ANÁLISIS DE LAS FUENTES DE INFLUENCIA EN LAS MEDICIONES DE FLUJO LUMINOSO TOTAL

25 al 27 de Ocube ANÁLISIS DE LAS FUENTES DE INFLUENCIA EN LAS MEDICIONES DE FLUJO LUMINOSO TOTAL I. Oido, R. Cadoso, J, G. Suáez División de Ópica y Radiomeía, Ceno Nacional de Meología. Caeea a los Cués km 4.5, El Maqués Qo. Tel. (442) 2 11 05 00 Ex. 3316, Fax: (442) 2 11 05 53, email: ioido@cenam.mx Resumen. Se pesenan las difeenes fuenes de influencia en la medición de flujo luminoso oal mediane el uso de esfeas de inegación. El análisis esá basado en el sisema exisene del CENAM, en el cual se ealizan mediciones pincipalmene con lámpaas incandescenes. La meodología de medición considea las divesas coecciones que deben efecuase, el análisis de inceidumbe, azabilidad y ecomendaciones geneales paa la ealización de mediciones de ala calidad y confiabilidad. De esa foma, es facible adapalo a sisemas semejanes en calibaciones o ensayos paa educi los eoes que comúnmene ocuen en ese ipo de mediciones, consideando las limiaciones popias y aplicando coecamene esa meodología de medición. 1. INTRODUCCIÓN. El flujo luminoso oal es la enegía luminosa poveniene de una fuene, inegada espacialmene y pondeada foópicamene. Su aplicación se exiende de manea pácica, debido a que con el flujo luminoso oal de una lámpaa dividido po la canidad de poencia elécica suminisada, se deemina la eficiencia luminosa de la fuene (lm/w), eso pemie ealiza esimaciones de cosobeneficio en el empleo de esos poducos. Además es uno de los paámeos a considea en el diseño de nuevos poducos. En el ámbio indusial, la esfea inegadoa es más uilizada paa ealiza mediciones de flujo luminoso oal que el goniofoómeo, ya que es facible deemina esa magniud de foma sencilla y confiable a avés de mediciones elaivas. Debido a su facilidad, el sisema de la esfea consiuye en sí un méodo ápido y con esulados confiables, siempe y cuando se ealicen las coecciones deivadas de las fuenes de influencia que esán implícias en la medición. El méodo de medición uilizado en CENAM descibe una écnica basada en la compaación del flujo luminoso oal de una lámpaa de efeencia con una lámpaa de pueba, empleando una esfea de inegación luminosa. Esa écnica es suscepible a eoes sisemáicos que se pueden cuanifica y coegi en el esulado final. El análisis de las fuenes de influencia pemie adapa esas pácicas en sisemas similaes y ealiza las coecciones peinenes, oiginando mayo confiabilidad en las mediciones ano paa la calibación de paones como paa el ensayo. 2. MEDICIONES DE FLUJO LUMINOSO El pincipio básico de medición en una esfea de inegación esá basado en la inegación espacial del flujo adiane geneado deno de la esfea y que puede se pecibido po un deeco fooméico. Cuando una lámpaa se coloca en el ceno de la esfea cuya supeficie inena posee un ecubimieno con una ala eflecancia ρ, la enegía luminosa que la lámpaa emie se efleja un gan númeo de veces en su supeficie inena y en consecuencia la iluminancia E v geneada en cualquie puno esula se popocional al flujo luminoso v emiido po la lámpaa [1]: 2 4π (1 ρ)e ρ v v (1) Esa afimación no es esicamene válida cuando la supeficie de la esfea no es pefecamene unifome; sin embago, debido a las múliples eflexiones de la luz deno de la esfea, la disibución de la luz eflejada sí seá lo suficienemene unifome paa pemii la suposición asumida en la ecuación (1). Si se aplica esa eoía a las mediciones de flujo luminoso oal de una lámpaa, enonces se asume que el deeco debe ecibi solamene la luz eflejada po las paedes de la esfea; y po consecuencia se vuelve necesaio bloquea la incidencia dieca de la luz hacia el deeco mediane una panalla. 1

25 al 27 de Ocube Al incopoa elemenos al ineio de la esfea, pae de la enegía luminosa emiida po la lámpaa seá absobida po esos objeos, en consecuencia la señal del foodeeco se veá educida; po ello, comúnmene las esfeas de inegación esán equipadas con una lámpaa auxilia que pemie ealiza mediciones de absoción de luz po los objeos conenidos en la esfea y po las mismas lámpaas a medi. Esas consideaciones deeminan los elemenos necesaios que se deben inclui en el sisema de la esfea de inegación. En la figua 1 se muesa el esquema de una esfea de inegación ípica. Deeco Fooméico Esfea con ecubimieno Panallas Pose Poalámpaas Lámpaa Fig. 1 Esfea de inegación luminosa. Lámpaa auxilia El sisema de medición de CENAM esá consiuido básicamene po dos esfeas de inegación equipadas con un deeco fooméico, un pa de panallas, una lámpaa auxilia, un poalámpaas y las conexiones elécicas necesaias. Además, paa el monioeo de los paámeos elécicos con los que se alimena a la lámpaa, se incluye un esiso Shun y mulímeos. Uno de esos ambién se uiliza paa la medición de la foocoiene geneada po el foodeeco. Po oo lado, un conjuno de lámpaas incandescenes calibadas consiuyen los paones de efeencia. Como la unidad de flujo luminoso oal solamene puede se ansfeida mediane lámpaas, en la pácica las mediciones de flujo luminoso oal hacen uso de la écnica de subsiución, donde a pai de mediciones de foocoiene y del flujo luminoso de una lámpaa de efeencia, es posible conoce ese valo fooméico paa una lámpaa de pueba mediane: I (2) I donde I e I epesenan las foocoienes de la lámpaa de pueba y de efeencia, especivamene. Es una pácica común que, paa deemina el flujo luminoso oal de una lámpaa de pueba se uilicen al menos dos lámpaas de efeencia, ésas se miden al inicio de la onda de mediciones; después un gupo de lámpaas de pueba se mide es veces. Cada lámpaa se alena en la secuencia de mediciones y al final las mismas lámpaas de efeencia se vuelven a medi. También se ealizan mediciones de la coiene en oscuidad I o a fin de subsaela de la señal del deeco. Como las lámpaas son opeadas a una inensidad de coiene específica, deeminada po su empeaua de colo, es necesaio que el flujo luminoso poveniene de cada fuene se esabilice al momeno de la medición. 3. FUENTES DE INFLUENCIA Y TÉCNICAS DE CORRECCIÓN Los esulados de las mediciones del flujo luminoso obenidos cuando se uilizan esfeas de inegación se ven influenciados po los siguienes aspecos: - Caaceísicas de las lámpaas - Efecos ocasionados po el mismo sisema de medición - Desviaciones de señal causados po el suminiso elécico de la lámpaa. El aamieno de esos facoes se explica más adelane con mayo dealle pueso que ésos consiuyen divesas fuenes de influencia en las mediciones. Una vez analizadas las posibles fuenes de influencia, se exponen enseguida las écnicas de coección aplicadas a las mediciones de flujo luminoso ealizadas en CENAM. 3.1. Influencia de las lámpaas Pese a que acualmene exisen en el mecado gan vaiedad de lámpaas, en ealidad sólo un númeo limiado de ellas pesenan la posibilidad de se empleadas como paones de ansfeencia o de abajo, debido a que las lámpaas deben se epoducibles y esables po un peíodo de uso polongado. Po lo ano, sólo algunos ipos se 2

25 al 27 de Ocube encuenan disponibles comecialmene y pueden se consideados como paones de flujo luminoso. En la calibación de las lámpaas es deseable que los paones de efeencia y de pueba pesenen caaceísicas similaes, pimodialmene en cuano a la disibución especal y espacial de la luz emiida, así como en su amaño y geomeía. Además, debe aseguase la azabilidad de las mediciones. En cuano a las lámpaas de pueba, ésas deben quemase alededo del 5% de su vida pomedio a una inensidad de coiene simila a la de su uso poseio paa evalua su esabilidad y evia cambios buscos duane su empleo como paones de abajo. Ya que la inensidad luminosa de una lámpaa nueva decece alededo del 10% o más duane las pimeas hoas de uso. Con el desgase inicial de cada lámpaa se obiene infomación de la deiva de las fuenes y es posible selecciona los mejoes ejemplaes paa uilizase como paones de efeencia. La figua 2 muesa una gáfica ípica del envejecimieno de una lámpaa; en ese caso, la lámpaa uilizada fue una Polaon LF60. 1,033 1,028 1,023 1,018 1,013 1,008 1,003 Tensión coiene Señal 0,998 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Fig. 2 Caaceísicas de envejecimieno de una lámpaa Cada lámpaa debe calibase en empeaua de colo a fin de deemina sus paámeos elécicos de opeación, además es conveniene obene su disibución especal, especialmene cuando las difeencias son significaivas ene las lámpaas a medi y los paones. Eso se veá con más dealle en la siguiene sección. 3.2 Influencia del sisema de medición Po sus caaceísicas, el sisema de medición es suscepible a induci fuenes de eo; ene las cuales se encuenan la auoabsoción, las difeencias especales, la no unifomidad espacial, el efeco de la empeaua en el foodeeco y la absoción del campo cecano. La auoabsoción se efiee a la pae de luz eflejada que absobe la popia lámpaa y los elemenos conenidos en la esfea, educiendo la espuesa del deeco fooméico. En mediciones de ala exaciud, la auoabsoción de cada lámpaa debe medise sin impoa que sean del mismo ipo. Las mediciones de auoabsoción se ealizan con la lámpaa auxilia encendida, se oma la señal del foodeeco y 01 en condición nula, donde la lámpaa y el poalámpaas, cuando es posible, se eian del sisema; después se incopoan esos elemenos en la esfea y se ealiza oa medición y i. Ese poceso se ealiza paa cada lámpaa, sin encendela, y al final se vuelve a oma la señal paa la condición nula y 02 [2]. El faco de auoabsoción α i se obiene mediane: y i α i (3) ( y 01 + y 02 ) 2 Las difeencias especales se pesenan cuando la espuesa especal del conjuno deeco-esfea no iguala pefecamene a la cuva de la función V() y se incemenan cuando la disibución especal de poencia ópica ano de las lámpaas paón como de las de pueba difieen consideablemene. Paa pode deemina un faco de coección es necesaio conoce la espuesa especal del deeco s() y el especo de cada lámpaa S (). Enonces es impoane ealiza la coección po medio de la siguiene elación: S A ( ) s( ) S ( ) V ( ) ccf ( S ) (4) S ( ) V ( ) S ( ) s( ) A donde ccf(s ) es el faco de coección paa cada lámpaa, V() la espuesa especal foópica y S A () es la disibución especal del iluminane A [3]. Si las lámpaas a medi difieen consideablemene en cuano a su empeaua de colo, esa coección seá de mayo uilidad en la deeminación del flujo luminoso. La espuesa del foodeeco iende a cambia si exise un cambio de empeaua en el sisema, el cual puede se ocasionado po la adiación de la lámpaa deno de la esfea. En el caso de no cona con un conol de empeaua ambienal y po lo 3

25 al 27 de Ocube ano no dispone de una compensación, la señal del foodeeco se veá afecada; a menos que la empeaua del laboaoio esé lo suficienemene conolada, (po ejemplo con vaiaciones menoes a ±1 C) es necesaio ealiza una coeción. Paa ello se debe conoce el coeficiene de empeaua del foodeeco c p y aplica la siguiene elación [2]: ( I I ) α ccf ( S ) scf o ( I I o ) α ccf ( S ) scf (6) 3.3. Dependencia de las condiciones de opeación y medición k( Tp ) 1 ( Tp T0 ) c p (5) Como en la mayoía de las mediciones fooméicas, el ajuse incoeco de los paámeos elécicos en la opeación de las lámpaas puede ocasiona donde k(t p ) es el faco de coección po desviaciones consideables en la señal del empeaua, T p es la empeaua a la cual se uiliza foodeeco, ya que un cambio pequeño en los el foodeeco y T 0 es la empeaua a la que ése paámeos elécicos poduce ambién un cambio se calibó. La coección no es necesaia si las popocional en la magniud fooméica [4]. mediciones se ealizan duane un peíodo coo Enonces es necesaio ealiza puebas de duane el cual la empeaua ambiene se esabilidad de la fuene de coiene anes de manenga deno de ±1 C. efecua las mediciones fooméicas, ya que como se ve en la figua 2, la señal del foodeeco esá influenciada po los cambios en las condiciones elécicas de opeación. La no unifomidad espacial en la espuesa de la esfea scf, se ocasiona po los objeos que exisen en su ineio, así como po el polvo acumulado en sus paedes inenas. Mienas que la absoción del campo cecano se efiee a la absoción dieca de la luz po objeos muy cecanos a la fuene de adiación y que no es posible coegi con las mediciones de auoabsoción. Ese efeco se pesena pincipalmene con lámpaas de ubo cuyo poalámpaas se exiende a lo lago de la popia lámpaa. Paa esas dos úlimas fuenes de influencia exisen écnicas de coección semejanes a las ya mencionadas; sin embago, aún no han sido aplicados en CENAM debido a la dificulad paa esablecelos; no obsane, se puede consula la efeencia [2] paa obene una explicación más amplia. Es ecomendable ealiza las coecciones aquí pesenadas, si no en su oalidad, al menos en la medida que las difeencias discuidas se vayan incemenando. No obsane, si la eflecancia de la esfea es ala (95%-98%), la espuesa de la esfea seá más sensible a los efecos de auoabsoción y difeencias especales, peo se educen los efecos de no unifomidad espacial. Si esas coecciones no se aplican, enonces seá más venajoso emplea esfeas con eflecancia más baja (80%-90%). En cualquie caso es ecomendable aplica la coección po auoabsoción en cada medición. Al coegi esas fuenes de influencia es evidene que el modelo maemáico de la ecuación (2), paa la deeminación del flujo luminoso, se modifica quedando de la siguiene foma: Asimismo, es indispensable esablece un méodo de coección de valoes po ligeos cambios en los paámeos elécicos duane la opeación de la lámpaa. Eso se puede ealiza al medi los cambios de señal ane vaiaciones pequeñas y conoladas de las condiciones elécicas de opeación de la lámpaa. Una vez que se esablece su ineacción, se puede encona una apoximación polinomial paa asocia cualquie cambio en el valo del paámeo elécico con su coespondiene vaiabilidad en señal. No obsane la mejo apoximación se obiene elacionando el logaimo de esas mediciones con una función polinomial de logaimos F(x), donde x es la vaiación del paámeo elécico en cuesión, expesado en foma elaiva con especo al valo de efeencia. Si el logaimo de las mediciones muesa un compoamieno lineal con pendiene m, enonces se uiliza la foma más pácica paa elaciona esas difeencias de la siguiene manea [5]: ' ' J J m (7) donde J epesena la ensión o la inensidad de coiene a considea. El flujo luminoso es el que se obiene debido al cambio elaivo que pesena el valo de efeencia J al pasa al valo J. Po lo ano, el exponene m epesena enonces el faco de 4

25 al 27 de Ocube coección que debe aplicase paa coegi el flujo luminoso deeminado en la medición. En cuano a los insumenos de medición, ésos deben esa calibados paa deemina si exisen eoes en las lecuas que epoa el insumeno, y en su caso coegi los valoes obenidos mediane un faco de calibación. Asimismo, es ecomendable hace un esudio de la deiva que sufen los equipos y considea ese efeco como una conibución a la inceidumbe de la medición. Es conveniene indica que si las coecciones descias en esa sección son aplicadas, enonces el modelo maemáico del mensuando se modifica al inclui ésas como facoes; asimismo, su conibución debe se consideada en la esimación de la inceidumbe de la medición. En [6] se puede encona un ejemplo pácico de las ecomendaciones que aquí se aan incluyendo su balance de inceidumbe. En geneal, los facoes de coección pesenados en ese abajo conibuyen a la inceidumbe de la medición en una mínima pae, pues ésa se encuena dominada po la inceidumbe de calibación de los paones, pese a lo cual es impoane cuanifica su apoación paa loga una caaceización adecuada del sisema. 4. CONCLUSIONES Se han pesenado las coecciones más comunes en la medición de flujo luminoso oal. Además se ha pesenado la écnica de coección adopada paa cada caso. Aunque no odas las coecciones mencionadas se aplican acualmene en CENAM, se han abodado aquéllas cuyos eoes suelen se más ecuenes. De cualquie foma, algunas coecciones se pueden omii si se maniene un conol iguoso de la causa que lo oigina. AGRADECIMIENTOS Los auoes agadecen al D. Eic Rosas po la evisión de ese documeno. REFERENCIAS [1] A. C. Pa, The Candela and Phoomeic and Radiomeic Measuemens, Jounal of Reseach of he Naional Insiues of Sandads and Technology, Vol. 106, 2001, 151-186. [2] C. De Cusais, Handbook of Applied Phoomey, Ed. AIP, New Yok, 1997. [3] Y. Ohno, Luminous Flux Measuemens, 2002 NIST Phoomey Sho Couse, 2002. [4] G. Saue, D. Lindne, M. Lindemann, CCPR Key Compaisons K3a of Luminous Inensiy and K4 of Luminous Flux wih Lamps as Tansfe Sandads, PTB Beich Op-62, 1999. [5] W. Eb,G. Saue, PTB newok fo ealizaion and mainenance of he candela, Meologia, Vol 34, 1997,115-124. [6] I. Oido, R. Cadoso, J. G. Suáez, Implemenación y caaceización del sisema de medición de flujo luminoso oal del CENAM, SOMI XVIII Congeso de insumenación, 2003. No obsane, se ha viso que ene las fuenes de eo más cíicas se encuenan las elacionadas con las flucuaciones de la inensidad de coiene de alimenación de las lámpaas, ocuidas en el insane de la medición; y po ello se ecomienda obseva mayo cuidado. Esos eoes no son los más evidenes y su ajuse equiee de un esudio adicional. Como pae de la caaceización de un sisema de esfea de inegación, es favoable ealiza ese esudio y pode deeca en su momeno inesabilidades en el sisema de medición. 5