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GONIO-FOTÓMETRO O ESFERA INTEGRADORA. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Análisis sobre el gonio-fotómetro, instrumento importantísimo y muy llamativo presente en los departamentos de calidad de los fabricantes de iluminación

Existen multitud de equipos e instrumentos de medida que nos podemos encontrar en los laboratorios de fotometría o departamentos de calidad de fabricantes de iluminación. Pero los que siempre captan nuestra atención tanto por su tamaño, como por su importancia, son las esferas integradoras y los gonios fotómetros. 

Estos equipos, a pesar de medir las prestaciones lumínicas de una luminaria o lampara, tienen bastantes diferencias entre ellas. Por ejemplo, para la medición del flujo luminoso, se puede calcular por integración matemática a partir de las intensidades luminosas medidas en las distintas direcciones utilizando un gonio fotómetro, o bien midiendo directamente la cantidad de luz total con una esfera de Ulbricht a través de la comparación a un patrón de flujo luminoso.

Esfera integradora de Ulbricht

Figura 1.- Realización de la calibración IN-SITU de una esfera integradora mediante una lampara patron según el iluminante A.

Un ingeniero alemán llamado Richard Ulbricht (1849-1923) [1]desarrolló uno de los procedimientos fotométricos más importantes para medir el flujo luminoso [lm] y la potencia radiante [W] de una fuente de radiación como la luz. En este artículo, abordaremos solo las características de las esferas integradoras para luz visible consideradas en el rango de 380nm-780nm.

Figura 2.-Estatua esfera de Ulbricht en la Universidad de Dresden [1

Básicamente el sistema, está formada por una esfera hueca, cuyo interior está pintado con recubrimiento reflectante que distribuye uniformemente la luz incidente en toda la superficie interior por medio de una reflexión difusa. 

La medición se realiza a través de un medidor como un luxómetro o un espectro radiómetro que se encuentra ubicado detrás de una pequeña pantalla situada sobre la superficie de la esfera. Esta pantalla permite evitar que la célula del sensor realice la medición directamente de los rayos luminosos emitidos por la fuente y realice solo una medición indirecta.

El proceso de medición consiste en la comparación respecto a un patrón calibrado de flujo luminoso. Se realiza primero la medición por integración del patrón considerado como referencia, para posterior insertar la muestra bajo ensayo y realizar la segunda medida. Es básicamente una proporcionalidad de la cantidad de luz detectada por el sensor entre un valor de referencia y la muestra bajo ensayo. 

Figura 3 .- Ejemplo de un ensayo de una luminaria de horticultura en una esfera integradora según el método 4π.

Existen, en general, 2 formas de medir con una esfera integradora, el método 2π y el método 4π.

El procedimiento de ensayo de geometría  está diseñado principalmente para fuentes de luz direccionales que emiten luz en una dirección única, por ejemplo, sólo hacia adelante. La prueba se realiza con la lámpara de prueba montada en un puerto lateral de la esfera de manera que el haz de luz de muestra bajo ensayo ilumina toda la superficie de la esfera y el detector realice una medición indirecta tal y como se muestra en la imagen siguiente. El problema de este sistema es que no permite analizar la luz indirecta.

La geometría de ensayo de  se aplica generalmente a fuentes de luz omnidireccionales, donde la luz se irradia en todas las direcciones. El ensayo se realiza con la muestra de prueba montada en el centro de la esfera de manera que la luz irradiada iluminé lo más equitativamente posible a través de la esfera, lo que provoca una uniformidad de la iluminación de la pared de toda la esfera.

Figura 4 .- En la figura de la izquierda se muestra una representación del ensayo según 4π, mientras que en la figura de la derecha se muestra el procedimiento de ensayo según el método 2π.

Accesorios de un sistema de ensayo de esfera integradora 

La lámpara auxiliar

Para la medición de luminarias LED es necesario utilizar un sistema para evitar error en la absorción de la propia luz emitida por la luminaria y absorbida en su propia superficie. Normalmente, las esferas integradoras de gran tamaño disponen de una lámpara auxiliar para corregir la absorción de las lámparas de referencia y de prueba que se sustituyen alternativamente en la esfera. La lámpara auxiliar permanece dentro de la esfera integradora en todo momento. Por lo general, se monta diametralmente opuesto al puerto de la célula y se oculta de la vista directa y la iluminación directa de las lámparas montadas en el centro de la esfera con una pantalla similar a la del detector.

Tipos de medidores

Un fotómetro es un instrumento que mide directamente luz incidente en la superficie de su célula. Para la medición del flujo luminoso (lm) es necesario el uso de un detector con una respuesta espectral relativa al ojo del ser humano. La respuesta espectral estándar asociada es a menudo denominada función de eficiencia luminosa CIE o bien V(λ)[2], o más comúnmente, como curva de respuesta fotópica. Existen otras curvas y respuestas, pero no son tan habituales encontradas en un sistema de ensayo de esfera integradora.

Figura 5 .- En color negro se representa la curva de respuesta V(λ) [2] y en rojo la respuesta espectral de un luxómetro comercial. Una diferencia de la respuesta del luxómetro a la curva V(λ) demasiada grande puede provocar una desviación  en un ensayo de fuentes de luz distintas al patrón de calibración (Normalmente una lampara halógena a 2856K).

Espectro-radiómetros

Un espectro-radiómetro es un radiómetro que puede medir cantidades radiométricas espectrales directamente, como la irradiancia espectral por cada longitud de onda. Esto nos permite medir la distribución de potencia espectral (SPD en inglés) y realizar no solo la medida de flujo luminoso sino de las características colorimétricas (CCT, Ra, etc).

Posibles parámetros a medir en una esfera integradora:

Parámetros fotométricos:

Flujo luminoso (lm)

Eficacia luminosa (lm/W)

Variación del flujo luminoso en función de tiempo

Variación del flujo luminoso en función de la temperatura

Parámetros colorimétricos:

Distribución de potencia espectral (SPD) (W)

Temperatura de color correlacionada (CCT)

Índice de rendimiento de color (Ra y CRI)

Coordenadas de color

Y todos los parámetros de color que se puedan calcular a través del SPD

Parámetros eléctricos (En función del analizador de potencia):

Tensión de alimentación (AC,DC)

Corriente alimentación (AC,DC)

Potencia activa (W)

Factor de potencia

THD

Ventajas y desventajas de una esfera integradora

Ventajas:

– El coste de fabricación, mantenimiento y calibración es mucho menor al gonio-fotómetro

– No se necesita una habitación especial para realizar el ensayo. Con la propia esfera de 50cm/1m/2/3m es suficiente

– El proceso de ensayo puede ser más sencillo que la mayoría de ensayos de fotometría con gonio-fotómetro

– La medida de flujo luminoso es instantánea (Sin tener en cuenta la estabilización) por lo que se pueden realizar máscantidad de mediciones

– Permite analizar la distribución espectral o color de la fuente de luz a la vez que el flujo luminoso

Desventajas

– El mantenimiento de la pintura reflectante ha de hacerse con sumo cuidado. Un deterioro de las propiedades reflectante puede provocar errores de medición importantes.

– No se pueden realizar ensayos de luminarias grandes si no se dispone de esferas de 2-3-4 metros.

– No se puede obtener la distribución espacial ni los ficheros fotométricos.

Los gonio-fotómetros

Figura 6 .- Ensayo de fotometría de un proyector LED en el laboratorio acreditado ISO 17025 de Asselum.

La caracterización espacial y absoluta de una fuente de luz consiste básicamente en la medición de la intensidad luminosa en diferentes direcciones para, finalmente, realizar la integración de forma matemática.

Para las mediciones de la intensidad luminosa (Candelas) en diferentes direcciones, la muestra de ensayo se inserta en un goniómetro para facilitar su posición y movimiento angular [3]. Un goniofotómetro normalmente está compuesto de un dispositivo mecánico para sujetar y situar la luminaria o fuente de luz y la cabeza del fotómetro que es la que realiza las medidas.

Existen a grandes rasgos 3 tipos de goniofotometros.

– Un gonio-fotómetro que rota la luminaria alrededor de dos ejes mutuamente perpendiculares cuya intersección es el centro fotométrico.

Figura 7 .- Goniofotometro de doble rotación de luminaria.

– Un goniofotometro que rota la luminaria alrededor de un solo eje. La segunda rotación viene dada por un movimiento relativo entre la luminaria y la cabeza del fotómetro alrededor de un segundo eje a ángulos positivos respecto al primero y atravesándolo en el centro fotométrico. También entran en esta tipología los gonio fotómetros con espejo, el cual realiza la rotación en vez del luxómetro que esta fijo.

Figura 8 .- Gonio-fotómetro de espejo.

– Un gonio-fotómetro en el que la luminaria no se mueve. Es la cabeza del fotómetro que rota alrededor de 2 ejes mutuamente perpendiculares cuyo cruce es el centro fotométrico. Este tipo de gonio-fotómetro están más reservados al sector más científico y no son tan habituales en la industria.

Los tres tipos básicos de gonio-fotómetro indicados anteriormente pueden usarse en múltiples configuraciones, cada una adaptada a un propósito particular. Las diferencias se encuentran en la posición de montaje del gonio-fotómetro respecto al suelo, en la orientación del eje de referencia con respecto al gonio-fotómetro o, y en la que la luminaria se monta sobre el gonio.

Sistemas de coordenadas

Para poder analizar correctamente las prestaciones de por ejemplo una luminaria de alumbrado público es fundamental conocer el sistema de coordenadas que se ha utilizado para realizar el ensayo.

La determinación de la distribución de la intensidad en el espació implica el uso de un sistema de coordenadas cuyo centro coincida con el centro fotométrico de la luminaria. 

Desde un punto de vista general el sistema de coordenadas consiste en un conjunto de planos con un único eje de intersección. Una dirección en el espacio se caracteriza por 2 ángulos [4.

● El ángulo entre un semiplano, tomado como origen, y el semiplano que contiene la dirección considerada.

● El ángulo entre el eje de intersección y la dirección considerada o el complementario de ese ángulo.

La orientación de este sistema con respecto al primero (oreferencia) eje y al segundo (o auxiliar) eje de la luminaria se escoge con respecto al tipo de luminaria, el tipo de lampara, la altura de montaje y su aplicación.

En general la intensidad luminosa de una luminaria se mide en un numero de planos. Existen distintos sistemas de coordenadas como el A-α, V-H y el más utilizado C-γ.

El sistema de Planos-C es el grupo de planos para el que la líneade intersección (eje polar) es la línea vertical que pasa a través del centro fotométrico.

Este sistema de coordenadas no está orientado rígidamente en el espacio y no sigue la inclinación de la luminaria (Como si ocurre en el sistema para proyectores V-H). El primer eje es normalmente el eje que pasa por el centro fotométrico y es perpendicular a la superficie luminosa. El segundo eje cae dentro del plano C=0.

Figura 9 .- Sistema de coordenadas fotométricas C-γ [4.

Este sistema es el más utilizado para ensayos de fotometría de luminarias genéricas y de alumbrado público. Precisamente es el único sistema de coordenadas valido para ensayos de fotometríasegún UNE EN 13032-4.

El sistema de coordenadas basado en planos C es ampliamente utilizado para analizar la dispersión de la fotometría. Es el caso del grafico de la distribución polar de intensidades, ampliamente visto en catálogos de fabricantes de luminarias.

En la siguiente imagen se puede observar la distribución polar de intensidades de una fotometría de una luminaria de alumbrado público. Donde los semiplanos C 0-180º se corresponden al eje longitudinal (el eje paralelo a la carretera) y definidos con un borde rojo. Y los semiplanos 90-270º corresponden al eje transversal de la carretera y están definidos con el borde azul.

Figura 10 .- A la izquierda la distribución polar de intensidades de una fotometría vial. A la derecha el sistema de coordenadas C-γ respecto un báculo y una carretera [5  

Posibles parámetros a medir en un goniofotometro

Parámetros fotométricos:

Flujo luminoso (lm)

Eficacia luminosa (lm/W)

Distribución de intensidades (cd)

Ficheros fotométricos

Y todos los cálculos a través de la matriz de intensidades.

Parámetros colorimétricos:

No pueden realizar mediciones espectrales ni de color a menos que se inserte un medidor para ello.

Parámetros eléctricos (En función del analizador de potencia):

Tensión de alimentación (AC,DC)

Corriente alimentación (AC,DC)

Potencia activa (W)

Factor de potencia

THDi,v

Ventajas y desventajas de un gonio-fotómetro

Ventajas:

– Permite analizar la distribución espacial de la luz y obtener los ficheros fotométricos.

– Normalmente permite medir luminarias más grandes.

– Se obtienen valores más precisos en luminarias con haces de luz estrechos

– Mediante un medidor de color acoplado se pueden realizar análisis de gonio-espectroradiometria y análisis de uniformidad angular de color.

Desventajas

– El mantenimiento electromecánico del gonio es más caro y complejo.

– El ensayo completo (Sin contar la estabilización) puede durar entre 30min y 3h dependiendo del gonio-fotómetro y el númerode planos a medir.

– Depende que muestra a ensayar la instalación al gonio puede ser compleja

– El ensayo con el medido de color puede ser extremadamente lento.

Los formatos fotométricos de intercambio

Una de las ventajas de los goniofotometros es que se pueden generar los ficheros fotométricos. Estos ficheros se componen de la matriz de intensidades luminosas medidas en el ensayo y nos permiten realizar cálculos luminotécnicos en programas de cálculo.

La transmisión del dato fotométrico tiene lugar casi exclusivamente a través de ficheros de texto, en los cuales aparecen recogidos en forma tabular los valores medidos y las características de la medición.

Los programas de diseño luminotécnico son capaces de leer los principales formatos estándar de intercambio y de elaborar gráficos, además de utilizarlos para realizar cálculos con programas de diseño de iluminación como Dialux, relux o Litestar 4D.

Los principales formatos que nos podemos encontrar son:

  1.  IESNA (.ies)[5]: formato texto americano
  2.  EULUMDAT (.ldt)[6] : formato texto europeo
  3.  OXL (.oxl): es un fichero de tipo XML (ficheros utilizados en múltiples aplicaciones para el intercambio de datos) en cuyo interior se recoge la siguiente información:
    1. los datos generales de la luminaria
    2.  los datos de las lámparas, incluida la parte relativa al color
    3. la información dimensional y, si se encuentra disponible, el fichero 3D de la luminaria4. Imágenes del producto
    4. Nuevos ficheros fotométricos como el IES TM 33 y UNIxml [7].

En futuros artículos se abordarán las diferencias entre estos formatos fotométricos.

Figura 11 .- Ejemplo de cálculo luminotécnico con un fichero fotométrico realizado en un goniofotometro

Bibliografia:

[1] El fotómetro de esfera (esfera Ulbricht): presentación de su teoría, educación y aplicación. Autor. Richard Ulbricht.

[2] CIE 086-1990 CIE 1988 2° spectral luminous efficiency function for photopic vision

[3] CIE 121-1996 Fotometría y goniofotometría de luminarias

[4] UNE-EN 13032-1. Medición y presentación de datos fotométricos de lámparas y luminarias. Parte 1: Medición y formato de fichero.

[4] CIE 140: Cálculos de iluminación vial

[5] IES LM-63-02. Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data. New York, NY: Illuminating Engineering Society of North America.

[6] The EULUMDAT file format specification is available from http://www.helios32.com/Eulumdat.htm.

[7] XLIV Simposium Nacional de Alumbrado del CEI. Ponencia Marc Ballbè. Nuevo fichero fotométrico IES TM-33 para la transferencia electrónica de datos ópticos de luminarias

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