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REHABILITACIÓN, PRUEBAS Y PUESTA EN SERVICIO DEL FOTOGONIÓMETRO DEL LABORATORIO DE ILUMINACIÓN DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL

FACULTAD TECNOLÓGICA

HERNÁN ALFONSO GUARNIZO MORENO

CAMILO ANDRÉS SANTANA GÓMEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”


INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ

2018

REHABILITACIÓN, PRUEBAS Y PUESTA EN SERVICIO DEL FOTOGONIÓMETRO DEL LABORATORIO DE ILUMINACIÓN DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL


HERNÁN ALFONSO GUARNIZO MORENO

CAMILO ANDRÉS SANTANA GÓMEZ

Trabajo presentado como proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Eléctrico

Tutor

Ing. HUGO ARMANDO CÁRDENAS FRANCO

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”


INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ

2018

3

Nota de aceptación

_______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________

_________________________________________

Director Ing. Hugo Armando Cárdenas Franco

_________________________________________

Jurado

4

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a los ejecutores del proyecto de diseño del fotogoniómetro, los ingenieros José David Cortés Torres y Wilson Fernando Rodríguez Rodríguez ya que gracias a su colaboración fue posible la realización de varios aspectos del proyecto.

5

CONTENIDO

pág.

RESUMEN .................................................................................................................... 14

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 15

1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 16

2. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 25

3. INTERPRETACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................... 26

3.1 DIAGNÓSTICO INICIAL .......................................................................................... 26

3.1.1 Estación de control ............................................................................................... 27

3.1.2 Cuarto oscuro ....................................................................................................... 28

3.1.3 Fotogoniómetro. ................................................................................................... 30

3.1.4 Cabezal de fotometría .......................................................................................... 32

3.1.5 Reflexión .............................................................................................................. 33

3.1.6 Conexión entre elementos (cableado) .................................................................. 34

3.2 DIAGNÓSTICO FINAL ............................................................................................ 34

3.3 EQUIPO EN REHABILITACIÓN .............................................................................. 35

3.3.1 Centro de control .................................................................................................. 35

3.3.2 Cuarto oscuro ....................................................................................................... 36

3.3.3 Fotogoniómetro .................................................................................................... 36

3.3.4 Cabezal de fotometría .......................................................................................... 37

3.3.5 Reflexión .............................................................................................................. 38

3.4 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL FOTOGONIÓMETRO .................. 39

6

3.5 CARACTERIZACIÓN DE MEDICIÓN Y FÍSICA DEL EQUIPO ............................... 39

3.5.1 Caracterización de medición ................................................................................ 40

3.5.2 Prueba de reflexión sobre los espejos.................................................................. 56

3.5.3 Características físicas del equipo ......................................................................... 59

3.6 PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE ILUMINACIÓN ................................... 59

3.6.1 Comprobación de factor de corrección por perdidas en espejos .......................... 59

3.6.2 Comprobación de tamaño de los espejos ............................................................ 60

3.6.3 Ley de Lambert o el inverso del cuadrado de la distancia .................................... 60

4. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 61

5. CONSIDERACIONES O RECOMENDACIONES ...................................................... 63

5.1 CONSIDERACIÓN 1: Fotometría de campo lejano ................................................. 63

5.2 CONSIDERACIÓN 2: Elección para hallar intensidad luminosa ............................. 64

ANEXOS ....................................................................................................................... 81

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 82

7

LISTA DE ILUSTRACIONES

pág.

Ilustración 1. Espectro electromagnético. .............................................................. 16

Ilustración 2. Curva de sensibilidad visual del ojo humano. .................................. 18

Ilustración 3. Fotogoniómetro de laboratorio. ........................................................ 21

Ilustración 4. Partes básicas de un codificador absoluto. ...................................... 22

Ilustración 5. Sistema de coordenadas C para alumbrado público. ....................... 23

Ilustración 6. Perspectiva del laboratorio de iluminación. ...................................... 26

Ilustración 7. Centro de control del laboratorio de iluminación. ............................. 28

Ilustración 8. Estado inicial del cuarto oscuro........................................................ 29

Ilustración 9. Cofre negro con módulo de procesamiento de datos PSoC. ........... 30

Ilustración 10. Registro de los elementos encontrados para el fotogoniómetro. ... 31

Ilustración 11. Ajustes para los dos controladores SuperVexta............................. 32

Ilustración 12. Registro de cabezal de fotometría y su módulo de procesamiento.33

Ilustración 13. Disposición de los espejos inicialmente. ........................................ 34

Ilustración 14. Prueba a los decodificadores del fotogoniómetro. ......................... 37

Ilustración 15. Ubicación final de los espejos. ....................................................... 38

Ilustración 16. Resultado de fotometría en Excel de tratamiento de datos. ........... 40

Ilustración 17. Resultado de fotometría en Excel luego de tratamiento de datos. . 42

Ilustración 18. Resultado de fotometría luego de complementar datos entre sensores. ............................................................................................................... 43

8

Ilustración 19. Formato de matriz de intensidades común aplicado al ejemplo. .... 43

Ilustración 20. Variación angular del movimiento del fotogoniómetro. ................... 44

Ilustración 21. Curva de la matriz del fabricante y la medición 1 para los planos C 0°-180° Schréder Nano 1 - Automática. ................................................................ 47

Ilustración 22. Curva de la matriz del fabricante y medición 1 para los planos C 90°-270° Schréder Nano 1 - Automática. .............................................................. 48

Ilustración 23. CDL polar de Calima I para los planos C 0°-180° y 90°-270°. ....... 49

Ilustración 24. Comparación entre fabricante y medición 1 para los planos C 0° – 180° Roy Alpha Calima I - Automática. ................................................................. 51

Ilustración 25. Comparación entre fabricante y medición 1 para los planos C 90°-270° Roy Alpha Calima I - Automática. ................................................................. 51

Ilustración 26. Comparación entre el fabricante y medición 2 manual para Schréder Nano 1 en planos C 0°-180°. ................................................................................. 53

Ilustración 27. Comparación entre el fabricante y medición 2 manual para Schréder Nano1 en los planos C 90°-270°. .......................................................................... 54

Ilustración 28. Comparación entre el fabricante y la medición 2 manual para Calima I en los planos C 0°- 180°.......................................................................... 55

Ilustración 29. Comparación entre el fabricante y la medición 2 manual para Calima I en los planos C 90°- 270°........................................................................ 56

Ilustración 30. Esquema de registro de prueba de reflexión.................................. 57

Ilustración 31. Curvas de iluminancia e intensidad según la distancia. ................. 58

Ilustración 32. Curva de error según la relación distancia - tamaño de luminaria. 63

Ilustración 33. Iluminancia sobre un punto de la superficie. .................................. 65

Ilustración 34. Comparación entre métodos de prueba utilizados con respecto al fabricante para los planos C 0°-180°. .................................................................... 69

9

Ilustración 35. Comparación de los métodos de pruebas utilizados con respecto al fabricante para los planos C 90° - 270°. ................................................................ 69

Ilustración 36. Comparación de los métodos de prueba utilizados con respecto al fabricante para los planos C 0° - 180° ................................................................... 73

Ilustración 37. Comparación de los métodos de prueba utilizados con respecto al fabricante para los planos C 90° - 270° ................................................................. 73

Ilustración 38. Comparación entre formulas y fabricante para la nano 1. .............. 76

Ilustración 39. Comparación entre formulas y fabricante para la nano 1. .............. 77

Ilustración 40. Comparación entre formulas y fabricante para la Calima I en C 0°-180°. ...................................................................................................................... 79

Ilustración 41. Comparación entre formulas y fabricante para la Calima I planos C 90°-270°. ............................................................................................................... 80

10

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Temperatura de color para diferentes lámparas. ..................................... 17

Tabla 2. Niveles típicos de iluminancia mantenida recomendados según actividad. .............................................................................................................................. 19

Tabla 3. Matriz de intensidades del fabricante para Schréder Nano 1 [cd/klm]. .... 45

Tabla 4. Matriz de intensidades prueba automática medición 1 Schréder Nano 1 [cd/klm]. ................................................................................................................. 46

Tabla 5. Error relativo entre matriz fabricante y medición 1 automática Schréder Nano 1. .................................................................................................................. 46

Tabla 6. Matriz de intensidades del fabricante Roy Alpha - Calima I [cd/klm]. ...... 49

Tabla 7. Matriz de intensidades prueba automática medición 1 Roy Alpha - Calima I [cd/klm]. ............................................................................................................... 50

Tabla 8. Error relativo para la medición 1 automática Roy Alpha – Calima I. ........ 50

Tabla 9. Matriz de Intensidades medición 2 manual para Schréder Nano 1 [cd/klm]. .............................................................................................................................. 52

Tabla 10. Error relativo de la medición 2 manual para la luminaria Schréder Nano 1. ........................................................................................................................... 53

Tabla 11. Matriz de Intensidades medición 2 manual para luminaria Calima I [cd/klm]. ................................................................................................................. 54

Tabla 12. Error relativo de la medición 2 manual para la luminaria Calima I. ........ 55

Tabla 13. Tabla resumen de errores generales para las diferentes pruebas a luminarias. ............................................................................................................. 56

Tabla 14. Datos de la prueba de reflexión de los espejos. .................................... 57

Tabla 15. Matriz de intensidades prueba automática Cos3 Schréder Nano 1 [cd/klm]. ................................................................................................................. 67

11

Tabla 16. Error relativo matriz fabricante Vs prueba automática Cos3 Schréder Nano 1. .................................................................................................................. 67

Tabla 17. Matriz de intensidades prueba automática inverso del cuadrado de la distancia Schréder Nano 1 [cd/klm]. ...................................................................... 68

Tabla 18. Error relativo de la prueba automática con el inverso del cuadrado de la distancia Schréder Nano 1. ................................................................................... 68

Tabla 19. Matriz de intensidades prueba automática con Cos3 para Calima I [cd/klm]. ................................................................................................................. 70

Tabla 20. Error relativo para el Cos3 para la Calima I. .......................................... 71

Tabla 21. Matriz de intensidades prueba automática inverso del cuadrado de la distancia para la luminaria Roy Alpha Calima I [cd/klm]. ....................................... 71

Tabla 22. Error relativo prueba automática inverso del cuadrado de la distancia para la luminaria Roy Alpha - Calima I. ................................................................. 72

Tabla 23. Matriz de intensidades manual con inverso del cuadrado de la distancia Nano 1 [cd/klm]. .................................................................................................... 74

Tabla 24. Error relativo de la medición manual con el inverso del cuadrado para nano 1. .................................................................................................................. 74

Tabla 25. Matriz de intensidades manual con coseno cubo Nano 1 [cd/klm]. ....... 75

Tabla 26. Error relativo de la medición manual con coseno cubo para Nano 1..... 75

Tabla 27. Matriz de intensidades con Coseno cubo para Calima I [cd/klm]. ......... 77

Tabla 28. Error relativo para el coseno cubo para Calima I. ................................. 78

Tabla 29. Matriz de intensidades con el inverso de cuadrado para Calima I [cd/klm]. ................................................................................................................. 78

Tabla 30. Error relativo para la ecuación 10 (Inverso del cuadrado) para la Calima I. ............................................................................................................................ 78

12

LISTA DE CUADROS

pág.

Cuadro 1. Composición de la estación de control. ................................................ 27

Cuadro 2. Elementos del cofre negro. ................................................................... 29

Cuadro 3. Composición del fotogoniómetro. ......................................................... 30

Cuadro 4. Componentes del cabezal de fotometría. ............................................. 33

Cuadro 5. Características de la luminaria Schréder Nano 1.................................. 45

Cuadro 6. Características de la luminaria Roy Alpha - Calima I. ........................... 48

13

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo 1. Plano eléctrico del Fotogoniómetro ........................................................ 81

14

RESUMEN

En este trabajo se describe la rehabilitación, pruebas y puesta en servicio del

fotogoniómetro del laboratorio de iluminación de la Universidad Distrital “Francisco

José de Caldas”, Facultad Tecnológica. En la primera etapa, se realizó un

diagnóstico del equipo en el cual se determinaron las razones por las cuales el

equipo estaba fuera de servicio y se plantearon propuestas para corregirlas,

posteriormente se realizaron dichas correcciones permitiendo la puesta en servicio

del equipo. En la siguiente etapa, se utilizaron las luminarias disponibles en el

laboratorio y se efectuaron pruebas fotométricas para caracterizarlas, al mismo

tiempo que se determinaron las características físicas de las luminarias en

capacidad de soportar el fotogoniómetro. Finalmente, se generaron propuestas de

prácticas de laboratorio con el equipo que podrán ser efectuadas por los

estudiantes de la Facultad y la Universidad y se diseñó para disposición del

laboratorio un manual para el usuario del equipo.

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INTRODUCCIÓN

El aseguramiento de calidad con el paso del tiempo se ha visto cada vez más desarrollado en los ambientes industriales y de producción, siendo la iluminación una industria creciente en el mercado por tecnologías novedosas para su tiempo como las incandescentes, fluorescentes, halógenas, LED y el grafeno en etapa de estudio, entre otras. Estas primeras son antiguas y de uso extendido en comparación con su reciente tecnología para el presente año, la LED. Ante esto, surge la necesidad de aprobar dichos productos con certificaciones de calidad con el fin de ser cada vez más competitivos y entregar un mejor producto al cliente, además, para el desarrollo de una actividad específica, el diseño del sistema de iluminación requiere cumplir condiciones de iluminancia e intensidad, para lo cual es mandatorio conocer el comportamiento de las luminarias disponibles para elegir aquella que favorezca en mejor medida los requerimientos. En este caso, un fotogoniómetro es una herramienta fundamental para estos fines.

El servicio que presta el fotogoniómetro es útil para conocer el comportamiento de determinada luminaria, posteriormente, con estos registros se podrá generar un buen diseño que permita por ejemplo en interiores dar confort y sensación agradable a la vista, generar un ambiente propicio de trabajo aportando a la salud laboral, mejorando el rendimiento de la gente en el caso de puestos de trabajo, evitando la fatiga visual y problemas asociados. En exteriores, evitando incorrecciones comunes como el efecto cebra, que es la zona de oscuridad que se presenta entre la separación de una lámpara a otra, situación muy observada en zonas rurales; evitar la polución lumínica, el envío de luz artificial de la ciudad hacia el cielo, lo que provoca accidentes de aviones, confunde los ciclos naturales de las aves y dificulta la observación del firmamento, entre otros.

Así mismo, en el marco de la normatividad colombiana, siguiendo los lineamientos del reglamento técnico de iluminación y alumbrado público (RETILAP), se exige a los productos de iluminación producidos y distribuidos en el país, así como a los sistemas de iluminación de interiores o exteriores, cumplir condiciones mínimas de iluminación que garanticen la seguridad y el confort a las personas, basándose en el correcto diseño y desempeño operativo. Así pues, pensando en el desarrollo intelectual y el bienestar académico de los alumnos y docentes de la Universidad Distrital, surge la necesidad de rehabilitar y dar puesta en servicio al fotogoniómetro de la sede Tecnológica, de manera que tengan acceso a un equipo para desarrollar practicas didácticas de carácter académico afianzando sus conocimientos en el área de la luminotecnia y el diseño de alumbrado público vistos en la asignatura de instalaciones eléctricas y un manual de operación y mantenimiento para facilitar sus labores.

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1. MARCO TEÓRICO

Un cuerpo con temperatura irradia luz, la luz irradiada parte de estos elementos que están calientes, sea por efecto de transferencia de calor o por la unión eléctrica (generalmente una descarga eléctrica) donde media un elemento particular en estado gaseoso. El primer fenómeno es llamado incandescencia y el segundo, luminiscencia. Así, de todo elemento caliente parte la luz, por tanto, al referirse a la temperatura está implícito la luz y, por último, energía.

Partiendo del hecho de que el ojo del ser humano está en capacidad de percibir solo una porción del espectro electromagnético, llamado espectro visible, el cual se da en un rango de longitudes de onda de entre 380 a 780 nm, limitando con los infrarrojos y ultravioletas, los cuales no son percibidos por el ojo humano y abarcando los colores del rojo hasta el morado, lo que se conoce como luz visible o simplemente luz. En la ilustración 1 se observa el gráfico del espectro electromagnético completo. El espectro completo es estudiado por la radiometría y aquella parte de la energía radiante percibida como luz, por el ámbito de la fotometría.

De aquí yacen las teorías acerca del estudio de la luz como la luminotecnia, la cual es la ciencia encargada del estudio de las diferentes formas de obtención de luz artificial profundizando en su control y aplicaciones.

Ilustración 1. Espectro electromagnético.

Fuente: Plan de mejoramiento del alumbrado público de las principales avenidas de la ciudad de Quito mediante la sustitución por lámparas de inducción. Pág 3, EFRAÍN GONZALO SALDUNBIDE CEVALLOS – 2012.

Existe un término conocido como temperatura del color, el cual no es más que la comparación entre el color de una fuente de luz con el color generado por un cuerpo negro calentado a determinada temperatura. Un cuerpo negro es un objeto

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teórico o ideal el cual está en capacidad de absorber toda luz o energía radiante que se aplique sobre él, y cuando se le suministra una fuente de calor, va cambiando su color. Por ejemplo el color de la llama de una vela es comparable al de un cuerpo negro calentado a 1800 K, por lo cual es válido afirmar que la temperatura del color de una llama de vela es de 1800 K. En la tabla 1 se muestran algunos niveles de temperatura del color característicos para diferentes tipos de lámparas.

Tabla 1. Temperatura de color para diferentes lámparas.

Fuente: Instalaciones eléctricas interiores. Marrufo E, Castillo J , pág. 180.

Para lograr una sensación agradable a la vista humana es necesario seguir una relación directamente proporcional entre la temperatura del color y el nivel de iluminación, por este motivo el estudio de la luminotecnia integra una serie de conceptos para relacionar la fuente de luz con el objeto a iluminar y variables que intervienen en estos procesos como las siguientes: Flujo luminoso, Iluminancia, Intensidad luminosa, Luminancia, rendimiento luminoso o eficiencia luminosa.

La luz (estimulación en el ojo por la longitud de onda) emitida por la fuente luminosa requirió energía previamente. En la ilustración 2 se observa la curva de sensibilidad visual del ojo humano. De toda la energía recibida, una parte fue transformada en energía lumínica, esta transformación expuesta en todas las direcciones posibles por el objeto es llamada flujo luminoso, expresado en la ecuación 1, se simboliza con la letra griega Phi (φ) y su unidad de medida es el lumen (lm), 680 lúmenes equivalen a un vatio emitidos en la longitud de onda de 555 nm en la cual el ojo humano tiene la más alta sensibilidad.

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𝛷 =𝑄

𝑡

(1)

Donde, Φ (Flujo Luminoso), es la cantidad de luz observable emitida por unidad de tiempo, su unidad es el lumen (lm), Q es la cantidad de luz emitida en lúmenes por segundo, (lm*s) y t la cantidad de tiempo de duración de la emisión de luz, (s).

Ilustración 2. Curva de sensibilidad visual del ojo humano.

Fuente: https://glosarios.servidor-alicante.com/electricidad/luz-y-radiacion Consultado el 5 de diciembre de 2017.

Un lumen sobre una dirección específica, como un estereorradián, a partir de la fuente es llamado intensidad luminosa, su expresión se muestra en la ecuación 2 y su unidad de medida es la candela, cd.

Cuando se dirige el flujo luminoso hacia una superficie, lo que esta recibe se conoce como iluminancia, es decir el flujo luminoso por unidad de área, se simboliza con la letra E y su unidad es el lux (lumen/metro2).

𝐸 = 𝛷

𝑆

(2)

Donde, E es el nivel medio de iluminación (Lux), Φ el flujo luminoso en lúmenes y S la unidad de área superficial en m2.

Así pues, la iluminancia es un parámetro muy importante en términos del diseño de iluminación y alumbrado ya que le da una valoración al nivel de iluminación con

https://glosarios.servidor-alicante.com/electricidad/luz-y-radiacion

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el que cuenta un determinado lugar objeto del diseño, como una oficina, un teatro, una calle, entre otros. Existe un término asociado como iluminancia mantenida que es el valor límite del cual no puede bajar la iluminancia de un lugar para garantizar el nivel de confort de las personas para realizar una actividad determinada. En la tabla 2 se presentan algunos valores de iluminancia mantenida.

Tabla 2. Niveles típicos de iluminancia mantenida recomendados según actividad.

Fuente: Enciclopedia de salud y seguridad en el trabajo (de la OIT). Capítulo 46, pág. 14 – JUAN GUASCH FARRÁS.

Por otro lado, aquella luz que incide en la superficie y se propaga en una dirección por efecto de la reflectancia, produce un fenómeno llamado luminancia, donde aparentemente la superficie que emite luz, brilla en una dirección. Su unidad de medida es candela sobre metro cuadrado, cd*m2. Esto puede causar deslumbramiento para el observador.

Al saber que no toda la energía eléctrica que ingresa en una lámpara se transforma en luz visible aprovechable, debido a que tiene perdidas por calor y por radiación en parte del espectro electromagnético que el hombre no es capaz de visualizar, es válido conocer el concepto de rendimiento luminoso.

El rendimiento luminoso es entonces el índice que muestra cuanta energía aprovechable en luz se puede tener procedente de una fuente como una lámpara, restando de la fuente las perdidas por calor o por radiación no apreciable, en otras palabras, es una medida de la eficiencia de dicha lámpara, en la ecuación 3 se observa su expresión matemática.

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Entonces el rendimiento luminoso (h), es el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia eléctrica consumida:

𝜂 = 𝛷

𝑃

(3)

Donde, η es el rendimiento luminoso en lm/W, φ el flujo luminoso en lúmenes y P la potencia consumida en vatios.

Este índice tendrá una relación directamente proporcional con el nivel de iluminación de la lámpara e inversamente proporcional con la potencia que consumirá, es decir entre mayor sea el índice, mejor será la lámpara en términos de iluminación y menos potencia consumirá.

Al conocer las propiedades de la luz y sus principales conceptos es válido introducir el concepto de un equipo de pruebas el cual está en capacidad de caracterizar luminarias llamado fotogoniómetro, este es un equipo automatizado con la capacidad de realizar movimientos controlados en ángulo y velocidad en eje horizontal y vertical con el fin de completar una esfera. Para efectos del presente proyecto en el eje vertical se posiciona una fuente luminosa, una luminaria de determinadas características, la cual se hace girar para ambos ejes con ángulos seleccionados previamente. Esta variación angular permite observar la distribución luminosa expuesta por la fuente siendo registrada con foto sensor o foto detector ubicado a cierta distancia de la luminaria que cuenta con una curva de comportamiento de espectro visible lo más cercana posible a la sensibilidad del ojo humano.

Los datos registrados son ordenados por grupo: ángulo de eje horizontal, eje vertical e intensidad luminosa, de tal manera que con estos se puedan construir matrices de intensidad luminosa, sólidos fotométricos, curvas polares, curvas isolux, curvas isocandela, entre otros resultados que permiten definir el comportamiento de dicha luminaria siendo luego utilizados para el diseño y estudios en el área de la iluminación.

Para una medición optima es necesario que la única fuente luminosa presente sea la luminaria instalada en el equipo, evitando así rayos luminosos externos que dañen la precisión de la fotometría, por lo cual, es de gran importancia que el recinto de pruebas consista en un cuarto completamente oscuro y a temperatura controlada de ser posible, mitigando la temperatura de iluminación auxiliar y otros factores que puedan alterar la variable de medición.

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En algunas ocasiones, cuando las instalaciones disponibles para el laboratorio no cuentan con el espacio necesario que admite el criterio normativo para disminuir el error de medición (mínimo cinco veces la dimensión mayor de la luminaria), si esta es de 1 metro, la distancia mínima de ubicación del sensor a la luminaria debe ser de 5 metros, según la CIE (Commission Internationale de LÉclairage). Con el fin de aumentar la trayectoria de la luz se pueden utilizar espejos en donde se propague la luz a una mayor distancia, en la cual se ubicará el cabezal de fotometría y cumplir en este aspecto. En la ilustración 3 se aprecia un fotogoniómetro común.

Ilustración 3. Fotogoniómetro de laboratorio.

Fuente: https://www.logismarket.es/asselum/goniofotometros/2621706900-2638163611-p.html Consultado el 5 de diciembre de 2017.

Al realizar la prolongación del haz de luz mediante espejos es de saber que la luz incidente sobre una superficie genera un comportamiento conocido como reflectancia, este fenómeno es el que permite que el haz de luz continúe su curso luego de chocar con la superficie y la manera en que lo hará dependerá del material de la superficie. En primera instancia, si la superficie es lisa y pulida, el haz de luz es propagado con el mismo ángulo de incidencia, lo cual se llama reflexión especular. Por el contrario, si la superficie es rugosa e irregular, el haz de luz incidente se refleja en múltiples rayos con diferentes direcciones, esto se conoce como reflexión difusa. Para efectos del presente proyecto es utilizada la reflexión especular.

https://www.logismarket.es/asselum/goniofotometros/2621706900-2638163611-p.html

https://www.logismarket.es/asselum/goniofotometros/2621706900-2638163611-p.html

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Otras piezas fundamentales para el funcionamiento del fotogoniómetro son, el Luxómetro y el codificador (absoluto). El luxómetro es un equipo de medición que contiene una célula fotoeléctrica sensible a la luz, esta convierte los estímulos luminosos en pulsos eléctricos análogos, los cuales pueden ser procesados e interpretados en equipos electrónicos para dar como resultado una medición de iluminancia. Es muy utilizado en diseños de iluminación en recintos para encontrar eficiencia energética y reducir costos, también para mejorar el confort visual en las áreas que lo requieran según la actividad realizada. Debido a los diferentes materiales utilizados como foto detectores, puede haber en el mercado: fototransistores de silicio, fotodiodos, entre otros. Es importante que en aquel luxómetro que se precise, su sensor fotoeléctrico sea lo más parecido posible a la curva de sensibilidad del ojo humano a las longitudes de onda del espectro electromagnético, pues sus resultados son más fiables y útiles.

El codificador (absoluto) es un dispositivo que acoplado a un eje giratorio tiene la capacidad de indicar la posición en la cual se encuentra en la trayectoria del giro. El codificador se compone de un disco con zonas transparentes y opacas o huecas que gira al frente de un haz de luz generado por un foto emisor, de manera que se va interrumpiendo el haz para finalmente llegar a su destino, un foto receptor.

Una vez el haz de luz es captado por el foto receptor transforma esta señal luminosa en una señal eléctrica, la cual es acondicionada y transmitida por un circuito electrónico. Este tipo de codificador es ventajoso respecto a los de tipo incremental ya que no es necesario fijarlo en su cero o posición de referencia al comenzar la medida ya que fija la posición directamente del disco de salida el cual tendrá una única indicación para cada posición, así se apague la alimentación eléctrica del codificador. En la ilustración 4 se muestran las partes básicas de un codificador de este tipo.

Ilustración 4. Partes básicas de un codificador absoluto.

Fuente: Manual sobre codificador absoluto ELTRA. Pág. 43.

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Para realizar la rutina y la programación del fotogoniómetro se usaron tarjetas marca Cypress. La empresa Cypress desarrolla tarjetas con microprocesadores para todo tipo de desarrollos de aplicaciones en cualquier ámbito. De sus tarjetas se destaca su versatilidad de que mediante software puede programarse todo un sistema, es decir, puede asignarse a cualquier puerto disponible como entrada o salida, controlarlas con hardware o firmware, emitir una señal de modulación por ancho de pulsos o PWM en inglés, entre otras más. A esto la empresa lo llamó un sistema embebido programable sobre chip (PSoC en sus siglas en inglés). Su arquitectura permite un rendimiento satisfactorio a medida que la versión es más reciente, PSoC 1, 3, 4, 5 y 6.

Los anteriores elementos hacen parte en su conjunto del fotogoniómetro, del cual se realizan pruebas fotométricas. Para estas pruebas, el sistema de coordenadas para determinar el flujo luminoso o las características fotométricas de una fuente de luz varía de acuerdo a la Comisión Internacional de la Iluminación CII (CIE por sus siglas en francés) según su uso: de las coordenadas A-α para luminarias de uso interior; b-β para reflectores y C-γ, para iluminación pública. Para esta última, la ilustración 5 muestra el sistema de coordenadas.

Ilustración 5. Sistema de coordenadas C para alumbrado público.

Fuente: INCONTEC, NTC 5109, pág. 38.

El sistema de coordenadas está relacionado con la disposición de la calle, los ángulos 0° - 180° son paralelos a la carretera mientras que los 90° - 270° son transversales a la misma que cubre la luminaria en una esfera tomando una variación de 0 a 360° para cada uno de los ángulos o una semiesfera tomando a gamma hasta 180°.

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Una vez comprendido el sistema de coordenadas (C - ɣ), es válido afirmar que la matriz de intensidades en una luminaria es un arreglo ordenado en el cual para cada pareja de valores angulares de posición (C - ɣ), corresponderá un valor de intensidad luminosa en Candelas (cd). Es importante aclarar que el valor de intensidad luminosa por norma general debe ser referido a un flujo luminoso nominal de 1000 Lúmenes, con el fin de estandarizar todas las pruebas en luminarias. De esta manera, cuando se requiera calcular el valor de intensidad luminosa partiendo de la tabla o matriz de intensidades luminosas, se tendrá que multiplicar dicho valor por el factor dado en la ecuación 4.

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙á𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎 ∗ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐿𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎 1000⁄

(4)

25

2. METODOLOGÍA

Con base en los objetivos planteados se propone la siguiente metodología que garantizará el buen desarrollo del proyecto.

Como primera medida se realiza una recolección y análisis de información y bibliografía relevante sobre el fotogoniómetro, así como de los datos actuales del equipo a intervenir. En este paso se planea realizar el levantamiento de lo referente al funcionamiento de la máquina dividiéndolo en 2 fases: 1. Hardware: en esta fase se pretende verificar el estado y funcionalidad de los componentes físicos del equipo, realizando un inventario para identificar sus condiciones actuales; 2. Software: en esta fase se reconoce el código de programación con el cual trabaja el equipo permitiendo identificar errores o posibles mejoras a implementar con el fin de reactivar el equipo.

Culminadas las dos fases anteriores se define las entradas y salidas presentes en el sistema de operación del equipo, así como identificar valores de referencia de las variables involucradas en las mediciones, con el fin de determinar parámetros a corregir y así facilitar el proceso de reactivación del equipo.

Gracias al levantamiento y a la revisión realizada en la etapa anterior, se inicia la ejecución de acciones correctivas que permitan dar solución a lo identificado en estos puntos, se analizan estrategias de control que permitan implementar correcciones respectivas en hardware y software del equipo, habilitando su operación nuevamente.

Una vez el equipo esté en disponibilidad, se procede a disponer de las luminarias del laboratorio para realizarles una serie de pruebas con las que permitan establecer la matriz de intensidades, curvas de distribución luminosa y parámetros propios del equipo. Así mismo, se realizan pruebas para determinar las limitantes de tipo físicas en el fotogoniómetro.

Finalmente, se diseña un manual básico de operación del fotogoniómetro para el usuario que facilite el desarrollo de las prácticas del estudiante en las asignaturas afines, un informe final que incluye todo lo referente al estudio realizado, las correcciones hechas, los parámetros y caracterización propios del equipo de la universidad y las conclusiones que dieran lugar en esta investigación.

26

3. INTERPRETACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1 DIAGNÓSTICO INICIAL

Se agradece a los ejecutores del proyecto de diseño del fotogoniómetro, los ingenieros José David Cortés Torres y Wilson Fernando Rodríguez Rodríguez ya que gracias a su colaboración fue posible la realización de varios aspectos del proyecto.

Se realiza una inspección visual del espacio destinado para el laboratorio de iluminación de la Facultad Tecnológica, en la ilustración 6 se observa la perspectiva del laboratorio de iluminación. A partir de la observación de diferentes elementos en diversos lugares se divide el espacio en las siguientes zonas:

Ilustración 6. Perspectiva del laboratorio de iluminación.

Fuente: Elaboración propia.

Estación de control, ocupada por el computador.

Cuarto oscuro, compuesto por la parte material y física del lugar de pruebas fotométricas, además del cofre negro con el módulo de procesamiento de datos (Tarjeta PSoC).

Fotogoniómetro, donde reside la máquina giratoria.

27

Cabezal de fotometría, compuesta por el luxómetro.

Zona de reflexión, donde están ubicados los espejos.

Para cada una de las zonas se registra el conjunto de elementos presentes. Cada uno de los elementos debe someterse a pruebas con el propósito de determinar su estado de funcionamiento y para evitar la puesta en servicio con equipos dañados o mal conectados. Además, se toma nota de las posiciones de los ajustes encontrados en los controladores y el ángulo de ubicación de los espejos. Aunque inicialmente el equipo enciende no responde a los comandos de ejecución.

3.1.1 Estación de control

En el período de desarrollo del proyecto como propuesta, el laboratorio de iluminación no contaba con un computador asignado, luego de ser aprobado el proyecto, se concedió una pantalla y un computador con carencia de algún software instalado para controlar los dispositivos periféricos del fotogoniómetro, ni contaba con reconocimiento de los mismos. El cuadro 1 presenta las características del CPU concedido y la ilustración 7 la estación de control.

Cuadro 1. Composición de la estación de control.

Numeral Característica Descripción Estado

1 Sistema operativo Windows 7 Professional x64 bits Funciona

2 Procesador Intel Core 2 Duo Funciona

3 Memoria RAM 3 GB Funciona

4 Software LabVIEW LabVIEW Profesional 2011 Funciona

5 Monitor Hewlett Packard L1710 Funciona

6 Teclado Hewlett Packard Funciona

7 Mouse Genius Funciona


28

Ilustración 7. Centro de control del laboratorio de iluminación.


Para controlar y operar los componentes mencionados mediante una programación se contó con la colaboración ocasional de los ejecutores del proyecto del fotogoniómetro, los ingenieros José David Cortés Torres y Wilson Fernando Rodríguez Rodríguez. Inicialmente, el Ing. Cortés aporto los documentos disponibles con los cuales ellos desarrollaron su trabajo de grado, el Ing. Rodríguez, posteriormente, aportó más archivos aprovechables en LabVIEW, Cypress y tarjetas de desarrollo para pruebas con los códigos de programación.

3.1.2 Cuarto oscuro

Está conformado por las paredes que encierran el espacio de ensayos fotométricos del laboratorio de iluminación, las cuales están forradas con tela tipo lona oscura opaca, excepto una pared hecha de paneles de yeso blanco que incumple los requerimientos de prueba y ensayo para un cuarto oscuro. En esta zona se encuentran elementos ajenos al laboratorio de iluminación que interfieren con el registro de las pruebas. La iluminación es baja para realizar labores de mantenimiento y de movilidad por el cuarto. En la ilustración 8 se observa el estado de la zona, cuarto oscuro.

Por otra parte, se encontró un cofre negro con una tarjeta de referencia CYPRESS CY8CKIT-030 PSoC 3, Development Kit. Esta tarjeta tiene adjunto microcontroladores y puertos de entrada. En el cuadro 2 se encuentra el resumen de los componentes del cofre. En la ilustración 9 se observa el cofre.

Cuarto oscuro

Estación de control

29

Ilustración 8. Estado inicial del cuarto oscuro.


Cuadro 2. Elementos del cofre negro.

Numeral Componente Cantidad Descripción Estado

1

Tarjeta de desarrollo Sistema

embebido

1 CYPRESS

CY8CKIT-030 PSoC 3 Development Kit

Indeterminado

2 Placa de

circuito impreso doble capa

1

Tiene puerto de conexión RJ45,

resistencias, micros, otros.

Indeterminado

3

Microprocesador

AM26LS32AACN

2

Ubicado en la PCI para la adecuación

de señal de los codificadores

Indeterminado

4

Microprocesador

DN7406N

1 Ubicado en la PCI

(Buffer Driver) Indeterminado


Elementos ajenos

Acumulación externa Espejos

30

Ilustración 9. Cofre negro con módulo de procesamiento de datos PSoC.


3.1.3 Fotogoniómetro.

En esta zona se examina una máquina con una estructura metálica con dos brazos mecánicos que está compuesta por los elementos del cuadro 3 y en la ilustración 10 se observan los elementos.

Cuadro 3. Composición del fotogoniómetro.

Numeral Componente y

marca Ubicación y descripción Estado

1 Motor 1

Marcación LLA

Interno en la columna del soporte.

Tipo paso a paso

Indeterminado

2 Motor 2

Marcación XFER

Anterior al brazo giratorio luminarias.

Tipo paso a paso

Indeterminado

3 Motor 3 Al borde del brazo giratorio de

la base Indeterminado

4

Codificador 1

Tamagawa SA TS5643 N110

Encima de la columna para codificar la posición del motor 1

LLA Indeterminado

5

Codificador 2

Tamagawa SA TS5643 N110

Sobre el mástil, para codificar la posición del motor 2 XFER

Indeterminado

6 Codificador 3

HP HEDS 5600 Atrás del motor 2 Indeterminado

1 2

3

4

Cofre negro

31

7

Controlador 1

SuperVexta 5114N

Cofre externo de la columna.

Para el manejo del motor 1 Indeterminado

8

Controlador 2

SuperVexta 5114N

Cofre externo de la columna.

Para el manejo del motor 2 Indeterminado

9 Fuente AC/DC Con salidas a

110 y 5 V

Al costado externo de la columna

Funcionando

10

Láseres

Color rojo y verde

Incrustados en la pared de respaldo.

Indeterminado

11 Fuente 120/12 V En la zona inferior lateral de la

máquina. Indeterminado

Fuente: elaboración propia.

Ilustración 10. Registro de los elementos encontrados para el fotogoniómetro.


Junto a la máquina se observa una toma monofásica 120 V tres hilos y una trifásica 120/220 V cinco hilos. La primera toma sirve para energizar la fuente y los controladores, a su vez, la fuente energiza los codificadores y los láseres. La segunda, energiza las luminarias de alumbrado público para ensayo de fotometría.

Los codificadores (encoders) se pusieron a prueba con un sistema de registro de datos, compuesto por un osciloscopio, una fuente de corriente continua y una placa de pruebas (protoboard). Se procedió a conectar el elemento en la placa de pruebas y energizarlos sin desmontarlo del sistema, lo que permite girar el eje asociado y probar su funcionamiento.

9 7

3 8

2

5

4

10

6

11

1

32

Los controladores (drivers) de los motores de referencia 5-Phase Driver UDX5114N SuperVexta de la fábrica Oriental Motors junto con sus respectivos motores fueron probados con la ejecución del programa de control en LabVIEW. La rutina de trabajo fue ejecutada con éxito. Por último, los controladores presentan los ajustes mostrados en la ilustración 11.

Ilustración 11. Ajustes para los dos controladores SuperVexta.


3.1.4 Cabezal de fotometría

El cabezal de fotometría es un cubo plástico que contiene dos sensores fotoeléctricos y un frecuencímetro conectado a una tarjeta marca Cypress, está ubicado a una distancia de 10 metros aproximadamente de las luminarias de prueba y se sostiene en una columna metálica con altura modificable mediante riel vertical.

El cabezal es punto de llegada del haz de luz que parte desde la fuente, reflejada por los espejos llegando finalmente al cabezal fotométrico ubicado a la misma altura de la fuente luminosa alcanzada por una columna metálica.

Su función utiliza los sensores fotoeléctricos para recibir la luz proveniente de la fuente y transmitirla en corriente eléctrica que es recibida por el módulo de procesador Cypress que realiza la adquisición, el procesamiento y envío de datos mediante puerto USB de dichos sensores al computador. Se conectó el cabezal al computador y se observa su correcta energización. El cuadro 4 presenta las partes del cabezal fotométrico y en la ilustración 12 se exhibe su interior.

33

Cuadro 4. Componentes del cabezal de fotometría.

Numeral Componente Característica Estado

1 Fotodetector tipo

diodo

Opto IC SFH 5711

OSRAM OS Funcionando

2 Fotodetector tipo

diodo BH1620 Funcionando

3 Frecuencímetro - Funcionando

4 Módulo de

procesador marca Cypress

CY8C38 FAMILY PROCESSOR MODULE

CY8CKIT – 009 Funcionando


Ilustración 12. Registro de cabezal de fotometría y su módulo de procesamiento.


3.1.5 Reflexión

Corresponde al espacio destinado a los espejos que sirven para dirigir el haz de luz proveniente de las luminarias al cabezal de fotometría. Consiste en dos espejos con similares dimensiones: 1,5 m de largo, 1 m de ancho y 2 mm de espesor. Un primer espejo tiene su posición fija al estar anclado al piso a 3,8 m de la luminaria, girado a 45° con respecto a la pared opuesta y el segundo espejo está sin sujetar recostado sobre una pared. Para la determinación del ángulo se utilizó el goniómetro de madera del laboratorio.

El servicio de los espejos es dirigir el haz de luz y prolongar la distancia entre la fuente de luz y el cabezal de fotometría, puesto que el espacio destinado no

Conexión

USB

3 4

Módulo Cypress

1 2

34

permite alcanzar una distancia de medición normalizada de 10 metros en línea recta. En la ilustración 13 se puede ver el estado en el cual se encontraron los espejos.

Ilustración 13. Disposición de los espejos inicialmente.


3.1.6 Conexión entre elementos (cableado)

La conexión de los diferentes elementos eléctricos de la zona del fotogoniómetro con el centro de control es realizada con cables de tipo UTP con conector RJ-45 y cables dúplex de calibres entre 16 y 20. Para la revisión de estos cables es utilizado un comprobador de red, que examina mediante el envío y recepción de impulsos eléctricos si el cable como medio de comunicación funciona. Las pruebas realizadas a los cables presentes mostraron buen funcionamiento.

Para otro tipo de cables presentes, tipo radio, se utilizó un multímetro en su función de continuidad. Por último, se hace una marcación cruzada en cada uno de los cables para plasmar el sistema que conforma el laboratorio en un plano eléctrico. Ver anexo 1, plano eléctrico.

3.2 DIAGNÓSTICO FINAL

Terminada la etapa de revisión de los componentes se determinó que los elementos presentes son los necesarios para que el equipo funcione, sin embargo, se requiere realizar arreglos locativos, mantenimiento, pruebas a los elementos y modificaciones en el centro de control.

Espejo 1

Espejo 2

Cuarto

oscuro

35

En el cuarto oscuro es necesario pintar la pared blanca de color negro mate, retirar los elementos ajenos al laboratorio, proporcionar una iluminación que no interfiera con la medición, tapar todos los puntos de entrada de luz externa, los espejos requieren estar posicionados correctamente al igual de una limpieza de su superficie, para algunos elementos del fotogoniómetro su estado de funcionamiento es incierto. Se deben buscar correctivos a lo anterior con el propósito de cumplir con los requerimientos de ensayo de fotometría.

En cuanto a la programación, aunque se contó con códigos de programación en LabVIEW y Cypress, el sistema no respondió a los comandos, el computador no reconoce los elementos conectados del fotogoniómetro como tampoco al cabezal y el código escasea con comentarios de funcionamiento, por lo tanto, se requiere profundizar en ello.

Por último, es importante mencionar que el funcionamiento general del fotogoniómetro es determinar la matriz de intensidades para una fuente luminosa, por ejemplo, una lámpara de alumbrado público, haciéndola girar con los dos motores en dos planos de referencia C-γ.

3.3 EQUIPO EN REHABILITACIÓN

Se especifican las actividades, procesos y métodos llevados a cabo para la consecución de la rehabilitación del fotogoniómetro. Todos los archivos recolectados durante el proceso fueron almacenados en el computador asignado para el laboratorio de iluminación.

3.3.1 Centro de control

Se procedió con la búsqueda de hojas de datos o especificaciones según su referencia para cada uno de los elementos del cuadro 1 y 2. Para la tarjeta Cypress PSoC 3, se identificó en la página oficial de Cypress las características generales de funcionamiento, de operación, el software para diseñar y programar la tarjeta de desarrollo, PSoC Creator en su versión 4.1. Seguidamente, se encontró la necesidad imperativa de instalar dos controladores (drivers): el primero para el reconocimiento de la PSoC 3 por parte del software de programación y el segundo para el reconocimiento de la misma por parte del computador mediante la conexión USB.

En cuanto a la programación en el software LabVIEW, se encontró la herramienta NI VISA, la cual permite al software reconocer y comunicarse con los dispositivos periféricos del computador. Para ello, es imprescindible utilizar la aplicación NI VISA DRIVER WIZARD con el propósito de que el computador identifique los

36

dispositivos externos permitiendo la comunicación con el software LabVIEW. En este sentido, la verificación de un proceso exitoso puede presentarse con los siguientes dos métodos: el primero es mediante la aplicación NI MAX (National Instruments – Measurement & Automation Explorer) que dentro de “Devices and interfaces” es visible el dispositivo conectado; el segundo es utilizando el Administrador de dispositivos que en su lista desplegable aparezca la opción NI VISA DRIVERS y en ella los elementos conectados.

Habiendo hecho lo mencionado en los dos párrafos anteriores, se procedió a ejecutar los programas de LabVIEW en donde la máquina ejecuto la rutina de programación para la medición de intensidad luminosa.

3.3.2 Cuarto oscuro

Se realizaron adecuaciones al espacio para completar los requerimientos de una medida de intensidad luminosa basado en iluminancia, como: pintar con vinilo la pared de paneles de yeso color negro para tener el menor índice de reflexión sobre la pared y que pueda incidir en el cabezal de fotometría; retirar los elementos ajenos al laboratorio para despejar el área. En la entrada al cuarto oscuro se instalaron franjas traslapadas de tela negra opaca de manera que sea una obstrucción a la luz externa.

Para la iluminación del cuarto, se tuvo en cuenta que las luminarias y bombillas incandescentes y luminiscentes luego de apagarse tardan en disipar su calor, con lo cual al irradiar luz interfiere en la medición en el cabezal de fotometría. Para evitarlo, se optó por iluminación led con el menor volumen posible sobre la superficie del techo.

3.3.3 Fotogoniómetro

Para cada elemento del cuadro 3 fue necesario según su referencia, adquirir su hoja de especificaciones para realizarle una prueba de funcionamiento, que consiste en desconectar eléctricamente el dispositivo de su conjunto y con una fuente independiente energizarlo en su sitio. De esta forma, pudo determinarse su estado y funcionamiento.

La prueba para los tres codificadores fue exitosa como muestra en la ilustración 14. Puede observarse que el codificador envía señales mediante sus canales A y B desfasadas 90° grados, lo cual puede contemplarse para un manejo de código Manchester.

37

De las dos fuentes del cuadro 3 se realizaron pruebas de energización y verificación de tensión de entrada y salida, constatando que la fuente 120/12 V, no evidencia un uso específico ya que esta desconectada de cualquier elemento de la máquina. La fuente 110 V con salidas a 110 y 5 V la cual energiza láseres, controladores, tarjeta PCI, se encuentra funcionando correctamente.

Ilustración 14. Prueba a los decodificadores del fotogoniómetro.


Para los láseres se hizo un seguimiento desde la fuente de alimentación hasta su punto de conexión, encontrando que su operación es a 3 voltios y su soldadura estaba desgastada. Para ello se procedió soldar nuevamente de manera adecuada y logrando la unión eléctrica.

Al ejecutar los programas de LabVIEW la máquina realizo la rutina de programación para la medición de intensidad luminosa lo cual garantizó el funcionamiento de dos motores y sus controladores, adicionalmente se realizaron según el manual pruebas de medición de señales de salida del motor. Existe un tercer motor que no está en operación.

3.3.4 Cabezal de fotometría

La ubicación del cabezal de fotometría en el cuarto oscuro, se da luego de posicionar los espejos en donde el rayo del apuntador láser propagado por el segundo espejo incide sobre los lentes foto detectores.

Al igual que en la estación de control, la búsqueda de la hoja de datos para los elementos del cuadro 4, numeral 4, llevó a la instalación de los controladores de la tarjeta CY8C38, para el reconocimiento por parte del software PSoC Creator, y para el reconocimiento de LabVIEW se encontró la herramienta NI VISA, la cual permite al software identificar y comunicarse con los dispositivos periféricos del computador. Para ello, es imprescindible utilizar la aplicación NI VISA DRIVER WIZARD, con el propósito de que el computador identifique los dispositivos externos permitiendo la comunicación con el software LabVIEW.

38

En este sentido, la verificación de un proceso exitoso puede presentarse con los siguientes dos métodos: el primero es mediante la aplicación NI MAX (National Instruments – Measurement & Automation Explorer) que dentro de “Devices and interfaces” es visible el dispositivo conectado; el segundo es utilizando el Administrador de dispositivos que en su lista desplegable aparece la opción NI VISA DRIVERS y dentro de esta los dispositivos conectados.

Por último, resaltar que el aporte de archivos de programación en LabVIEW por parte de los ingenieros Cortes y Rodríguez, autores del diseño y construcción del fotogoniómetro, fueron el insumo imprescindible para dar marcha a la rehabilitación de la máquina.

3.3.5 Reflexión

La rehabilitación de los espejos consistió en primera media, en limpiar la grasa y el polvo acumulados sobre la superficie, en segunda medida, para el espejo desubicado, se cambió de posición de estado móvil a fijo, sujetándolo a la pared puesto que la fijación sobre el piso no está autorizada.

En última instancia, se utilizaron los láseres para que el rayo de luz choque en el centro geométrico de los dos espejos logrando direccionar el haz del láser hacia la cabeza de fotometría, ilustración 15. Esto se logró utilizando la ley de reflexión que es una derivación del principio de Fermat, donde el ángulo de incidencia es el mismo de propagación, y a su vez es el mismo para una superficie inclinada. Para la determinación del ángulo en forma práctica se utilizó el goniómetro de madera del laboratorio ubicándolo sobre el espejo.

Ilustración 15. Ubicación final de los espejos.


Espejo 1 Espejo 2

39

3.4 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL FOTOGONIÓMETRO

El funcionamiento del fotogoniómetro inicia en el software de programación LabVIEW asignando los intervalos de ángulos de rotación para dos ejes de giro horizontal y vertical, C-γ. Para cada pareja de ángulos corresponde un haz de luz que incide en los espejos y finaliza en el cabezal de fotometría, allí, los foto detectores producen según la luz incidente sobre ellos una corriente eléctrica. Esta corriente es procesada por la tarjeta Cypress que con programación interna la transmite en datos binarios de 20 bits al computador por el puerto USB. Con el software LabVIEW, los datos son convertidos a números arábigos para utilizarlos en varias ecuaciones para determinar la intensidad luminosa según la ubicación del ángulo de giro, este valor es normalizado para una luminaria de flujo luminoso de mil lúmenes y finalmente organizado en una matriz. Este proceso se realiza hasta completar un giro de 360° para cada eje de giro, es decir, formando una esfera.

Su operación inicia encendiendo el computador ubicado en la estación de control, conectando la fuente del fotogoniómetro y la luminaria a sus respectivas tomas eléctricas. Se ajusta la luminaria a la porta lámpara y el rayo de los láseres debe incidir en el centro fotométrico de la luminaria. En este orden, se traslada la luminaria para permitir que el rayo se proyecte ahora en el centro de ambos espejos para finalizar en el cabezal de fotometría. Se regresa la lámpara a posición inicial, después se abre el programa de ejecución de la rutina de medición, se asignan los ángulos, la velocidad del movimiento, entre otros y se da clic en arrancar. Terminada la rutina, es exportado un archivo con las intensidades luminosas para los ángulos asignados. Para mayor detalle véase el Manual de usuario – fotogoniómetro, elemento complementario a la presente monografía.

3.5 CARACTERIZACIÓN DE MEDICIÓN Y FÍSICA DEL EQUIPO

El laboratorio de iluminación de la Facultad Tecnológica cuenta con las siguientes luminarias de alumbrado público:

1. Luminaria marca Schréder Ref. Nano 1, con bombilla Sylvania de 70 W, con flujo luminoso de 6.600 lm.

2. Luminaria marca Roy Alpha Ref. Calima 1 – 70 W, con bombilla Opalux de 70 W, con flujo luminoso de 5.000 lm.

3. Luminaria marca Roy Alpha Ref. Calima 1 – 150 W, con bombilla Osram de 150 W, con flujo luminoso de 16.500 lm.

40

Se realizó la medición de intensidad luminosa con el fotogoniómetro a las anteriores luminarias, sin embargo, la luminaria Roy Alpha de 70 W presentó intermitencia en su funcionamiento por lo cual no fue posible realizarle la prueba.

Los resultados de las fotometrías obtenidas fueron comparados para determinar su precisión. Para la primera luminaria con simulaciones realizadas en el software DIALux con una luminaria de características similares ya que no fue posible adquirir la misma referencia, se trabajó con la luminaria Nano 2 de Schréder. En la tercera luminaria fue comparado con la matriz de intensidades dada por el fabricante. Además, se realizó una inspección sobre las limitantes físicas que podría presentar el equipo ante su diseño de construcción y dispositivos presentes.

3.5.1 Caracterización de medición

Generalidades de las fotometrías: El resultado de la fotometría es un archivo, el cual se puede abrir en editores de texto como bloc de notas o Excel, al abrir el archivo se generan una serie de columnas con los valores obtenidos en la fotometría en el orden que muestra la ilustración 16. Es de aclarar que la versión que se mostrará a continuación es la original de programación del equipo, para ver la versión actual y definitiva dirigirse al manual de usuario en el capítulo 4. “Tratamiento de datos resultado de la fotometría”.

Ilustración 16. Resultado de fotometría en Excel de tratamiento de datos.


41

Las columnas estarán dispuestas de la siguiente manera:

Columna A: Ángulos C

Columna B: Ángulos Gamma

Columna C: Intensidad luminosa SFH 5711

Columna D: Intensidad Luminosa BH 1620

Columna E: Frecuencia

Una vez se tenga esta disposición de valores, se puede proceder a generar la matriz de intensidades correspondiente, de acuerdo al siguiente procedimiento:

Como se puede apreciar en la ilustración 16 en las columnas de ángulo C y ángulo Gamma, el valor inicial es cero y este valor se repite de ahí en adelante hasta que el alcance de la foto no permite mostrar más. Esto es así debido a que el programa está diseñado para registrar en promedio unos 123 valores por cada pequeño intervalo de tiempo en el cual los motores se detienen luego de cada paso. Así pues, el procedimiento que se realiza es dejar un único valor en la pareja de ángulos C y Gamma, en este caso (0,0) y posteriormente seleccionar el conjunto valores de intensidad luminosa SFH 5711 para esta pareja de ángulos y hallar su promedio, de esta manera quedará un único valor de intensidad luminosa SFH 5711, para la pareja ordenada angular (0,0) y así sucesivamente para cada una de las diferentes parejas de ángulos C y Gamma, cuantas parejas angulares haya dependerá del valor de pasos angulares dado al iniciar la prueba. El mismo procedimiento debe hacerse para la intensidad luminosa BH 1620. Luego de arreglar los datos de este modo el archivo debe quedar de la siguiente manera, en la ilustración 17 se da un ejemplo del archivo luego del tratamiento de datos. También se recomienda eliminar los datos generados mayores a Gamma 90, para todos los ángulos C, ya que en estos segmentos la luminaria quedará de espaldas al cabezal de fotometría, la iluminancia será cero y serán datos inservibles para la prueba. En la ilustración 17 se observa que en la columna Gamma los ángulos están de 0 a 90, el resto se elimina. La columna con los datos de frecuencia puede ser omitida ya que no es requerida para la matriz de intensidades.

42

Ilustración 17. Resultado de fotometría en Excel luego de tratamiento de datos.


Algo muy importante a considerar en este punto es el diseño constructivo del luxómetro, en el cual se utilizaron dos sensores como se explicó previamente, el SFH 5711 y el BH 1620. Es fundamental saber que cada uno de estos se comporta de diferente manera, siendo el 5711 más cercano a la curva fotópica de sensibilidad de la visión y comportándose bien en general en valores de iluminancias medias o altas, mientras que el 1620 se acerca más a la curva escotópica de visión y su mayor fiabilidad se encuentra en iluminancias bajas, del orden cercano a 1 lux. Este tipo de diseño es pensado en la complementariedad de ambos sensores con el fin de obtener un valor más preciso en la matriz de intensidades.

Conociendo lo anterior, se procede a dejar una única columna de intensidad luminosa generada por los valores del 5711 en su mayoría y utilizando algunos del 1620 en donde la iluminancia es más baja, generando mayor precisión en este rango. Para el caso del ejemplo se tomaron como válidos y utilizables, los valores del BH 1620 que sean de 10 cd o menos, ubicados en los ángulos Gamma 90, para el resto de valores se mantienen los del SFH 5711, en la ilustración 18 se muestra esto, siendo la columna “Medición 1” la definitiva y con la cual se armará la matriz de intensidades.

43

Ilustración 18. Resultado de fotometría luego de complementar datos entre sensores.


Finalmente, se debe formar la matriz de intensidades completando los datos obtenidos bajo el formato que se muestra en la ilustración 19 y el cual es usado comúnmente para presentar este tipo de pruebas. En este caso la matriz se encuentra diseñada para los pasos angulares (45,15) para (C, ɣ) respectivamente, esto variará en caso de variar la selección de los pasos para cada prueba.

Ilustración 19. Formato de matriz de intensidades común aplicado al ejemplo.


Gamma C 0 C 45 C 90 C 135 C 180 C 225 C 270 C 315

0 139.99 133.68 129.77 133.97 144.12 147.72 151.66 151.97

15 140.68 140.82 136.6 141.08 139.68 132.59 132.88 140.11

30 137.72 153.78 133.74 175.75 133.3 112.07 112.43 121.82

45 155.15 166.15 112.06 175.73 122.5 95.58 96.65 99.42

60 204.39 109.67 58.54 145.05 120.98 78.84 82.87 84.1

75 131.1 49.26 4.98 83.38 95.38 29.1 16.15 31.12

90 6.71 3.64 2.37 5.99 8.48 5.15 2.67 5.3

Matriz de Intensidades Prueba Ejemplo Medición 1 (Luminaria X) cd/klm

44

Para tener una mejor comprensión del movimiento del fotogoniómetro y la variación angular en cada eje, en la ilustración 20 se muestra un esquema que lo explica de mejor manera.

Ilustración 20. Variación angular del movimiento del fotogoniómetro.

Fuente: David Cortés y Wilson Rodríguez

De la anterior ilustración para el eje C, en este caso tomando como referencia al observador viendo de frente el fotogoniómetro como se ve en la imagen, al girar en sentido horario, la parte superior de la luminaria determinará dicho ángulo según en dónde se encuentre como se aprecia en las indicaciones numéricas de la imagen. Del mismo modo para el eje Gamma girando en sentido horario, hacia donde apunte el brazo de apoyo horizontal, visto como un círculo negro en la base de la luminaria en la imagen, determinará el ángulo correspondiente según la marcación numérica dada en la imagen. De manera que en estado inicial la ubicación seria cero en C y en Gamma.

3.5.1.1 Pruebas de rutina automática

La prueba fotométrica de rutina automática consistió en utilizar el programa diseñado, en el cual a partir de la iluminancia captada por los sensores foto eléctricos SFH 5711 y BH 1620, es multiplicada por constantes predefinidas para hallar intensidad luminosa en cada pareja ordenada de ángulos C y Gamma, para

45

el caso de estas pruebas se seleccionaron como pasos angulares (45,15) para (C, ɣ) respectivamente. En el cuadro 5 se muestran los datos básicos de la luminaria Schréder nano 1 a probar.

Cuadro 5. Características de la luminaria Schréder Nano 1.

Característica Descripción

Potencia 70 W

Tipo Sodio de alta

presión

Pasos angulares de prueba

C = 45° - ɣ = 15°

Flujo Luminoso 6.600 lm

Eficiencia 76 %

Distancia de medición 8,9 m


A continuación, en la tabla 3 se muestra la matriz de intensidades de fabricante dada por el software DIALux y la cual es tomada como parámetro para comparar con los datos obtenidos por la prueba fotométrica automática, presentados en la tabla 4, además; en la tabla 5 se muestra el error relativo debido a la comparación entre estas dos tablas.

Tabla 3. Matriz de intensidades del fabricante para Schréder Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0°

C 45°

C 90° C 135° C 180° C 225° C 270° C 315°

0° 222 222 222 222 222 222 222 222

15° 246 303 289 303 246 175 157 175

30° 275 279 206 279 275 142 123 142

45° 322 156 104 156 322 113 95 113

60° 391 98 49 98 391 96 41 96

75° 157 55 2.69 55 157 8.88 2.39 8.88

90° 5 0.82 0.6 0.82 5 0.6 0.15 0.6


46

Tabla 4. Matriz de intensidades prueba automática medición 1 Schréder Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0° C 45° C 90° C

135° C

180° C

225° C

270° C

315°

0° 139.99 133.68 129.77 133.97 144.12 147.72 151.66 151.97

15° 140.68 140.82 136.6 141.08 139.68 132.59 132.88 140.11

30° 137.72 153.78 133.74 175.75 133.3 112.07 112.43 121.82

45° 155.15 166.15 112.06 175.73 122.5 95.58 96.65 99.42

60° 204.39 109.67 58.54 145.05 120.98 78.84 82.87 84.1

75° 131.1 49.26 4.98 83.38 95.38 29.1 16.15 31.12

90° 6.71 3.64 2.37 5.99 8.48 5.15 2.67 5.3


Tabla 5. Error relativo entre matriz fabricante y medición 1 automática Schréder Nano 1.

Gamma C 0° C 45° C 90° C

135° C

180° C

225° C

270° C

315°

0° -0.37 -0.40 -0.42 -0.40 -0.35 -0.33 -0.32 -0.32

15° -0.43 -0.54 -0.53 -0.53 -0.43 -0.24 -0.15 -0.20

30° -0.50 -0.45 -0.35 -0.37 -0.52 -0.21 -0.09 -0.14

45° -0.52 0.07 0.08 0.13 -0.62 -0.15 0.02 -0.12

60° -0.48 0.12 0.19 0.48 -0.69 -0.18 1.02 -0.12

75° -0.16 -0.10 0.85 0.52 -0.39 2.28 5.76 2.50

90° 0.34 3.44 2.95 6.30 0.70 7.58 16.80 7.83


Como se puede observar en la tabla anterior el error relativo se mantiene oscilante entre el 0.2 y 0.5 (absolutos) para la mayoría de ángulos Gamma, sin embargo, aumenta considerablemente para valores de Gamma igual a 90° y en algunos de Gamma 75°. En la búsqueda de hallar un valor numérico general para el método se calcula el promedio de los valores de la tabla, aclarando que es un valor estrictamente comparativo entre los métodos, ya que debido a unos pocos valores relativamente grandes respecto a la mayoría, el valor del promedio tiende a crecer bastante incluso aproximándose a un error del 100% o más, lo cual no es cierto para la mayoría de valores de la tabla de errores.

Error relativo general para el método es = 128%

47

En la ilustración 21 y en la 22 se observa la tendencia de comportamiento entre los datos de intensidad luminosa de la matriz del fabricante comparada con la matriz obtenida por los datos generados por la máquina, lo anterior para los planos C 0°-180° y C 90°-270° respectivamente. Los errores relativos son considerables para cada pareja ordenada de ángulos evidenciados en las magnitudes, como se mencionó anteriormente. Las tendencias entre matrices de intensidades mantienen algo de similitud en su comportamiento.

Para la lectura de CDL lineal en las ilustraciones 21 y 22, el eje vertical separa los planos C 0° y 90° de los planos C 180° y 270°. En el costado derecho de la división están los primeros y al costado izquierdo los segundos, respectivamente.

Ilustración 21. Curva de la matriz del fabricante y la medición 1 para los planos C 0°-180° Schréder Nano 1 - Automática.


0

50

100

150

200

250

300

350

400

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

lu

min

osa

[cd

/klm

]

Ángulos gamma [°]

CDL lineal del fabricante y medición 1 para planos C 0°- 180°

C 180 Medición 1 C 180 Fabricante C 0 Medición 1 C 0 Fabricante

48

Ilustración 22. Curva de la matriz del fabricante y medición 1 para los planos C 90°-270° Schréder Nano 1 - Automática.


En segunda instancia fue probada la luminaria de marca Roy Alpha de referencia Calima I, en el cuadro 6 se encuentran los datos básicos de esta.

Cuadro 6. Características de la luminaria Roy Alpha - Calima I.

Característica Descripción

Potencia 150 W

Tipo Sodio de alta

presión

Pasos angulares de prueba

C = 45° - ɣ = 15°

Flujo Luminoso 16.500 lm

Eficiencia 71.96%

Distancia de medición 8,9 m


A continuación, la ilustración 23 muestra la curva polar para planos C 0°-180° y 90°-270° para la luminaria Calima I a partir de la cual se elaboró la matriz de intensidades para los mismos ángulos, tabla 6. Estos valores son utilizados como parámetro para comparar con los datos obtenidos por la prueba fotométrica,

0

50

100

150

200

250

300

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

lu

min

osa

[cd

/klm

]

Ángulos gamma [°]

CDL lineal del fabricante y medición 1 para planos C 90°-270°


49

mostrados en la tabla 7. El error relativo de la medición 1 para la luminaria de prueba está en la tabla 8.

Ilustración 23. CDL polar de Calima I para los planos C 0°-180° y 90°-270°.

Fuente: http://www.royalpha.com/calima Consultado el 9 de Diciembre de 2017.

Tabla 6. Matriz de intensidades del fabricante Roy Alpha - Calima I [cd/klm].

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° 209 209 209 209

15° 200 205 200 174

30° 81.8 168 81.8 145

45° 212 100 212 108

60° 333 28 333 38

75° 148 2 148 2

90° 0 0 0 0


http://www.royalpha.com/calima

50

Tabla 7. Matriz de intensidades prueba automática medición 1 Roy Alpha - Calima I [cd/klm].

Gamma C 0° C 90° C 180° C

270°

0° 93.12 89.02 96.2 98.98

15° 92.38 87.77 87.55 92.59

30° 86.33 70.91 78.78 74.02

45° 85.35 47.54 79.82 60.61

60° 108.73 20.74 100.26 49.67

75° 116.15 2.07 91.34 12.5

90° 28.99 1 15.23 1.87


Tabla 8. Error relativo para la medición 1 automática Roy Alpha – Calima I.

Gamma C 0° C 90° C

180° C

270°

0° -0.55 -0.57 -0.54 -0.53

15° -0.54 -0.57 -0.56 -0.47

30° 0.06 -0.58 -0.04 -0.49

45° -0.60 -0.52 -0.62 -0.44

60° -0.67 -0.26 -0.70 0.31

75° -0.22 0.03 -0.38 5.25

90° 27.99 0.00 14.23 0.87


Nuevamente, al igual que en la luminaria Schréder, se puede observar en las tablas que el error relativo aumenta considerablemente para valores de gamma igual a 90°. Error relativo general para el método = 209%

En la ilustración 24 y en la 25 se observa la comparación en tendencias de comportamiento entre los datos de intensidad luminosa de la matriz del fabricante comparada con la matriz obtenida por los datos generados en la máquina, lo anterior para los planos C 0 – 180 y C 90 – 270 respectivamente. Se ve que a pesar de que los errores relativos son considerables para cada pareja ordenada de ángulos, esto evidenciado en las magnitudes dadas en la tabla 8, las tendencias entre matrices de intensidades mantienen algo de similitud en su comportamiento.

51

Ilustración 24. Comparación entre fabricante y medición 1 para los planos C 0° – 180° Roy Alpha Calima I - Automática.


Ilustración 25. Comparación entre fabricante y medición 1 para los planos C 90°-270° Roy Alpha Calima I - Automática.


0

50

100

150

200

250

300

350

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

lu

min

osa

[cd

/kln

]

Ángulos gamma [°]



0

50

100

150

200

250

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

lum

inosa

[cd

/kln

]

Ángulos gamma [°]



52

Como se ha visto en las pruebas anteriores, el error relativo es bastante grande y se evidencia una notable fluctuación en cada grupo de valores, analizando esto, puede ser la falta de tiempo suficiente para la grabación de datos en la rutina automática, pues los datos del sensor no alcanzan a estabilizarse. Por esta razón surge la necesidad de una contraprueba, en este caso manual, ofreciendo el tiempo suficiente para la estabilización de los datos y así comprobar si el elevado error relativo en la medición corresponde a esta hipótesis.

3.5.1.2 Pruebas de rutina manual

La prueba fotométrica manual consiste en recrear los movimientos y comandos de la programación automática del fotogoniómetro con la asistencia de dos operadores. El operador 1 se ubica en el cuarto oscuro entre la pared y la parte posterior del fotogoniómetro, interfiriendo mínimamente durante la ejecución de la prueba realizando los giros angulares de los ejes de rotación, y el operador 2, se ubica en la estación de control donde dirige los movimientos del operador 1 y graba los datos en un archivo de acuerdo a los movimientos de la máquina realizados por el operador 1.

Tabla 9. Matriz de Intensidades medición 2 manual para Schréder Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0° C 45° C 90° C 135° C 180° C 225° C 270° C 315°

0° 132.78 130.57 127.06 131.59 137.87 141.56 142.95 143.93

15° 136.37 141.95 136.16 142.67 136.25 121.03 118.36 133.28

30° 132.29 155.13 127.43 183.34 128.12 101.54 103.71 107.89

45° 161.00 158.26 99.32 160.67 123.90 85.47 88.37 90.61

60° 227.08 81.42 34.00 115.97 121.83 69.36 38.25 77.62

75° 62.22 47.46 2.21 49.47 67.50 18.23 2.35 15.12

90° 2.01 2.13 2.20 2.25 2.28 2.31 2.35 2.35


53

Tabla 10. Error relativo de la medición 2 manual para la luminaria Schréder Nano 1.

Gamma C 0° C 45° C 90° C

135° C

180° C

225° C

270° C

315°

0° -0.40 -0.41 -0.43 -0.41 -0.38 -0.36 -0.36 -0.35

15° -0.45 -0.53 -0.53 -0.53 -0.45 -0.31 -0.25 -0.24

30° -0.52 -0.44 -0.38 -0.34 -0.53 -0.28 -0.16 -0.24

45° -0.50 0.01 -0.05 0.03 -0.62 -0.24 -0.07 -0.20

60° -0.42 -0.17 -0.31 0.18 -0.69 -0.28 0.86 -0.19

75° -0.60 -0.14 -0.18 -0.10 -0.57 1.05 -0.02 0.70

90° -0.60 1.60 2.67 1.74 -0.54 2.85 14.67 2.92


El error relativo general de la medición manual fue de 80%, menor al 128% obtenido en la medición 1 realizada automáticamente. Los datos de intensidades grabados en la rutina son mostrados mediante coordenadas de distribución luminosa lineal, CDL Lineal, en la ilustración 26 y en la 27, comparados con los ofrecidos por el software DIALux.

Ilustración 26. Comparación entre el fabricante y medición 2 manual para Schréder Nano 1 en planos C 0°-180°.


0

50

100

150

200

250

300

350

400

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]

Medición 2 en CDL lineal planos C 0°-180° para Schréder nano 1

C 0°-180° Fabricante C 0°-180° Medición 2

54

Ilustración 27. Comparación entre el fabricante y medición 2 manual para Schréder Nano1 en los planos C 90°-270°.


Para la luminaria Roy Alpha también se realizó una prueba manual tipo medición 2, la tabla 11 muestra los resultados obtenidos y la tabla 12 el error relativo de la rutina.

Tabla 11. Matriz de Intensidades medición 2 manual para luminaria Calima I [cd/klm].

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° 93.19 89.27 96.06 100.31

15° 91.68 86.20 85.65 88.02

30° 84.81 65.07 77.93 69.04

45° 86.56 39.28 83.67 57.50

60° 120.00 13.25 112.54 45.53

75° 111.31 0.98 79.47 4.93

90° 6.79 0.98 1.00 0.99

Fuente: Elaboración propia

0

50

100

150

200

250

300

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]



55

Tabla 12. Error relativo de la medición 2 manual para la luminaria Calima I.

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° -0.55 -0.57 -0.54 -0.52

15° -0.54 -0.58 -0.57 -0.49

30° 0.04 -0.61 -0.05 -0.52

45° -0.59 -0.61 -0.61 -0.47

60° -0.64 -0.53 -0.66 0.20

75° -0.25 -0.51 -0.46 1.47

90° 6.79 0.98 1.00 0.99


Al igual que en la luminaria anterior, para la Roy Alpha Calima I el error relativo general de la medición manual fue menor, comparado con la prueba de rutina automática, pasó de 209% en la automática a 79% en la manual.

La ilustración 28 y 29 están los datos obtenidos en la medición 2 y los ofrecidos por el fabricante para la Calima I para los planos C 0°-180 y C 90°-270°, de esta ilustración puede inferirse que los datos muestran la tendencia de los datos de fabricante, pero se distan de ellos.

Ilustración 28. Comparación entre el fabricante y la medición 2 manual para Calima I en los planos C 0°- 180°.


0

50

100

150

200

250

300

350

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]

Medición 2 en CDL lineal planos C 0°-180° para Calima I


56

Ilustración 29. Comparación entre el fabricante y la medición 2 manual para Calima I en los planos C 90°- 270°.


Luego de realizar las pruebas se pudo identificar que efectivamente el error relativo general por prueba se reduce bastante en la prueba de rutina manual comparándola con la automática, como se puede observar en la tabla 13.

Tabla 13. Tabla resumen de errores generales para las diferentes pruebas a luminarias.

Luminaria Tipo de prueba Error general

Schréder - Nano 1 Automática 1.28

Manual 0.8

Roy Alpha - Calima I Automática 2.09

Manual 0.79


3.5.2 Prueba de reflexión sobre los espejos

La prueba calcula el efecto producido por la reflexión de los espejos en la medición de iluminancia emitida por la luminaria Calima I en las coordenadas (0,0) de C, ɣ. Para ello, en varios puntos de la trayectoria del haz de luz se registró la iluminancia incidente en el sensor SFH 5711 del cabezal de fotometría. En la ilustración 30 se muestra el esquema planteado, en la tabla 14 están los datos

0

50

100

150

200

250

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]

Medición 2 en CDL Lineal planos C 90°-270° para Calima I


57

recolectados de la prueba junto a sus valores derivados y en la ilustración 31 se grafican los datos.

Tabla 14. Datos de la prueba de reflexión de los espejos.

Punto de registro

Distancia

[m]

Iluminancia

[lx] Intensidad

luminosa [cd/klm] Relación

de lux

1 3.70 122.69 141.46 1.00

2 3.70 94.11 108.51 1.30

3 4.70 60.81 113.13 2.02

4 5.70 41.91 114.68 2.93

5 5.70 33.94 92.87 3.61

6 6.70 25.17 95.16 4.87

7 7.70 18.93 94.53 6.48

8 8.70 14.24 90.78 8.62

9 9.50 10.99 83.54 11.16


Ilustración 30. Esquema de registro de prueba de reflexión.


58

Ilustración 31. Curvas de iluminancia e intensidad según la distancia.


De la curva de relación de lux en la ilustración 31, se infiere que el comportamiento de la relación del primer dato de iluminancia con respecto a los demás a medida que aumenta la distancia es cuadrática, es decir, el sensor responde a la fórmula del inverso del cuadrado de la distancia. Por el contrario, la curva de lux con distancia 1 muestra que la iluminancia para una misma distancia es diferente en especial en los puntos de entrada y salida del espejo los espejos, lo cual corresponde a tener una intensidad distinta para cada punto. En contraste con lo anterior, la curva de lux con distancia 2 muestra un comportamiento cuadrático y una intensidad constante: la distancia 2 se halló para cada punto despejando la variable distancia de la ecuación del inverso del cuadrado de la distancia. Esta curva va acorde con la teoría en cuanto para una posición de la luminaria le corresponde un único valor de intensidad luminosa.

Ahora, comparando los valores de iluminancia para los puntos 1 y 2, 4 y 5 se aprecia que la reflexión en los espejos no es ideal, los lux de entrada no son los mismos de salida, además para una iluminancia dada en una posición fija de la luminaria le corresponde una distancia. La relación de la distancia indicada por la iluminancia con la distancia física del laboratorio es igual a 1,3 veces la segunda, es decir, los espejos incrementan la distancia de medida.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2 4 6 8 10 12 14

Inte

nsi

dad

lum

ino

sa [

cd/k

lm]

Ilum

inan

cica

[lx

]

Distancia [m]

Iluminancia con distancia 1 Iluminancia con distancia 2 Relación de lux

Intensidad 1 Intensidad 2

59

3.5.3 Características físicas del equipo

Las siguientes características del equipo deben interpretarse con los límites de operación del equipo.

La sujeción de las luminarias tiene un ancho de 30 cm de ancho y 40 cm de largo. Es decir, las luminarias de prueba deben estar dentro del rango mencionado.

El motor horizontal tiene un torque de 18 mN y una palanca de 8 kg a 0,4 m,

El motor vertical tiene un torque de 37 mN y una palanca de 37 kg a 1 m.

El sistema de energización trifásico para las luminarias tiene un voltaje de 208 V bifásico.

La cabeza de fotometría tiene la capacidad de medir hasta 1000 lux. Exceder este valor sobre el sensor conlleva a la saturación del equipo y mediciones erróneas. Por lo tanto, debe conservarse la distancia entre el sensor y la fuente luminosa.

3.6 PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE ILUMINACIÓN

Las prácticas para el laboratorio de iluminación propenden evidenciar los comportamientos y las leyes de la fotometría haciendo uso del fotogoniómetro rehabilitado, de esta forma experimentar directamente.

3.6.1 Comprobación de factor de corrección por perdidas en espejos

La práctica consiste en encender la función del luxómetro y sin necesidad de iniciar una rutina automática en el fotogoniómetro poder verificar la iluminancia procedente de la luminaria, tomando registro antes y después de cada uno de los dos espejos, esto con el fin de verificar las pérdidas asociadas a absorbancia y transmitancia dadas por la intervención de los espejos.

Se propone para esto liberar los ejes del fotogoniómetro para poder mover manualmente la luminaria según se requiera. Luego desplazar el luxómetro y ubicarlo justo adelante del primer espejo y tomar registro, luego ubicarlo justo después del primer espejo y tomar registro, aparentemente la iluminancia en esos dos puntos de medición debería ser prácticamente la misma ya que la distancia no

60

varía considerablemente, de manera que la diferencia entre estas 2 iluminancias será el error introducido por la intervención del espejo.

Repetir el mismo proceso desplazando el luxómetro hacia el segundo espejo, una vez se obtengan las medidas de iluminancia en los dos espejos se podrá determinar un factor que permita corregir la perdida en iluminancia al paso por los espejos en una prueba de rutina.

3.6.2 Comprobación de tamaño de los espejos

La práctica consiste en tapar con la tela negra opaca dispuesta en el laboratorio la superficie de los espejos, dejando únicamente visible un circulo en el centro geométrico de los espejos, proceder a grabar la iluminancia de esta forma en el luxómetro, luego destapar completamente el espejo y garbar nuevamente.

Esta prueba permite identificar si es necesaria la incidencia de todo el cono de la luminaria en el haz de luz o si, por el contrario, con solamente un haz lineal o puntual de la luminaria es suficiente para realizar las pruebas fotométricas. Según el registro que se obtenga de iluminancia o intensidad luminosa se podrá saber si la medida difiere o si por el contrario es la misma sin importar la porción de espejo que se use para reflejar el haz de luz de luminaria, además de comprobar si la geometría del espejo tiene incidencia en la medición.

3.6.3 Ley de Lambert o el inverso del cuadrado de la distancia

La ley de Lambert relaciona la iluminancia sobre una superficie ubicada a cierta distancia de una fuente de luz y es dada por la ecuación 5.

𝐸 =𝐼(𝐶, 𝛾) 𝐶𝑜𝑠 𝛾

𝑑2 𝑙𝑥

(5)

Donde, I es intensidad luminosa en función de los ángulos C y Gamma, d, Distancia entre centro de luminaria y cabezal de fotometría.

En este caso, la distancia de la luminaria al sensor varía a paso de un metro, de esta forma teniendo lux y distancia puede obtenerse intensidad luminosa. Así mismo, la proporción entre intensidad e iluminancia deberá corresponder al cuadrado de la distancia. Se podrán realizar pruebas modificando la distancia del sensor y realizando varias medidas que permitan encontrar una línea de tendencia que se comporte con el inverso del cuadrado de la distancia.

61

4. CONCLUSIONES

Se concluye que el fotogoniómetro queda habilitado para realizar pruebas fotométricas tipo C a luminarias de alumbrado público, con la capacidad de entregar datos angulares y de intensidad luminosa necesarios para formar una matriz de intensidades y a partir de ella, un diagrama de distribución luminosa polar y lineal, curvas isolux, isocandela, entre otras.

Se concluye que el fotogoniómetro puesto en servicio es un insumo académico para prácticas de laboratorio para el área de iluminación y alumbrado público puesto que a partir de los datos exportados de intensidad luminosa pueden derivarse varios cálculos de fotometría.

Los elementos y equipos presentes en el laboratorio de iluminación están en buen estado y son los suficientes para un adecuado funcionamiento de la máquina y su servicio.

Se comprobó a partir de las prácticas manuales y automáticas que en la programación de grabación de los datos de iluminación el tiempo es insuficiente con respecto al tiempo necesario de procesamiento por parte del sistema de medición del sensor fotométrico. Esto conlleva a incrementar el error relativo en la medición.

Para el fotogoniómetro rehabilitado las pruebas manuales tienen menor error relativo en su medición con respecto a la rutina automática, por lo cual se advierte que la programación automática tiene menor calidad de exactitud.

Se comprobó que las mediciones y pruebas propuestas condujeron a la puesta en servicio del fotogoniómetro, aunque se encontraron elementos sin destino aparente como es el sensor de frecuencia instalado en el cabezal de fotometría.

El fotogoniómetro puesto en servicio cumple con mediciones de rutina ideales para conocer el comportamiento de este tipo de equipos y analizar sus mediciones en un ambiente meramente académico, sin embargo, la realidad es que está lejos de los requerimientos para ser un equipo de buena precisión y mucho menos para certificar luminarias, debido a falencias propias del diseño y los componentes utilizados en su construcción. A su vez tiene el potencial para que en proyectos futuros pueda ser intervenido nuevamente y mejorar sus falencias de manera que pueda ser un equipo de vanguardia y certificado.

62

Se determinó la implicación de utilizar los espejos en la medida de intensidad

luminosa indicando que conlleva a prolongar la distancia de medida, por lo cual

se recomienda adecuar en el código de programa esta consideración.

63

5. CONSIDERACIONES O RECOMENDACIONES

5.1 CONSIDERACIÓN 1: FOTOMETRÍA DE CAMPO LEJANO

Al asumir el concepto de que la luminaria es una fuente puntual es posible calcular la iluminancia producida bajo cualquier circunstancia geométrica ya que produce iluminancias que siempre varían al inverso del cuadrado de la distancia, así pues, las matrices de intensidad generadas teóricamente, son basadas en la suposición de que la iluminancia varía proporcionalmente al inverso del cuadrado de la distancia y al coseno del ángulo incidente. Sin embargo, sin importar el tamaño de la luminaria de pruebas, siempre es posible elegir una distancia de medición lo suficientemente grande para que las iluminancias producidas a distancias mayores que esta, se comporten de forma muy aproximada al inverso del cuadrado de la distancia.

De esta manera se llegó a la conclusión de que, a partir de determinada distancia de medición, la aproximación de iluminancias mediante el inverso del cuadrado de la distancia se comportará de forma estable y el error en la medida disminuirá permitiendo estar entre el cero y cinco por ciento. Para que esto se cumpla, la distancia de medición debe ser de al menos cinco veces la dimensión mayor de la luminaria, como se puede apreciar en la curva de error de iluminancia dada en la ilustración 32.

Ilustración 32. Curva de error según la relación distancia - tamaño de luminaria.

Fuente: IESNA Iluminating Engineering Society of North America. The IESNA lighting handbook - Ninth edition, reference y aplication, pág 390.

En toda práctica que requiera la realización de la medida de determinada variable se podrá decir que hay probabilidad de incertidumbre y que este es un proceso más aproximado que exacto. Una medida brindará mayor confiabilidad si se mide

64

la variable directamente con el respectivo instrumento de medida, sin embargo, en algunos casos y por diversos motivos esto no es posible y un tercer elemento debe participar en el proceso, siendo medio, duplicador, o prolongador de la variable a medir. Así pues, se puede considerar que para el caso del laboratorio de iluminación objeto del proyecto, los espejos utilizados para reflejar y proyectar el haz de luz de luminaria hasta una distancia de 10 metros son en este caso ese tercer elemento que puede introducir un mayor error en la medida.

Considerando que las luminarias de alumbrado público usadas en el fotogoniómetro tienen un máximo de 0.6 centímetros de longitud, usando la regla de las cinco veces, la distancia de ubicación del cabezal de fotometría a la luminaria, que garantizaría un error menor al cinco por ciento en la medición de iluminancia es de 3 metros, por lo cual aún se tendría bastante tolerancia en espacio ya que actualmente la medida se realiza a 10 metros.

Bajo este concepto se podría considerar usar la medición de luminarias directamente hasta el cabezal de fotometría, ubicándolo a 3 metros logrando retirar los espejos para generar una medida directa en la cual se reduce el error y garantiza el cumplimiento de la regla de las 5 veces.

5.2 CONSIDERACIÓN 2: ELECCIÓN PARA HALLAR INTENSIDAD LUMINOSA

La ecuación 6 permite determinar la intensidad luminosa directamente a partir del cociente del flujo luminoso en un ángulo solido o estereorradián. Si no se cuenta con estos, una forma indirecta es despejando la intensidad en la ecuación 7. Esta ecuación es conocida comúnmente como la ley inversa del cuadrado de la distancia y sirve para determinar la iluminancia en un lugar puntual.

𝐼 = Φ

Ω cd

(6)

𝐸 = 𝐼

𝑑2 𝑙𝑥

(7)

De la ecuación 7, E es iluminancia en un lugar puntual, d es la distancia entre la fuente puntual e I es la intensidad luminosa. Esta ecuación está destinada para una fuente puntual alejada de una superficie. Para hacer uso de esta en mediciones experimentales debe revisarse lo dicho en la consideración 1.

65

Para el caso en que la luz no este perpendicular sobre la superficie, sino que incida con un ángulo respecto a un vector unitario normal de ella, véase la ilustración 33, se procede a utilizar la ecuación 5, llamada la ley de Lambert o ley del coseno.

𝐸 =𝐼(𝐶, 𝛾) cos 𝛾

𝑑2 𝑙𝑥

(5)

De la ecuación 5, ɣ (gamma) es el ángulo de incidencia de la luminaria sobre la superficie. La diferencia entre la ecuación 5 y 7 es un sistema de coordenadas similar a las esféricas, (véase la página 24 del presente trabajo).

Ahora, como se aprecia en la ilustración 33, dado que la distancia d al punto de iluminancia no es la misma cuando la luminaria es perpendicular a la superficie, h. La distancia d puede expresarse haciendo uso del coseno de gamma quedando en términos de h y coseno como se muestra en la ecuación 8.

Ilustración 33. Iluminancia sobre un punto de la superficie.


𝐸 =𝐼(𝐶, 𝛾) ∙ 𝑐𝑜𝑠3𝛾

ℎ2 𝑙𝑥

(8)

O en términos de intensidad luminosa como indica la ecuación 9.

𝐼 =𝐸(𝐶, 𝛾) ℎ2

𝑐𝑜𝑠3𝛾 𝑙𝑥

(9)

66

Teniendo en cuenta lo anterior, se procedió a realizar mediciones haciendo uso de las ecuaciones 7 y 9 en términos de intensidad luminosa debido a que el cabezal de fotometría censa iluminancia, la distancia de medición es elegida convenientemente a 8,9 m y el ángulo gamma es aportado por el codificador en el computador.

Por la ubicación de los equipos en las pruebas fotométricas del laboratorio, el cos γ para las ecuaciones 7 y 9 siempre va a ser igual a 1 y al despejar intensidad luminosa, se puede reescribir la ecuación 7 de la siguiente manera.

𝐼 = 𝐸(𝐶, 𝛾) 𝑑2 𝑙𝑥

(10)

Esta consideración es nueva con respecto a los algoritmos del diseño anterior, en el cual se distinguen dos intensidades luminosas, una calculada con el sensor SFH 5711 y otra con el BH 1620. La medición del primer sensor es más cercana a la curva de sensibilidad del ojo humano en el día, por lo tanto, se eligió este para calcular la intensidad luminosa mediante los dos métodos propuestos; la ley del cubo del coseno y la del inverso del cuadrado de la distancia, para un total de 4 parámetros diferentes para verificar intensidad luminosa.

Las ecuaciones 7 y 9 se integraron al software de manejo del fotogoniómetro aplicándolas al sensor SFH 5711, con el fin de verificar y comparar el comportamiento de intensidad luminosa para el caso de las dos luminarias objeto de las pruebas del presente proyecto.

Para estas pruebas se seleccionaron pasos angulares de (45,15) en (C, ɣ) respectivamente, a continuación, se presentan los resultados de dichas rutinas, empezando con la luminaria Schréder Nano 1 con el método del cubo del coseno y error relativo de esta prueba respecto a datos tomados como parámetro de DIALux, vistos en las tablas 15 y 16 respectivamente.

67

Pruebas automáticas, Luminaria Schréder – Nano 1, método del cubo del coseno y del inverso del cuadrado de la distancia

Tabla 15. Matriz de intensidades prueba automática Cos3 Schréder Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0° C 45° C 90° C

135° C

180° C

225° C

270° C

315°

0° 111.49 106.46 103.34 106.69 114.78 117.67 120.83 121.1

15° 120.56 120.07 116.16 119.6 117.95 111.75 111.49 117.57

30° 154.96 170.42 147.51 194.35 144.61 120.66 120.42 129.62

45° 306.7 318.34 205.53 318.67 223.1 172.49 171.9 173.35

60° 830.76 498.15 244.72 658.76 553.2 348.65 361.7 361.34

75° 1000 885.36 577.6 963.19 956.88 873.17 685.66 875.9

90° 1000 998.67 980.46 1000 1000 1000 972.64 1000


Tabla 16. Error relativo matriz fabricante Vs prueba automática Cos3 Schréder Nano 1.

Gamma C 0° C 45° C 90° C 135° C

180° C 225° C 270° C 315°

0° -0.50 -0.52 -0.53 -0.52 -0.48 -0.47 -0.46 -0.45

15° -0.51 -0.60 -0.60 -0.61 -0.52 -0.36 -0.29 -0.33

30° -0.44 -0.39 -0.28 -0.30 -0.47 -0.15 -0.02 -0.09

45° -0.05 1.04 0.98 1.04 -0.31 0.53 0.81 0.53

60° 1.12 4.08 3.99 5.72 0.41 2.63 7.82 2.76

75° 5.37 15.10 213.72 16.51 5.09 97.33 285.89 97.64

90° 199.0 1216.8 1633.1 1218.5 199.00 1665.6 6483.2 1665.6


Como se puede observar en la tabla 16 el error relativo es cada vez más alto para valores de Gamma acercándose a 90°.

Así mismo en las tablas 17 y 18 se muestra la matriz de intensidades para el método del inverso del cuadrado de la distancia y su tabla de error relativo respectivamente para la luminaria Schréder Nano 1.

68

Tabla 17. Matriz de intensidades prueba automática inverso del cuadrado de la distancia Schréder Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0° C 45° C 90° C 135° C 180° C 225° C 270° C 315°

0° 111.49 106.53 103.36 106.74 114.79 117.69 120.84 121.09

15° 112.32 112.90 109.39 113.18 111.00 104.20 103.85 110.61

30° 109.26 123.45 105.94 143.40 105.50 87.70 88.29 95.24

45° 125.94 132.72 87.17 138.60 96.97 74.99 75.74 77.69

60° 167.79 81.72 41.82 113.17 96.10 61.53 65.11 65.93

75° 91.27 35.43 17.01 60.94 72.54 52.11 26.43 45.08

90° 17.97 16.37 16.11 17.53 19.28 17.08 16.15 17.12


Tabla 18. Error relativo de la prueba automática con el inverso del cuadrado de la distancia Schréder Nano 1.

Gamma C 0° C 45° C 90° C 135° C 180° C 225° C 270° C 315°

0° -0.50 -0.52 -0.53 -0.52 -0.48 -0.47 -0.46 -0.45

15° -0.54 -0.63 -0.62 -0.63 -0.55 -0.40 -0.34 -0.37

30° -0.60 -0.56 -0.49 -0.49 -0.62 -0.38 -0.28 -0.33

45° -0.61 -0.15 -0.16 -0.11 -0.70 -0.34 -0.20 -0.31

60° -0.57 -0.17 -0.15 0.15 -0.75 -0.36 0.59 -0.31

75° -0.42 -0.36 5.32 0.11 -0.54 4.87 10.06 4.08

90° 2.59 18.96 25.85 20.38 2.86 27.47 106.67 27.53


La tabla 17 presenta un error relativo bastante alto para valores de Gamma igual a 90°, sin embargo, no tan extremo como en el caso del Cos3, pero si un poco más que la Medición 1.

En la ilustración 34 se compara el comportamiento entre los datos de intensidad luminosa de la matriz del fabricante con las matrices obtenidas por los datos generados con la máquina utilizando los diferentes métodos para los planos C 0°-180°, donde la parte derecha del eje vertical es C 0° y la parte izquierda C 180°. Del mismo modo la ilustración 35 compara los planos C 90°-270° para fabricante y los demás métodos, donde la parte derecha del eje vertical es C 90° y la parte izquierda C 270°. Además, se utiliza un segundo eje vertical para representar los valores elevados dados por la prueba del coseno cubo.

69

Ilustración 34. Comparación entre métodos de prueba utilizados con respecto al fabricante para los planos C 0°-180°.


Ilustración 35. Comparación de los métodos de pruebas utilizados con respecto al fabricante para los planos C 90° - 270°.


Se observa en los planos cierta similitud en las tendencias, sin embargo, en ángulos Gamma acercándose a 90°, el comportamiento del método del coseno

0

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400

600

800

1000

1200

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

-100 -50 0 50 100

Inte

nsi

dad

Lu

min

osa

(cd

/klm

)

Ángulos °Gamma

Distribución lineal Schréder Nano 1 para todos los métodos en planos C 0° - 180°

Fabricante Medición 1 Ley inversa del cuadrado Coseno cubo

0

200

400

600

800

1000

1200

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

-100 -50 0 50 100

Inte

nsi

da

d L

um

ino

sa (

cd

/klm

)

Ángulos °Gamma

Distribución lineal Schréder Nano 1 para todos los métodos en planos C 90 - 270


70

cubo es completamente diferente y se aleja de la tendencia de la curva patrón del fabricante, esto se debe al efecto del comportamiento de la función coseno, al acercarse al valor de 90° ya que su valor tiende a cero y en la ecuación 9 al estar en el denominador tiende al infinito. Para los demás métodos se observa en los planos cierta similitud entre las curvas al comportamiento de la Medición 1, salvo que las magnitudes de intensidad luminosa de la Medición 1 son un poco más altas, esto presumiblemente por la ausencia de un factor de corrección por perdidas en la medida por intervención de los espejos.

Pruebas automáticas, Luminaria Roy Alpha – Calima I, método del cubo del coseno y del inverso del cuadrado de la distancia

Para la luminaria Calima I en la tabla 19 se muestra la matriz de intensidades conseguida por la prueba fotométrica con el método del coseno cubo y en la tabla 20 se muestra el error relativo debido a la comparación con la matriz del fabricante.

Tabla 19. Matriz de intensidades prueba automática con Cos3 para Calima I [cd/klm].

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° 78.34 74.87 80.91 83.26

15° 83.93 79.1 78.44 82.51

30° 103.87 82.69 91.56 84.45

45° 179.23 93.31 158.86 116.16

60° 625.32 93.13 526.42 230.99

75° 982.64 254.13 959.93 519.67

90° 1000 893.8 1000 921.58


71

Tabla 20. Error relativo para el Cos3 para la Calima I.

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° -0.63 -0.64 -0.61 -0.60

15° -0.58 -0.61 -0.61 -0.53

30° 0.27 -0.51 0.12 -0.42

45° -0.15 -0.07 -0.25 0.08

60° 0.88 2.33 0.58 5.08

75° 5.64 126.07 5.49 258.84

90° 999.00 892.80 999.00 920.58


Como se aprecia en la tabla 20, la ecuación 9 para hallar intensidad viene presentando un error relativo bastante alto para valores de Gamma igual a 75° y 90°, tanto en el caso de la luminaria Nano 1 y como en esta.

Luego, en las tablas 21 y 22 se muestra la matriz de intensidades para el método del inverso del cuadrado de la distancia y su tabla de error relativo respectivamente para la luminaria Roy Alpha – Calima I.

Tabla 21. Matriz de intensidades prueba automática inverso del cuadrado de la distancia para la luminaria Roy Alpha Calima I [cd/klm].


180° C

270°

0° 83.08 79.40 85.82 88.30

15° 82.25 79.80 77.17 81.72

30° 76.37 61.51 69.66 64.42

45° 76.37 40.41 71.60 53.11

60° 99.82 16.23 91.68 43.35

75° 102.25 7.29 78.63 19.16

90° 26.26 6.80 15.48 7.12


72

Tabla 22. Error relativo prueba automática inverso del cuadrado de la distancia para la luminaria Roy Alpha - Calima I.


180° C

270°

0° -0.60 -0.62 -0.59 -0.58

15° -0.59 -0.61 -0.61 -0.53

30° -0.07 -0.63 -0.15 -0.56

45° -0.64 -0.60 -0.66 -0.51

60° -0.70 -0.42 -0.72 0.14

75° -0.31 2.65 -0.47 8.58

90° 25.26 5.80 14.48 6.12


Esta medición no fue la excepción en presentar un error relativo bastante alto para valores de Gamma igual a 90° sin embargo no llega a ser tan alto como el del método del coseno cubo.

En las ilustraciones 36 y 37 se compara el comportamiento entre los datos de intensidad luminosa de la matriz del fabricante con las matrices obtenidas por los datos generados con la máquina utilizando los diferentes métodos para los planos C 0°-180° y C 90°-270°, donde la parte derecha del eje vertical en los planos es C 0° y C 90° y la parte izquierda C 180° y C 270° respectivamente. Además se utiliza un segundo eje vertical para representar los valores elevados dados por la prueba del coseno cubo.

73

Ilustración 36. Comparación de los métodos de prueba utilizados con respecto al fabricante para los planos C 0° - 180°


Ilustración 37. Comparación de los métodos de prueba utilizados con respecto al fabricante para los planos C 90° - 270°


Como se puede apreciar en las ilustraciones 36 y 37 existe una relación en tendencias entre la medición del fabricante, la medición 1 y la inversa del cuadrado, aunque en magnitudes bastante inferiores, presumiblemente por no

0

200

400

600

800

1000

1200

0

50

100

150

200

250

300

350

-100 -50 0 50 100

Inte

nsi

da

d L

um

ino

sa (

cd

/klm

)

Ángulos °Gamma

Distribución lineal Roy Alpha - Calima I para todos los métodos en planos C 0° - 180°


0

200

400

600

800

1000

-50

0

50

100

150

200

250

-100 -50 0 50 100

Inte

nsi

da

d L

um

ino

sa (

cd

/klm

)

Ángulos °Gamma

Distribución lineal Roy Alpha - Calima I para todos los métodos en planos C 90° - 270°


74

tener en cuenta perdidas en los espejos que participan en las pruebas, por el contrario en el método del coseno cubo se observa que la curva está aún más alejada a las restantes, y en valores cercanos a 90° en Gamma se aleja totalmente de la curva patrón y el error aumenta demasiado, como se dijo anteriormente esto es debido al efecto de la función coseno en la ecuación 9 de intensidad luminosa.

RUTINAS MANUALES

Las consideraciones anteriores fueron tenidas en cuenta para realizar una rutina manual de medición. Los resultados para la Nano 1 se muestran en la tabla 23 junto con su error en la tabla 24, así mismo, las CDL lineal para varios planos de C en las ilustraciones 38 y 39. En estas, el segundo eje vertical le corresponde a la fórmula del coseno cubo por sus valores elevados.

Tabla 23. Matriz de intensidades manual con inverso del cuadrado de la distancia Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0° C 45° C 90° C 135° C 180° C 225° C 270° C 315°

0° 105.80 104.07 101.22 104.86 109.75 112.75 113.86 114.65

15° 108.65 113.07 108.49 113.54 108.49 96.33 94.28 106.12

30° 105.33 123.49 101.54 146.07 102.01 80.85 82.59 85.91

45° 128.23 126.02 79.12 127.91 98.70 68.06 70.43 72.17

60° 180.81 64.90 27.00 92.38 97.12 55.27 60.80 61.74

75° 49.59 36.79 16.11 39.32 53.69 29.06 16.11 25.90

90° 16.11 16.11 16.11 16.11 16.11 16.11 16.11 16.11


Tabla 24. Error relativo de la medición manual con el inverso del cuadrado para nano 1.

Gamma C 0° C 45° C 90° C 135° C 180° C 225° C 270° C 315°

0° -0.52 -0.53 -0.54 -0.53 -0.51 -0.49 -0.49 -0.48

15° -0.56 -0.63 -0.62 -0.63 -0.56 -0.45 -0.40 -0.39

30° -0.62 -0.56 -0.51 -0.48 -0.63 -0.43 -0.33 -0.40

45° -0.60 -0.19 -0.24 -0.18 -0.69 -0.40 -0.26 -0.36

60° -0.54 -0.34 -0.45 -0.06 -0.75 -0.42 0.48 -0.36

75° -0.68 -0.33 4.99 -0.29 -0.66 2.27 5.74 1.92

90° 2.22 18.64 25.85 18.64 2.22 25.85 106.38 25.85


75

Esta medición presenta mayor error en primera instancia por desconsiderar las perdidas por reflexión en los espejos utilizados y no utilizar otros sensores como si lo hace la medición 1. Puede inferirse de la tabla 22 que los valores obtenidos están en su mayoría por debajo del valor de referencia y la fila de gamma 90° presenta los mayores errores de medición.

Las ilustraciones 38 y 39 evidencian la similitud entre la fórmula del inverso del cuadrado y la utilizada por los diseñadores del fotogoniómetro. En cuanto al Cos3, su valor se proyecta al infinito cuando el coseno es cero al estar este en el denominador en la ecuación 9.

Para la ecuación 9 que presenta el coseno cubo, la tabla 25 presenta los datos registrados y la tabla 26 su error relativo.

Tabla 25. Matriz de intensidades manual con coseno cubo Nano 1 [cd/klm].

Gamma C 0° C 45° C 90° C

135° C

180° C

225° C

270° C

315°

0° 105.78 103.98 101.19 104.83 109.80 112.74 113.84 114.63

15° 121.31 126.20 121.00 127.27 121.36 107.67 105.09 118.95

30° 162.93 190.54 159.72 225.19 158.42 126.58 127.74 133.40

45° 376.42 366.58 225.99 375.64 287.69 200.78 204.68 212.85

60° 1000.0 534.91 228.91 795.37 787.61 463.12 517.86 520.40

75° 1000.0 973.40 973.68 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0

90° 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0


Tabla 26. Error relativo de la medición manual con coseno cubo para Nano 1.

Gamma C 0° C 45° C 90° C

135° C

180° C

225° C

270° C

315°

0° -0.52 -0.53 -0.54 -0.53 -0.51 -0.49 -0.49 -0.48

15° -0.51 -0.58 -0.58 -0.58 -0.51 -0.38 -0.33 -0.32

30° -0.41 -0.32 -0.22 -0.19 -0.42 -0.11 0.04 -0.06

45° 0.17 1.35 1.17 1.41 -0.11 0.78 1.15 0.88

60° 1.56 4.46 3.67 7.12 1.01 3.82 11.63 4.42

75° 5.37 16.70 360.96 17.18 5.37 111.61 417.41 111.61

90° 199.0 1218.5 1665.6 1218.5 199.0 1665.6 6665.6 1665.6


76

En la tabla 25 es notorio el efecto del coseno a medida que el ángulo gamma aumenta hasta llegar a 90°. Estos valores se alejan demasiado de los valores de referencia. Esto también se sustenta en la tabla 26, donde se exhiben errores de mayores al ciento por ciento. Por tales motivos, se desaconseja usar la ecuación 9 para este tipo de medición de intensidad luminosa.

En cuanto a las ilustraciones 38 y 39 se puede inferir que ninguna medición muestra la misma característica o tendencia del fabricante en sus CDL lineal, excepto el caso para el plano C 0°. Lo cual deja la duda sobre los datos utilizados como referencia y el sistema de medición disponible en el laboratorio de iluminación: perdidas por reflexión sobre los espejos, disposición de luminaria en medición diferente a la de trabajo, sensor con valores mínimos errados.

Ilustración 38. Comparación entre formulas y fabricante para la nano 1.


0

200

400

600

800

1000

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]


C 0°-180° Fabricante C 0°-180° Ley inversa del cuadrado

C 0°-180° Medición 2 C 0°-180° Cos3

77

Ilustración 39. Comparación entre formulas y fabricante para la nano 1.


Finalmente, se realizó para la luminaria Calima I la misma medición anterior obteniendo la tabla 27 y 29 que son la matriz de intensidades para la ecuación 9 y 10 respectivamente. El error relativo para cada una la tabla 28 y 30 en el mismo orden.

Tabla 27. Matriz de intensidades con Coseno cubo para Calima I [cd/klm].

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° 78.39 75.10 80.81 84.38

15° 85.70 80.69 80.02 82.94

30° 110.02 86.37 101.63 91.39

45° 208.79 97.91 205.64 141.00

60° 863.73 96.97 780.90 315.90

75° 1000.0 376.59 1000.0 582.04

90° 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0


0

200

400

600

800

1000

1200

0

50

100

150

200

250

300

-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]

en CDL lineal planos C 90°-270° para Schréder nano 1

C 90°-270° Fabricante C 90°-270° Ley inversa del cuadrado

C 90°-270° Medición 2 C 90°-270° Cos3

78

Tabla 28. Error relativo para el coseno cubo para Calima I.

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° -0.62 -0.64 -0.61 -0.60

15° -0.57 -0.61 -0.60 -0.52

30° 0.34 -0.49 0.24 -0.37

45° -0.02 -0.02 -0.03 0.31

60° 1.59 2.46 1.35 7.31

75° 5.76 187.30 5.76 290.02

90° 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0


Tabla 29. Matriz de intensidades con el inverso de cuadrado para Calima I [cd/klm].

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° 182.87 175.24 188.45 196.81

15° 179.94 169.22 168.05 172.74

30° 166.58 127.69 152.93 135.61

45° 169.81 77.05 164.23 112.86

60° 235.56 25.98 221.03 89.38

75° 218.54 14.97 155.87 22.16

90° 26.56 14.97 14.97 14.97


Tabla 30. Error relativo para la ecuación 10 (Inverso del cuadrado) para la Calima I.

Gamma C 0° C 90° C 180° C 270°

0° -0.13 -0.16 -0.10 -0.06

15° -0.10 -0.17 -0.16 -0.01

30° 1.04 -0.24 0.87 -0.06

45° -0.20 -0.23 -0.23 0.05

60° -0.29 -0.07 -0.34 1.35

75° 0.48 6.49 0.05 10.08

90° 26.56 14.97 14.97 14.97


79

En la ilustración 40 y en la 41 se exponen los valores obtenidos usando la ley inversa del cuadrado de la distancia y con coseno cubo en CDL lineal. En cada una, los valores de la ecuación 10 exhibe mayor similitud con los datos del fabricante en tendencia y en magnitud. Por su parte, el coseno cubo no muestra ninguna característica favorable para la medición.

Ilustración 40. Comparación entre formulas y fabricante para la Calima I en C 0°-180°.


0

200

400

600

800

1000

0

50

100

150

200

250

300

350

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]

CDL lineal para Calima I en C 0°-180°

C 0°-180° Fabricante C 0°-180° P-Finv C 0°-180° Medición 2 C 0°-180° P-FO

80

Ilustración 41. Comparación entre formulas y fabricante para la Calima I planos C 90°-270°.


0

200

400

600

800

1000

0

50

100

150

200

250

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Inte

nsi

dad

[cd

/ k

lm]

Ángulo gamma [°]

CDL Lineal para Calima I en C 90°-270°

C 90°-270° Fabricante C 90°-270° P-Finv C 90°-270° Medición 2 C 90°-270° P-FO

81

ANEXOS

Anexo 1. Plano eléctrico del Fotogoniómetro

82

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83

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