Product Review: A Comparison of Two Quantum Meters - Li-Cor v. Apogee

Los dos medidores de PAR del autor. A la izquierda, un Li-Cor Modelo LI-189; a la derecha, un instrumento Apogee Modelo QMSW-SS (con conector BNC opcional). Ambos muestran años de uso, pero muestran un buen mantenimiento. La conexión negra del Apogee es parte de la manguera hecha en casa.

Empece la investigación para este artículo desde 1999, y recientemente he tenido el tiempo y el interes para completar la comparación entre mis dos medidores - Uno hecho por Li-Cor, Inc.; el otro por Apogee Instruments. Esta comparasión incluye medidas realizadas atraves de un amplio rango de intensidades lumínicas y calidades espectrales (Lámparad MH de 4,000 - 20,000 K ). En particular el Apogee tiene un switch para alternar entre medidas de Luz Solar y Lámparas Eléctricas, y me permite hacer recomendaciones casuales para el uso particular de Lámparas MH.

Este articulo es también una respuesta a varios cambios hechos para validar las medidas del PAR hechas con los instrumentos reltivamente económicos de Apogee Instruments. (Para aquellos con una inclinación a leer este tipo de debates, puedes visitar los foros de Advanced Aquarist para leer los comentarios del artículo de Mike Kirda "Iluminación en el acuario de Arrecife: Algunos datos reales" y un artículo de Miguel Olaizola y mío, titulado "Iluminación en el acurio de arrecife: Espectro ó Intensidad" - Advanced Aquarist Online - Volumen 2, Número 8, y Volumen 1, Número 2, respectivamente).

Medidores de PAR (tambien llamados medidores cuanticos) son los instrumentos preferidos para medir la intensidad lumínica cuando la fotosíntesis se encuentra envuelta en el proceso. Idealmente, los medidores cuanticos miden ( y reportan de igul forma) el monto de energía en la longitud de onda lumínica entre 400nm y 700 nm, y lo reporta en unidades de micromol por metro cuadrado por segundo (µmol·m²·seg). La intensidad solar completa es generalmente ~2,000 µmol·m²·seg. 'Micromol' es la unidad preferida para propósitos de reporteo, y lo opuesto a 'microEinstein', una unidad que es comunmente utilizada en literatura antigua. De cualquier forma, una medida de PAR o PPFD (cualquiera µmol·m²·seg or µE·m²·seg) con unidades "Fuera de la ley", no reconocidad como unidades del SI, y algunas palabras que están de moda para aquellos obsesionados con la botánica.

De cualquier forma, el medidor cuantico de la serie Li-Cor ha sido utilizado como el estandar de medición de la radiación activa fotosintética por un lapso de años. Si el precio está emparejado a la calidad y exactitud de las medidas lumínicas, entonces el medidor Li-Cor podría marcar el ritmo a cualquier competidor, pero es igual el 'precio' a la 'calidad'?

Quizá debamos examinar cada medidor antes de entrar a los datos comparativos. Empecemos con:

Diseño del sensor

OLos sensores son simples fotodiodos para medir la luz con cascos protectores. Su trabajo es relativamente simple - colectar la energía lumínica (fotones) y los convierte en corriente medible (electrones), y así como el sensor esté protegido contra el agua, los sensores son prácticamente iguales, pero no es así.

Diseño del Colector: 2 pi v. 4 pi

Una de las primeras consideraciones es el 'tipo' de luz que deseas medir. Para nuestros propósitos, hay dos tipos de luz - downwelling (la que es emitida por el sol o una fuente artificial) y upwelling (como la luz reflejada por un fondo de arena blanca, roca viva, etc.). A menos que estes cultivando phytoplankton (el cual puede colectar iluminacion de todos lados), probablemente deseas obtener un sensor que mida únicamente luz downwelling. Este es llamado sensor 2 pi, y es del tipo utilizado para las medidas reportadas en este artículo. Li-Cor ofrece un sensor 4 pi (Modelo Li-193SA) el cual semeja un foco escarchado en apariencia - y puede medir luz up-welling y down-welling. Luz upwelling puede contribuir con un significante monto del monto totl de luz. Esto no debería ser importante para los corales. Si uno desea medir luz upwelling, simplemente apunta el sensor hacia el fondo del tanque para obtener el estimado de la luz reflejada. De acuerdo a las medidas realizadas por mi mentor en iluminación (Pete Mohan, por lo tanto Mundo Marino de Ohio), no hay una gran diferencia entre las medicione en el acuario por el sensor 2 pi y el 4 pi.

Respuesta Espectral

La respuesta espectral ha sido el más alto argumento utilizado en debates de mediciones comparativas entre marcas de medidores cuanticos. Un sensor del medidor cuantico debe tener una respuesta ideal que pueda reportar la misma energí en cada longitud de onda exactamente entre 400nm y 700nm. De cualquier modo, ni el Li-Cor ni el Apogee tienen una respuesta ideal. El Apogee reporta longitudes de onda azules muy por debajo que el Li-Cor. El corte en la porción roja del espectro, se encuentra ~650nm para el Apogee; el sensor del Li-Cor extiende este rango acercandose al infrarojo (cortando a 700nm, pero con ligereza responde a los ~720nm). Acercandose a la radiación IR puede causar un error sustancial en ciertos casos.

Apogee mantiene en su promocion, que la calidad espectral de la mayoría de las lámparas, negará cualquier 'deficiencia' en la respuesta de sus sensores. Más adelante verificaremos si esto es valido!

Colector Coseno y Corrección

Tanto los sensores del Apogee y Li-Cor son corregidos con el coseno a un ángulo de 80º de incidencia. En Español plano, esto significaque los sensores pueden detectar radiación entrante al ensor a angulos de hasta 80° del centro de la ventana del sensor o difusor. Los sensores sin la corrección coseno, no reportará intensidades adecuadas para la luz difusa (como la de días nublados, baja iluminación solar angulada, lámpara fluorescentes). El manuan del Li-Cor indica que la corrección coseno sobrecompensa la luz en el aire y la descompensa en el agua.

Construcción del Sensor y el tipo de Fotodiodo

El sensor de Li-Cor es muy robusto, con el casco hecho en una aleación de cobre. Este es un difusor de acrilico blanco como protectory filtro interno y un fotodiodo realzado azul hecho a base de silicon. Este filtro y difusor son de larga duración. Yo tenía mi sensor LI-192SA reconstruido despues de 9 años de uso rudo (y 50,000 mediciones). La reconstrucción fue necesaria debido a un empañamiento del difusor acrílico.

El sensor de Apogee es más pequeño que el de Li-Cor, y está hecho de plastico (ambos en un sistema cerrado de acuarios con un fuerte crecimiento de corales). Es de 24mm de diametro y 25mm de alto. El fotodiodo está hecho de arseniuro de galio.

Efecto de Inmersión

El efecto de inmersion se refiere a la perdida de luz causada por diferentes indices de refracción del aire y el agua - Hay menor reflección interna de luz con el sensor inmerso. El medidor cuantico Li-Cor tiene un factor de calibración acuatico para evitar esta perdida. Los medidores Apogee no ofrecen esta opción.

Hablando del tema de la inmersión, uno debería preocuparse sobre la resistencia del agua cuando sumerges los sensores. Li-Cor anuncia una medida de presión de 2 pi LI-192SA con un sensor debajo del agua a 800 psi (54 bars); El 4 pi Spherical LI-193SA est diseñado para 500 psi (34 bars). Apogee no anuncia ningúna medida de presión, pero pude hablar con personal experimentado quienes han probado que el sensor es resistente a profundidades de 37 metros (~120 pies) durante sesiones de buceo (El medidor tiene una cubierta resistente al agua). Suficiente para que podamos dudar si alguno de estos sensores podrían fallar en las profundidades de nuestros acuarios!

Efectos de la Temperatura

La temperatura afecta la eficiencia del medidor y la repuesta del sensor. Apogee menciona que sus instrumentos funcionan en temperaturas de hasta 50ºC (dependiendo de la no consideración de la humedad relativa); Li-Cor anuncia que sus medidores funcionan a temperaturas de 55ºC y 90% HR (No-condensada).

Rangos y Resolución de los Instrumentos

El medidor cuantico de Apogee reporta hasta 1,999 µMol·m²·seg (en incrementos de 1 µMol·m²·seg), mientras que el Li-Cor reporta en el orden de una magnitud alta de - 19,999 µMol·m²·seg, con rangos de resolución desde 0.01 µMol·m²·seg a 1 µMol·m²·seg, dependiendo de la intensidad de la luz. Es posible que para MH de alto wattage produzcan mas radiación que el Apogee pueda reportar. Hay varias opciones - una es usando un filtro de densidad neutral para atenuar el monto de luz que entra al sensor. Una opción económica (y posiblemente más conveniente) es utilizar una pequeña pieza de pantalla no metalica. Comparar las lecturas en un ambiente de baja iluminacion para llegar al apropiado factor de corrección para usarse en condiciones de iluminación extrema. Es posible tambien maximizar el medidor Li-Cor - Nosotros lo manejamos para hacer una prueba beta con una lámpara de fusion de sulfuro de 1,000 watts hace algunos años.

Portabilidad y vida de la bateria

Ambas marcas de medidores son ligeros y facilmente portatiles. Ellos usan una batería estandar de 9v, y la vida de la bateria es exelente (100-200 horas). Un anuncio de 'bateria baja' es utilizado como estandar en ambos medidores.

Factor Periodico de Calibración

La respuesta del sensor varía como resultado de su uso en más de una ocasión (de acuerdo a Apogee). ambos meddores deben ser calibrados periodicamente por la fabrica. Li-Cor recomienda una recalibración cada 2 años (con un cargo de $75 USD por el servicio). Apogee hace un cargo de $40 USD, pero en lugar de recomendar un periodo de recalibración , ellos ofrecen un 'trato' para aquellos medidores que tengan un uso 'promedio' en el acuario: Obten un nuevo sensor del tipo escrchado y un foco incandecente nuevo. Mide la salida de la lámpara en un cuarto cerrado, registra los resultados y guarda el foco. Mide la salida del foco (bajo condiciones estandares) una vez al año. Regresa el medidor cuantico cuando los resultados sean subjetivamente inaceptables.

En mi caso, he tenido el lujo de comparar la respuesta del sensor Apogee y la del Li-Cor (el cual es recalibrado en la fábrica cada dos años). El Apogee no ha sido calibrado desde su compra.

Precio

Apogee ha cortado su costo de producción utilizando un gran numero de medidas - el medidor ha sido colocado en una base plastic y no es tan resistente como el de Li-Cor. (Mi primera e incorrect impresion del medidor de Apogee, es que parece juguete.) El reemplazo de la batería para el Apogee, involucra a dos tornillos para poder separar la tapa protectora; Li-Cor tiene una conveniente tapa deslizable. Adicionalmente, la habilidad de poder reportar intensidades mayores a 1,999 µmol·m²·seg, sería un plus. El sensor también es diferente. El Apogee contiene un económico fotosnsor de gallium, y la cubierta del sensor es pequeña y hecha de plastico (actualmente una ventaja para el mundo de los acuarios).

El modelo Apogee QMSW-SS se encuentra por $298.00 USD, mas impuestos y envío. Yo tengo un medidor Apogee construido con la opción de un conector BNC, por lo que puedo remover los dos metros de cable y el sensor. Esta opción costo $20 USD en 1999.

Yo pague $1,100 USD por el modelo LI-189, un cable submarino (3 metros de largo), Sensor LI-192SA, y una funda de nylon en 1995.

Hay obvias diferencias entre los dos medidores en construcción, Pero que hay sobre la calidad de las medidas de iluminación? son comparables?

Una comparación de las medidas, fue realizada utilizando 5 MH de diferentes rangos Kelvin desde 4,000 hasta 20,000. Esta es la forma en que se realizó la prueba:

Procedimeintos

El protocolo de comparación es muy sencillo - Se hizo un guía de ½" PVC, con uniones y acrílico. Una ligas sostienen al sensor unido para mantener las orientaciones verticales y horizontales El cable del sensor, fue unido al tubo de PVC con cinturones plasticos Figura 2). De esta manera, pueden realizase medidas simultaneas sin preocuparnos del error que pued generarse con la fluctuación de voltaje así como los cambios de las salidas de las lámparas.

Un a cubeta plastica blanca fue llenada con agua para obtener un profundidad efectiva de ~18cm para la inmersión de los sensores durante la comparasión. El tubo de PVC creó una notable agitación de la superficie del agua; aún así se le dió algunos segundos al agua para que se calmara antes de realizar las mediciones.

Para evitar una mayor fuente de error, el sensor fue colocado paralelamente a lo largo del axis del arco lumínico de la lámpara. De esta manera, pude minimiar los efectos de la distribución de la luz y los resultados de los gradientes de radiación. De cualquier forma, el sensor fue movido ligeramente durante el curso de la toma de mediciones, para determinar si el gradiente se presentaba - No se observaron cambios de intensidad de luz.

El medido Li-Cor tiene puntos de calibración como 'aire' y 'agua, y el medidor fue calibrado acorde a la necesidad. la calibración de fabrica del medidor, así como la reconstrucción del sensor, fue realizado en Noviembre de 2004 - de acuerdo a la recomendación de recalibrado bianual.

El agua y el sensor de temperatura fue monitoreado con un termometro infrarojo durante las pruebas. La temperatura vario durante las pruebas entre 26.6 y 28.3°C (muy por debajo de la máxima temperatura permitida para cada sensor).

Figura 2. Una comparación lateral lado a lado de la respuesta de los medidores cuanticos. Observa el texto para entender los detalles del protocolo de pruebas.

Resultados

El PAR de 5 lámparas MH fueron medidos con el medidor Li-Cor (apropiadamente calibrado para 'aire' o 'agua') y el Apogee (seleccionando para medición de 'Luz solar' ó 'Lámpara eléctrica').

No utilice mucho tiempo investigando como las dos marcas de sensores resonden a las medidas de iluminación hechas en aire. De cualquier forma, la figura 3 y 4 demuestran que los dos sensores comparan favorablemente bajo condiciones de diferentes calidades de espectro e intensidad del aire. Pero como las medidas acuaticas de los dos medidores se comparan? Nosotros comparamos resultados de lamparas individuales y el sumarizado para obtener comparaiones.

Figura 3

Figura 4

Medidas realizadas bajo el agua - Lampara Philips 4,000K MH

Figuras 5 y 6 muestran las respuesta de esta lámpara (el cual es la misma lampara utilizada en el experimento PAM reportado en Febrero de 2002 en esta revista. el resultado de la lampara Aquarium Lighting System - ALS - 12,000K son mostrados a continuación. Es tambien la misma lámpara utilizada en los experimentos PAM referidos. Ambas lámparas se han mantenido guardadas sin usar desde aquellos experimentos).

Figura 5

Figura 6

Medidas realizadas bajo el agua - Lámpara Iwasaki 6,500K MH

Figuras 7 y 8 muestran las respuestas de los dos ensores para el favorito - La lámpara Iwasaki 6,500K 'Luz de día'.

Figura 7

Figura 8

Medidas realizadas bajo el agua - Ushio (aka AB/Hamilton) MH

La lámpara de fabricación alemana Ushio ha sido etiquetado bajo diferentes marcas, y han ganado una buena reputacipón de su calidad. Utilice uno marcado con el nombre de 'AB 10000K' y reportear los resultados de las Figuras 9 y 10.

Figura 9

Figura 10

Medidas realizadas bajo el agua - ALS 12,000K MH

Como mencionado anteriormente, esta lámpara fue la utilizada en el artículo PM de la revista de Febrero de 2002. Ha sido guardado desde aquel experimento.

Figura 11

Figura 12

Medidas realizadas bajo el agua - Coralife 20,000K MH

Utilicé esta lámpara por varias razones. Juzgado visualmente, es la lámpara “ más azul “ que tengo en mi colección. Tiene cierto uso , y puesto que se utilizo, representa una lámpara con calidad espectral despreciada. En otras palabras esta lámpara es representante de la “ vida real “. Teóricamente, debemos ver discrepancias más grandes entre los competidores en casi todas las luces monocromáticas azules. Incidentemente, ésta lámpara Coralife es del “ viejo estilo “, que fue substituida por otro modelo hace aproximadamente 5 años. Véase los cuadros 13 y 14.

Figura 13

Figura 14

En conclusión

El medidos cuantico Apogee muestra medidas sorpresivamente cercanas a las obtenidas al medidor Li-Cor. Mas sorprendente fue que ( exepción de la lámpara Philips 4,000K ) las medidas del Apogee dieron resultados de acuerdo a las que el medidor Li-Cor en su calibración de 'Luz solar'.

Tabla 1

El grado de error actual entre las medidas obtenidas de las dos marcas de sensores, es muy dificil de describir. Basado simplemente en el porcentje de error, pueden ser engañosas, ya que como parte importante, juega la intensidad. Esto es, a bjas intensidades, menor es la diferencia, o inclusve 1 µMol·m²·seg puede ser una profunda diferencia porcentual. Por otro lado, la diferencia entre medidas actuales, generalmente incrementa con la alta intensidad( y la diferencia de porcentaje, generalmente decrementa). Este es un intendo para describir el rango promedio de intensidad lumínica encontrada en el acuario, pero este ejercicio, es puede ser inclusive un ejercicio inutil. Por esta razón, la Tabla 2 reporta el promedio diferencial porcentual entre un rango entero de medidas de PAR.

Tabla 2

Esta tabla muestra la diferencia entre las dos medidas en sus dos calibraciones del Apogee, obtenidas con el instrumento Li-Cor. Generalmente, las medidas del Apogee fueron más bajas que las del Li-Cor, a exepción de las altas lecturas del Philips 4000K MH (Calibración de Luz solar), y lecturas mixtas (más altas y bajas, Calibración Luz solar) con el AB (Ushio/Hamilton) 10000K.

*Si, 0.36%, basado en las medidas que fueron ligeramente más altas y ligermente más bajas, atravez del rango de intensidad para las reportadas por el medidor Li-Cor LI-189. Como se esperaba, la diferencia de lecturas fueron mayores en las casí lámparas monocromaticas de 20,000K.

En mi opinion, la validez de las medidas de Apogee's basadas estrictamente en el tema de la respuesta espectral, son injustamente fundadas. La mayor fuente de error cae, cuadradamente( pero potencialmente) con el uso del instrumento y no inherentemente a la calidad optica. El error del usuario incluye la orientación del sensor, la limpieza del mismo, la condición del instrumento ( Cuidado, mantenimiento, calibración) etc.

It would seem that any reports of PAR and PPFD measurements should include the instrument's last calibration date or at least a report of deviation from a standard light source or calibrated quantum meter.

Notas finales

El medidor cantico Li-Cor LI-189 ha sido reemplazado con un nuevo modelo, el LI-250A. Espero que el Li-Cor tenga la misma calidad en el modelo nuevo. El LI-250A incluye la habilidad de cambiar entre 'aire' y 'agua' para su calibración con un simple switch.

Apogee ha actualizado su sensor para incluir un domo auto limpiable , el cual tambien asiste la corrección coseno.. He sido informado (por personal de comunicaciones de Shaun, Apogee Instruments) que están trabajando en la mejora de la respuesta espectral de sus fotodiodos.

Uno puede pensar, el que porque compre dos instrumentos de medición - El medidor de Apogee fue obtenido por su uso en algunos trabajos de respirometros, desde que l sensor es más compacto que el Li-Cor, y es especialmente utilizado en angostos spots. Más tarde, el medidor Apogee puede ser utilizado para investigaciones de medición luminica en arrecifes Hawaianos. Es muy económico para considerar una expansión antes de hacer un cambio de mi tubería interna de mi casa.

Para mayor informacion, verifica estos sitios web:

• Joe Burger's Cnidarian Reef: http://www.cnidarianreef.com/lamps.cfm
• Apogee Instruments: http://www.apogee-inst.com
• LI-COR, Inc.: http://www.licor.com

Referencias

1. LI-COR, Inc., 1990. LI-189 Quantum/Radiometer/Photometer Operating Manual. Publication Number 9003-61. Lincoln, Nebraska. 18 pp.
2. LI-COR, Inc., 1990. LI-COR Underwater Radiation Sensors, Type SA Instruction Manual. Publication Number 8609-57. Lincoln, Nebraska. 23 pp.
3. Kirk, J.T.O., 1994. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. Cambridge University Press, Canberra. 509 pp.