ao passo que os diagramas anteriores (polar

e isocandela)

fornecem

informação quanto à intensidade luminosa da fonte, este tipo de diagrama faz referência à iluminância numa superfície. Se projectarmos os valores da iluminância emitidos sobre uma superfície, pela fonte luminosa, sobre um mesmo plano e unirmos por uma linha os de valor idêntico, construir-se-á uma curva isolux. As várias curvas isolux formam o diagrama isolux (Figura 5.22), onde h é a altura a que se encontra a luminária.

Figura 5.22 – Diagrama Isolux [Fonte: Indalux]

5.12.5.

Curvas do Factor de Utilização

As curvas do factor de utilização, existentes nas folhas de informação fotométrica, oferecem um método fácil de cálculo da iluminância média, para uma certa secção transversal da faixa de rodagem.


63

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Estas curvas são função das distâncias transversais (w), medidas em função da altura (h) dos postes de iluminação. Por exemplo, para uma largura de estrada a iluminar igual à altura do poste (w=h), observando a curva da Figura 5.23, teremos um factor de utilização de 0,4. Caso o poste de iluminação também ilumine o passeio, até por exemplo uma distância de ¼.h, terá um factor adicional de utilização de 0,1. Assim o factor de utilização total será 0,5.

Figura 5.23 – Curva de Factor de Utilização [Fonte: Indalux]

5.13.

Incremento Limite (TI – Threshold Increment)

O incremento limite (TI) é uma medida que permite quantificar a perda de visibilidade causada pelo encandeamento das luminárias de iluminação pública. Neste caso um objecto que está no limite da visibilidade deixa de ser visível devido ao encandeamento. Caso se pretenda que o objecto seja visível nestas condições, há que aumentar o nível de contraste. Este incremento corresponde ao TI.


64

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Legenda: – Luminância média da estrada (cd/m2). Luminância encandeante (veiling luminance) equivalente (cd/m2). Iluminância (em lux, baseada no fluxo inicial da lâmpada em lumens) produzida pela luminária k, num plano normal à linha de visão e à altura do olho do observador 4. Ângulo, em graus, do arco entre a linha de visão e a linha desde o observador ao centro da luminária k.

Figura 5.24 – Esquematização dos parâmetros para o cálculo do TI

5.14.

Rácio Envolvente (SR - Surround Ratio)

Um dos principais objectivos na iluminação pública é providenciar uma boa iluminação na superfície das ruas e estradas, de modo a que os obstáculos sejam facilmente identificáveis. No entanto, a parte superior de objectos mais altos na estrada e os objectos que se encontram nas laterais das faixas de rodagem (particularmente em secções curvas) são vistos apenas se existir uma boa iluminação na envolvência da estrada, ou seja, na sua vizinhança. Com efeito, uma iluminação adequada da zona envolvente à estrada possibilita ao condutor uma melhor percepção da sua situação, fazendo ajustamentos devidos de velocidade e trajectória a tempo. 4

Altura de 1,5 metros acima do nível da estrada. O olho do observador está posicionado na linha central de cada faixa de rodagem e a uma distância longitudinal de 2,75 (H-1,5) metros do campo de cálculo. H é a altura do poste.


65

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 A função do rácio envolvente (SR) é assegurar que o fluxo luminoso direccionado para a periferia das estradas seja suficiente para tornar perfeitamente visível os corpos aí existentes. Assim, incrementa-se, por exemplo, a segurança dos peões nos passeios. O SR é definido como sendo a iluminância média horizontal nas duas faixas longitudinais exteriores aos limites laterais de uma faixa de rodagem de viaturas, dividida pela iluminância média horizontal de duas faixas longitudinais dessa estrada, adjacentes aos seus limites (Figura 5.25).

Figura 5.25 – Faixas longitudinais para o cálculo do SR

A largura de cada uma dessas faixas longitudinais definidas, para o cálculo do rácio envolvente, terá de ser a mesma. O seu valor será o mínimo dos valores das seguintes três hipóteses: 5 metros

Figura 5.26 – Largura máxima das faixas para o cálculo do rácio envolvente (SR)


66

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Metade da largura da estrada

Figura 5.27 – Esquematização para a situação em que o cálculo do SR é feito para metade da largura da estrada

Largura da faixa exterior ao limite da estrada que não esteja obstruída

Figura 5.28 – Parede de tijolo a obstruir a faixa longitudinal exterior de largura W

Em qualquer um dos casos o rácio envolvente (SR) poderá ser calculado através da iluminância média ( ) das várias faixas, pela seguinte expressão:

5.15.

Uniformidade da Iluminação

A uniformidade geral deverá ser calculada como o rácio entre o valor da luminância mais baixo (existente num ponto qualquer do campo de cálculo) com a luminância média, ou seja:


67

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 A uniformidade longitudinal é calculada através do quociente entre o valor mais baixo e o valor mais alto da luminância, na direcção longitudinal, ao longo do centro de cada faixa de rodagem.

Figura 5.29 – Uniformidade longitudinal

O número de pontos na direcção longitudinal (N) e o espaço entre eles terá de ser o mesmo que fora usado no cálculo da luminância média. Adicionalmente, a posição do observador terá de estar no enfiamento da linha dos pontos de cálculo.

5.16. O

tempo

Tempo de Vida Útil de

vida

útil

disponibilizado

pelos

fornecedores

é

uma

das

características das fontes luminosas mais relevantes, uma vez que influencia os custos de funcionamento efectuado, quer ao nível dos custos de manutenção quer do número de lâmpadas a serem adquiridas durante um determinado período. O tempo de vida útil é definido em horas e representa o tempo no qual o fluxo luminoso inicial das lâmpadas testadas foi reduzido em cerca de 25 a 30%. ISR – UC | EDP Distribuição

68


O tempo de vida normalmente indicado pelo fabricante é o tempo de vida médio. Este, indica o número de horas após as quais, 50% de um lote significativo de lâmpadas acesas deixa de emitir fluxo luminoso. A duração da vida média varia entre as 1000 horas, nas lâmpadas incandescentes, até cerca de 100 000 horas, no caso dos LEDs mais avançados.

Figura 5.30 – Tempo de vida médio e útil de uma lâmpada

5.17. 5.17.1.

Poluição Luminosa Introdução

Poluição luminosa é o tipo de poluição ocasionada pela luz excessiva ou obstrutiva criada pelo Homem. A poluição luminosa interfere nos ecossistemas, causa efeitos negativas à saúde, ilumina a atmosfera das cidades e reduz a visibilidades das estrelas interferindo na observação astronómica. As fontes da poluição luminosa existente são as luminárias internas e externas de residências e outros estabelecimentos, anúncios publicitários, iluminação pública, sinalização aérea e marítima, bem como todas outras fontes artificiais de luz para exteriores.


69

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 Na literatura (no domínio da iluminação pública) são considerados três tipos de poluição luminosa: Luz emitida para o céu (sky glow). Brilho encandeante (glare). Luz intrusiva (ilumina locais indevidamente).

5.17.2.

Luz emitida para o céu (Sky Glow)

A luz emitida para o céu (sky glow) é definida como o brilho do céu à noite que resulta da reflexão da radiação visível, espalhada pelos constituintes da atmosfera (moléculas de gás, aerossóis e partículas), na direcção do que se está a observar. Existem dois tipos de sky glow: Natural: Parte que é devido à radiação de objectos celestiais e de processos de luminescência da atmosfera terrestre. Artificial: Parte que é atribuída às radiações de origem humana (por exemplo a iluminação pública). Esta inclui quer a radiação que é emitida directamente para cima, quer a radiação reflectida pelas diversas superfícies.

5.17.3.

Luz Intrusiva

A luz intrusiva é definida na norma CIE 150-2003 como luz emitida por uma instalação para fora dos limites da área ou propriedade que deveria iluminar, causando incómodo, desconforto, distracção ou redução na capacidade de observar informação essencial.


70


Brilho Encandeante (glare)

O brilho encandeante é provocado pela presença de fontes brilhantes (e.g. luminárias) no campo de visão do observador. Consideram-se dois tipos de brilho: Desconfortante (disconfort glare): o

O

brilho

encandeante

apenas

provoca

uma

sensação

não

agradável de desconforto, quando situado no campo de visão. É considerado um critério algo subjectivo já que a sensibilidade dos observadores varia de pessoa para pessoa.

Incapacitante (disability glare): o

Este

tipo

de

brilho

encandeante

reduz

efectivamente

a

visibilidade. Estas fontes causam a sobreposição desse brilho (caracterizado por Lv 5) na imagem captada na retina, o que resultará numa redução do contraste da imagem, reduzindo a capacidade de distinguir pequenos contrastes e/ou pequenos objectos. Sendo assim, o disability glare está directamente relacionado disconfort

com glare,

a

segurança

rodoviária.

Ao

contrário

do

o brilho encandeante incapacitante é um

parâmetro mensurável de forma objectiva dado pelo incremento limite (TI) que por sua vez depende de Lv.

5

Veiling Luminance – brilho que forma um véu encandeante no olho do observador.


71


Figura 5.31 – Distribuição luminosa de um ponto de iluminação pública

5.18.

Factor de Manutenção

O factor de manutenção (FM) de uma instalação é o rácio da iluminância num determinado momento (E(t)), com a iluminância inicial (E0).

Figura 5.32 – Factor de Manutenção de uma instalação (FM)

O valor do factor de manutenção poderá afectar significativamente a potência da lâmpada a instalar, bem como o número de luminárias necessárias para alcançar os valores de iluminância/luminância especificados. ISR – UC | EDP Distribuição

72


5.19.

LLMF

O factor de manutenção da luminosidade da lâmpada (LLMF – Lamp Luminance Maintenance Factor) é dado pelo rácio entre o fluxo luminoso da lâmpada num dado momento da sua vida (ø(t)) e o fluxo luminoso inicial (ø0). [EN 12665:2002] Ou seja:

Figura 5.33 – Factor de Manutenção da Luminosidade da Lâmpada (LLMF)

5.20.

LSF

O factor de sobrevivência da lâmpada (LSF – Lamp Survival Factor) é definido pela fracção do número total de lâmpadas que continuam a funcionar num dado momento e sob determinadas condições. [EN 12665:2002]

Figura 5.34 – Factor de Sobrevivência da Lâmpada (LSF)


73

MANUAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA 5 de Julho de 2010 O factor de sobrevivência de uma lâmpada depende bastante da quantidade de horas de funcionamento. A Tabela 5.4 mostra os diversos regimes de funcionamento que uma rede de IP pode ter.

Tabela 5.4 - Número de horas por regime de funcionamento

5.21.

LMF

O factor de manutenção da luminária (LMF – Luminaire Maintenance Factor) é o rácio do LOR de uma luminária num dado momento (LOR(t)), com o LOR dessa mesma luminária no seu início de vida (LOR0).

Figura 5.35 – Factor de Manutenção da Luminária (LMF)


74


5.22. 5.22.1.

Equipamentos de Medição Luxímetro

O luxímetro consiste numa célula fotoeléctrica, normalmente baseada num fotodíodo, que ao receber a luz sobre a sua superfície cria uma corrente eléctrica proporcional à luz incidente. Este aparelho é utilizado para medir o nível de iluminação, ou seja, a iluminância.

Figura 5.36 – Luxímetro (SI – lux)

5.22.2.

Luminancímetro

Este aparelho de medição da luminância baseia-se num sistema óptico direccional. Este sistema orienta-se de modo a que a imagem coincida com o ponto a medir. A luz detectada num sensor fotoeléctrico gera uma corrente eléctrica, que é convertida num sinal de leitura analógico ou digital.

Figura 5.37 – Luminancímetro (SI – cd/m2)


75


Esfera de Ulbricht

A medida do fluxo luminoso realiza-se em laboratório por meio de um fotoelemento incorporada numa esfera côncava. Este fotoelemento é ajustado, segundo

uma

curva

de

sensibilidade

fotópica

do

olho,

às

radiações

monocromáticas. A esta esfera dá-se o nome de esfera integradora de Ulbricht e no seu interior coloca-se a fonte luminosa que se pretende medir.

Figura 5.38 – Esfera de Ulbricht (SI – lumen)

5.22.4.

Goniofotómetro

Estes tipos de aparelho de medição servem para caracterizar a fonte luminosa sob o ponto de vista da distribuição espacial de intensidades luminosas. Consiste num aparelho computadorizado que realiza o levantamento das características fotométricas de lâmpadas e luminárias, incluindo de iluminação pública. Possui um sistema opto-mecânico que inclui um espelho e braço giratórios e sensores fotométricos de resposta espectral fotópica.


76


Figura 5.39 – Esquema da estrutura de um goniofotómetro

Figura 5.40 – Fotos de um goniofotómetro [Fonte: Inmetro]

As medições fotométricas com o goniofotómetro permitem determinar o fluxo luminoso (quer da lâmpada, quer da luminária), rendimento óptico, intensidade luminosa, etc, apresentando os dados prontamente em diagramas e tabelas, tais como: Diagramas polares. Diagramas do coeficiente de utilização. Diagramas isocandela. Diagramas isolux.

Este conjunto de informação possibilita classificar uma luminária de acordo com as normas vigentes e/ou outras exigências definidas pelas empresas e utilizadores.


77


Colorímetro

O colorímetro é um aparelho utilizado para medir a temperatura de cor de uma fonte luminosa, sendo descrito usualmente como um instrumento que analisa amostras de cor para obter uma caracterização da mesma.

Figura 5.41 – Colorímetro


78


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Manual IP _ EDPD _ Volume 1 _ 2010

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