CALIBRACIÓN DE ESPECTROFOTÓMETROS, ESPECTRORADIÓMETROS, COLORÍMETROS, LUXÓMETROS

EL LABORATORIO DE FOTOMETRÍA REALIZA ACTIVIDADES DE CALIBRACIÓN DE:

  • Espectrofotómetros,
  • Espectroradiómetros,
  • Colorímetros
  • Luxómetros

La Fotometría es la ciencia que se encarga de la medida de la luz, como el brillo percibido por el ojo humano. Es decir, estudia la capacidad que tiene la radiación electromagnética de estimular el sistema visual. No debe confundirse con la Radiometría, encargada de la medida de la luz en términos de potencia absoluta.

Fotometría

En el caso de la fotometría estamos primordialmente interesados en el fenómeno conocido como la luz, una de las manifestaciones de energía radiante, y que es energía en forma de ondas electromagnéticas, emitida en forma de fotones, y con determinada frecuencia y longitud de onda.

Desde el punto de vista de la porción del espectro visible para el hombre, la luz ha sido primariamente para él la luz solar y sus substitutos a lo largo de los siglos: el fuego, la vela, la lámpara de aceite, la de queroseno, la de gas, la de arco, de filamento de carbono, de filamento de tungsteno, de neón, fluorescente, de vapor de mercurio, etc.

Historia

El estudio de la luz se remonta en la historia. Cuatro siglos antes de Cristo, Euclides trabajó en su tratado Óptica aunque no fue sino hasta principios del siglo VII que se identificó el mecanismo de la visión. Otros investigadores han estudiado intensamente el fenómeno: Ibn al-Haitham en el siglo XI, Galileo en 1610, Kepler en 1611 con su tratado Dioptrics, Descartes en 1637 al descubrir la ley de refracción. Newton en 1704 con su tratado Opticks. Posteriormente Huygens, Fresnel, Maxwell, Michelson y muchos más han hecho aportaciones a este campo.

Lo que se persigue para fines prácticos en fotometría es poder expresar la impresión visual de un llamado “observador promedio”. Diferentes personas tienen diferente percepción visual y, por ello, la Comisión Internacional de la Iluminación llevó a cabo toda una serie de mediciones en gran cantidad de personas con la finalidad de poder definir de alguna forma ese “observador promedio”. Pero, además, hay que tomar en cuenta que la respuesta visual humana varía al variar la longitud de onda y que el ojo humano es insensible a las radiaciones infrarrojas y a las ultravioleta. Por ello, se trabaja sobre la base de medir magnitudes físicas, en este caso las características energéticas de la radiación, lo cual es el campo de la radiometría. Por lo tanto, aunque se trata de dos cosas diferentes, están estrechamente relacionadas.

Definición internacional de la unidad de medida de la luz.

La historia de la unidad y su patrón ha sido accidentada. La candela se definió originalmente en el siglo XVIII, en base a elementos combustibles y presentaba muy baja reproducibilidad. Se le hicieron modificaciones (Carcel 1800, Hefner 1884) pero las condiciones ambientales seguían siendo un factor crítico. En 1880 Violle propuso emplear una pieza de platino a la temperatura correspondiente al punto de transición del estado líquido al estado sólido. Por problemas derivados de los requisitos de pureza del platino, Blondel propuso en 1896 el empleo de un cuerpo negro que mantuviera una temperatura elevada constante y en 1930 Burgess colocó el platino en un crisol de torio dentro de un horno de inducción.

Debido a las dificultades de realización de la unidad fotométrica, diversos congresos modificaron la candela Violle en 1884, 1889, 1909, 1921, 1933, 1937, 1938 y 1954 – fecha ésta en que la candela fue reconocida como la sexta unidad fundamental después del metro, el kilogramo, el segundo, el ampere y el kelvin – hasta llegar a la actual definición aprobada por la 16ª Conferencia General de Pesas y Medidas en 1979.

Definición internacional de las unidades de medida de fotometría y radiometría [16ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1979].

La candela (símbolo cd) es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y cuya intensidad radiante en esa dirección es de 1/683 watt por estereorradián.

De esta unidad se derivan las siguientes unidades de trabajo:

El lumen (símbolo lm) es el flujo luminoso emitido por una fuente puntual e invariable de una candela, de igual valor en todas las direcciones, al interior de un ángulo sólido de un estereorradián.

El lux (símbolo lx) es la iluminación de una superficie plana de un metro cuadrado de área, sobre la cual incide perpendicularmente un flujo luminoso de un lumen, distribuido uniformemente.

La candela por metro cuadrado (símbolo cd.m-2) es la luminancia de una fuente de un metro cuadrado de área y una intensidad luminosa de una candela.

En fotometría se habla de: flujo luminoso (lm), de eficiencia luminosa (lm.W-1), de intensidad luminosa (cd), de luminancia (cd.m-2), de iluminación (lx).

Patrones

Actualmente el énfasis en el mantenimiento de los patrones fotométricos y radiométricos se pone no ya en métodos fotométricos sino en radiometría a base de detectores. El patrón primario en el BIPM se basa en un radiómetro comercial eléctrico de substitución criogénica, que se considera ser uno de los más exactos disponibles. En adición al radiómetro criogénico, se tienen conjuntos de fotodiodos de silicio que se emplean como patrones de trabajo y de transferencia cuando no se requiere el más alto grado de exactitud. La transferencia a patrones, nacionales y otros, se hace también por medio de lámparas, calibradas por comparación.

Incertidumbres

El patrón de la candela se realiza con una incertidumbre relativa de 3 x 10-3.

Fuente: METROLOGÍA PARA NO-METRÓLOGOS 2da Edición. Rocío M. Marbán, Julio A. Pellecer C. 2002 SIM.

Espectrofotómetro

Un espectrofotómetro es un instrumento usado en el análisis químico que sirve para medir, en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud fotométrica relativos a dos haces de radiaciones y la concentración o reacciones químicas que se miden en una muestra. También se utiliza en laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos.

Hay varios tipos de espectrofotómetros, que son de absorción atómica, de absorción molecular (que comúnmente se conoce como espectrofotómetro UV-VIS, y no debe ser confundido con un espectrómetro de masa.

Este instrumento tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto le permite al operador realizar dos funciones:

  1. dar información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra,
  2. indicar indirectamente qué cantidad de la sustancia que nos interesa está presente en la muestra.
Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Espectrofot%C3%B3metro

Existe una gran variedad de estos instrumentos, dependiendo de las características de fabricación, entre los cuales se pueden diferencias dos tipos de acuerdo a su diseño óptico:

  • Espectrofotómetros de simples
  • Espectrofotómetros de doble haz.

Los espectrofotómetros tienen dos escalas:

Escala fotométrica

Escala de medición donde se localiza la Transmitancia y/o absorbancia, su alcance es de  0…100 %  y de 0…2 , respectivamente.

Escala de longitud de onda

Escala de medición de longitud de onda, su alcance es de 190…900 nm.

DEFINICIONES

Espectrofotometria

Estudio de la energía radiante o flujo transmitido, adsorbido o reflejado por una superficie, como una función de onda.

Transmitancia

Magnitud que relaciona la energía radiante que atraviesa una muestra y la energía radiante que incide sobre ella. Es el paso de la radiación a través de un medio sin cambio de frecuencia de componentes monocromáticas.

Símbolo:  Unidad: 1.

Absorbancia

Magnitud que representa la cantidad de energía radiante que es absorbida por un cuerpo o sustancia.

Símbolo:  Unidad: 1

Longitud de onda.

Magnitud que representa la distancia en la dirección de propagación entre dos puntos sucesivos de una onda periódica en la cual la fase es la misma.

Símbolo:  Unidad: nm

Ancho de banda espectral

Característica de la longitud de onda efectiva de una curva de distribución de intensidad espectral (diferentes longitudes de onda). Instrumentalmente está dado por el diseño óptico del monocromador, que determina la abertura por la cual pasa el haz de luz.

Principio de medición

La espectrofotometría Ultravioleta Visible (UV) es un método óptico de análisis, que tiene como principio d medición de absorción y/o  transmisión de energía radiante emitida por una fuente de luz, que atraviesa una sustancia. El método es espectroscópico por que se basa en la medida de la intensidad y de la longitud de onda de energía radiante.

Fuente: La-Guia-MetAs-07-04-espectrofotometria.

Colorímetro

Un colorímetro es cualquier herramienta que identifica el color y el matiz para una medida más objetiva del color.

El colorímetro también es un instrumento que permite medir la absorbancia de una disolución en una frecuencia de luz específica. La frecuencia es determinada por el operario del colorímetro. Por eso hace posible descubrir la concentración de un soluto conocido que sea proporcional a la absorción.

Diferentes sustancias químicas absorben diferentes frecuencias de luz. Los colorímetros se basan en el principio de que la absorbancia de una sustancia es proporcional a su concentración Ley de Beer-Lambert, y por eso las sustancias más concentradas muestran una lectura más elevada de absorbancia. Se usa un filtro en el colorímetro para elegir el color de luz que más absorberá el soluto, para maximizar la precisión de la lectura. Note que el color de luz absorbida es el opuesto del color de la muestra, por lo tanto un filtro azul sería apropiado para una sustancia naranja.

Los sensores miden la cantidad de luz que atraviesa la disolución, comparando la cantidad entrante y la lectura de la cantidad absorbida.

Fotocolorímetro

El fotocolorímetro es una variedad de colorímetro (medidor de color). Es un instrumento usado en química para determinar la concentración de sustancias disueltas en líquidos o sólidos mientras sean transparentes a la luz visible, ultravioleta o infrarroja, midiendo y comparando sus colores. La ciencia o arte de su uso se denomina fotocolorimetría y está regida por leyes físicas muy estudiadas. Para ello se introduce en el aparato un testigo o patrón con una concentración de sustancia conocida y la muestra a determinar. Se mide la cantidad de color de cada uno y según su relación, se determina la concentración de la muestra.

El aparato consta de un sistema lumínico para iluminar las muestras y se mide con un sistema electrónico la cantidad de luz que pasa. Esa luz debe ser lo más monocromática posible, por lo que se usan diversos  medios para hacerlo: filtros ópticosredes de difracción y últimamente leds específicos.

Los líquidos se colocan en cubetas especiales y los sólidos, como el vidrio, deben estar cortados a la medida del receptáculo (que se llama portacubas) que es por donde pasa la luz, teniendo como premisa que el espesor en milímetros de la muestra y el testigo deben ser rigurosamente iguales. Es el equivalente, del espectrofotómetro pero este varía las longitudes de onda (los diversos colores) de forma continua y el fotocolorímetro lo hace variando por pasos concretos. Una premisa muy importante para ambos instrumentos es que el color de la luz que pasa por las muestras debe ser del color complementario al color de la muestra cuando se hacen análisis de concentración. En rigor, casi todo análisis de sangre, tierra, metalúrgicos o líquidos se hace con un aparato como los descritos, que pueden ser manuales o automáticos.

 Luxometro

Un luxómetro (también llamado luxmetro o light meter) es un instrumento de medición que permite medir simple y rápidamente la iluminancia real y no subjetiva de un ambiente. La unidad de medida es el lux (lx). Contiene una célula fotoeléctrica que capta la luz y la convierte en impulsos eléctricos, los cuales son interpretados y representada en un display o aguja con la correspondiente escala de luxes.

Principio de funcionamiento

El luxómetro moderno funciona según el principio de una celda (célula) C.C.D. o fotovoltaica; un circuito integrado recibe una cierta cantidad de luz (fotones que constituyen la “señal”, una energía de brillo) y la transforma en una señal eléctrica (analógica). Esta señal es visible por el desplazamiento de una aguja, el encendido de un diodo o la fijación de una cifra. Una fotorresistencia asociada a un ohmímetro desempeñaría el mismo papel.

Un filtro de corrección de espectro permite evitar que las diferencias de espectro falseen la medida (la luz amarilla es más eficaz que la azul, por ejemplo, para producir un electrón a partir de la energía de un paquete de fotones).

Los luxómetros pueden tener varias escalas para adaptarse a las luminosidades débiles o las fuertes (hasta varias decenas de millares de luxes).

Usos                                                                                                                                   

Primero han sido utilizados por fotógrafos y cineastas. Es cada vez más utilizado por los productores de energía para optimizar la iluminación interior (del 20 al 60 % de la electricidad es consumida por la iluminación) o exterior (que a menudo desperdicia mucha energía). Se utilizan también, más raramente para medir la luminosidad del cielo en meteorología, para medir la luz recibida al suelo en bosques o en invernaderos.

En los últimos años también ha comenzado a ser utilizado por ecologistas, astrónomos y arquitectos para desarrollar índices cuantitativos de la contaminación lumínica o la intrusión de la luz para reducirlas o adaptar estrategias de ingeniería.

Otro uso es el que le dan los profesionales de higiene y seguridad, a fin de determinarla. Otro uso es el que le dan los profesionales de higiene y seguridad, a fin de determinar la posibilidad de ocurrencia de una enfermedad profesional por deficiencias lumínicas. También son utilizados por técnicos en prevención de riesgos laborales en los lugares de trabajo.

Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Lux%C3%B3metro

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