NTC5109 Medición flujo luminoso

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA

NTC 5109 2002-10-30

MEDICIÓN DEL FLUJO LUMINOSO

E:

UNIDAD DE PLANEACION MINERO ENERGETICA

THE MEASUREMENT OF LUMINOUS FLUX.

CORRESPOND CORRE SPONDENCIA ENCIA::

esta norma es idéntica idéntica (IDT) a la CIE 84:1989

DESCRIPTORES: DESCRIPTORES:

flujo luminoso.

I.C.S.: 29.140.01 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. - Tel. 6078888 - Fax 2221435 Prohibida su reproducción

Editada 2002-11-22

PRÓLOGO

El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.

ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 5109 fue ratificada por el Consejo Directivo del 2002-10-30. 2002-10-30. Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación participación en el Comité Técnico 383902 Iluminación. CODENSA S.A CHALLENGER DISPROEL ELECTROCONTROL ELECTRÓNICAS LÁSER EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN ILUMINACIONES TÉCNICAS INDUSTRIAS PHILIPS INDUSTRIAS SCHREDER

LIGHTING DE COLOMBIA MEGALITE ROY ALPHA SYLVANIA UNIDAD EJECUTIVA DE SERVICIOS PÚBLICOS UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA - UPME UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración consideración de las siguientes empresas: ASOCIACIÓN NACIONAL DE INDUSTRIALES - ANDI BALLASCO INC. S.A. CELSA CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE LA COSTA CORPORACIÓN UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR COMISIÓN DE REGULACIÓN DE ENERGIA Y GAS - CREG DISPROEL ELECTROCONTROL ELECTRÓNICAS LASER

EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN ERGON ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA JULIO GARAVITO GENERAL ELECTRIC HIGH LIGHTS INADISA INTEGRAL MECANELECTRO MINISTERIO DE DESARROLLO DESARROLLO MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA OSRAM PETROBRAS INTERNACIONAL S.A.

SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA UNIVERSIDAD DE LA SALLE UNIVERSIDAD DE LOS ANDES UNIVERSIDAD DEL NORTE

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA/DUITAMA UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA/MEDELLÍN UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales. nacionales. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN


NTC 5109

MEDICIÓN DEL FLUJO LUMINOSO

RESUMEN

Esta norma define la terminología requerida para las mediciones de flujo luminoso. Presenta los principios de las mediciones del flujo luminoso y describe los métodos para la evaluación de la distribución de la iluminancia, la medición del flujo luminoso por medio de un fotómetro de esfera integradora y la determinación de la luminancia por medio del flujo luminoso, la intensidad luminosa y las mediciones de iluminancia. Este documento se basa en la publicación CIE No. 25, 1973 "Procedures for the Measurement of Luminous Flux of Discharge Lamps and for their Calibration as Working Standards" [1] y la reemplaza, y también se basa en las conclusiones del "CIE Symposium on Light and Radiation Measurement 81" [2]. La terminología está acorde con el "International Lighting Vocabulary" Vocabulary" [3].

1.

ALCANCE

El propósito de esta norma es revisar los principales métodos usados para las mediciones de flujo luminoso. Uno de estos métodos se usa principalmente en los laboratorios de referencia nacionales (cálculo de la iluminancia o distribución de la luminancia); uno se usa ampliamente en la industria (medición con una esfera integradora), pero hay otra forma de medición que se puede realizar en un número limitado de laboratorios industriales que tienen acceso a un goniofotómetro para la medición de las distribuciones de la intensidad luminosa. Aunque cada grupo de usuarios estará interesado principalmente en el método de uso en su campo, para un trabajo de referencia sobre mediciones de flujo luminoso es necesario abarcar todos los métodos principales usados para este propósito y ponerlos en una perspectiva relativa entre ellos.

1


NTC 5109

2.

TERMINOLOGÍA <3>

2.1

CANTIDADES FOTOMÉTRICAS <3>

2.1.1 flujo luminoso (φv ; ⊄ ) cantidad derivada del flujo radiante Φe mediante la evaluación de la radiación de acuerdo con su acción sobre el observador fotométrico estándar CIE. Para visión fotópica ∞

Φ v = K m

d Φ e ( λ )

∫ 0

d λ

• V ( λ )d λ

(1)

en donde dΦe (λ) / dλ es la distribución espectral del flujo radiante y V ( λ) es la eficiencia luminosa espectral. Unidad: lm

2.1.2 intensidad luminosa (de una fuente, en una dirección dada) (Iv; I) cociente del flujo luminoso d Φv que deja la fuente y se propaga en el elemento de ángulo sólido dΩ que contiene la dirección dada, mediante el elemento de ángulo sólido. I =

d Φv

(2)

d Ω

Unidad: cd = lm • sr -1

2.1.3 iluminancia (en un punto de una superficie) (Ev; E) Cociente de un flujo luminoso d Φv incidente sobre un elemento de la superficie que contiene el punto, por el área dA de ese elemento.

E v

=

d Φ v

(3)

dA

Unidad: lx = lm •m-2

2.1.4 Luminancia (en una dirección dada, en un punto dado de una superficie real o imaginaria) (LV ; L) Cantidad definida por la fórmula

Lv

=

d Φ v dA

•

cos θ

(4)

• d Ω

2


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En donde dΦv es el flujo luminoso transmitido por un haz elemental que pasa a través del punto dado y se propaga en un ángulo sólido d Ω que contiene la dirección dada; dA es el área de una sección del haz que contiene el punto dado; θ es el ángulo entre la normal a esa sección y la dirección del haz. Unidad: cd•m-2 = lm•m.2 • sr -1

2.2

TÉRMINOS PARA INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

2.2.1 fotómetro <3> instrumento para medir cantidades fotométricas. 2.2.2 fotómetro integrador <3> fotómetro para medir el flujo luminoso, y que generalmente incluye una esfera integradora. 2.2.3 esfera integradora; esfera de Ulbricht <3> esfera hueca cuya superficie interna es un reflector difuso, lo menos selectivo posible. 2.2.4 fotómetro de caja fotómetro integrador que emplea una cavidad o caja hueca de forma arbitraria, en lugar de una esfera integradora. 2.2.5 cabeza de fotómetro <4, 17> consta de un detector sensible a la luz, y de las instalaciones para valoración espectral (por ejemplo, filtros de color) o para dispersión espectral (por ejemplo: rejillas) de la luz. También puede contener instalaciones para evaluación direccional de la luz, por ejemplo, ventanas, lentes y aperturas de difusión. 2.2.6 área de aceptación <17> área de la cabeza del fotómetro que recibe y evalúa direccionalmente la luz incidente. 2.2.7 goniofotómetro <3> fotómetro para medir las características de distribución de luz direccional de fuentes, luminarias, medios y superficies. 3.

MÉTODOS DE MEDICIÓN

El flujo luminoso de una fuente de luz se puede calcular o medir por diferentes métodos: -

Cálculo de la distribución de la intensidad luminosa (véase el numeral 4).

-

Cálculo de la distribución de la iluminancia (véase el numeral 5).

3


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-

Medición con un fotómetro de globo, con mediciones fotométricas o espectrales (véase el numeral 6).

-

Medición con un fotómetro de caja (véase el numeral 6.4).

-

Mediciones relativas por medio de iluminancia, intensidad luminosa o luminancia (véase el numeral 7).

El cálculo del flujo luminoso a partir de la distribución de la intensidad luminosa es apropiado cuando se hacen mediciones de ésta (por ejemplo: para luminarias) <5>. La obtención del flujo luminoso de una medición de la distribución de la iluminancia de una bombilla es el método usado en muchos laboratorios de referencia nacionales para establecer los patrones básicos de flujo luminoso. Así, la unidad de flujo luminoso, el lumen, se establece en términos de la unidad de intensidad luminosa con base en el SI, la candela <6, 7, 12, 13,14>. Una medición exacta de la variación espacial de las propiedades colorimétricas de las fuentes de luz <8> y de su distribución de potencia espectral <9> también se puede hacer usando este método. Las mediciones de flujo luminoso usando un fotómetro de globo son apropiadas para: -

Mediciones en laboratorios industriales para control de producción.

-

Medición por laboratorios y usuarios.

-

Calibración de bombillas patrón (por ejemplo: patrones de trabajo) contra bombillas patrón de orden superior, haciendo correcciones adicionales para errores debidos a diferencias en la distribución geométrica, espectral y de luz entre las bombillas por comparar.

-

La medición de las fuentes de luz con flujos luminosos que varían con el tiempo (por ejemplo: bombillas ajustables, bombillas de destello).

-

La medición del flujo luminoso en función del tiempo.

Las mediciones con una esfera, de la relación luz-salida de una luminaria, que se calcula a partir del flujo luminoso de la bombilla y el flujo luminoso de la luminaria, no se pueden recomendar si la distribución de la intensidad luminosa de la bombilla y la luminaria se diferencian considerablemente. Una medición de flujo luminoso con un fotómetro de caja solamente presenta una relación directa entre el flujo luminoso de la fuente de luz y la iluminancia indirecta en un punto arbitrario en una superficie interior de la caja, si la fuente de luz de referencia y la que se va a medir tienen la misma distribución de intensidad luminosa espacial, la misma distribución espectral y las mismas dimensiones. Las mediciones del flujo radiante espectral se pueden hacer con un fotómetro de esfera integradora, para fuentes de luz en donde la distribución de potencia espectral varía con la dirección (por ejemplo: bombillas de halogenuro metálico*). Este método da toda la información necesaria para el cálculo de:

4


NTC 5109

-

Distribución de potencia espectral.

-

Flujo luminoso.

-

Flujo radiante.

-

Color.

-

Índices de calidad de los colores

La determinación del flujo luminoso de las fuentes de luz por medio de una medición de la iluminancia, la intensidad luminosa o la luminancia, con frecuencia se lleva a cabo en la práctica para determinar la influencia de los parámetros específicos (por ejemplo: envejecimiento, temperatura, posición). Usualmente toma la forma de una medición relativa. El método también se puede usar para medir el flujo luminoso de las bombillas fluorescentes en instalaciones de alumbrado <10>. El método usado para la medición del flujo luminoso depende del equipo disponible. El equipo y el método usado están influenciados por: -

Las tareas del laboratorio fotométrico.

-

La economía.

-

El consumo de tiempo.

-

La incertidumbre de medición aceptable.

4.

CÁLCULO DEL FLUJO LUMINOSO A PARTIR DE LA DISTRIBUCIÓN DE INTENSIDAD LUMINOSA

4.1

PRINCIPIO DE MEDICIÓN

De acuerdo con la definición, el flujo luminoso Φ se puede obtener de la distribución espacial de la intensidad luminosa I por la relación Φ =

(5)

∫ I d Ω

(Ω )

de donde

Ω

4 π sr ángulo sólido total

La distribución de la intensidad luminosa se puede medir con un goniofotómetro <11>.

5

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 4.2

NTC 5109

MEDICIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA INTENSIDAD LUMINOSA

La medición de la distribución de la intensidad luminosa se describe en un Reporte Técnico de CIE <11>. Ese reporte contiene información acerca de goniofotómetros usados para la medición de la distribución de la intensidad luminosa, al igual que datos acerca de la ejecución de las mediciones.

4.3

MÉTODO DE CÁLCULO

Para evaluar el flujo luminoso, la intensidad luminosa se debería integrar en el ángulo sólido total que se ilustra en la ecuación (5). El elemento del ángulo sólido d Ω se puede expresar trigonométricamente como: d Ω = sen ε d ε d η

(6)

Con dΩ

elemento del ángulo sólido

ε, η

ángulos que dependen del sistema de coordenadas escogido; ε ángulo de elevación con ε = 0 en el ángulo cenital y η ángulo acimutal.

Los ángulos ε y η se deberían sustituir para estar de acuerdo con el sistema de coordenadas usado durante la medición de la distribución de la intensidad luminosa. En una evaluación práctica, las integrales son reemplazadas por sumas. En ese caso, el flujo luminoso puede, por ejemplo, calcularse de acuerdo con las siguientes formulas: Para mediciones en: Planos A:

M

Φ = ∆ A ∑

m =1

Planos B:

Planos C:

Φ = ∆ B

N

∑ I (α , A ) {sin( n ∆ α ) − sin [( n − 1) ∆ α ] }

n = − N +1

M

N

m =1

n = − N + 1

∑ ∑ I ( β , B ) { sin( n ∆β ) − sin [( n − 1 )∆β ] } M

Φ = ∆ C ∑

m =1

(7A)

N

(7B)

∑ I (γ , C ) {cos [( n − 1) ∆ γ ] − cos( n ∆ γ )

}

(7C)

n =1

∆α y ∆β representan los tamaños de paso angular de π/2N y ∆γ corresponde a π/N, mientras que ∆ A, ∆B y ∆C están dados por 2π/M (véase el apéndice y la referencia <11>). Cuanto más pequeños sean los pasos angulares que se escojan, más exacta será la determinación del flujo luminoso resultante. Las distribuciones de intensidad luminosa con pendiente pronunciada requieren pasos angulares más pequeños.

6


NTC 5109

FUENTES DE ERROR

Los errores específicos en la determinación del flujo luminoso a través de una evaluación de la distribución de la intensidad luminosa pueden ser causados por: -

Errores en la medición de la intensidad luminosa <11>.

-

Ángulos de paso demasiado grandes.

-

Sombreado de la fuente de luz por partes mecánicas del goniofotómetro y el soporte de la fuente de luz (véase el numeral 4.8).

-

Inestabilidad de la fuente de luz durante la medición.

-

Inestabilidad de la disposición mecánica del fotómetro.

5.

CÁLCULO DEL FLUJO LUMINOSO A PARTIR DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA ILUMINANCIA

5.1


Por definición, el flujo luminoso Φ se puede obtener de la distribución de la iluminancia E sobre una superficie cerrada A alrededor de la fuente de luz usando la relación

Φ=

∫ E dA

(8)

( A )

La distribución de la iluminancia se puede medir por medio de un goniofotómetro sobre una superficie esférica alrededor de la fuente de luz. No es necesario que la fuente de luz esté exactamente en el centro de la esfera imaginaria. Sin embargo, se recomienda colocarla lo más cerca posible del centro de la esfera. La distancia mínima entre el centro de la esfera y la cabeza del fotómetro depende de la mayor dimensión de la fuente de luz por medir, por razones netamente mecánicas. Puede ser menor que la distancia fotométrica límite en tanto que el medidor de iluminancia evalúe la iluminancia correctamente en términos de la dirección (respuesta de coseno), etc. <4>.

5.2

TIPOS DE GONIOFOTÓMETRO

Es posible distinguir entre diferentes tipos de goniofotómetro usados para la medición de la distribución de la iluminancia. En todos ellos la fuente de luz por medir se opera en la posición de quemado establecida.

5.2.1 Goniofotómetro con fuente de luz en una posición fija En estos goniofotómetros la fuente de luz se opera en la posición de quemado establecida, sin moverse. La cabeza del fotómetro del medidor de iluminancia usado para la medición se gira alrededor de dos ejes, los cuales se cruzan entre sí en ángulo recto alrededor de la fuente de luz. 7


NTC 5109

En el ejemplo descrito en las Figuras 1a a 1c, estos dos ejes pueden estar orientados arbitrariamente en el espacio por medio del marco exterior, que permanece estacionario durante una medición. En la terminología definida en el Apéndice, las mediciones se realizan en los planos de C, con la posición más interna del marco caracterizada por el ángulo γ y la posición central del marco por el ángulo C.

Figura 1.a) Para la integración del flujo luminoso, una fuente de luz compacta L (por ejemplo: una bombilla incandescente) está apoyada en un soporte H, ya sea desde la parte superior o inferior del marco. El soporte está colocado rígidamente en el marco externo, que se puede voltear a cualquier posición, pero se mantiene estacionario durante la medición. Los dos marcos interiores mueven el fotómetro E sobre la superficie de una esfera, al rotar simultáneamente Figura 1. Fotografía de un modelo de un goniofotómetro con una fuente de luz, que permanece inmóvil en una posición fija Continúa...

8


NTC 5109

Figura 1.b) Con el marco externo en posición horizontal, la bombilla tubular L se mide en posición horizontal. El soporte mecánico y la energía eléctrica se suministran por medio de dos soportes de bombilla H. Dos fotómetros F se mueven sobre la superficie de una esfera. Figura 1. (Final)

Para calibrar el fotómetro, la parte del marco interno que porta el fotómetro E está volteada 180° hacia fuera. Uno de los rodamientos del marco externo es hueco. A través de él la bombilla N patrón de intensidad luminosa, que está colocada fuera del sistema de marcos giratorios, ilumina al detector E con una iluminancia conocida.

5.2.2 Goniofotómetro con la fuente de luz girada alrededor de un centro de luz fija espacialmente En estos goniofotómetros la fuente de luz está colocada en un punto definido en el espacio y girada alrededor de un eje vertical. La cabeza del fotómetro gira en un plano vertical alrededor de la fuente de luz (véase la Figura 2) <13, 14>. Los dos ejes se cruzan entre sí en ángulo recto.

9


NTC 5109 η

ε

Cabeza del fotómetro

Figura 2. Goniofotómetro con la fuente de luz girada alrededor de un eje vertical y con un centro de luz fijo espacialmente.

5.2.3 Goniofotómetro con la fuente de luz girada alrededor de un eje vertical con un centro de luz móvil En este tipo de goniofotómetro la fuente de luz y la cabeza del fotómetro están en extremos opuestos de un haz giratorio, que está volteado* alrededor de un eje horizontal a través de la mitad del haz (véase la Figura 3). La fuente de luz está volteada* alrededor de un eje vertical en su posición de combustión. El centro fotométrico es girado en un plano alrededor de un eje horizontal. Este tipo de goniómetro requiere una construcción mecánica más complicada que el descrito en el numeral 5.2.2. Sin embargo, para la misma distancia entre la fuente de luz y la cabeza del fotómetro la altura requerida del recinto es de sólo la mitad aproximadamente. Ambos métodos también se pueden incorporar en un solo diseño <12, 14>. η

Fuente de luz

ε Eje de rotación


Figura 3. Goniofotómetro con la fuente de luz girada alrededor de un eje vertical y con un centro de luz móvil

10


NTC 5109

MEDICIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA ILUMINANCIA

5.3.1 Movimiento de la cabeza del fotómetro Existen varias posibilidades para medir la distribución de la iluminancia: -

La distribución de la iluminancia se mide continuamente a lo largo de una línea en la superficie de la esfera, que rodea la fuente de luz (espiral, en forma de rosca). Véase la Figura 4 <15, 16>. Para este tipo de movimiento de la cabeza del fotómetro, el tiempo de medición para un tamaño de paso angular dado es mínimo.

-

La distribución de la iluminación se mide continuamente en una superficie cónica (ángulo ε constante.) La cabeza del fotómetro se mueve en pasos angulares de tamaño ∆ε.

-

La distribución de la iluminancia se mide continuamente en un plano vertical (ángulo constante η). La cabeza del fotómetro se mueve en pasos angulares de tamaño ∆η.

-

La distribución de la iluminancia se mide en tamaños de pasos angulares ∆ε y ∆η de la cabeza del fotómetro o la fuente de luz. η

Fuente de luz r

ε


Figura 4. Principio de medición continua de la distribución de la iluminancia sobre la superficie de la esfera

5.3.2 Tamaños de paso angular La determinación del flujo luminoso es más exacta cuanto menores sean los tamaños de paso para rotación en los ángulos polar ( ∆ε) y acimutal (∆η). Para una medición exacta, especialmente para fuentes de luz con una distribución de intensidad luminosa en pendiente, se podrían requerir los tamaños de paso angular ∆ε = ∆η = 0,10. 11


NTC 5109

5.3.3 Velocidad de rotación Las fuentes de luz, cuyo flujo luminoso depende la temperatura del ambiente y la velocidad del aire, sólo se pueden girar alrededor del eje vertical a una velocidad de rotación limitada. Algunas fuentes de luz también pueden estar influenciadas por el movimiento material dentro de la fuente de luz. En donde hay posibilidad de partículas móviles, especialmente gotas, por ejemplo, de Na, Hg, la aceleración debería ser inferior a 1/10 de la gravedad estándar. NOTA

La velocidad de rotación permitida se puede determinar por: -

La medición del flujo luminoso de la fuente de luz en función de la velocidad de rotación.

-

La medición de la iluminancia en una posición a lo largo del eje de rotación de la fuente de luz, que no está sombreada por partes del portabombilla, en función de la velocidad de rotación.

La velocidad de rotación a la cual el flujo luminoso comienza a cambiar (usualmente a reducirse), no se debería exceder durante la medición. Se requiere un movimiento uniforme de la cabeza del fotómetro, sin vibración. Para esto, el sistema mecánico tiene que estar bien balanceado.

5.4

CODIFICACIÓN ANGULAR

Para medir la iluminancia en una posición definida de la cabeza del fotómetro, se deben ajustar y medir dos ángulos. Se recomienda el uso de codificadores de ángulo absoluto, en donde no es necesario ajustar la posición de arranque. La posición de ajuste se mantiene incluso después de apagar la fuente de energía. Otros medios de codificación angular, por ejemplo, los motores paso a paso, también están en uso. La indicación de los ángulos debería tener una precisión de aproximadamente 0,1 0.

5.5

MEDIDOR DE ILUMINANCIA

La exactitud de las mediciones de flujo luminoso hechas por medio de una evaluación de la distribución de iluminancia se determina en forma decisiva por la calidad del medidor de iluminancia usado. Este medidor debería ser de muy alta calidad <17>.

5.6

ADQUISICIÓN DE DATOS Y CÁLCULO DEL FLUJO LUMINOSO <11,18>

En todos los goniofotómetros en donde el flujo luminoso se determina mediante la evaluación de la distribución de la iluminancia, esta distribución se mide sobre una superficie esférica alrededor de la fuente de luz. En este caso, el flujo luminoso está dado por la ecuación (8) como: Φ=

∫

π

E dA

( A )

2

= r

2π

∫ ∫

E ( ε , η ) sin

ε d ε d η

(9)

ε = 0 η= 0

de donde A

Superficie de la esfera

E

Iluminancia sobre un elemento de área dA de la superficie de la esfera

r

Radio de la esfera

ε

ángulo polar

η

Ángulo acimutal

12


NTC 5109

Cuando la fuente de luz o el detector se mueven continuamente durante una medición, puede haber cambios bastante grandes en la iluminancia en la cabeza del fotómetro debido a cambios espaciales, o en el caso de bombillas de c.a., temporales en la salida. Por tanto, una medición exacta de las bombillas de c.a sólo es posible si la fuente de luz y la cabeza del detector están estacionarias durante la medición. Esto conduce a tiempos de medición prolongados y por tanto generalmente no es viable. Los métodos para la determinación de la iluminancia "correcta", que es aplicable a un elemento de área definida o una dirección definida (caracterizada por los ángulos ε y η) son diferentes y no se pueden describir en una forma generalizada. En general, la exactitud de la medición se ve influenciada significativamente por los tamaños de paso angular ∆ε, ∆η, las velocidades angulares d ε y dt y dη/dt y el tiempo de integración de los medidores de iluminancia (para alimentaciones de 50 Hz c.a usualmente > ms). La integración de iluminancia dada por la ecuación (9) se puede llevar a cabo por: -

Integración electrónica directa con visualización del flujo luminoso después de la evaluación de la distribución de la iluminancia en toda la superficie de la esfera.

-

Adquisición de los valores de iluminancia medidos en todas las posiciones de la cabeza del fotómetro, almacenamiento de estos valores y evaluación, por ejemplo, por medio de un computador de escritorio.

En una integración electrónica directa, la ponderación de la iluminancia de acuerdo con el seno de ε (véase la ecuación (9)) usualmente se logra por medio de un potenciómetro de ley sinusoidal. En estos potenciómetros, incluso en los componentes de precisión, pueden ocurrir errores considerables a valores pequeños de ε, lo cual reduce la exactitud cuando se miden fuentes de luz con distribuciones de intensidad luminosa en pendiente. Por tanto, para tamaños iguales de paso angular, el cálculo numérico será usualmente más exacto que la integración electrónica directa. En el cálculo numérico también es posible determinar los flujos luminosos parciales en algunas secciones del ángulo sólido, por ejemplo, en el hemisferio superior o inferior separadamente.

5.7

LUZ PARÁSITA

Se recomienda evitar la luz parásita (luz que no alcanza a la cabeza del fotómetro directamente desde la fuente de luz). Esto se puede evitar colocando el goniofotómetro en un cuarto oscuro. También es posible colocar una superficie de alta absorbencia <19> detrás de la fuente de luz (como se aprecia desde la cabeza del fotómetro, la cual se mueve junto con la cabeza del fotómetro). La cabeza del fotómetro debería evaluar la luz desde el ángulo sólido no ocupado por la fuente de luz con la menor sensibilidad posible y esto se puede lograr colocando un tubo deflector de las dimensiones apropiadas, de color negro en la parte interior, en frente de la cabeza del fotómetro. Es posible medir la mayoría de la luz parásita haciendo una medición adicional del flujo luminoso con una pantalla negra que cubra la fuente de luz completamente, colocada entre la fuente de luz y la cabeza del fotómetro y en movimiento con la cabeza del fotómetro. El flujo luminoso medido de esta forma se debe solamente a la luz parásita y por lo tanto se debería restar del valor medido sin la pantalla. En la literatura existente se puede encontrar mayor información acerca de la eliminación de luz parásita en las mediciones de flujo luminoso con goniofotómetros. 13


NTC 5109

FLUJO LUMINOSO PERDIDO

Una fracción de la luz que sale de la fuente de luz se puede oscurecer por las partes mecánicas del goniofotómetro en un ángulo sólido pequeño, haciendo así que se pierda la cabeza del fotómetro. Cualquier desestimación del flujo luminoso que sale de la fuente de luz debido al oscurecimiento de las partes mecánicas se puede reducir cubriendo las partes sombreadas con una capa de material de alta reflectancia. Si la distribución de la iluminancia en una porción pequeña y limitada del ángulo sólido no se puede medir debido a que la construcción del goniofotómetro no permite la colocación de la cabeza del fotómetro en esta región, entonces el flujo luminoso irradiado en él se pierde. En este caso, el resultado se puede corregir numéricamente extrapolando la distribución de la iluminancia dentro de esta región del ángulo sólido. Los métodos para calcular el efecto del sombreado se encuentran en la literatura al respecto <12>.

5.9

RESUMEN DE FUENTES DE ERROR

Las incertidumbres específicas en la determinación del flujo luminoso a partir de la distribución de la iluminancia surgen de: -

La deformación de las partes mecánicas del goniofotómetro (marco, brazo giratorio).

-

La incertidumbre concerniente a la distancia entre el área de aceptación de la cabeza del fotómetro y el centro de la revolución.

-

La incertidumbre con respecto a la posición de la cabeza del fotómetro.

-

La rotación irregular.

-

Pasos angulares demasiado grandes.

-

Incertidumbre de medición del medidor de iluminancia.

-

Velocidad angular demasiado grande: influencia de la salida de luz de la fuente.

Para fuentes de luz de potencia de c.a: prevención de la integración temporal apropiada del flujo luminoso. -

Flujo luminoso perdido y ensombrecimiento.

-

Luz parásita.

-

Incertidumbre con relación a la calibración fotométrica del patrón de calibración.

-

Inestabilidad de la fuente de luz u otras partes del sistema (por ejemplo: amplificador) durante la medición.

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NTC 5109

LISTA DE VERIFICACIÓN DE LA CARACTERIZACIÓN.

Con el fin de caracterizar los goniofotómetros para evaluar el flujo de luminoso a partir de la distribución de la iluminancia, se requieren los siguientes datos: Construcción mecánica: -

Tipo de goniofotómetro.

-

Dimensiones del goniofotómetro.

-

Dimensiones máximas de las fuentes de luz que se pueden medir.

-

Peso máximo de las fuentes de luz que se pueden medir.

Geometría: -

Distancia entre el centro de rotación y la cabeza del fotómetro.

-

Ángulo (ángulo sólido) no accesible.

-

Ángulo (ángulo sólido) fuera de la luz parásita no está registrado por la cabeza del fotómetro.

Colocación: -

Método de codificación angular.

-

Resolución.

-

Método de indicación de la posición de arranque.

-

Posibles pasos angulares.

-

Posibles velocidades de rotación.

-

Posibles desviaciones entre los ángulos indicados y los reales.

Medidor de iluminancia y procesamiento de datos: -

Errores del medidor de iluminancia usado <17,18>

-

Método de adquisición y procesamiento de datos.

-

Datos sobre el computador usado.

15


NTC 5109

CALIBRACIÓN Y ENSAYO

5.11.1 Calibración Los goniofotómetros para la determinación del flujo luminoso a partir de la distribución de la iluminancia usualmente se calibran por medio de bombillas patrón de intensidad luminosa. La calibración se aplica al medidor de iluminancia usado en el goniofotómetro, para lo cual la iluminancia se calcula de la intensidad luminosa de la bombilla patrón por medio de la ley de distancia fotométrica.

5.11.2 Ensayo Además, el goniofotómetro se puede ensayar con tres métodos diferentes:

5.11.2.1 Bombilla patrón de flujo luminoso. Un goniofotómetro se puede ensayar o calibrar por medio de una bombilla patrón de flujo luminoso. Si se está determinando la exactitud del goniofotómetro, el flujo luminoso medido del patrón debería coincidir con el valor nominal del patrón dentro de la incertidumbre establecida. Si el patrón se usa para calibrar el goniofotómetro, la incertidumbre establecida del patrón de calibración se debe agregar a las otras incertidumbres involucradas al usar el instrumento para hacer mediciones de flujo luminoso. Se recomienda que este procedimiento se realice al menos con tres bombillas patrón de flujo luminoso diferentes.

5.11.2.2 Bombilla patrón de intensidad luminosa. El goniofotómetro también se puede ensayar y calibrar por medio de una bombilla patrón de intensidad luminosa, si la cabeza del fotómetro del medidor de iluminancia se mueve a una posición en la que se conozca la intensidad luminosa de la bombilla patrón colocada en el centro del goniofotómetro. Para el ensayo, el patrón de intensidad luminosa y la cabeza del fotómetro del medidor de iluminancia deberían permanecer estacionarios, con el mecanismo impulsor del goniofotómetro interrumpido. El movimiento del goniofotómetro (fuente de luz, cabeza del fotómetro) se puede entonces simular mediante un programa de computador adecuado. El flujo luminoso resultante será igual a 4 π sr veces la intensidad luminosa de la bombilla patrón. 5.11.2.3 Medidor de iluminancia calibrado. También se puede ensayar el goniofotómetro mediante la determinación de la responsabilidad s del medidor de iluminancia del goniofotómetro <4>, S = Iph /E

(10)

de donde Iph

fotocorriente producida por el medidor de iluminancia.

E

iluminancia en el área de aceptación de la cabeza del fotómetro, calculada a partir de la intensidad luminosa de la bombilla patrón y su distancia a la cabeza del fotómetro.

La cabeza del fotómetro del medidor de iluminancia en el goniofotómetro, para la cual se determinó la fotocorriente I ph durante la medición de responsabilidad, se debería entonces desconectar y se debería suministrar la misma corriente desde una fuente de corriente constante.

16


NTC 5109

Entonces se debería hacer una secuencia de medición. El flujo luminoso determinado de esta forma está dado por: Φ = 4 πr 2 • Iph / s

(11)

de donde r

distancia entre el centro de rotación y el área de aceptación de la cabeza del fotómetro

s

responsabilidad de acuerdo con la ecuación (10)

Iph

fotocorriente constante suministrada

Este ensayo incluye automáticamente la influencia del ciclo del movimiento del goniofotómetro.

5.11.3 Intercomparación Un buen método para hallar la incertidumbre de la medición del flujo luminoso obtenido con un goniofotómetro específico es comparar los resultados para las mismas bombillas, medidas en diferentes laboratorios bien calificados. Una comparación de los resultados de las mediciones en las mismas bombillas, obtenidos con fotómetros diferentes (por ej: un goniofotómetro y un fotómetro de esfera integradora), puede brindar información útil <21>.

6.

MEDICIÓN CON UNA ESFERA INTEGRADORA

6.1


El flujo luminoso de una fuente de luz se puede medir en un fotómetro de esfera por comparación con una bombilla patrón de flujo luminoso. Al hacer la medición, la fuente de luz y la bombilla patrón se colocan sucesivamente en el mismo lugar en la esfera integradora. La iluminancia indirecta en la superficie de la esfera se toma como la medida del flujo luminoso. Un fotómetro de esfera consta de una esfera integradora, una cabeza de fotómetro con unidad de lectura y, si es aplicable, medios para la adquisición de datos, al igual que alimentación eléctrica para el equipo de medición.

6.2

TEORÍA DE LA ESFERA

El flujo luminoso se puede medir en un fotómetro de esfera por comparación con el flujo luminoso de una bombilla patrón de flujo luminoso. De acuerdo con la teoría de Ulbricht, el flujo luminoso de la fuente de luz está relacionado con la iluminancia directa E ind en la superficie interna de la esfera integradora, por

Φ = E ind •

l − ρ ρ

(12)

A

17


NTC 5109

de donde Eind

iluminancia directa en la superficie interna de la esfera (por ejemplo, en el área de aceptación de las cabeza del fotómetro, ubicada a nivel con la superficie de la esfera.

ρ

reflectancia de la superficie interna de la esfera

A

área superficial de la esfera

El factor k, en donde k

=

l − ρ ρ

(13)

A

se conoce como el "factor de esfera". En la práctica, k se diferencia del valor teórico dado por la ecuación (13), principalmente debido a que la esfera no está vacía durante la medición. Por esta razón, k no se puede calcular de acuerdo con (13), pero se debe determinar usando una fuente de luz de referencia (bombilla patrón de flujo luminoso).

k =

Φ N

(14)

E ind , N

de donde:

ΦN

flujo luminoso de una bombilla patrón

Eind, N

iluminancia indirecta del flujo luminoso, ΦN

Entonces, de las ecuaciones (12) a (14), el flujo luminoso de la fuente de luz es:

Φ = Φ N •

6.3

E ind

(15)

E ind . N

MÉTODO ESPECTRAL <22,23>

Un parámetro importante de una fuente de luz es el flujo radiante espectral Φeλ, a partir del cual se pueden calcular varias cantidades: -

Flujo luminoso.

-

Flujo radiante.

-

Flujo radiante efectivo para efectos fotobiológicos

-

Color (valores triestímulo, temperatura de color correlacionada)

-

Propiedades de calidad del color (índices de calidad de color especial (R i) y general (Ra)). 18


NTC 5109

El flujo radiante espectral de una fuente de luz se puede medir con un fotómetro de esfera integradora, en donde la cabeza del fotómetro de evaluación de V ( λ) se reemplaza por un monocromador combinado con un detector apropiado. De esta manera se mide la irradiancia espectral Eeλ, ind, en lugar de la iluminancia indirecta E ind, en función de la longitud de onda. Cuando las mediciones espectrales se usan de esta manera, la reflectancia espectral de la pared de la esfera y la responsividad espectral relativa de la cabeza del radiómetro no influyen en los resultados. El efecto de una diferencia en las distribuciones de flujo espacial entre la bombilla patrón y la fuente de luz por medir es el mismo que para las mediciones de flujo luminoso con un fotómetro de esfera integradora. Se debe usar una bombilla patrón de flujo radiante espectral Φeλ, N El flujo radiante espectral Φeλ, X de una fuente de luz por medir se puede obtener de la relación:

Φ eλ , X = Φ eλ , N

Y λ , X Y λ , N

=

l

• Y λ , X

s (λ )

(16)

de donde s (λ)

responsabilidad espectral Yλ, N /Φeλ, N del radiómetro de la esfera

Yλ, X

señal de salida para la fuente de luz X a la longitud de onda λ

Yλ, N

señal de salida para una bombilla patrón N a la longitud de onda λ

Φeλ, N

flujo radiante espectral de la bombilla patrón N

El flujo luminoso Φx, de la fuente de luz por medir se puede calcular a partir del flujo luminoso conocido ΦN y la distribución de potencia espectral relativa conocida S λN de la bombilla patrón:

∞

Φ X = Φ N

∫ S

λ , N

• ( Y λ , X / Y λ , N ) • V ( λ ) • d λ

0

∞

∫ S

λ , X

• V ( λ ) • d λ

∞

= K m ∫ ( Y λ , X / s ( λ )) • V ( λ ) • d λ

(17)

0

0

km

683 lm/W eficacia luminosa espectral máxima

Para el cálculo de otras cantidades (no luminosas), se debe usar la responsabilidad espectral pertinente en lugar de V( λ) en la ecuación (17). Los diferentes aspectos de un fotómetro de esfera integradora diferentes de los espectrales, que se describen en el numeral 5, se deben seguir teniendo en cuenta.

6.4

FOTÓMETRO DE CAJA

También se puede hacer una comparación del flujo luminoso de las fuentes de luz del mismo tipo usando un fotómetro de caja, en el cual se usa una caja de forma arbitraria o cavidad rectangular, en lugar de una esfera integradora. 19


NTC 5109

ESFERA INTEGRADORA

6.5.1 Diámetro de la esfera La esfera integradora debe tener un diámetro lo suficientemente grande para medir la fuente de luz más grande, con una distancia suficiente entre la fuente de luz y la pared de la esfera, para permitir múltiples reflexiones adecuadas de la luz dentro de la esfera sin interferencia indebida de la propia fuente. Se recomienda que el diámetro de la esfera para bombillas compactas sea de al menos 10 veces y para bombillas tubulares al menos el doble de la mayor dimensión de la fuente de luz. Así, el diámetro de la esfera para medir bombillas fluorescentes de 1,5 m debería ser 3 m (para mediciones menos críticas, un diámetro de esfera de 2 m sería suficiente para el mismo propósito). La selección del diámetro de la esfera también se determina por la disipación de la potencia de la fuente de luz por medir. La responsabilidad del fotómetro de esfera varía con el cuadrado inverso del diámetro de la esfera. La esfera integradora se debería hacer de tal forma que no entre luz parásita a ésta desde el exterior.

6.5.2 Pintura de la esfera La pintura para el interior de la esfera debería reflejar suficientemente en forma difusa y no selectiva, y no debería presentar luminiscencia. Puesto que el factor k de la esfera (véase la ecuación 13) se ve influenciado más fuertemente por pequeños cambios relativos en la reflectancia espectral ρ(λ) en el caso de una reflectancia alta, se recomienda escoger una pintura con una reflectancia de alrededor de 0,8 <25>. Sin embargo, se debe señalar que las propiedades integradoras de la esfera se reducen con la reducción de la reflectancia. Las pinturas de esferas se consiguen comercialmente, para lo cual la función espectral ρ(λ) / (1 - ρ (λ) se presenta como una función de la longitud de onda. La Figura 5 muestra un ejemplo de una pintura de esferas de este tipo, con una reflectancia de 0,8 en comparación con un recubrimiento de sulfato de bario puro del tipo usado como un patrón de reflectancia difuso en la región visible <17>. La esfera se debería pintar nuevamente al menos una vez al año, dependiendo de la aplicación y del medio ambiente, para mantener en un mínimo la influencia del envejecimiento y la contaminación.

20


NTC 5109

Pintura de esferas ( ρ 0,8) 1,0 0,9 0,8

BaSO4 ( ρ 0,95)

0,7 0,6 0,5 0,4

400

450

500

550

600

650

700

λ nm

Figura 5. La función [ ρ(λ) / (1 - ρ (λ)]rel de una pintura de esfera mejorada con ρ ≈ 0,8 en comparación con una pintura de BaSO 4 con ρ ≈ 0,95

6.5.3 Disposición de la fuente de luz y la pantalla Es conveniente montar una pantalla dentro de la esfera integradora, de manera que ninguna luz directa desde la fuente pueda alcanzar la cabeza del fotómetro. Hay dos posiciones posibles para la fuente de luz. a)

Es usual colocar la fuente de luz en el centro de la esfera, orientada de manera que caiga una cantidad mínima de luz directa sobre la pantalla. Las fuentes lineales, tales como los tubos fluorescentes, se deberían colocar de manera que su eje coincida con la línea cabeza del fotómetro-centro de la esfera. La pantalla se coloca usualmente a una distancia igual a aproximadamente 1/6 del diámetro de la esfera (1/4, si la fuente de luz es pequeña en comparación con el diámetro de la esfera) lejos de la cabeza del fotómetro (véase la Figura 6). Es conveniente que sea lo suficientemente grande para evitar la iluminación directa del área de aceptación de la cabeza del fotómetro por la fuente de luz, pero al mismo tiempo lo más pequeña posible <26, 27>.

b)

Para fuentes de luz fuertemente direccional, por ejemplo, LED o bombillas de reflectores, la fuente de luz se puede montar en la pared de la esfera con el área que emite luz cercana a la cabeza del fotómetro. Una pantalla pequeña impide la iluminación directa de la cabeza del fotómetro por la fuente de luz (véase la Figura 7, <28>). Se recomienda que la pantalla tenga la mayor reflectancia posible y que sea de naturaleza no selectiva y difusa.

21


NTC 5109 d/6

H

F L

S

d

L

fuente de luz

S

pantalla

F

puerto de la esfera para la cabeza del fotómetro

H

bombilla auxiliar con pantalla

D

diámetro de la esfera Figura 6. Disposición para la medición del flujo luminoso en una esfera integradora

U

L S F

L

fuente de luz

F

puerto de la esfera para la cabeza del fotómetro

S

pantalla

U

esfera integradora Figura 7. esfera integradora para medir el flujo luminoso de las fuentes de luz con una distribución de intensidad luminosa fuertemente direccional

22


NTC 5109

El soporte de la fuente de luz debería tener las menores dimensiones posibles y la mayor reflectancia posible.

6.5.4 Influencias de los objetos en la esfera y la bombilla auxiliar Todos los objetos en la esfera, por ejemplo, la pantalla o el portabombillas, influyen en el resultado de la medición. Por tanto, deberían ser lo más pequeños posibles. La propia fuente de luz también absorbe radiación. La influencia de los objetos en la esfera se puede determinar y corregir para hacer una medición con una bombilla auxiliar (véase la Sección 6.9). La bombilla auxiliar se debería colocar opuesta a la cabeza del fotómetro y debería iluminar la superficie interior de la esfera en forma difusa. Con este propósito, es conveniente colocar una pequeña pantalla blanca al frente de la bombilla, para impedir la iluminación directa de la fuente de luz que se va a medir. Si se usan bombillas incandescentes con un bulbo con reflector en la parte superior, entonces es posible que no se requiera una pantalla adicional. El flujo luminoso de la bombilla auxiliar no debe cambiar con el tiempo.

6.6

MEDIDOR DE ILUMINANCIA

La medición del flujo luminoso en un fotómetro de esfera implica la medición de la iluminancia indirecta sobre la pared de la esfera, que es proporcional al flujo luminoso de la fuente de luz. Para este propósito se requiere un medidor de iluminancia. Es conveniente que el área de aceptación de la cabeza del fotómetro sea de un material con una buena difusión, tal como vidrio opalino, y que esté bien ajustado y a nivel con la pared interna de la esfera. Para mantener la pantalla (véase el numeral 6.5.3) pequeña, el tamaño del área de aceptación también debe ser pequeño. Se recomienda el uso de una cabeza de fotómetro con termostato. Las aberturas en la pared de la esfera usadas para colocar la cabeza del fotómetro deberían tener aproximadamente la misma altura que la fuente de luz. Es conveniente usar una cabeza de fotómetro de alta calidad, ya que la exactitud de las mediciones depende de esto. Es especialmente importante que la responsabilidad espectral relativa se aproxime de cerca a la función CIE V ( λ) en los casos en que las bombillas que se van a comparar tengan diferentes distribuciones de potencia espectral. Puede ser conveniente hacer uso de un medidor de iluminancia con un atenuador de señales empotrado. Esto permite que el valor visualizado durante la medición de la bombilla patrón de flujo luminoso se ajuste a su valor de flujo conocido, facilitando así una lectura directa del flujo luminoso de la bombilla que se va a medir. Para mediciones de flujo luminoso con un fotómetro de esfera usando el método espectral, se emplea un espectrorradiométro en lugar de un medidor de iluminancia. Es preferible un instrumento con lectura digital. Las reglas para ubicar el área de aceptación de la cabeza del radiómetro son las mismas que las establecidas para la cabeza del fotómetro del medidor de iluminancia.

6.7

ADQUISICIÓN DE DATOS

El flujo luminoso de la fuente de luz por medir se puede leer directamente de la unidad de visualización, si ésta ha sido calibrada por medio de un control de ganancia incorporado. Para mediciones de rutina se recomienda usar una impresora para registrar el valor medido del flujo 23


NTC 5109

luminoso. Para este propósito, el aparato fotoelectrónico debería tener una salida de datos digital. Para mediciones de rutina, es útil el registro simultáneo de la tensión y la corriente de la bombilla, y la potencia disipada, además del flujo luminoso, y el cálculo y registro de la eficacia luminosa, en donde sea aplicable. Si se usa una calculadora, los valores pertinentes para grupos de bombillas (media, desviación estándar, falla en alcanzar el flujo luminoso mínimo) también se pueden imprimir y almacenar.

6.8

BOMBILLAS PATRÓN DE FLUJO LUMINOSO

Los resultados de las mediciones de flujo luminosos hechos en el fotómetro de la esfera mediante el principio de sustitución serán correctos si la fuente de luz que se va a medir y la bombilla patrón de flujo luminoso tienen: -

La misma dimensión y forma

-

La misma distribución espectral

-

La misma distribución de luz espacial

Si la fuente de luz por medir y la bombilla patrón se diferencian en una o más de estas propiedades, entonces pueden ocurrir errores de medición. La influencia de las diferentes distribuciones espectrales se puede eliminar, pero solamente cuando se den detalles completos de la respuesta espectral del equipo de medición (incluida la cabeza del fotómetro y la pintura de la esfera) y las distribuciones de la potencia espectral de la fuente de luz medida y del patrón. Es posible corregir la influencia de las diferentes dimensiones y formas mediante el uso de una bombilla auxiliar (véanse los numerales 6.5.4 y 6.9). La mayoría de patrones de flujo luminoso corresponden a las bombillas incandescentes, pero se pueden usar como patrones otros tipos de bombillas. Se recomienda usar al menos 3 bombillas patrón para calibrar los patrones de trabajo para uso diario. La calibración de los patrones de trabajo con las 3 bombillas patrón se debería repetir a intervalos apropiados. De esta forma, se puede detectar fácilmente un cambio en alguno de los patrones.

6.9

EJECUCIÓN DE LAS MEDICIONES

La temperatura ambiente se ajusta al valor establecido (usualmente 25 °C). La bombilla patrón se coloca dentro de la esfera integradora y su valor medido es Y N. Se apaga la bombilla patrón, se enciende la bombilla auxiliar y se le da un valor Y HN. La fuente de luz que se va medir se coloca en el sitio de la bombilla patrón. Ahora la bombilla auxiliar registra un valor de Y H. Para cada medición se debe tener en cuenta el período de estabilización de la fuente de luz. El flujo luminoso Φ de la bombilla por medir se puede calcular a partir del flujo luminoso ΦN de la bombilla estándar y los valores medidos usando

24

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA Φ = Φ N • NOTA

Y Y N

NTC 5109 •

Y HN

(18)

Y H

En casos excepcionales, el procedimiento de medición establecido se puede simplificar:

Si la bombilla patrón es del mismo tipo y dimensión que la fuente de luz por medir, la bombilla auxiliar se puede omitir (Y HN = YH). Si las distribuciones espectrales de las fuentes de luz por comparar son del mismo tipo, ni la selectividad de la pintura de la esfera ni las inexactitudes en el ajuste espectral de la cabeza del fotómetro a la función V( λ) influirán en la exactitud de la medición. Si la distribución de luz de las fuentes por comparar es idéntica en gran parte, entonces es posible usar otros tipos de cavidad (por ejemplo: cajas) en lugar de una esfera. Si se va a medir una fuente de luz con una gran disipación de potencia, se recomienda que la temperatura ambiente fuera de la esfera se ajuste a aproximadamente 24 °C y estabilizar la bombilla en la esfera con la puerta de ésta abierta. Una vez que la bombilla haya alcanzado una condición estable, es conveniente cerrar la puerta y hacer la medición cuando la temperatura interior de la esfera alcance los 25 °C, como lo indica el termómetro.

6.10

ENSAYO Y CORRECCIÓN

6.10.1 Corrección de la influencia de la pintura de la esfera El error causado por una pintura se puede eliminar por medio de un factor de corrección k Φ = Φmeas • k

(19)

de donde

Φmeas

valor medido de flujo luminoso de una fuente de luz del iluminante tipo Z.

k

factor corrección para una fuente de luz de un iluminante tipo Z

∞

∞

ρ( λ ) S λ ( N ) • • s( λ )rel • d λ 1 − ρ( λ )

∫

k =

0

∫ S

λ

•

∞

∫ S ( N ) • V ( λ ) • d λ λ

0

• V ( λ ) • d λ

(20)

0

∞

∫ S

λ

•

0

ρ( λ ) l − ρ( λ )

• s( λ )rel • d λ

de donde Sλ

distribución espectral de la fuente de luz por medir

Sλ(N)

distribución espectral de la bombilla patrón de flujo luminoso

ρ (λ)

reflectancia espectral de la pintura de la esfera

V (λ)

eficiencia luminosa espectral

25


NTC 5109

S (λ)rel responsabilidad espectral relativa de la cabeza del fotómetro

6.10.2 Correcciones para mediciones de bombillas incandescentes La influencia de la reflectancia espectral de la pintura de la esfera se puede lograr, en el caso de las bombillas incandescentes, midiendo el flujo luminoso al igual que la intensidad luminosa, en la dirección definida de la bombilla por medir. Para la medición se debería usar un medidor de iluminancia con un ajuste muy exacto V( λ), que se debería llevar a cabo como una función de la tensión de operación de la bombilla. Si el factor k(U), en donde k(U) = Φmeas (U) / I(U)

(21)

de donde

Φmeas (U)

valor medido del flujo luminoso a la tensión U

I(U)

intensidad luminosa a la tensión U

es independiente de la tensión de operación U, la influencia de la reflectancia espectral de la pintura de la esfera se puede pasar por alto. Sin embargo, si k(U) varía con la tensión de operación de la bombilla, el valor del flujo luminoso medido Φmeas de la bombilla incandescente se puede corregir de acuerdo con: Φ = Φmeas • k

(22)

de donde

Φ

flujo luminoso de la bombilla incandescente

Φmeas

valor medido del flujo luminoso a una tensión U

K

factor de corrección

de donde: K =

Φ meas ( U 0 ) I ( U ) • I ( U 0 ) Φ meas

(23)

U

tensión de operación de la bombilla incandescente para la cual se requiere la medición del flujo luminoso.

U0

tensión de operación de la bombilla incandescente para la cual tiene la misma temperatura de distribución que el flujo luminoso de la bombilla patrón.

Es posible determinar la tensión U 0 para la cual la bombilla incandescente por medir tiene la misma temperatura de distribución que la bombilla incandescente usada como patrón de flujo 26


NTC 5109

luminoso con exactitud suficiente por mediciones de la temperatura de la relación T r de ambas bombillas (relación de azul a rojo). Esta corrección se requiere con mayor frecuencia cuando se compara una bombilla halógena con una bombilla incandescente no halógena.

6.10.3 Corrección para la medición de bombillas fluorescentes Una corrección de la influencia de la reflectancia espectral de la pintura de la esfera también se puede aplicar cuando se miden bombillas fluorescentes. Si una bombilla patrón de flujo luminoso fluorescente de tipo de iluminante N se usa para la medición del flujo luminoso de las bombillas fluorescentes, entonces el valor medido para una bombilla fluorescente de iluminante tipo Z se puede corregir por medio de un factor de corrección determinado a partir de las mediciones de intensidad (iluminancia) luminosa (flujo luminoso relativo) en la bombilla patrón y en la bombilla que se va a medir. Este método de corrección tiene en cuenta la influencia de la reflectancia espectral de la pintura de la esfera, pero no la influencia de las diferentes formas y dimensiones de las bombillas. El método tiene una exactitud limitada debido a que la intensidad luminosa de una bombilla fluorescente no es constante en un plano perpendicular al eje de la bombilla.

6.10.4 Ensayo de estabilidad en el tiempo La estabilidad en el tiempo de un fotómetro de esfera se puede ver influenciada por: -

Cambios con el tiempo en la reflectancia espectral de la pintura de la esfera, por ejemplo: secado durante el uso continuo en el curso de un día, o cambios inducidos por irradiación UV (amarillamiento), al igual que por suciedad o polvo.

-

Dependencia de la temperatura de la reflectancia espectral ρ(λ) de la pintura de la esfera.

-

Fatiga de la cabeza del fotómetro.

-

Dependencia de temperatura de la cabeza del fotómetro.

-

Dependencia del tiempo del suministro eléctrico y el equipo de medición.

La estabilidad con el tiempo de un fotómetro de esfera se puede verificar por medio de una bombilla auxiliar con un flujo luminoso constante, tanto durante un día como durante un período más prolongado.

6.11

FUENTES DE ERROR

Los resultados de las mediciones de flujo luminoso hechas con un fotómetro de esfera se pueden ver influenciadas por: -

Distribuciones espectrales diferentes del patrón de flujo luminoso y la fuente de luz por medir.

27


NTC 5109

-

Diferentes distribuciones de flujo luminoso espacial del patrón de flujo luminoso y de la fuente de luz por medir.

-

Diferentes dimensiones y propiedades de absorción del patrón de flujo luminoso y la fuente de luz por medir.

-

Cambios en la reflectancia de la pared interna de la esfera (envejecimiento).

Durante las mediciones continuas la reflectancia de la pared interna de la esfera puede cambiar debido a la influencia de la temperatura (secado) durante el día. Se recomienda que haya una bombilla encendida dentro de la esfera, cuando no está en uso, si es necesario mantener el fotómetro caliente. La reflectancia puede cambiar debido a la contaminación, en cuyo caso la influencia de la suciedad usualmente es mayor en el hemisferio inferior que en el superior.

6.12

-

Incertidumbre de la medición de iluminancia.

-

Inestabilidad de la fuente de luz durante la medición (sin tener en cuenta el período de estabilización).

CARACTERIZACIÓN DE LOS FOTÓMETROS DE ESFERA

Los datos siguientes son necesarios para caracterizar los fotómetros de esfera: -

Diámetro de la esfera.

-

Colocación de pantallas y cualquier bombilla auxiliar.

-

Datos sobre cualquier bombilla auxiliar (tipo, tensiones nominales, etc.)

-

Función espectral ρ(λ) / (1-ρ(λ)) de la pintura de la esfera.

-

Datos sobre el medidor de iluminancia usado.

-

Detalles sobre adquisición y visualización de datos.

-

Datos sobre el menor flujo luminoso mensurable.

7.

DETERMINACIÓN DEL FLUJO LUMINOSO POR MEDIO DE LA ILUMINANCIA, LA INTENSIDAD LUMINOSA O LA LUMINANCIA

7.1


Para cualquier fuente de luz dada, generalmente se puede suponer que hay proporcionalidad entre el flujo luminoso, la luminancia E sobre un elemento del área en una posición definida relativa a la fuente de luz, la intensidad luminosa I en una dirección definida y la luminancia L de una parte del área luminosa de la fuente de luz en una dirección definida, en tanto que la posición de la fuente de luz permanezca constante. 28


NTC 5109

Φ = CE • E = cI • I = cL • L

(24)

En este caso, el flujo luminoso de la fuente de luz particular se puede determinar midiendo E o I o L, siempre y cuando se determine el factor de proporcionalidad aplicable (c E, cI, cL). Para algunas bombillas también se puede mantener una proporcionalidad entre Φ y E, I o L para el tipo de bombilla, y no solamente para la bombilla individual (por ejemplo: bombillas fluorescentes).

7.2

MEDICIÓN Y CALIBRACIÓN

Cuando se mide el flujo luminoso por medio de la medición de la iluminancia, la intensidad luminosa o la medición de la luminancia, se debe fijar la geometría de la medición para la cual se aplican los factores de proporcionalidad. En la actualidad no hay especificaciones aceptadas generalmente para esta geometría de medición, pero usualmente se desarrollan para una aplicación particular. En lo que concierne a la determinación del flujo luminoso de las bombillas usadas en las instalaciones de alumbrado, la mayoría de experiencia obtenida hasta el momento se relaciona con bombillas fluorescentes. Las mediciones muestran que hay una relación estrecha entre la luminancia de las bombillas fluorescentes a una distancia de aproximadamente 20 cm de los extremos y el flujo luminoso <21>. Para mediciones relativas en una sola fuente de luz, la luz parásita con frecuencia no tiene importancia (por ejemplo: cuando se mide la influencia de la temperatura ambiente en el flujo luminoso). Sin embargo, cuando se mide el flujo luminoso de bombillas fluorescentes en instalaciones de alumbrado, utilizando la luminancia, se debe evitar la luz parásita de las partes de la luminaria o de bombillas adyacentes. Esto se hace mejor utilizando pantallas negras colocadas adecuadamente, para proteger la bombilla y la luminaria que se mide, de cualquier brillo en los alrededores o de bombillas adyacentes. La calibración de las instalaciones de medición para la determinación del flujo luminoso de las fuentes de luz a través de la medición de la iluminancia, la intensidad luminosa o la luminancia, se debe realizar en un grupo representativo lo suficientemente grande de fuentes de luz del tipo de deseado, para las cuales se conoce el flujo luminoso, y por medio de las cuales se puede determinar el factor de proporcionalidad C (véase la ecuación (24)). No es necesario hacer esto para mediciones relativas en una sola fuente de luz, por ejemplo, para la determinación de la influencia de parámetros específicos como temperatura, disipación de potencia y posición.

7.3

CARACTERIZACIÓN

Las instalaciones para medir el flujo luminoso de las fuentes de luz por medio de una medición de iluminancia, intensidad luminosa o luminancia, se deberían caracterizar por: -

El tipo de bombilla para el cual se usa la instalación.

-

La cantidad por medir.

-

La geometría de la medición y la disposición para la medición.

-

El factor de proporcionalidad y su desviación estándar. 29

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA -

NTC 5109

Datos sobre el medidor de la iluminancia o luminancia <17> usado.

8.

CONDICIONES DE MEDICIÓN GENERALES

8.1

CONDICIONES DE OPERACIÓN

Todas las bombillas se deberían operar y medir, a menos que se acuerde algo diferente, bajo las condiciones especificadas en las recomendaciones IEC y NTC pertinentes. Específicamente, se debe establecer si las mediciones se van a hacer a tensión, corriente o potencia nominal. Esto asegura que dentro de la incertidumbre de medición inevitable, los resultados se puedan comparar con los valores medidos en otros lugares. Las instalaciones de medición y operativas deberían influir lo menos posible en los valores de las cantidades que se van a fijar. En la evaluación de las incertidumbres de las mediciones, es conveniente tener en cuenta las influencias inevitables. Es conveniente hacer las calibraciones usando bombillas o equipos de medición calibrados directa o indirectamente por comparación con patrones reconocidos internacionalmente.

8.2

ENVEJECIMIENTO

Los parámetros de operación de las bombillas cambian durante su tiempo de vida en grados variables. Los cambios son especialmente pronunciados durante la primera parte de su tiempo de vida. Por tanto, para lograr suficiente repetibilidad en las mediciones, es necesario someter las bombillas a envejecimiento. La duración del envejecimiento para los diferentes tipos de bombillas se especifica en las recomendaciones IEC y en las NTC pertinentes.

8.3

POSICIÓN DE QUEMADO

Es conveniente que la posición de operación de una fuente de luz cumpla con la recomendación IEC y las NTC pertinentes, o con la especificación establecida por el fabricante y apropiada para la aplicación. La posición de quemado se debe establecer en el reporte de medición.

8.4

TEMPERATURA AMBIENTE

Es conveniente operar las bombillas de descarga durante la medición en un cuarto sin corrientes de aire, de forma que el flujo de convección del aire circundante no se vea afectado. La medición fotométrica se realiza usualmente a una temperatura ambiente de 25 °C. Para fuentes de luz con un flujo luminoso que depende considerablemente de la temperatura, la tolerancia de la temperatura debería ser ± 1 °C, y para otras fuentes de luz debería ser ± 3 °C. Si las mediciones se hacen a diferentes temperaturas ambiente, esta temperatura se debería establecer. Es conveniente medir la temperatura con un termómetro con una resolución de al menos 0,1 °C. La medición se debería hacer en un punto representativo localizado a aproximadamente la misma altura que la fuente de luz. En el caso de un goniofotómetro, la distancia entre el sensor de temperatura y el centro fotométrico de la fuente de luz por medir debería ser superior, en 0,5 m, a la mitad de la mayor dimensión horizontal de la fuente de luz. 30


NTC 5109

Para fotómetros de esfera, el sensor de temperatura se debería colocar a una distancia de la pared de la esfera entre 20 cm y 1/3 del diámetro de la esfera. El sensor de temperatura debe estar protegido de radiación de la fuente por medir.

8.5

VIBRACIÓN Y CHOQUE

Cuando se enciende la bombilla, ésta no se debe someter a aceleraciones que excedan los 10 m/s 2 (4-3 000 Hz) o cambios posicionales que excedan los 30 mm (hasta 4 Hz). Estas restricciones serán adecuadas para la mayoría de bombillas.

8.6

PERÍODO DE ESTABILIZACIÓN

El propósito del período de estabilización es asegurar que todos los parámetros importantes hayan alcanzado una condición estacionaria en el momento en que las mediciones comiencen. Durante el período de estabilización se deberían aplicar las mismas condiciones de operación que durante la medición. Es conveniente prestar atención especial para evitar cambios en la posición de quemado y en los parámetros de operación especificados (por ejemplo: tensión, potencia o corriente nominal). El período de estabilización requerido depende del tipo de fuente de luz y las condiciones de operación. Esto se debería verificar inicialmente mediante monitoreo de las lecturas. Se puede considerar que una fuente de luz se ha estabilizado si dejan de mostrar tendencia en una dirección particular. NOTA Algunos tipos de luz parecen ser estables después de un corto período inicial de funcionamiento y luego se someten a cambios adicionales hasta alcanzar una nueva situación estable. Estas fuentes se deben run up* hasta la condición de operación final antes de hacer las mediciones.

8.7

MEDICIONES ELÉCTRICAS

8.7.1 Incertidumbre de la medición Las diferencias en los resultados de las mediciones fotométricas con frecuencia se deben a errores en la medición o ajuste de los parámetros eléctricos. Para bombillas incandescentes que operan en c.a o c.c, la incertidumbre del equipo de medición eléctrica no debería exceder el 0,1 %. En el caso de bombillas de descarga operadas con c.a, la cifra correspondiente es 0,2 %. NOTA Para bombillas incandescentes, un cambio del 1 % en la tensión provoca un cambio de 4 % aproximadamente en el flujo luminoso. El mismo cambio en la corriente provoca un cambio del 8 % en el flujo luminoso.

Debería establecerse cuál de los parámetros por medir (tensión, corriente, potencia) se debe mantener constante y qué otras condiciones se deben cumplir.

8.7.2 Fuente de alimentación y modo de operación Normalmente es posible medir la c.c con más exactitud que la c.a, ya que para esta última tanto la fuente de luz como los instrumentos de medición eléctrica están influenciados por un número de variables, tales como frecuencia, forma de onda y desplazamiento de fase. Debido a la fuerte dependencia de las cantidades fotométricas con relación a los parámetros eléctricos, las fuentes de alimentación usadas deberían ser lo más estables posibles. La forma de onda de las fuentes de alimentación de c.a deberían ser exactamente sinusoidales, con un mínimo de armónicas en otras frecuencias.

31


NTC 5109

8.7.3 Alambrado El alambrado, los balastos y los instrumentos de medición eléctrica se deberían colocar, y si es necesario, equipar con una pantalla, de manera que se evite cualquier influencia de campos externos. Para la medición de tensión o potencia de la bombilla, se recomienda el uso de un portabombillas construido especialmente. El portabombillas especial debería tener cuatro contactos, dos para el suministro de corriente (IL) y dos separados para la medición de la tensión de la bombilla (U L) directamente en el casquillo de ésta. Un portabombillas de cuatro electrodos reduce a cero el error de medición de tensión, debido que no fluye corriente mensurable a través de los contactos de medición, cuando se una un voltímetro digital de alta impedancia.

8.7.4 Ejecución de las mediciones eléctricas <29> Cuando se hacen mediciones de potencia, o tanto de corriente como de tensión, sólo son posibles dos disposiciones. La corriente medida por el amperímetro debe incluir la corriente a través del voltímetro, o la tensión medida por el voltímetro debe incluir la caída de tensión a través del amperímetro. Debido a la alta impedancia de los voltímetros electrónicos modernos, generalmente se prefiere el primer montaje. Sin embargo, si la corriente a través del voltímetro es significativa, será necesario aplicar la corrección apropiada (véanse las recomendaciones en las normas IEC pertinentes). La capacidad del circuito puede influir en los resultados, especialmente si ocurren frecuencias mayores, como en el caso de las bombillas de vapor de sodio a baja presión. Los errores de puesta a tierra pueden influir sustancialmente en las mediciones. Para mediciones de c.a en bombillas de descarga, los instrumentos deben ser de tipo de valor eficaz real para tener en cuenta apropiadamente las armónicas. Cuando se miden bombillas de descarga a alta frecuencia, se deben usar métodos e instrumentos especiales <30>.

8.7.5 Circuito de medición En el caso de las bombillas de descarga, las recomendaciones IEC o NTC correspondientes especifican los circuitos para las fuentes de luz que se van a medir.

8.8

BALASTOS

Las mediciones en las bombillas de descarga se deben hacer con balastos de referencia, a menos que la bombilla sea controlada por corriente o potencia en lugar de tensión. Si se usan otros balastos (por ejemplo, mediciones en luminarias), el balasto usado se debería indicar en el reporte de medición.

8.9

TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN

De preferencia, las mediciones en bombillas incandescentes se deberían llevar a cabo con una fuente de c.c, debido a la mayor exactitud de las mediciones eléctricas. Generalmente las bombillas de descarga se tienen que operar con c.a. La tensión de alimentación durante envejecimiento debería ser estable dentro de 0,5 %, durante la medición dentro de 0,1 % y para calibraciones con bombillas incandescentes como patrones, dentro de 0,02 %.

32


NTC 5109

El contenido armónico total del suministro de c.a no debería exceder el 3%. Para la operación de bombillas de alta presión con una alta proporción de potencia reactiva, el suministro de potencia se debería escoger de manera que se pueda cumplir la potencia reactiva requerida. El contenido armónico total se define como la suma de valor eficaz de los componentes armónicos individuales usando la fundamental como el 100 %. NOTA Esto implica que la fuente de suministro debe tener una impedancia suficientemente baja en comparación con la impedancia del balasto y es necesario prestar atención para que esto se aplique en todas las condiciones de medición.

9.

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35


NTC 5109 APÉNDICE

PLANOS DE MEDICIÓN En general, la distribución de la intensidad luminosa de las fuentes de luz (bombillas o luminarias) se mide en varios planos. El número de curvas de distribución de la intensidad luminosa y la selección de los planos de medición dependen del tipo de fuente de luz y su uso, al igual que del tipo de goniofotómetro. De la gama de planos de medición posibles, tres sistemas han probado ser especialmente útiles.

PLANOS de A (véase la Figura 1) La totalidad de los planos de A es el grupo de planos para los cuales la línea de intersección atraviesa el centro fotométrico paralelo al área de emisión y perpendicular al eje supuesto de la fuente de luz. NOTA El sistema de planos de A está unido rígidamente a la fuente de luz y sigue su inclinación si la fuente de luz está inclinada.

Eje de la fuente de luz

Línea de intersección

A=20° A=40°

Figura 1. Planos de A

36


NTC 5109

PLANOS DE B (véase la Figura 2) La totalidad de los plano de B es el grupo de planos para los cuales la línea de intersección pasa a través del centro fotométrico y es paralelo al eje supuesto de la fuente de luz, y es perpendicular a la línea de intersección de los planos de A. NOTA El sistema de planos de B está unido rígidamente a la fuente de luz y sigue su inclinación si la fuente de luz está inclinada.

Línea de intersección y eje de la fuente de luz

A=20° A=40°

Figura 2. Planos de B

PLANOS DE C (véase la Figura 3) La totalidad de planos de C es el grupo de planos para los cuales la línea de intersección es la vertical a través del centro fotométrico. Nota: el sistema de planos de C generalmente está orientado rígidamente en el espacio y no sigue una inclinación en la fuente de luz. La línea de intersección de los planos de C es sólo perpendicular a las líneas de intersección de los planos de A- y B para inclinación cero de la fuente de luz. En algunos casos, también se hace referencia a la totalidad de los planos de C como al grupo de planos cuya línea de intersección es la línea de intersección de A 0 y B0 (véase la Figura 4). En este caso, el sistema de planos de C también está unido rígidamente a la fuente de luz (como en el caso de los planos de A y B).

37


NTC 5109


δ

C90

γ C180

C225

C45 C270

C0

C=90° 45°

Línea de intersección (perpendicular a los planos de medición)

Figura 3. Planos de C (ángulo de inclinación δ de la luminaria)

C270 C225

Línea de intersección (de los planos A 0 - B 0 )

C180

γ C0

45°

C90

C=90°

C45


Figura 4. Planos de C unidos rígidamente a la fuente de luz

SUPERFICIES CÓNICAS (véase la Figura 5) Para algunos goniofotómetros, es conveniente medir las curvas de distribución de intensidad luminosa en ángulos polares constantes, y describir los resultados como curvas en superficies cónicas. El eje del cono corresponde a la línea de intersección de los planos de C.

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NTC 5109

Fuente de luz

Distribución de la intensidad luminosa

C

γ

Figura 5. Superficies cónicas

SÍMBOLOS PARA ÁNGULOS PLANOS Los ángulos de inclinación de los planos se designan mediante un índice. Los ángulos de inclinación de los planos de A y B se toman desde -180° a través de 0° hasta 180°, los de los planos de C desde 0° hasta 360 °C (semiplanos). El ángulo de abertura de las superficies cónicas se mide con relación a la línea de intersección de los planos de C. Se usan los siguientes símbolos (para los símbolos de los ángulos, véanse las Figuras 1-5): -

Los ángulos en el plano de A tienen el símbolo α y se miden desde la línea perpendicular a la línea de intersección de los planos de A.

-

Los ángulos en los planos de B tienen el símbolo β y se miden desde la línea perpendicular a la línea de intersección de los planos de B.

-

Los ángulos en los planos de C tienen el símbolo γ y se miden desde la línea de intersección de los planos de C en dirección descendente.

-

Los ángulos en las superficies cónicas tienen el símbolo C y se miden desde el plano de C0.

Los ángulos de inclinación de los planos se agregan como índices a los planos pertinentes.

RELACIONES Una dirección determinada en cada sistema de planos se caracteriza por dos ángulos: -

Un ángulo en un plano o superficie cónica. 39

NTC5109 Medición flujo luminoso

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