Fotómetro

El fotómetro se utiliza básicamente para medir la iluminancia. Basándose en la unidad de iluminancia, el fotometro que se utiliza exclusivamente para este propósito también se le denomina luxómetro. Ahora bien, también puede utilizar un fotómetro para determinar la proporción de sustancias extrañas o la concentración de mezclas conocidas de sustancias atenuando la intensidad de la luz. Este tipo de dispositivos que están equipados con un recipiente de muestras, también se les denomina turbidímetros. Los criterios de selección de un fotometro dependen principalmente del uso que se le dará; si es para medir la iluminancia o como instrumento de medición para determinar las propiedades de un líquido.

Para el ojo humano, es más difícil capturar detalles, colores y estructuras espaciales en la creciente oscuridad. Por lo tanto, una iluminación adecuada a la situación es importante para percibir situaciones peligrosas. Además, aumenta la capacidad de concentración en el trabajo y las tareas de aprendizaje. Esto aplica por igual al ámbito privado como al sector público. La luz también desempeña un papel decisivo en el desarrollo y crecimiento de las plantas y en la durabilidad de ciertas sustancias. En las directrices de salud y seguridad laboral, los reglamentos de prevención de accidentes y las normas técnicas, se prescribe o recomienda un valor mínimo de intensidad de luz para muchas zonas. Para garantizar el cumplimiento de estos valores de iluminancia se utiliza un dispositivo que mida en lux. Por ejemplo, la medición en escritorios o bancos de trabajo se realiza en la superficie de la mesa, y en las pizarras o tablero se mide en su superficie. La iluminancia es un valor dependiente del área que indica cuánto flujo luminoso incide en una superficie. Un lux corresponde a un lumen por metro cuadrado.

Rango de medición del fotómetro
En un día soleado la luz natural alcanza valores mucho más altos que los requeridos para las tareas visuales y la mayoría de los procesos técnicos y naturales. Para evaluar el rango de medición necesario es importante determinar si con el fotómetro desea comprobar únicamente los valores mínimos requeridos, o si, por lo contrario, también debe registrar altos valores de luz diurna para determinadas evaluaciones. Para las mediciones en interiores un rango de medición de 2.000 o 10.000 lux es generalmente suficiente. Sin embargo, para las mediciones de la luz del día en exteriores, el rango de medición debe ser de 100.000 lux o más.

La precisión del fotómetro
La precisión de la medición de muchos dispositivos es del 3 o 5 por ciento del valor de medición. Si esta incertidumbre es demasiado alta para su trabajo de medición debería elegir un dispositivo con una mejor resolución. Además, tenga en cuenta que el sensor y filtro de algunos fotómetros están calibrados para determinadas fuentes de luz. Esos dispositivos miden con mayor precisión la iluminancia de esas determinadas fuentes de luz. Al medir la iluminación en zonas de vivienda y de trabajo, la sensibilidad espectral del fotodiodo debe adaptarse a la sensibilidad de brillo del ojo humano. Con este fin, la Comisión Internacional de la Iluminación (CIE) define la eficiencia luminosa de las diferentes longitudes de onda de zonas oscuras y brillantes de un observador normal.

Medición del color de la luz
Algunos fotómetros que miden la iluminación, además de registrar la iluminancia también registran las coordenadas de color de la luz incidente. Los valores colorimétricos pueden ser indicados como tres colores primarios en modelos de color aditivo de tres partes. Los valores se especifican entonces, por ejemplo, como valores X, Y y Z según el espacio de color CIE-XYZ o como valores de rojo, verde y azul según el espacio de color CIE-RGB. Muchos de estos fotómetros, además de indicar los valores numéricos para los respectivos colores primarios, también muestran la distribución del color gráficamente en una pantalla a color.

Fotómetro para mediciones móviles o estacionarias
Normalmente se mide el control de la iluminación de los puestos de trabajo y las carreteras con un fotómetro móvil. Recomendamos usar un fotómetro de instalación fija en aquellas zonas en que la falta o la excesiva luz puede causar daños graves, o en las que una gama limitada de iluminancia permite obtener resultados óptimos. Tanto para los fotómetros móviles como los de instalación fija existen versiones con la función de registro de datos. Los dispositivos de instalación fija suelen ofrecer la posibilidad de controlar los sistemas de sombreado o las fuentes de luz artificial o de activar avisos ópticos o acústicos mediante salidas de relé o de control cuando se alcanzan determinados valores.

Con un fotometro puede determinar la medida en que un medio dificulta el paso de la luz. Para ello se compara la iluminancia sin pérdida de intensidad por la sustancia con la iluminancia después de la penetración del medio. Un ejemplo de uso es la prueba de la transmisión de luz de los vidrios y plásticos transparentes para la luz de ciertas longitudes de onda. Estos valores son importantes para las lentes de gafas, gafas técnicas y vidrios de edificios residenciales e industriales, entre otros. Para esas mediciones, el fotómetro debe estar diseñado para que las longitudes de onda sean filtradas o permitir el ajuste de diferentes rangos de longitudes de onda. En el caso de los líquidos transparentes, el valor de la atenuación de la luz suele estar directamente relacionado con otras propiedades de la mezcla de sustancias.

Métodos y valores de medición de un fotómetro para la medición de la turbidez
El fotómetro utiliza un sensor de luz para medir ópticamente la intensidad de la luz que penetra en una sustancia. Para reducir la influencia de las absorciones dependientes del color en las sustancias coloreadas, se suele utilizar una fuente de luz infrarroja con un rango de longitud de onda de unos 860 nanómetros. El transmisor y el receptor de luz pueden ser dispuestos en el fotómetro de diferentes maneras. En todas las disposiciones, la fotocélula mide la intensidad de la luz, tanto con como sin la sustancia objeto a medir, para tener en cuenta la influencia del recipiente de la muestra.

Medición de luz transmitida - Método 0°
La medición de la radiación que penetra en la muestra en línea recta se conoce como turbidimetría. Este método es muy adecuado para las sustancias fuertemente turbias. La fuente de luz y el sensor de luz están situados en lados opuestos de la muestra. Los valores medidos se suelen mostrar en la unidad FAU (Formazin Attenuation Units = Unidades de Atenuación de Formazin) según la norma EN 7027-1. Un rango de medición habitual suele ser de 40 a 4.000 FAU.

Medición de la luz dispersa lateral - método de 90°
El método en el que se detecta la luz dispersada lateralmente por la muestra se denomina nefelometría. Esta medición se utiliza a menudo para medir sustancias con una ligera turbidez. La unidad receptora está dispuesta perpendicularmente con respecto a la fuente de luz y detecta sólo la luz dispersada lateralmente. El valor se da en la unidad NTU (unidad de turbidez nefelométrica) según EN 7027-1. Los valores suelen estar entre 0,05 y 400 NTU. Se dispone de unidades especiales, por ejemplo, para la medición de la turbidez de la cerveza con EBC en Europa y ASBC en los EE.UU.

Medición de la luz retrodispersada - método de 180° y mediciones multiángulo
En algunas aplicaciones también se mide la luz reflejada en la dirección de la fuente de iluminación. Para estas mediciones, las unidades transmisora y receptora se colocan directamente una al lado de la otra. Algunos fotómetros también están equipados con varios sensores. Esto permite, por ejemplo, la medición de la luz transmitida y de la luz dispersa a 90° de lado en un solo dispositivo. Dependiendo de la intensidad de la turbidez, se selecciona automáticamente la apropiada entre los dos valores medidos. En otros instrumentos, la luz dispersa en diferentes lados se mide simultáneamente y se evalúa en conjunto.

Registro y transmisión de datos del fotómetro
Un fotometro con registro de datos simplifica la medición y minimizan los errores de lectura y transmisión. Especialmente cuando se realizan mediciones in situ es útil registrar los datos en el dispositivo. Si se desea registrar muchos valores es esencial que tenga en cuenta la capacidad de la memoria y la facilidad con la que se recuperan y transfieren los datos. Según las funciones del fotómetro podrá transferir los valores medidos a un ordenador o un Smartphone cable USB o por Bluetooth.

Análisis con un fotómetro de sustancias
Dado que la turbidez aumenta con la concentración de las sustancias disueltas en el líquido, se puede utilizar un fotómetro para determinar la concentración. Si se tiene la certeza de que un líquido de cierta concentración está libre de impurezas en la muestra investigada, la concentración puede derivarse directamente del valor de turbidez utilizando curvas de calibración. Si es difícil determinar el tamaño de las partículas o si hay varias impurezas presentes, la propiedad de estas sustancias de reaccionar con determinados productos químicos se utiliza para medir ciertos componentes. Con ese propósito se utilizan reactivos que sólo reaccionan con la sustancia que se va a medir para producir una turbidez adicional característica. Los resultados finales de estas reacciones pueden registrarse y evaluarse para una sustancia específica. El fotómetro debe tener almacenado ciertos valores para realizar estas mediciones. Si tiene la intención de utilizar un fotómetro para realizar este tipo de análisis, debe elegir un dispositivo que apto para la medición de determinadas magnitudes. Además, se debe prestar atención a los accesorios de medición disponibles, a la forma en que se lleva a cabo el procedimiento de medición y a la posibilidad de calibrar el fotómetro.

El agua es vida. Esta es una frase muy conocida que nadie puede contradecir. Ahora bien, no solo es necesario prestar atención a la cantidad y reparto del agua, sino también a su calidad. El ser humano está rodeado de agua, de hecho, el agua forma parte del cuerpo. Encontramos el agua en la atmósfera, en la superficie de la tierra y debajo de la tierra. Tiene diferentes estados: sólido, líquido y gaseoso. La primera descripción que una persona hace del agua es que no tiene color, ni sabor, ni olor, y que además es un líquido. En esta era moderna vemos el agua como algo natural y como algo indispensable; de hecho, no nos imaginamos una vida sin agua: sale del grifo, se vende en botellas, se usa en procesos industriales y en la agricultura. Una consecuencia negativa y alarmante es el mal trato del agua, ya que se contamina a causa de sustancias nocivas, se desperdician enormes cantidades y tampoco no existen suficientes depuradoras.

Muchos han escuchado que el agua puede ser blanda o dura, sin pararse a pensar qué es lo que significa y cuales son las diferencias. La dureza es una propiedad del agua que se determina por la presencia del calcio y el magnesio en el agua. Realmente es una característica de calidad y juega un papel fundamental a la hora de evaluar la calidad del agua en hogares, la industria y aplicaciones técnicas. El calcio y magnesio no son los únicos elementos que contiene el agua, pero sí son las dos magnitudes que más influyen en la dureza del agua. Estos elementos son importantes para el organismo; de hecho, la presencia de una determinada cantidad de magnesios y calcio en el agua es incluso ventajosa. Hay partes del cuerpo, como los dientes, los huesos y las células, que necesitan calcio y magnesio para mantener la resistencia y la funcionalidad. Por tanto, el agua es una excelente fuente de nutrimento.

Por otro lado, la organización mundial de la salud define la cantidad óptima de calcio y magnesio que el agua debe tener en miligramos por litro. No deben sobrepasarse los valores límite para evitar una acumulación por ejemplo de calcio. Esto es necesario tenerlo en cuenta sobre todo para personas que tienen algún problema de salud. Una concentración de sales en el agua demasiado alta puede causar problemas, por ejemplo, en las articulaciones. Por ello, alcanzar un grado óptimo de mineralización es una tarea muy importante.

La calidad del agua se controla de forma continua en las plantas de tratamiento de agua y, según el grado de dureza, se regula. Las fuentes de agua se componen normalmente de diferentes tipos de agua: aguas superficiales y aguas subterráneas, lagos, ríos y precipitaciones. Según la cantidad de agua que haya estado en contacto con las rocas (piedra caliza, yeso o dolomita) podrá variar la cantidad de calcio y magnesio. Por tanto, el valor de dureza nunca es idéntico y varía según la zona geográfica, el tiempo, la estación del año y la cantidad de precipitación.

Por ejemplo, el agua del grifo que se usa para las necesidades de un hogar, nunca debería ser demasiado dura, pues esto puede causar problemas en electrodomésticos y tuberías. A primera vista no se puede ver si el agua es demasiado blanda o dura, pero tras haberla hervido, o incluso después de un uso prolongado, como por ejemplo en la cocina o el baño) sí se hace evidente: piedra caliza (una especie de cristalización) en la superficie y una capa fina en la superficie del agua del calentador de agua. Esto es una indicación que hay dureza de carbonato. Cuando los carbonatos de calcio y magnesio están expuestos a una alta temperatura se convierten en un sedimento duro e insoluble; de hecho, muchas personas conocen ese efecto. La dureza total del agua se compone de la dureza de carbonatos y no carbonatos, y se mide en mol/m3 o mmol/l.

Un grado óptimo de dureza no es sólo importante para el cuerpo humano, sino también para todos aquellos dispositivos que están en contacto con el agua, como son los lavavajillas, los calentadores de agua, las lavadoras, los tubos, las calderas y las calefacciones. Esta es la razón por la que en los anuncios publicitarios aparecen diferentes medios para proteger las lavadoras contra la calcificación y aumentar así la vida útil. Aunque es cierto que una cantidad demasiado alta de calcio y magnesio puede ser muy perjudicial, tampoco es cierto que cuanto más blanda sea agua, esta sea mejor. El agua del grifo con valores muy bajos también puede producir daños en las tuberías, como puede ser la corrosión. Por esta razón es tan importante mantener el equilibrio.

Conocer el grado de dureza del agua es importante (puede usar para ello por ejemplo un fotómetro) para ajustar el funcionamiento de los dispositivos y seleccionar la cantidad exacta de detergente de limpieza y el sistema de filtración y limpieza. Claro que es posible obtener un análisis detallado del agua en un laboratorio, pero en el día a día muchas personas intentan ajustar el grado de dureza del agua comprando medios que ayuden a combatir la caliza. El uso de un medidor TDS es un medio profesional que puede ayudar en ese sentido. Sin embargo, ofrece información sobre todas las sales disueltas en agua. Es por ello que se recomienda hacer una formación para usar este tipo de dispositivo de forma correcta.

Como el grado de dureza del agua se mide en diferentes unidades según el país, es necesario analizar las indicaciones del fabricante y las instrucciones de uso de electrodomésticos fabricados en el extranjero. A continuación encontrará los datos de conversión a partir de los grados de dureza alemán ºDH:

en °Clark en el Reino Unido,
en °F en Francia,
en ppm en Estados Unidos, y
en °Ж en Rusia.

Por favor, tenga en cuenta que los valores no se convierte de 1 a 1, por lo que es necesario convertirlos para obtener una lectura correcta.

1°DH - 10 mg CaO pro l
1°Clark - 10 mg CaCO3 pro 0,7 l
1°F - 10 mg CaCO3 pro l
1 ppm - 1 mg CaCO3 pro l

Cada país tiene sus propios requisitos y valores límite del grado de dureza del agua (contenido de carbonato cálcico en el agua) y debería se controlado con un instrumentos de medición , como por ejemplo un fotómetro.

El término fotometría se compone de las palabras griegas para luz y medición. Por lo tanto, todos los métodos para medir las propiedades de la luz o en los que otros parámetros se determinan midiendo las propiedades de la luz pueden denominarse métodos fotométricos. En consecuencia, los instrumentos de medición utilizados pueden denominarse fotómetro.

Sin embargo, por regla general, sólo se engloban bajo el término fotómetro aquellos no aquellos aparatos que se utilizan para medir las condiciones de iluminación, sino más bien, aquellos para analizar sustancias. Estos aparatos envían un haz de luz desde una fuente luminosa interna a través de la sustancia que se va a examinar hasta una fotocélula. A partir del grado de atenuación de esta luz, se puede determinar la concentración de determinadas sustancia. Dependiendo del tipo de parámetro que se desee determinar, son necesarios añadir determinados reactivos y utilizar una luz con una determinada longitud de onda para las investigaciones.

Los avances que se han producido entretanto en la tecnología de los instrumentos de medición permiten utilizar fotómetros especiales para sistemas de análisis de gran precisión, rápidos y rentables en diagnósticos médicos y en sistemas en línea para el control y regulación de la producción. Por otra parte, en el mercado se ofrecen fotómetros económicos que suelen ser dispositivos de mano para el control de agua potable, agua de piscinas y aguas residuales.

Fotómetro para el análisis de agua
Es posible detectar y analizar con relativa facilidad muchas sustancias mediante su efecto sobre la luz. Por ejemplo, con un fotómetro se comprueben con cierta frecuencia la concentración de diferentes sustancias del agua potable, el agua de las piscinas y las aguas naturales. Para cada sustancia se necesitan reactivos especiales que hacen que la muestra se coloree o enturbie. Cuanto mayor es la concentración de la sustancia, más se modifica la translucidez de la muestra.

Estos tipos de fotómetro tienen básicamente los mismos componentes:

1. Una fuente de luz interna,
2. un filtro o monocromador (para dejar pasar únicamente una determinada longitud de onda),
3. un recipiente de la muestra para el líquido,
4. un detector para la medición de luz.

Hoy en día, la fuente de luz interna de un fotómetro suele ser un LED. Esta y el filtro se diseñan en función de la longitud o longitudes de onda que deban medirse. El cambio entre varias longitudes de onda suele hacerse automáticamente seleccionando el programa de medición del correspondiente parámetro de agua. La luz monocromática se irradia a través del recipiente con la muestra, donde se debilita y luego incide sobre el detector. La intensidad luminosa de la luz incidente se determina según la reacción del detector.

Para la determinación cuantitativa de una sustancia suelen ser necesarias dos mediciones. La primera medición sirve como valor inicial o puesta a cero. Se realiza sobre la muestra inalterada. La segunda medición se realiza cuando la muestra se ha mezclado con el reactivo y se ha producido la reacción característica con la sustancia que se desea medir. El fotómetro calcula a partir de los valores de ambas mediciones el valor de la atenuación de la luz como consecuencia de la sustancia y, en base a los valores característicos almacenados, su concentración.

Para evaluar la luz se miden diversos parámetros. Las mediciones pueden dividirse básicamente en aquellas que se realizan en superficies iluminadas y aquellas que son necesarias para clasificar los dispositivos emisores de luz, las fuentes de luz, las lámparas y las superficies luminosas.

Imagen 1 Iluminancia E y flujo luminoso Φv

Medición de la iluminancia
El brillo de las superficies horizontales, verticales o inclinadas iluminadas se mide como iluminancia en la unidad lux. Dado que la luz no siempre se distribuye uniformemente sobre la superficie que se va a comprobar, casi siempre hay que evaluar también la uniformidad de la iluminancia. Es por ello que se realizan varias mediciones a lo largo de una cuadrícula fija. Un fotómetro para medir la iluminancia debería integrar una memoria para almacenar los valores de medición. Si se utiliza un fotómetro sin memoria, será necesario anotar inmediatamente en el informe de medición cada valor individual medido a lo largo de la cuadrícula. Las mediciones se realizan mediante fotocélulas que convierten la luz en corriente o mediante componentes semiconductores sensibles a la luz cuya resistencia cambia cuando se exponen a la luz.

Medición del flujo luminoso
El flujo luminoso Φv denota la potencia luminosa de la fuente de luz. A diferencia de la potencia radiada total Φe, que se expresa en vatios, el flujo luminoso Φv sólo incluye la parte de la radiación visible para el ojo humano. Este flujo luminoso se pondera en función de la sensibilidad humana a la luz para los espectros individuales y se especifica en la unidad de medida lumen. Para la medición se necesita, además del fotómetro, una esfera integradora o un goniómetro.

Medición de la iluminancia
El brillo de las superficies luminosas, como son las pantallas o paneles publicitarios o informativos, es importante para que se reconozcan los colores y los detalles. La luminancia se mide como intensidad luminosa por unidad de superficie en candelas por metro cuadrado. Para medir directamente en la fuente de luz pueden utilizarse fotómetros con accesorios especiales.

Imagen 2 Medición de la iluminancia y la luminancia de una fuente luminosa

Para poder determinar el color de la luz y las propiedades relacionadas, se necesita un fotómetro que pueda dividir la luz en sus componentes de longitud de onda. Cuando un prisma o rejilla de refracción divide los rayos de luz, cada longitud de onda apunta en una dirección diferente. Es posible captar y evaluar las longitudes de onda de la luz dividida mediante fotodiodos ajustados. Dado que los resultados de la medición permiten hacer afirmaciones sobre el espectro luminoso, tales tipos de fotómetro también se denominan espectrómetros.

Imagen 1 División de la luz solar en diferentes longitudes de onda

En el espectro luminoso generado por el prisma no existen, al igual que en el arco iris, los colores blanco ni negro. El color negro se produce cuando no se emite ni refleja luz visible. El color blanco se genera cuando hay una superoposición de todos los colores del espectro visible.

Imagen 2 Fotómetro para el análisis espectral de la luz

A partir de los datos de medición almacenados en el fotómetro sobre la distribución espectral de las longitudes de onda, es posible determinar el color de la luz como temperatura de color y las coordenadas de cromaticidad como coordenadas x/y del diagrama de cromaticidad CIE. Especialmente en el caso de los LED, la especificación de la temperatura de color es insuficiente para la caracterización precisa del efecto cromático. A pesar de tener la misma temperatura de color, los LED pueden emitir luz rojiza o verdosa según sus componentes espectrales. Dado que se puede conseguir la misma temperatura de color con composiciones espectrales muy diferentes, a menudo se determinan adicionalmente las coordenadas cromáticas x/y.

Algunos fotómetros espectrales calculan adicionalmente la saturación del color y el índice de reproducción cromática a partir de la intensidad medida de las distintas longitudes de onda. El índice de reproducción cromática de una fuente de luz indica el grado de realismo de los colores de los objetos bajo su luz. El valor máximo del índice de reproducción cromática CRI o Ra es 100.