Objectius

Els objectius d'aquesta pràctica són:

• Mesurar la intensitat de radiació solar amb el sensor d'intensitat lluminosa.
• Mesurar una magnitud amb dues unitats diferents.

Flux radiant i flux lluminós

El flux de radiació emès per un focus de llum és l'energia que cada segon irradia a l'espai i es mesura en W . Aquesta magnitud física suma les energies que aporten cadascuna de les freqüències de l'espectre, sense destacar-ne cap en particular. En canvi, el nostre ull no té la mateixa sensibilitat (eficàcia lluminosa) per a totes les longituds d'ona de l'espectre visible. Aquestes van des d'uns 380 nm fins a 780 nm, i té un màxim per als 555 nm, tal com es veu a la gràfica inferior extreta del llibre "Medida del color" de Eduardo J. Gelabert editat per la UPV:

El flux lluminós, que es mesura en Lúmens, pondera aquesta diferent sensibilitat de l'ull humà i es defineix per a la longitud d'ona a la qual és més sensible: 1W de flux radiant d'una llum verda de 555 nm són 683 lúmens de flux lluminós.

Irradiància i Il·luminància.

Quan una radiació il·lumina una superfície, la quantitat d'energia (joules) que arriba per unitat de temps (s) i per unitat d'àrea (m²) s'anomena Irradiància i es mesura en W/m².

La magnitud fotomètrica corresponent és la Il·luminància: aquesta valora cada freqüència segons la seva capacitat de sensibilitzar l'ull i es defineix per a la longitud d'ona a la qual és més sensible l'ull humà.

Per exemple, una irradiància de 1 W/ m² d'una llum verda de 555 nm produeix una il·luminància de 683 lux. Per tant 1 Lux =1 lumen / m² .

En resum :

• 1W = 683 lúmens
• 1 lux = 1 lumen / m²
• Per tant 683 lux = 1 W/ m²

La primera i tercera relacions només són vàlides per a la llum monocromàtica de 555nm.

Fonts de llum

Si se sap la distribució energètica espectral d'una determinada llum, es pot calcular la seva eficiència lluminosa.Per a això, cal ponderar cada longitud d'ona del seu espectre segons la seva eficàcia.

Segons el llibre citat abans, les eficàcies de diversos il·luminants estàndards i del cos negre en funció de la temperatura són:

Els tubs fluorescents tenen eficàcies que van des de 200 fins a 350 lumen/W (ó lux/(W/ m²). La llum solar té una eficàcia variable segons l'estat de l'atmosfera i segons l'altura del sol.

Els fotodiodes de silici i l'ull humà

Els sensors de irradiància (W/m²) són sensibles fins a 1100 nm, és a dir mesuren també part dels infraroigs, tal com s'aprecia a la gràfica següent ( normalment són fotodiodes de silici sense filtre, encara que n'hi d'altres):

El sensor de llum que mesura la il·luminància, respon segons la corba d'eficiència de l'ull, que s'anul·la per a longituds d'ona infraroigs, superiors a 770 nm, tal com es veu a la gràfica inferior.

Això s'aconsegueix, normalment, posant sobre un fotodiode de silici un filtre que té la mateixa corba de transmitància que la de la sensibilitat de l'ull.

Què mesura el sensor de llum Multilog?

El sensor de llum de l'equip MultiLog aparentment ofereix la possibilitat de mesurar la Il·luminància en lux i la irradiància en W/m².

En realitat, però, mesura la il·luminància en lux i ho converteix en irradiància en W/m^{2. Per} fer això, usa el factor anterior de 683 lux =1 W/ m², com si tota la llum fos monocromàtica de 555 nanòmetres.

Segons el què s'ha dit anteriorment, si hem mesurat la il·luminància ( lux), per calcular correctament la irradiància (W/m²), hem de saber l'eficàcia mitjana de la font de llum que estem mesurant.

Els autors del curs han fet mesures amb bombetes d'incandescència i han trobat que cal prendre 45 lux/ (W /m²), com a valor aproximat, en lloc de 683 lux = 1 W/ m².

• Això vol dir que per calcular la irradiància en W/m² s'han de dividir per 45 els valors mesurats pel sensor en lux.
• En canvi, si posem en el programa Multilab com a unitat de mesura els W/m², el valor real de il·luminància (lux) s'obtindrà al multiplicar per 683 la mesura. El valor més aproximat al real de la irradiància es determina dividint per 45 aquest últim valor de il·luminància calculat.

Les conversions de il·luminància (lux) a irradiància (W/m²⁾ que es facin per a la llum solar, forçosament tindran un error.

Sembla que amb aquest sensor de Multilog només es poden fer mesures de llum normal directa, enfocant el sensor perpendicularment als raigs solars, ja que no té difusor i a més està enfonsat. A les estacions de mesura de radiació, el sensor es situa horitzontalment, i les mesures són globals, és a dir, sumen la radiació directa i la difusa. Però, si el sol no està molt alt al cel, el nostre sensor no rebria la radiació directa, degut al seu enfonsament.

Segons el que acabem de dir i els càlculs de Daniel Guerrero Millán, presentats en el Congreso Internacional de Iluminación celebrat a León el 2005; es proposa una eficàcia lluminosa solar mitjana de 94,2 lux/(W/m²)

Aquest valor anterior determina una "constant d'il·luminació solar" (Radiació que arriba a les capes altes atmosfèriques) de 128 klx. Com que el nostre sensor de 130 Klux té un límit superior real de 137 klux en és útil per fer mesures de radiació solar directa.

• Tot això vol dir que per calcular la irradiància en W/m² s'han de dividir per 94.2 els valors mesurats pel sensor en lux.
• En canvi, si posem en el programa Multilab com a unitat de mesura els W/m², el valor real de il·luminància (lux) s'obtindrà al multiplicar per 683 la mesura. El valor més aproximat al real de la irradiància es determina dividint per 94,2 aquest últim valor de il·luminància calculat.

Podeu mesurar la intensitat de la radiació solar amb el sensor de nivell de llum, 0 ~ 130 klux de l'equip MultiLog d'una manera fiable?

• Munteu el sensor de nivell de llum tal com es mostra a la fotografia

Seguiu els passos següents per descarregar les dades i analitzar-les:

• Connecteu el captador de dades al port USB de l'ordinador i a la font d'alimentació.
• Obriu la consola amb .
• Endolleu el sensor d'intensitat lluminosa 0-130 klx al sòcol I/O 1.
• Obriu el programa MultiLab i tanqueu totes les finestres menys la de gràfic.
• Obriu Configura i us apareixerà la següent pantalla:

• Premeu la icona Descarrega o bé clicant Enregistrador | Descarregar a la mateixa barra de menús.
• Apareix la gràfica. Noteu que en un eix vertical apareix l'escala en klx i a l'altre en
  W · m^-2.

• Amb Commuta primer cursor inseriu un cursor a la gràfica d'intensitat de llum, arrossegueu-lo amb el ratolí i determineu el valor de la màxima intensitat de llum.