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[DIY] Esfera integradora con función datalogger

08 Mar 2013 12:03 #1
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UPz

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[DIY] Esfera integradora con función datalogger

Hola! Voy a intentar explicar en este post mis andaduras para conseguir tener una herramienta fiable para comparar el rendimiento lumínico de las diferentes linternas que analizo, con la construcción de una esfera integradora casera.
Hasta ahora he utilizado un luxometro para hacer estimaciones, usándolo para medir los lux rebotados en el techo de una habitación completamente a oscuras o el interior de una caja de mediciones casera, pero este sistema es poco fiable y ofrece un gran margen de error, especialmente si enfrentamos linternas con diferentes patrones de proyección.

1. CONCEPTO Y FINALIDAD.


El Lumen es la unidad internacional para medir el flujo luminoso. El Lux es una unidad internacional derivada del lumen, para cuantificar la iluminancia o nivel de iluminación.

A grandes rasgos, el Lumen (lm) y el Lux (lx) se diferencian en que el lux hace referencia a una superficie y el lumen no.
Por ejemplo, 100 lumen concentrados iluminando un metro cuadrado equivaldrían a 100 Lux.
Esos mismos 100 lumen iluminando diez metros cuadrados equivaldrían a 10 Lux.

En otras palabras: Para iluminar con, digamos, 200 Lux una pequeña habitación nos bastará con un tubo fluorescente, pero para conseguir el mismo nivel de iluminación en un comedor grande, necesitaremos mas fluorescentes (más lumen).

Por lo tanto, necesitamos de una herramienta como el luxometro combianada con un recinto controlado donde proyectar la luz que emana de la linterna, para posteriormente hacer una lectura de la iluminancia del interior de este recinto.

¿Y por que una esfera? :elboinas:

La finalidad de emplear una esfera hueca para medir los Lux y posteriormente extrapolarlos a Lumen es lógica:
Lo que intentamos es tener una medida integrada de luz, en la que el patrón de proyección de la linterna (lanzadora, inundadora...) no entre en la ecuación y por lo tanto no distorsione el resultado, como lo haría en los ejemplos que he usado anteriormente. La superficie interna de la esfera hueca hará rebotar la luz en todas las direcciones posibles, integrando la luz en su interior, y mediante la colocación de una pantalla que evite la incidencia directa de luz desde el emisor en el foto sensor, tendremos una lectura de cantidad de luz "independiente" del área iluminada o el patrón de proyección de la linterna.
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Con estos conceptos mas o menos claros, empezamos la construcción de la esfera!
08 Mar 2013 12:04 #2
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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

2. CONSTRUCCIÓN DE LA ESFERA



Me puse a darle vueltas sobre que diámetro sería el adecuado para la esfera. Uno muy pequeño impedirá que la luz se integre ya que no tendrá angulo para rebotar libremente sin incidir directamente y de forma masiva sobre el puerto de entrada y la lente de la linterna. Uno muy grande, además del clásico problema de donde alojarlo en la vivienda cuando no lo usemos, presentaba la dificultad añadida de tener unas lecturas en Lux más bajas y perder precisión en medidas por debajo de los, digamos, 500 Lumen.

Así decidí que la medida ideal para mi caso sería alrededor de 300mm de diámetro. Con esto en mente, comencé la caza y captura de objetos esféricos que pudiesen servir como base de mi esfera.
Recordé que en una tienda de decoración y bricolaje de mi barrio una vez vi en el escaparate lo que me parecieron ser balones de poliestireno expandido, huecos y que venían pre-cortados por el ecuador. Me acerqué a preguntar y efectivamente, los vendían. Desafortunadamente no tenían stock de ninguna medida, por lo que me emplazaron a esperar una semana. Una semana se convirtió en dos, y luego vino una tercera y una cuarta. La quinta semana, me dijeron que esperara otra semana... Total, que aunque soy un asiduo cliente de DX, eso de esperar casi mes y medio por algo que voy a comprar localmente previo "vuelva usted el próximo lunes" me chocaba bastante empecé a buscar otras opciones. Tras varias visitas infructuosas a tiendas de lámparas en busca de un globo de farola adecuado, pensé en fabricarme yo mismo la esfera con papel maché y un balón de baloncesto como plantilla.
Con todos los materiales listos para esta "manualidad", un golpe de suerte me hizo encontrar online la misma esfera de poliestireno expandida.
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Las ventajas de esta esfera son que es un material muy fácil y seguro de trabajar y recortar, al contrario del frágil papel maché. Además al venir precortadas facilitará mucho la colocación de los foto sensores y pantallas, y su tratamiento de la superficie para evitar que la luz escape a través de sus paredes. Y por supuesto, la elaboración en papel maché lleva demasiado tiempo ya que hay que aplicar múltiples capas y dejar secar entre ellas, precioso tiempo del que desgraciadamente no dispongo.

El siguiente paso, fue el estudio de como y donde colocar los puertos de entrada y salida.
Las esferas integradoras pueden ser usadas comúnmente para dos tipos de fuentes:

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  • Luz omnidireccional: En este caso, las esferas integradoras de laboratorio utilizan una configuración en la cual la fuente emisora de luz está en el centro de la esfera, y el o los puertos de lectura se encuentran perpendiculares a la fuente, aislados de esta mediante pantallas.

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  • Luz unidireccional: Usadas para fuentes de luz completamente direccionales, como el beam de un láser. En este tipo de esferas, el puerto de entrada se encuentra en un extremo de la esfera, y el sensor a 90º de este, estando protegido de la exposición de los reflejos directos por varias pantallas que lo rodean.

Como ninguna de las dos opciones se aproximan a lo que andamos buscando, tras una dificil y (costosa en tiempo) búsqueda he dado con la opción teóricamente más adecuada para nuestra finalidad:

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  • Luz omni-unidireccional: Una configuración hibrida que permite hacer lecturas integradas de fuentes unidireccionales con grandes ángulos de proyección.

Perfecto :number1:

Algunos detalles interesantes a tener en cuenta fueron:
    El elemento encargado de tomar las lecturas de iluminancia debe estar completamente aislado de la incidencia directa de la luz emitida por la fuente.
    El campo de visión del elemento lector debe estar completamente fuera del área iluminada directamente por la fuente, captando solo luz integrada en la pared opuesta a su ubicación.

Con todo esto en mente, ya podemos empezar a hacer acopio de los materiales necesarios y diseñar la forma en la que las linternas se posicionarán conforme a la esfera para obtener un rendimiento óptimo de la integración.

Este boceto muestra, a grandes rasgos, la idea inicial:
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Podéis ver claramente que la entrada de luz está ideada para que, desde el polo norte de la esfera, tenga una incidencia directa en el polo sur, libre de cualquier irregularidad causada por las juntas de los dos hemisferios. El puerto de entrada está pensado para albergar un tamaño máximo de bezel de 90mm, como por ejemplo la TK75. La linterna reposará sobre una lámina de vidrio o material translucido, lo que nos asegura una siempre óptima colocación de esta, asegurándonos que el ángulo de incidencia sobre el polo sur del interior de la esfera de todas las linternas sea siempre el mismo.
El vidrio o material translucido restará un porcentaje X de luz inevitablemente, pero como durante el proceso de calibrado tendremos que hayar la formula mediante la aproximación relativa, es un problema que se solucionará solo.

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Una vez con la esfera en casa, me encuentro con el primero de los muchos contratiempos que han ido surgiendo durante su ensamblado: La unión entre las dos semiesferas es plana y no biselada como aparece en las fotografías. Esto dificulta la correcta superposición de las dos partes y además ofrece un punto de fuga enorme para la luz justo en su ecuador. Para solventar este problema, opté por la solución más simple, que fué hacer manualmente la junta biselada entre las dos piezas, cortando un "anillo" de aproximadamente 10x10mm al perímetro exterior del ecuador de una de las dos piezas, para posteriormente encolarlo en la pieza opuesta.

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Perfecto, ahora tenemos dos piezas que encajan la una con la otra, y que además quedan correctamente alineadas.

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El siguiente paso fué realizar las piezas que nos servirán de soportes para los puertos de entrada y salida.
Empezaremos con el puerto de entrada: Como ya he comentado, irá colocado en el polo norte de la esfera, y será una especie de "ojo de buey" en el que colocaremos la linterna reposando sobre su fondo transparente. Para la fabricación del puerto, utilicé nylon, un material fácil y rápido de trabajar en el torno:

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Como podéis ver, está prácticamente hecho a medida para alojar como támaño máximo el bezel de la TK75.

Una vez lista la pieza, hay que hayar el polo norte de la forma más exacta posible, para lo que utilicé un nivel y la pieza superpuesta sobre la esfera. Marcamos con un rotulador, y utilizando la pequeña y muy afilada hoja de una victorinox se procede al recortado.
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También instalé una "peana", que facilita el posicionamiento de la esfera en la mesa. Utilicé un recorte de un cilindro de cartón, y seguí el mismo procedimiento para centrarlo:
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Ahora es el momento de ponernos con el puerto de lectura. Esta pieza es la que contiene el elemento foto-voltaico que se encargará de enviar los datos al tester para su posterior interpretación.
Mi idea es sencilla: Un tubo, también de nylon, liso en su exterior y roscado en su interior. La rosca nos servirá para ajustar a grandes rasgos la profundidad del elemento foto-voltaico. El soporte sobre el que este elemento irá montado, será un esparrago de latón, roscado al mismo métrico que el interior del tubo de nylon, y vaciado para insertarle un macizo de baquelita sobre el cual construiremos el pequeño y simple circuito.
He mecanizado también una elegante tapa trasera para dicho puerto, también el latón, para evitar que los cables y soldaduras queden a la vista.
La colocación del puerto de lectura, como vemos en la imagen, está determinada por su campo de visión:
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Tras hacer unas comprobaciones rápidas, utilizando una pequeña linterna sin reflector dentro del tubo del puerto de lectura para determinar, mediante la proyección que emitia en el lado opuesto de la esfera, la posición correcta fué hayada aproximadamente a 40º de inclinación sobre la base del ecuador. Listo!
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Con todo esto listo, y los recortes hechos, llega el momento de empezar a aplicar el tratamiento interior a la superficie. El polisetireno expandido (el típico material que se utiliza para embalar electrodomésticos) es extremadamente poroso, y como era de esperar, la luz lo atraviesa muy fácilmente. Para evitar que la luz salga de la esfera a través de sus paredes, vamos a utilizar innumerables ( :gaydude: ) capas de pintura.
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El acabado ideal para el interior de la esfera es blanco mate, sin nada de brillo. El brillo (gloss) puede crear reflejos de la óptica de la linterna y producir errores en la integración. Algo a tener en cuenta es que la pintura debe estar libre de disolventes, ya que estos dañan el poliestireno de una divertida forma :sisi1:
Empezé dando unas 10 manos de pintura a cada hemisferio (con 5 horas de secado entre cada mano) para ver como la luz seguía pasando fácilmente a través de las paredes. Así que opté por aplicar un par de manitas de pintura negra, para que "sellen" el poro, y posteriormente volver a pintar en blanco mate otra veintena de manos. Un proceso muy entretenido por las horas necesarias de secado entre manos de pintura.
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Con todo esto listo, llega el momento de ensamblar el puerto de lectura. Al estar mecanizado en un tubo roscado, esto nos permite ajustar la profundidad a la que vamos a instalarlo dentro del tubo, y de esta forma las paredes del mismo tubo actuarán como pantallas.
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Tras varios intentos, damos con una posición optima y marcamos la posición a la espera del ensablado final del elemento.
El fotodiodo se coloca en la cara externa, y las resistencias, conexiones y cableado en la externa, asegurándolo todo con funda termoratráctil y una gota de selladora.
En el siguiente paso explicaré con más detalle que componentes conforman circuito del puerto de lectura.
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Con todo esto, el integrador está listo, a la espera de ser calibrado.
08 Mar 2013 12:05 #3
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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

3. INSTRUMENTOS Y CALIBRADO

En este paso vamos a ver que tipo de solución adoptamos para interpretar los datos que obtendremos de la esfera integradora y convertirlos a Lumen.
Lo mas importante y lo primero que quiero dejar claro aquí es el tipo de enfoque que he buscado para este proyecto.

Cuando decidí que necesitaba actualizar mi antigua y precaria caja de mediciones, me asaltó una duda:
Puedo ir a lo "facil" y simplemente empotrar el lector del luxometro en la esfera, como había hecho con la caja, y luego interpretar los datos manualmente, u optar por una solución algo más sofisticada, que me permitiría conectar la esfera al PC, y además de tener las mismas mediciones puntuales, esta segunda opción me dará también la posibilidad de medir el rendimiento lumínico completo durante todo el tiempo de funcionamiento de la linterna.

La segunda opción, además de todo lo anterior, también me permitiría realizar dichos tests de forma desatendida, algo que me ahorrará muchas horas de introducción de datos manualmente a Excel, y aumentará mi productividad :roto2gaydude:
Decidido, opción 2. :sisi1:

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El primer paso es disponer de un Multimetro Digital con salida de datos a PC. En mi caso, un UNI-T UT61E. Este multimetro está considerado como uno de los mejores en su rango de precios, con funciones realmente avanzadas, como por ejemplo en autorango, pero sin lugar a dudas la mas interesante de todas sus características es la posibilidad de conectarlo al PC por serial/USB y mediante un software almacenar como hoja de cálculo o TXT en nuestro ordenador los datos que el UT61E está mostrando en su pantalla.
Además de esto, el UT61E realiza todas las típicas funciones de los DMM.

Mas adelante pondré un ejemplo práctico de como funciona este DMM y su software.

Lo siguiente es la selección del elemento foto-voltaico que irá colocado en el puerto de lectura de la esfera.

Un luxometro, a grandes rasgos, es un pequeño elemento que genera corriente (como si de un panel solar se tratase) y esta corriente, al pasar por un circuito formado por diversas resistencias genera un voltaje. Ese voltaje es interpretado por el luxometro y lo muestra en pantalla como LUX. Lo que vamos a hacer nosotros es reproducir estas condiciones, para no tener que utilizar el luxometro directamente.
Para ello, necesitaremos un elemento que sea capaz de detectar la luz dentro de un rango similar al del ojo humano, y que nos ofrezca una cierta confianza.
Tras varias infructuosas pruebas con pequeños paneles solares, encontré mi respuesta en la marca SHARP.

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El foto-diodo SHARP BS120 se utiliza en cámaras fotográficas y de vídeo de diversas marcas líderes en el mercado como sensor para el ajuste automático de la exposición, gracias a su sensibilidad espectral MUY SIMILAR a la del ojo humano. Su datasheet en formato PDF puede ser consultado aquí.

Es decir, que el rango de trabajo de luz de este elemento está acorde con el uso que le vamos a dar, y no se saturará con intensidades altas o mostrará un bonito ZERO con las más bajas.
Además este foto-diodo tiene un filtro infra-rojo, por lo que en el raro e hipotético caso de que alguna de las linternas testeadas en la esfera emitiese una parte de luz infraroja, invisible para el ojo humano, el fotodiodo ignorará esa parte y solo medirá la luz visible.

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Vale, ya tenemos el sensor, y ahora se trata de ponerse manos a la obra con el soldador, las pinzas de cocodrilo y unas cuantas resistencias de distintos valores para encontrar un valor R de nuestro sencillo circuito. Tras varias aproximaciones, determinamos que el valor de 5K Ohm es el que mejor se amolda a nuestro proposito. Para obtener este valor, utilizaré dos resistencias de 10K Ohm en paralelo.

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En lugar de utilizar unas pinzas de cocodrilo para conectar el circuito al DMM, directamente utilicé los cables de unas sencillas puntas para tester compradas expresamente en DX para esto. Simplemente arrancar las puntas y utilizar los cables y sus conectores tipo "banana" directamente al tester.
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Ahora viene la parte más complicada de todo el proceso, en la cual vamos a necesitar de muchas horas de interpretar datos y cotejar valores especificados con lecturas reales, para obtener una ecuación que nos haga de traductor entre el valor en voltaje obtenido a traves de nuestro circuito y la escala de Lumen ANSI.

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Para esta complicada tarea he contado con la inestimable ayuda de nuestro amigo kreisler, quien me ha dado un enfoque mucho más matemático al asunto.
El mismo ha redactado el proceso de calibrado, en inglés, el cual he traducido yo:

kreisler escribió:Como ya hemos explicado, el photodiodo Sharp BS120 fué seleccionado como el componente central de la esfera por razones especificas. Su PDF datasheet oficial contiene todos los datos relevantes sobre su funcionamiento, características y propiedades físicas, de las cuales y para nuestro propósito las mas importante se encuentra en la Fig. 1 Short Circuit Current vs Iluminance at ambient temperature (Corriente en corto circuito vs Iluminancia a temperatura ambiente):
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El propósito general de este tipo de gráficos es la clara representación visual de la correlación funcional entre 2 cantidades en cuestión, normalmente trazadas en un primitivo sistema de cordenadas 2D donde el "eje X" representa la iluminancia Ev (Medida en múltiples de 1 Lux, o 1lx) y lo enfrenta contra la corriente de corto circuito Isc (Medida en múltiples de 1 Amperio o A) en el "eje Y". La primitiva gráfica, que aparentemente parece una línea recta en esta representación en particular, nos deja determinar la corriente si conocemos los lux, por ejemplo Isc=Isc(Ev), y también la función inversa Ev= Ev(Isc), y por lo tanto podemos determinar los Lux si conocemos la corriente.

1. Extracción de la formula matemática

Un primer paso importante en nuestros esfuerzos de calibrado y para el futuro método de estimación es entender como responde el fotodiodo con un gran rango de lumen.
FAQ#1: "Veo una linea recta. ¿Quiere esto decir que Ev, o Isc, o ambos, son lineales? ¿o que son lineales uno respecto al otro?"
FAQ#2: "La linea recta que vemos... Quiere decir que Isc es matemáticamente una linea recta y puede ser representada, por ejemplo en forma slope-intercept y = m*x + b , i.e. Isc = m*Ev + b ?"
FAQ#3: "Sin luz, 0lx, debe equivaler a 0 corriente, 0A. Por lo tanto esto quiere decir que la linea recta que va desde el origen (intercept b = 0) y que las dos cantidades deben ser proporcionales la una con la otra, i.e. y ~ x, o Isc = m*Ev. porporcionalmente, o en otras palabras, si doblamos el valor lux también doblaremos exactamente la corriente, verdad?

Buenas preguntas. Bien, ciertamente el gráfico debe pasar por el origen (0;0). y el resto de preguntas serian 100% ciertas, si el ángulo fuese exactamente 45 grados si lo imprimiésemos en papel cuadriculado con los ejes completamente proporcionales (Eje X = 20.0cm / Eje Y = 20.0cm). Como el angulo en el diagrama está cerca de los 45 grados, esto quiere decir que Ev y Isc son como mínimo proporcionales, y por lo tanto la linea recta que vemos puede aproximarse a la ecuación de una linea recta matemática desde el origen.

De todos modos, escogiendo la escala logaritmica para el eje -para ser exactos, la doble escala logaritmica- los creadores del PDF intentaron resaltar un punto: No, el ángulo no es 45.0000º, y el lector necesita tomar mediciones precisas del gráfico para determinar los dos parametros (M;B) de la correlación real, Isc ~ Ev^M, o Isc = (10^B)*(Ev^M). En otras palabras, la corriente no es proporcional al Ev, pero proporcional a Ev^M, lo que quiere decir que Isc(Ev) no es matematicamente una línea recta, sino una power function. Para detalles explicativos, ver las anotaciones a mano.

Resultó complicado realizar una medición del documento PDF ampliado, pero fue finalmente posible. Los valores para M y B están, por decirlo de alguna forma, codificados en la Fig. 1 en formato gráfico. Descodificados, en su forma sencilla, son solo números, aburridos números:

  Código:
M = 0.9791335 (Númer positivo, menor que 1.0 pero casi equivalente a 1.0000000)
B = -8.813379 (Número negativo, cerca de -9)


Para resumir este paso, toda la info de la Fig. 1 está contenida en la simple y corta ecuación, una power function: Imagen, y está claramente demostrado al superponer la figura del PDF y el resultado de Mma.


2. Testeando el photodiodo

Antes de empezar con el paso 3, necesitamos hacer un sencillo test para comprobar la ecuación del paso 1 en un fotodiodo BS120 real. Ya no necesitamos la Fig. 1 más porque nuestra ecuación la reemplaza. El resultado calculado tiene que coincidir con la lectura de un Luxometro, también conocido como Fotometro.

Imagen

Al medir el voltaje U a través de la resistencia R, como nos sugiere el datasheet, nos encontramos con la Ley de Ohm, U = R * I, y llevándolo a la ecuación:
Imagen
Esto quiere decir que Ev es proporcional a U^a, la formula de potencia de U es a = 1/0.9791335 = 1.0213119 > 1.0
Como el valor R de la resistencia es constante, en este caso R = 4950 Ohm, la relación numérica entre el voltaje (introducido en 1 Voltio, o 1V) y LUX quedará así:
Imagen

Entonces, una lectura con un multimetro de Isc = 0.69mV = 0.00069V = 0.69*10^(-3) V, nuestro cálculo dice que debería representar un valor de 99.8lx:
Imagen

Esta foto muestra que el luxometro a medido 100.6lx, lo que está muy cerca de nuestro calculo -o "predicción"- de 99.8lx. Sucesivos tests han determinado que la discrepancia entre la predicción basada en las lecturas efectuadas con el multimetro UT61E y el luxometro CT1330B están por debajo del 1.0%, una fantástica concordancia entre la teoría (PDF, ecuación) y la realidad (Fotodiodo y lecturas reales).

Imagen(click to enlarge!)

El paso 2 nos asegura que nuestro fotodiodo BS120 funciona como esperamos y predecimos y no hay nada erróneo en el. También nos confirma que nuestras conclusiones en el paso 1 sobre la equivalencia no totalmente lineal del BS120. Ahora, teniendo en cuenta que la lectura de lumens en una esfera es, gracias a las características de la integración, directamente proporcional a la lectura de Lux, asumimos que Lumens ~ Lux ~ Ua, tenemos la relación teórica que Lumen es proporcional al Voltaje elevado a la a-th potencia:

Imagen

Por lo tanto, conocemos ya dos parámetros para nuestra power function, k y a:

Lumens = k * (voltage^a) = k * voltagea

En nuestro siguiente y último paso vamos a intentar adaptar los Lumen especificados con las lecturas de voltajes en este modelo de ecuación. En teoría, el valor para a debe resultar ser ligeramente superior a 1.0, ya que el fotodiodo Sharp no se comporta de forma totalmente lineal en el rango de lumen que nos interesa. Veremos como de cerca nos quedamos determinando el valor de a en nuestra Esfera Integradora casera. Si el resultado para a es inferior a uno, significa que hemos hecho algo mal y mejor que nos dediquemos a otra cosa :sisi1:

Paso 3. Selección de datos y adaptación de Voltaje a Lumen especificado

Determinar los 2 parámetros de la power function en forma de curve fitting es nuestro trabajo de calibrado. Como no alteramos nada físicamente en la esfera, y solo intentamos adaptar los 2 parámetros en una forma que la correlación entre voltaje-lumen refleje la escala ANSI Lumen en una forma óptima con el mínimo error, podríamos llamarlo calibrado inverso. Después de seleccionar linternas de fabricantes fiables y sus múltiples mediciones de voltajes en la esfera, emparejamos los Lumen especificados por el fabricante con su lectura en mV en la esfera para dibujar una gráfica con ambos valores enfrentados. En teoría, si todos los fabricantes usasen exactamente los mismos métodos para medir y publicar los datos de Lumen, entonces todos los puntos deberían coincidir con la linea que cruza la gráfica. E incluso, solo necesitaríamos de una linterna con dos modos (Hi, Lo), ya que con su cálculo sería suficiente. A la práctica, cada compañía utiliza su propia esfera DIY, por lo que ¿Como podemos estar seguros de que los datos publicados son los que han leído realmente? Algunos chinos mienten, simple y llano. jaja. :taptap:

Para este proyecto, seguimos el siguiente criterio para la selección de muestreo:
  • Suficientes modelos de linternas que nos den un amplio rango de Lumen; Esto nos asegura una mejor representación de la respuesta no completamente lineal del photodiodo.
  • El fabricante tiene que ser reputado y fiable; nos asegura menor frustración.
  • Linternas de solo un fabricante; Mejor consistencia e integridad, reduciendo las variables.
  • El fabricante debe ser líder en la industria, ampliamente disponible; Nos asegura que todos podamos encontrar referencias y comparaciones sobre su rendimiento
  • En nombre de la compañía tiene que rimar con Phoenix; Lo que nos asegura que no hemos elegido el nombre elloneo!

De las piezas disponibles, la Fenix E01 (1 modo), Fenix LD01 R4 (3 modos), Fenix E21 (2 modos), Fenix PD32 G2 (4 modos), y Fenix TK75 U2 (4 modos) cumplen con los criterios anteriormente citados, con un total de 14 puntos potencialmente útiles (15 si contamos con el origen (0;0)) que nos servirán como base para nuestro análisis regresivo. Analizando y extrapolando esos puntos a una gráfica nos revela que la mayoría de ellos son consistentes con respecto a la monotonicidad y forman una ligera curva. Durante este proceso 3 puntos inconsistentes o fuera de rango fueron identificados y descartados, dejándonos con un total de 12 puntos para solucionar el problema de la optimización. En particular, los Lumen especificados para la Fenix E21 estaban fuera de rango, lo que puede ser debido a que en el momento que Fenix produjo la E21 aun no habían establecido el standard ANSI que hoy aplican a todos sus nuevos modelos. Cuidado con los specs de los modelos antiguos de Fenix!

Excel o programas de procesamiento de datos similares tienen funciones para estos trabajos de curve fitting, como por ejemplo el comando FindFit en el software de Wolfram

Imagen

Del resultado computado por el software, tenemos los parámetros definitivos para nuestra ecuación...

  Código:
a = 1.02676
k = 6.98698


... y también apreciamos como el desvío relativo entre los Lumen ANSI declarados por Fenix y nuestros cálculos están en una banda de tolerancia del ±10%. Por lo que la ecuación práctica y final para nuestras estimaciones a "Fenix Lumen" será:

Lumens = 6.98698 * voltaje1.02676, donde el voltaje debe ser introducido en 1mV.

Fijaos como el resultado computado por nuestro análisis regresivo para el exponente a es ligeramente superior a 1.0, como esperábamos. Esto confirma que nuestros pasos previos y sus resultados son 100% consistentes. Bien hecho, kreisl :eaea:

POR EJEMPLO:
Si medimos el modo X de una (por ejemplo) Zebralight en "13.10mV", esto se traduce a el brillo de una hipotética nueva linterna Fenix que el fabricante especifica tener ~"98 (Fenix) ANSI lumen". O, si ya tuviésemos una Fenix oficialmente especificada como 98 Lumen, su brillo sería igual al de la hipotética Zebralight en el modo X. Por lo tanto, la referencia para esta Esfera Integradora son siempre y exclusivamente linternas Fenix y la escala de Lumen Fenix. Por otro lado, cuando una nueva linterna Fenix sea testeada en esta EI (Esfera Integradora), los Lumen calculados deberían coincidir con los lumen especificados por Fenix. Cualquier cosa que Fenix testee en su cara EI, esta EI casera lo podrá reproducir, con un margen de tolerancia del ±10%. Futuras reviews de nuevas linternas Fenix, posiblemente con fotos de las lecturas del UT61E, lo demostrarán.

Mensaje original (en inglés) tras el salto:
Spoiler: Mostrar
kreisler escribió:[spoiler]As explained before, the photodiode Sharp BS120 was selected as the sphere's core part for specific reasons. The official PDF datasheet contains all relevant technical info regarding its performance, characteristics and physical properties, of which for our purposes the most important data is given in Fig. 1 Short Circuit Current vs Illuminance at ambient temperature:
Imagen

The general purpose of graphs is the clear graphical representation of the functional correlation between the 2 quantities in question, typically plotted in a primitive 2D-coordinate system, here: the illuminance Ev (measured in multiples of 1 Lux, or 1lx) on the horizontal "x-axis" versus the short circuit current Isc (measured in multiples of 1 ampère, or 1A) on the vertical "y-axis". The simple graph, which apparently "looks like a straight line" in this particular representation, allows us to determine the current if we know the lux, i.e. Isc = Isc(Ev), but also the inverse function Ev = Ev(Isc) holds true, i.e. we can determine the lux if we know the current.


Step 1. Extracting mathematical insight

A first important step in our calibration efforts and for the future estimation method is to understand how the photodiode responds over a large range of lumens.
FAQ#1: "I see a straight line. Does it mean that Ev, or Isc, or both, are linear, or that they are linear with respect to each other?"
FAQ#2: "The straight line we see .. Does it mean that Isc is mathematically a straight line and could be written, for example in slope-intercept form y = m*x + b , i.e. Isc = m*Ev + b ?"
FAQ#3: "No light, 0lx, must equal zero current, 0A. Then it means that the straight line goes through the origin (intercept b = 0) and that the 2 quantities must be proportional to each other, i.e. y ~ x, or Isc = m*Ev. Proportionality .. in other words, doubling the lux will also exactly double the current, am i correct?"

Good that you asked. Well, it is true that the graph must pass through the origin (0;0). And you would happen to be 100% correct with all questions, if the measured angle were exactly 45 degrees on a paper printout with a perfectly quadratic scaled diagram (e.g. x-axis length = 20.0cm AND y-axis length = 20.0cm). And since the angle in the diagram is near 45°, it means that Ev and Isc are almost proportional, and therefore the straight line we see could be approximated through the equation of a mathematical straight line through origin.

However, by choosing the logarithmic scale for the axis —to be exact, the double logarithmic scale— the creators of the PDF managed to make a point: No, the angle is not 45.0000°, and the reader is prompted to take exact measurements out of the graph to determine the 2 parameters (M;B) of the actual real life correlation, Isc ~ Ev^M, or Isc = (10^B)*(Ev^M). In other words, current is not proportional to Ev, but proportional to Ev^M, which means that Isc(Ev) is mathematically not a straight line but a power function. For the explanatory details, please see the handwritten notes.

It took great efforts to get an exact reading from the enlarged PDF hardcopy but it was possible. The values for M and B are, so to speak, encoded in Fig. 1 in graphical format. Decoded, in their bare form, they are just numbers. Boring numbers:
  Código:
M = 0.9791335 (positive number, smaller than 1.0, but almost equal to 1.0000000)
B = -8.813379 (negative number, near to -9)
To summarize this step, all info of Fig. 1 is contained in the single short equation, a power function: Imagen, and it is beautifully demonstrated by superpositioning the PDF figure and the Mma output in a lossless animated GIF.


Step 2. Testing the physical sample

Before we carry on with step 3, we should do a quick test of the equation from step 1 against a physical sample of the BS120 photodiode. We don't need Fig. 1 anymore because our equation replaces it. The calculated result should coincide with the reading from a lux meter, also called photometer.
Imagen
Since we measure voltage U across the resistor R, as suggested in the PDF datasheet, we get with the Ohm's Law, U = R * I and solving for Ev:
Imagen
This only means that Ev is proportional to U^a, that is the a-th power of U, with a = 1/0.9791335 = 1.0213119 > 1.0
Since the resistor R is constant, e.g. R = 4950 Ohm, the numerical relation between voltage (entered in 1 Volt, or 1V) and lux looks like this:
Imagen
So for a DMM reading of Isc = 0.69mV = 0.00069V = 0.69*10^(-3) V, we calculate the lux to be 99.8lx:
Imagen

The below photo shows that the lux meter measured 100.6lx, which is close enough to our calculated —you could also call it "predicted"— value of 99.8lx. Further tests have shown that the discrepancy between prediction based on UT61E reading and measurement by CT1330B is below 1.0%, a fantastic concordance between theory (PDF, equation) and reality (physical sample).

Imagen(click to enlarge!)

Step 2 ensures that our BS120 photodiode performs as expected/predicted and that nothing is wrong with it. It also confirms our finding in Step 1, namely that this Sharp diode does not perform with linearity (i.e. straight line) or proportionality (i.e. straight line through origin). Now, assuming that the emitted Lumens within the sphere is, because of the integrating characteristic of a IS, directly proportional to the measured Lux, i.e. we assume Lumens ~ Lux ~ Ua, we get the theoretical relation that lumens is proportional to voltage to the a-th power:

Imagen
Thus, Lumens be a mathematical power function with mere 2 parameters, k and a:
Lumens = k * (voltage^a) = k * voltagea

In our next and final step we will try to adapt rated Lumens and measured voltages to this model equation. In theory, the value for a should result in the same, namely a number slightly bigger than 1.0, because the Sharp diode's behavior shan't be linearized over the wide range of lumens which we are interested in. We will see in the next step how close we get to determine the value of a in our real DIY IS configuration. If a results smaller than 1.0, then we can go home. :sisi1:


Step 3. Data selection and adapting Volt readings to Lumens specs

Determining the 2 parameters of the power function by way of curve fitting is our "calibration" work. Since we do not alter anything physical of the sphere, its setup or configuration but only try to adapt the 2 parameters in such a way that the voltage-Lumens-graph reflects the manufacturers' rated ANSI lumens in an optimal way with the least error, it's more like an "inverse calibration" or "reverse calibration" method. Never mind. After selecting suitable lights of trusted manufacturers and collecting voltage readings from the sphere and pairing these voltage measurements up with their rated Lumens, we would plot all voltage-Lumens data points in the same graph. In theory, if all manufacturers used the exact same standards to measure and publish Lumens data, e.g. by way of the identical commercial IS, then all data points would lie on the same single graph. And even better, one would need only 1 single flashlight, with 2 modes (Hi, Lo), because in maths that'd be enough: you have 2 unknowns and 2 data points and this gives automatically 1 unique solution. In practice, however, every flashlight company uses their own DIY IS and how can you be sure that they actually publish what they had measured? Some Chinese are liars, plain and simple, hehe.
:taptap:
For this IS project, the following criteria were factored in in the decision making process:
  • enough flashlight models of a wide Lumens range must be available; this ensures better representation of the photodiode's non-linearity
  • the manufacturers must be reputable and trusted companies; this ensures less frustration
  • flashlights of only 1 flashlight manufacturer are accepted; this ensures data consistency and integrity and reduces variance
  • the company should be role model, industry leader and the products widely distributed and available; this ensures that everyone can find a reference light for brightness comparisons
  • the company's name should rhyme with Phoenix; this ensures that you don't pick wlong name

Out of the flashlight collection, the Fenix E01 (1 mode), Fenix LD01 R4 (3 modes), Fenix LD12 G2 (4 modes), Fenix E21 (2 modes), Fenix PD32 G2 (4 modes), and Fenix TK75 U2 (4 modes) fulfilled the above set of criteria and, with a total of 18 potentially useful data points plus the origin (0;0), were to comprise the data base of the regression analysis. Sorting, analyzing, and plotting the 19 points revealed that most points were consistent with respect to monotonicity and formed a smooth curve; during this data selection process 3 inconsistent and/or outlying points were identified and discarded, leaving us with a total of 16 points to solve the optimization problem. In particular, the lumens specs for the Fenix E21 were outliers. This is no wonder because at the time when Fenix produced the E21 they had not established yet the Fenix ANSI testing standards which apply nowadays to all newer flashlight models. Beware of rated specs of old Fenix flashlight models!

Excel or similar data processing software have built-in functions to do explicit curve fitting tasks, for example the FindFit command in Wolfram's sofware.

Imagen

From the above computer code output we learn that the parameters for our equation are...
  Código:
a = 1.02663
k = 6.99198
...and that the relative deviation between Fenix-rated ANSI lumens and calculated lumens is within a ±10% tolerance band. An annotated version of the above code including comparison to the straight line through origin approach is available too. So our final working equation for practical "FENIX Lumens" estimations is:

Lumens = 6.99198 * voltage1.02663, where voltage must be entered in 1 miliVolt, or 1mV.

Note that the computer found out by data regression analysis that the exponent a has to be slightly bigger than 1.0, as expected. This reconfirms that our previous working steps (Step 1 and Step 2) and their results are 100% consistent. Well done, sir.
:eaea:

FOR EXAMPLE:
If we measure the LOW-mode of a Zebralight flashlight to be "0.69mV", then this translates to the brightness (of a hypothetical Fenix flashlight) which the manufacturer FENIX would have rated with ~"5 (Fenix) ANSI lumen". Or, if you already own a Fenix flashlight which is officially spec'ed at 5 lumens, then your Fenix torch in the 5 lumens mode is pretty much as bright as the Zebralight in its LOW-mode. So the reference for this IS are always and exclusively Fenix lights and the Fenix lumens scale. Vice versa, when a new Fenix light is tested in this IS, then the calculated lumens will match the lumens ratings as specified by Fenix. Whatever Fenix factory measures in their expensive commercial IS light box, this DIY IS can reproduce the measurements ... within a ±10% tolerance band. Future Fenix flashlight reviews, possibly with photos of the UT61E readings, will prove it!


Todo Listo! :zpalomita:

Imagen
08 Mar 2013 12:05 #4
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UPz

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

4. Función Datalog
08 Mar 2013 12:06 #5
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UPz

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

5. Resultado
11 Mar 2013 20:09 #6
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UPz

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Por cierto, voy a necesitar consejo para la refrigeración de las linternas en los test de runtime en la esfera. Hasta ahora, con el ceiling bounce no tenia problemas: Linterna tailstanding en barreño de agua, asomando solo la cabeza, era mano de santo...

He pensado en un ventilador de PC o similar, e incorporarle una canalización tipo secador de pelo / boquilla de taladrina del torno para que "sople" directo a la zona caliente de la linterna, especialmente con modos altos o Li-Ion.
Alguna idea? :elboinas:
11 Mar 2013 20:36 #7
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XRAYBoY

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Nada que mejore eso. Si no es por agua, tendrá que ser por aire. El Aluminio es agradecido con eso.
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11 Mar 2013 21:41 #8
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yavi_

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Tiene una pinta tremenda el proyecto Upz :aplauso:

Lo de refrigerar la linterna, pues con un ventilador de cierta potencia yo creo que va que chuta, o un extractor no sé, pero no se si se trata de sacar los lumenes reales, o forzar un mejor rendimiento..
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11 Mar 2013 21:46 #9
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UPz

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Se trata de no dañar la linterna. Aunque puede resultar complicado, lo ideal sería mantener la linterna a una temperatura similar a la que alcanzaría en nuestra mano, siendo disipada por la sangre.
Un ventilador de PC, ¿se podría conectar directamente al enchufe de pared 220V?
11 Mar 2013 22:01 #10
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yavi_

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Directamente no, necesitas una fuente, suelen ser de 6V.
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11 Mar 2013 22:10 #11
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vincent

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

:roto2gaydude:
UPz escribió:Se trata de no dañar la linterna. Aunque puede resultar complicado, lo ideal sería mantener la linterna a una temperatura similar a la que alcanzaría en nuestra mano, siendo disipada por la sangre.
Un ventilador de PC, ¿se podría conectar directamente al enchufe de pared 220V?


Utiliza un transformador de 220V a 12V, o como te dice yavi_, lo más fácil es comprar una fuente de alimentación de un PC y el ventilador lo enchufas ahí.
En un PC la electrónica (los chips) van a 5V, y las piezas que llevan partes móviles (discos duros, lectores de cd, ventiladores...) van a 12V. Con el conector grande que se conectaría a una placa base, lo que tienes que hacer es puentear el cable verde con uno negro, así consigues poner en marcha la fuente, ya que al no tenerla puesta dentro de un PC no vas a tener botón de "power". Y el ventilador ya lo conectas donde sea, que tendrás conectores de sobra.
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11 Mar 2013 22:18 #12
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UPz

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Una fuente sería demasiado cacharreo, no tengo suficinete espacio y mi mujer hace dias que me mira mal.
Que tal algo así? http://dx.com/p/multifunction-stainless ... 240v-28997
11 Mar 2013 22:19 #13
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vincent

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

UPz escribió:Una fuente sería demasiado cacharreo, no tengo suficinete espacio y mi mujer hace dias que me mira mal.
Que tal algo así? http://dx.com/p/multifunction-stainless ... 240v-28997


Hombre, desde luego si compras un ventilador que funcione a 220V el problema lo tienes solucionado, no hace falta ni que lo preguntes :taptap:
Lo que podrías haces es construirte un conducto y canalizar el aire por ahí para que la refrigeración sea más eficiente.
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11 Mar 2013 22:21 #14
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Lfatman

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Los tienes también de 220v en Shoptrónica. No se si este sería demasiado grande para lo que pretendes

http://www.shoptronica.com/1836-ventilador-refrigeracion-de-220v-120x120x38mm.html

Por cierto, un proyecto excelente!
11 Mar 2013 22:23 #15
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vincent

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Ya si quieres rizar el rizo, te construyes un conducto con por el canalizar el aire y te las ingenias para que la linterna esté en el centro de ese conducto. En un extremo poner un ventilador de esos para que meta aire frío, y en el extremo opuesto pones otro ventilador para que saque aire caliente.
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11 Mar 2013 22:24 #16
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Lfatman

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

11 Mar 2013 22:26 #17
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vincent

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger




Cuando más pequeño menos aire mueve (por lo tanto menos refrigera) y más ruido hace.
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11 Mar 2013 22:28 #18
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Jaipe

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

Estaremos atentos a ver como termina el asunto, yo hace dias estoy buscando una esfera algo similar para acoplar mi luxometro ya que por el momento lo hago de manera muy rupestre, ya me vale para saber cosillas para mí pero es mejor siempre usar el mismo patron.

Estaremos atentos. :zpalomita:
Mi mejor linterna: Bronte RA01ss, porqué es la única que junta con mis llaves no se separa de mí.
El tiempo me ha demostrado que la mejor linterna no es siempre la mas potente, la mas grande, la mas dura ni la mas cara, si no la que está a mano en el momento que se necesita
11 Mar 2013 22:32 #19
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UPz

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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

vincent escribió:Hombre, desde luego si compras un ventilador que funcione a 220V el problema lo tienes solucionado, no hace falta ni que lo preguntes :taptap:
Lo que podrías haces es construirte un conducto y canalizar el aire por ahí para que la refrigeración sea más eficiente.


Solo preguntaba si alguien conocía una mejor opción al ventilador. Células peltier (o como se diga :sisi1: )

La idea es esa, contruir un pequeño conducto que acabe en una boquilla como las que se usan en el torno para soplar aire o chorrear taladrina:
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Gracias por las ideas!
12 Mar 2013 01:21 #20
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Re: [DIY] Esfera integradora con función datalogger

UPz escribió:Una fuente sería demasiado cacharreo, no tengo suficinete espacio y mi mujer hace dias que me mira mal.
Que tal algo así? http://dx.com/p/multifunction-stainless ... 240v-28997

Sin datos de R.P.M., ni Db, ni flujo de aire, ni presión estática, ni las medidas... Gracias que ponen que va a 220v. :roto2:
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