Tesis Sensor Infrarrojo

8/12/2019 Tesis Sensor Infrarrojo

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PROYECTO FIN DE CARRERA

Desarrollo de un sensor de temperaturaremoto basado en la radiacin infrarroja.

Autor: Abraham de los ngeles Daz Garca

Tutora: Marta Ruiz Llata

Legans, Octubre de 2012

Departamento de Tecnologa Electrnica


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Ttulo: Desarrollo de un sensor de temperatura remoto basado en la radiacin infrarroja.Autor: Abraham de los ngeles Daz GarcaDirectora: Marta Ruiz Llata

EL TRIBUNAL

Presidente: Jos Mara Armingol

Vocal: Jos Ramn Lpez Fernndez

Secretario: Pedro Martn Mateos

Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el da 30 de Octubre de2012 en Legans, en la Escuela Politcnica Superior de la Universidad Carlos III de

Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIN de

VOCAL

SECRETARIO PRESIDENTE


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Resumen

Este proyecto fin de carrera se centra en el estudio y diseo de un sensor detemperatura remoto. El objetivo principal del proyecto es desarrollar un dispositivo capazde obtener la temperatura de un objeto situado a una cierta distancia, conocida suemisividad y la radiacin infrarroja emitida por ste. Adems, se plantea dentro de esteproyecto el estudio de los principios bsicos de termometra infrarroja y la clasificacinde los distintos tipos de termopilas en el mercado atendiendo a sus principalescaractersticas, con el fin de seleccionar la ms adecuada para el desarrollo de nuestrosensor.

Las aportaciones principales del proyecto son: el estudio de los fundamentos fsicospara la cuantificacin de la radiacin infrarroja emitida por los cuerpos segn sutemperatura, el estudio de mercado de este tipo de sensores y la clasificacin de losdistintos tipos de proveedores de termopilas atendiendo a las principales caractersticas delas mismas, y la implementacin de un prototipo de termmetro infrarrojo basado en unatermopila, con todo el diseo y desarrollo electrnico, ptico y mecnico que conlleva,as como la calibracin y realizacin de las distintas pruebas que permitan la verificacinde su correcto funcionamiento.

Palabras clave: Sensor, termmetro, radiacin infrarroja, termopila, termistor,temperatura ambiente, temperatura del objeto, emisividad, campo de visin.


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ndice general

.INTRODUCCIN Y OBJETIVOS......................................................................................... 11.1 Introduccin .............................................................................................................. 11.2 Objetivos ................................................................................................................... 21.3 Medios empleados ..................................................................................................... 21.4 Estructura de la memoria .......................................................................................... 3

.PRINCIPIOS DE LA RADIACIN INFRARROJA.................................................................. 52.1 Introduccin .............................................................................................................. 62.2 Fundamentos fsicos .................................................................................................. 72.3 Tipos y funcionamiento de los termmetros infrarrojos ......................................... 102.4 Construccin y funcionamiento de una termopila .................................................. 112.5 Conclusiones ........................................................................................................... 13

.CLASIFICACIN Y MERCADO DE LAS TERMOPILAS...................................................... 153.1 Clasificacin ............................................................................................................ 163.2 Conclusiones ........................................................................................................... 22

.DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN TERMMETRO INFRARROJO............................... 234.1 Termopila ................................................................................................................ 24

4.2 Circuito de adquisicin de temperatura ................................................................... 244.2.1 Circuito termistor ............................................................................................. 24

4.2.2 Circuito termopila ............................................................................................ 26

4.2.3 Circuito de alimentacin .................................................................................. 28

4.3 Diseo de placa PCB ............................................................................................... 294.4 Calibracin del sistema ........................................................................................... 31

4.4.1 Equipos auxiliares empleados .......................................................................... 31

4.4.2 Ajuste de termistor ........................................................................................... 34

4.4.3 Calibracin ptica ............................................................................................ 36

4.4.4 Ajuste de termopila .......................................................................................... 394.5 Conclusiones ........................................................................................................... 41


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NDICE GENERAL

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.MEDIDAS DE FUNCIONAMIENTO................................................................................... 435.1 Software de control ................................................................................................. 445.2 Descripcin del procedimiento seguido en los experimentos ................................. 475.3 Verificacin del sistema .......................................................................................... 495.4 Conclusiones ........................................................................................................... 53

.CONCLUSIONES ............................................................................................................. 55.GESTIN Y PRESUPUESTO DEL PROYECTO................................................................... 57

7.1 Gestin .................................................................................................................... 577.2 Presupuesto ............................................................................................................. 58

.REFERENCIAS ................................................................................................................ 61.ANEXO 1 ........................................................................................................................ 65

Documentacin de placa Temperatura-IR .................................................................... 650.ANEXO 2 ...................................................................................................................... 69

Puesta en marcha de termopila con salida digital ......................................................... 69


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ndice de figuras

Figura 1. Espectro electromagntico. .................................................................................. 6Figura 2. Absorcin, reflexin y transmisin de la energa incidente. ............................... 7Figura 3. Espectro de radiacin trmica de un cuerpo negro en funcin de [OPT]. ........ 8Figura 4. Esquema bsico de una termopila. ..................................................................... 11Figura 5. Composicin de la termopila. ............................................................................ 11Figura 6. Flujograma de lectura T

objeto. ............................................................................. 13

Figura 7. Termopila HMSM21L3.0F5.5 [HETE]. ............................................................ 24Figura 8. Circuito acondicionador del termistor. .............................................................. 25Figura 9. Comportamiento del termistor frente a la temperatura ambiente. ..................... 25Figura 10. Respuesta del divisor de tensin del termistor para diferentes valores de

temperatura. ............................................................................................................... 26Figura 11. Circuito acondicionador de la termopila. ......................................................... 27Figura 12. Circuito de alimentacin. ................................................................................. 28Figura 13. Soporte y fijador del dispositivo. ..................................................................... 29Figura 14. Placa PCB del sensor. ...................................................................................... 30Figura 15. Circuito acondicionador de la termopila. ......................................................... 31

Figura 16. Especificaciones pticas D:S = 15:1. ............................................................... 31Figura 17.Cmara climtica CCK -40/180. ....................................................................... 32Figura 18. Muestra de asfalto de carretera. ....................................................................... 33Figura 19.Tarjeta de adquisicin de datos miniLAB 1008. ............................................... 34Figura 20. Campo de visin de la termopila. .................................................................... 36Figura 21. Esquema de lente plano-convexa. .................................................................... 37Figura 22.Clculo de la distancia de adaptacin de la lente. ............................................ 37Figura 23. Incorporacin de una lente de 25.4mm de dimetro y distancia focal. ........... 38Figura 24. Relacin ptica D:S del sensor. ....................................................................... 38Figura 25.Sensor de Temperatura-IR. ............................................................................... 41Figura 26.Panel frontal del programa de control. ............................................................. 44

Figura 27.Diagrama de bloques del programa de control con uso de frmulas. ............... 45Figura 28.Variacin de Vtp en funcin de Tobjeto. .............................................................. 46


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NDICE DE FIGURAS

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Figura 29.Diagrama de bloques del programa de control con uso de lookup tables. ....... 47Figura 30.Disposicin de los elementos durante el desarrollo las medidas. ..................... 48Figura 31.Fuentes de radiacin empleadas: asfalto, aluminio y madera. .......................... 49Figura 32.Temperatura-IR vs CS LT para asfalto. ............................................................ 50Figura 33.Temperatura-IR vs CS LT para aluminio. ........................................................ 51Figura 34.Temperatura-IR vs CS LT para madera. ........................................................... 52Figura 35.Diagrama de Gantt. ........................................................................................... 58Figura 36. Circuito de comunicacin y alimentacin de la termopila digital. .................. 70


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ndice de tablas

Tabla 1. Valores de emisividad en funcin de la temperatura de medida [OPT]. .............. 8 Tabla 2. Distribuidores de termopilas en el mercado. ....................................................... 21Tabla 4. Programa de la cmara climtica para ajuste de termistor. ................................. 32Tabla 4. Resistencia del termistor en funcin de la temperatura. ..................................... 35Tabla 5. Comparativa de parmetros fabricante vs medidos ............................................ 35Tabla 6. Temperatura ambiente en funcin de distintos parmetros. ............................... 36Tabla 7. Vtp en funcin de la temperatura del objeto. ....................................................... 40Tabla 8. TObj.en funcin de la sensibilidad Kpara TAmb. constante de 25.5C. ............... 40Tabla 9.Lookup tables de termistor y termopila. ............................................................. 45Tabla 10.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para asfalto. ........................................... 50Tabla 11.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para aluminio. ....................................... 52Tabla 12.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para madera. .......................................... 53Tabla 13. Hoja de caractersticas tcnicas del sensor Temperatura-IR diseado.............. 54 Tabla 14. Descripcin y periodo de las tareas realizadas en el proyecto. ......................... 58


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NDICE DE TABLAS

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Captulo 1

Introduccin y objetivos

1.1IntroduccinActualmente, los sistemas de medicin de temperatura usando termmetros

infrarrojos cada vez son ms utilizados, ya que permiten la medicin de temperatura deun objeto situado a una cierta distancia sin causar contacto con el mismo. Son utilizadosen aquellas operaciones donde no es posible el contacto entre el dispositivo de medida yobjeto, tales como la medicin de un metal en una fundicin, alimentos, comprobacin deequipos mecnicos (motores, maquinaria) o elctricos (circuitos elctricos, placas,luces), o incluso para determinar la temperatura a la que se encuentra el asfalto de una

carretera con el fin de alertar a bajas temperaturas, aumentando la seguridad.

Estos sensores miden la temperatura sin contacto, utilizando la propiedad que tienentodos los materiales de emitir ondas electromagnticas en el rango del infrarrojo, estandoesta radiacin totalmente relacionada con la temperatura del objeto. Conociendo lacantidad de energa infrarroja emitida por el objeto y su emisividad, la temperatura delobjeto puede ser determinada.

Este proyecto fin de carrera se ha realizado en el Grupo de Optoelectrnica yTecnologa Lser de la UC3M, donde existe una avanzada experiencia sobre dispositivosy sensores pticos en la banda infrarroja. En este entorno el presente proyecto fin de

carrera trata de estudiar la termometra infrarroja mediante el desarrollo de un sensor deestas caractersticas.


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1.2 Objetivos

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1.2ObjetivosEl objetivo principal del proyecto reside en el desarrollo de un termmetro capaz de

medir la temperatura de los materiales de forma remota, dentro de un rango detemperaturas preestablecido, basndonos en la radiacin que emiten los cuerpos en elinfrarrojo prximo por encontrarse a una cierta temperatura. Para ello el presenteproyecto fin de carrera propone los siguientes objetivos:

1. Manejar los conceptos que involucran la medicin de temperatura sin contacto porinfrarrojos.

2. Implementacin de un prototipo de termmetro infrarrojo basado en unatermopila con salida analgica, mediante el diseo y desarrollo electrnico,ptico, mecnico y la calibracin que conlleva el mismo.

3. Puesta en marcha y verificacin del funcionamiento del termmetro diseado.En el desarrollo del proyecto se han ido cumpliendo cada uno de los objetivos

anteriores. Adems se contempla en este proyecto la bsqueda de los diferentesproveedores de termopilas existentes actualmente en el mercado, clasificando losdistintos tipos de termopilas atendiendo a sus principales caractersticas, con el objetivode seleccionar aquella que mejor se adapte a nuestras condiciones de trabajo, para eldiseo y desarrollo de nuestro termmetro infrarrojo. Estas actividades han sidorealizadas previamente a este proyecto, en una beca de colaboracin con el Departamentode Tecnologa Electrnica, incluidas y necesarias en este trabajo al formar parte deldesarrollo del termmetro infrarrojo a disear.

1.3Medios empleadosEl proyecto se ha llevado a cabo en los laboratorios del Grupo de Optolectrnica y

tecnologa Lser. Los medios utilizados han sido la instrumentacin bsica de laboratorio(osciloscopio, polmetros, fuentes de alimentacin, sistemas optomecnicos, etc).

Para el diseo de circuitos impresos se ha empleado el software de diseo decircuitos electrnicos OrCAD, a travs de las herramientas Capture Cis y Layout Plus,mientras que para la construccin de los mismos se ha hecho uso de las facilidades delDepartamento de Tecnologa Electrnica y Oficina Tcnica de la UC3M.

Finalmente, para las pruebas y mediciones realizadas en el laboratorio, se hautilizado una tarjeta de adquisicin de datos, modelo miniLAB 1008, un ordenadorporttil para almacenar dichos datos y permitir el soporte al software LabVIEW,encargado del procesamiento de los mismos. Para el calentamiento o enfriamiento de losobjetos utilizados en las mediciones se ha utilizado una cmara climtica del fabricante

DYCOMETAL, modelo CCK -40/180.


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1.4 Estructura de la memoria

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1.4Estructura de la memoriaPara facilitar la lectura de la memoria, se incluye a continuacin un breve resumen de

cada captulo:

En este primer Captulo se introduce una visin global de cmo se va a tratary desarrollar el presente proyecto.

En el Captulo 2 se describen los conceptos y fundamentos fsicos para lacaptacin y cuantificacin de la temperatura sin contacto por infrarrojos, ascomo la composicin y funcionamiento de la termopila para la medicin dedicha temperatura.

En el Captulo 3 se presenta una bsqueda de los diferentes tipos deproveedores de termopilas existentes actualmente en el mercado, clasificandolos distintos tipos de termopilas, segn sus caractersticas fundamentales, conel fin de seleccionar aquella que mejor se adapte a nuestras condiciones deservicio, para llevar a cabo el desarrollo de nuestro sensor.

En el Captulo 4 se detalla el diseo y desarrollo de los sistemas electrnicos,mecnicos y pticos de un termmetro infrarrojo basado en la termopilaseleccionada, as como la calibracin del mismo.

Una vez diseado nuestro termmetro, en el Captulo 5 se detalla eldesarrollo de un software de control de todo el sistema, junto a la disposicin

de los elementos en el entorno de trabajo y verificacin del correctofuncionamiento del dispositivo diseado, corroborado por un segundo sensortomado como referencia.

Implementado el prototipo de termmetro infrarrojo se sacarn conclusionesen el Captulo 6.

Finalmente, en el Captulo 7 se presenta el presupuesto del sensor detemperatura remoto diseado.


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Captulo 2

Principios de la radiacininfrarroja

Este captulo describe el trabajo que se ha realizado para cumplir el primer objetivodel proyecto, basado en el estudio de los principios bsicos de la termometra infrarroja.

El captulo comienza considerando los fenmenos relacionados con la radiacininfrarroja. En particular, estudiaremos como influye la radiacin en los cuerpos,dependiendo del tipo de material, de la longitud de onda, emisividad y rea de medicin.

A continuacin se muestra cmo podemos medir la radiacin que emite un objeto alencontrarse a una cierta temperatura, siendo capaces de calcular la misma al estardirectamente relacionada con la radiacin. Tambin se detalla la composicin y

funcionamiento de una termopila, con el fin de usar sta para el desarrollo de untermmetro infrarrojo.

Al final de este captulo tendremos los conocimientos necesarios para desarrollar untermmetro infrarrojo basado en una termopila.


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2.1 Introduccin

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2.1IntroduccinTodo cuerpo por encima del cero absoluto (-273.15C = 0 Kelvin) emite una energa

electromagntica de su superficie, dentro del espectro de las radiaciones infrarrojas,invisible para el ojo humano, ya que se encuentra entre 0,7 y 100 m, es decir, porencima del espectro visible.

Los orgenes de la medicin de las radiaciones infrarrojas (IR) se remontan al ao1800 donde William Herschel descompuso la luz solar en los distintos colores delespectro visible a travs de un prisma, con el fin de medir el calor emitido por cada colorpor medio de un termmetro de mercurio. Descubri que la temperatura de los colores delespectro aumentaba al ir del violeta al rojo, siendo ms intensos en el infrarrojo prximo,zona que carece de luz. Herschel denomin a esta radiacin "rayos calricos", dondeposteriormente tomaron el nombre de rayos infrarrojos o radiacin infrarroja [OPT].

En 1800 fue posible medir la energa relativa de cada color, pero no fue hastaprincipios de siglo veinte cuando se pudo tener una medida de la energa de la radiacininfrarroja. Se descubri que esta energa es proporcional a la cuarta potencia de latemperatura del objeto.

Figura 1. Espectro electromagntico.

El primer sensor de infrarrojo apareci hace 50 aos aproximadamente y se basa enun dispositivo electrnico capaz de medir la radiacin electromagntica infrarroja de loscuerpos en su campo de visin. Formado por un sensor ptico que recibe la energatrmica emitida por el objeto siendo posteriormente amplificada y liberalizada para suposterior procesamiento.

El tramo comprendido entre 0.7 y 14m es el ms importante para la medicin detemperaturas por infrarrojo, ya que para longitudes de onda mayores los niveles deenerga son muy bajos, no siendo captados por los sensores.

La medicin con termmetros infrarrojos es aplicable a casos en los que no searecomendable estar el sensor en contacto con la temperatura del objeto. Se usan endistintas aplicaciones como la medicin de productos alimenticios, maquinaria enmovimiento, superficies con temperaturas muy altas, etc. Otra ventaja es que permite unamedida rpida en comparacin con los termmetros de contacto, siendo esta cualidad

importante en aplicaciones de cadenas de produccin, en diagnsticos de pacientes, etc.


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2.2 Fundamentos fsicos

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2.2Fundamentos fsicosEn torno al ao 1900 Max Planck, Josef Stefan, Ludwig Edward Boltzmann,

Wilhelm Wien y Gustav Kirchhoff establecieron correlaciones cualitativas y cuantitativaspara describir la energa infrarroja.

A continuacin se definen algunos trminos y conceptos caractersticos de la energaradiante de tipo calorfico.

De toda la radiacin que incide sobre una superficie, una parte puede absorberse porel cuerpo, otra reflejarse y una tercera transmitirse a travs del mismo.

De esta manera se define: Coeficiente de absorcin (a): Fraccin de la radiacin absorbida por el cuerpo

con respecto a la energa incidente. Coeficiente de reflexin (r): Fraccin de la radiacin reflejada con respecto a

la energa incidente.

Coeficiente de transmisin (t): Fraccin de la radiacin transmitida conrespecto a la energa incidente.

Figura 2. Absorcin, reflexin y transmisin de la energa incidente.

La suma de estos coeficientes es igual a la unidad:

1 1La absorcin y la trasmisin de un material dependen del espesor del mismo. Por

ejemplo, para cuerpos opacos tendramos que la transmisin es cero, quedando: 0; 1Sin embargo, los gases suelen presentar valores muy elevados de transmisin, por lo

que tienen valores de absorcin y reflexin muy bajos. El aire tiene unos valores deabsorcin y reflexin prcticamente nulos para la radiacin infrarroja. Otros gases,especialmente el anhdrido carbnico, pueden ser muy absorbentes para ciertas longitudesde onda de la radiacin trmica, comprendidas en la banda de infrarrojo, aunque muyreflectantes o transparentes con respecto a otras longitudes de onda comprendidas en estamisma banda. En este trabajo slo se va a trabajar con cuerpos opacos, cuya transmisinde la energa incidente es nula a travs del mismo, por lo que parte de esta radiacinincidente es absorbida por el cuerpo y la otra parte reflejada. La parte de radiacin que se

Energa IncidenteReflejada

Transmitida

Absorbida


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refleja no afecta al cuerpo en s, siendo radiacin que se marcha. Sin embargo, laradiacin que absorbe el cuerpo se invierte en aumentar la energa trmica del mismo,aumentando su temperatura.

Un cuerpo capaz de absorber toda la energa incidente se denomina cuerpo negro. Laradiacin que incide sobre ste no se refleja ni se transmite a travs del mismo, de tal

forma que slo emite la radiacin correspondiente a su temperatura. Un cuerpo negroperfecto no existe en la realidad, sino que es un objeto ideal que se utiliza comoreferencia respecto a otros radiadores.

Figura 3. Espectro de radiacin trmica de un cuerpo negro en funcin de [OPT].

Cuando un cuerpo est en equilibrio trmico con sus alrededores, su coeficiente deabsorcin y su emisividad son iguales (Ley de Kirchhoff). Tericamente, la superficieideal para la medicin con termmetros infrarrojos est representada por un cuerpo negro,cuya emisividad es igual a uno.

La emisividad () es la capacidad de un objeto de emitir o absorber energa. Se definecomo la relacin entre la energa emitida por un objeto a una cierta temperatura y laemitida por cuerpo negro en la misma temperatura. Cualquier objeto o cuerpo real tienevalores inferiores a los de un cuerpo negro. Los valores de emisividad varan en funcindel material y se encuentran comprendidos entre cero y uno. A continuacin se detallan

algunos ejemplos:

Material Especificacin Temperatura (C) EmisividadAluminio Anodizado 100 0.55Aluminio Pulido 50 - 100 0.04 0.006Asfalto 4 0.967Pintura Blanca 100 0.92Pintura Negro mate 100 0.97

Tabla 1. Valores de emisividad en funcin de la temperatura de medida [OPT].

(


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La ley de radiacin de Planck nos muestra la radiacin emitida por un cuerpo negrosituado a una cierta temperatura T, en funcin de la longitud de onda [VA98].Quedando la radiacin trmica por unidad de rea Ay en funcin de la longitud de onda:

, 2 1 1 1 1 2Siendo c = 310 la velocidad de propagacin de la luz en el vaco, y c 1, c2 lasconstantes de radiacin ( 3.74 10 , 1.44 10 ).

La intensidad total W m , de la radiacin emitida por un cuerpo negro seobtiene integrando la expresin [2], en todo el espectro. De esta forma se obtiene la leyde Stefan Boltzmann, la cual establece que la energa emitida por un cuerpo negro esproporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

, 3

Con 5.67 10 Calculando la derivada primera de la ley de Planck [2] obtenemos la ley del

desplazamiento de Wien, que afirma que el mximo de la intensidad de la radiacintrmica emitida por un cuerpo negro se desplaza, con el aumento de la temperatura, haciala regin de longitudes de onda ms corta.

2.898 10 4Conocidos los fundamentos fsicos de la radiacin infrarroja podemos calcular la

temperatura a la que se encuentra un objeto, teniendo en cuenta que la radiacin recibidano slo depende de la temperatura de su superficie, sino tambin de la radiacin reflejadadel ambiente, incluso de la radiacin que penetra a travs del mismo.


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2.3 Tipos y funcionamiento de los termmetros infrarrojos

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2.3Tipos y funcionamiento de lostermmetros infrarrojos

Existen dos grandes grupos de sensores para captar la radiacin emitida por loscuerpos segn su temperatura, detectores trmicos y cunticos.

Los detectores cunticos reaccionan ante la presencia de fotones aumentando el nivelde energa de los electrones del material del semiconductor, generando una seal elctricaante la variacin de los niveles de energa de los mismos. stos son ms rpidos que losdetectores trmicos y selectivos en longitud de onda, es decir, su respuesta espectral varaen funcin de la longitud de onda

Un detector trmico est formado por un elemento sensible que vara en funcin dela absorcin de la radiacin electromagntica, cambiando las propiedades del material yen consecuencia la generacin de una seal elctrica proporcional a la radiacin incidentesobre el mismo. Su respuesta espectral no vara en funcin de la longitud de onda,siempre y cuando la superficie presente las caractersticas de absorcin de un cuerponegro. Dentro de estos detectores podemos destacar tres tipos [VA98]:

Detectores de bolmetro: Se basa en una resistencia que depende de latemperatura, encontrndose completamente ennegrecido para que secomporte como un cuerpo negro, es decir, debe absorber toda la radiacinque incida sobre l.

Detectores piroelectricos: Se basan en un efecto que se manifiesta sobremateriales ferroelctricos, para el cual la polarizacin en ese materialdisminuye con la temperatura hasta una temperatura denominada de Curie,por debajo de la cual la polarizacin es cero. Si el ferroelctrico se calienta,vara la polarizacin y por tanto la carga que se deposita en dos electrodos.Este desplazamiento de carga da lugar a una intensidad elctrica que se puedemedir.

Detectores de termopila: Formados por un conjunto de termopares en serieque producen un voltaje a la salida proporcional a la radiacin recibida. Eltermopar est formado la unin de dos metales diferentes que producen un

voltaje en funcin de la diferencia de temperatura entre ambos metales.

En este proyecto nos vamos a centrar en los detectores trmicos, concretamentedetectores de termopila.


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2.4 Construccin y funcionamiento de una termopila

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2.4Construccin y funcionamiento de unatermopila

Una termopila est formada por un conjunto de termopares interconectados en serieentre ellos, cada uno de los cuales est formado por dos materiales diferentes conpolaridades opuestas. Los termopares son emplazados en regiones calientes y frasaisladas trmicamente. Las uniones fras se colocan en un sustrato de silicio para disiparel calor, siendo esta unin conectada a una referencia conocida. Por otro lado, en lasregiones calientes hay un cuerpo negro que absorbe la radiacin infrarroja, elevando latemperatura de acuerdo a esta radiacin. De esta forma se genera un voltaje proporcionala la diferencia de temperatura en los termopares, estando comprendido entre decenas ocientos de milivoltios. Otra cualidad es que no precisan de una fuente externa depolarizacin.

Figura 4. Esquema bsico de una termopila.

Adems de los termopares, la termopila incorpora dentro del encapsulado untermistor, con la finalidad de compensar la temperatura ambiente a la que se encuentra lamisma. Este termistor es de tipo NTC, siendo una resistencia de material desemiconductor cuyo valor disminuye a medida que aumenta la temperatura.

En la figura 5 se muestra la composicin de la termopila, formada por la propiatermopila encargada de suministrar un voltaje proporcional a la radiacin incidente, y eltermistor, cuyo propsito consiste en compensar la temperatura ambiente.

Figura 5. Composicin de la termopila.

La tensin generada por la termopila, Vtp, es proporcional a la cuarta potencia de latemperatura a la que se encuentra el objeto de medida, segn la ley de Stefan Boltzmann

[3], por lo que si consideramos la radiacin reflejada por el ambiente y la propia deldetector tenemos que [OPT]:

Termistor

Termopila

Termistor

Termopila

o o o


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2.4 Construccin y funcionamiento de una termopila

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1 5Donde Kse corresponde con la constante o sensibilidad del dispositivo, la emisividad

del material de medida viene expresada por el parmetro , siendo (1-) la reflexin enel objeto de medida debida a la temperatura ambiente, Tamb.. El valor de la temperaturadel objeto viene representado por medio de Tobj., y finalmente Tdisp. representa latemperatura del propio dispositivo de medida. Todos los valores de estas temperaturasson expresados en Kelvin.

Asumiendo que el dispositivo siempre va a estar expuesto a la misma temperaturaambiente que la del objeto de medida, podemos simplificar la ecuacin anterior [5],quedando la expresin de temperatura del objeto de la siguiente manera:

6La constante Kdepende de la sensibilidad de cada dispositivo, por lo que es preciso

calibrarla a partir de un sensor de referencia.La temperatura ambiente se obtiene a partir de la resistencia del termistor, R th, cuyo

valor vara exponencialmente con la temperatura:

7Donde R0 es el valor de resistencia del termistor a la temperatura de referencia T0,

expresada en Kelvin ,y el parmetro es una constante asociada al material con el que sefabrica el termistor, variando entre 2000 y 6000K. Estos parmetros de referencia sonproporcionados por el fabricante, obteniendo la temperatura ambiente en funcin delvalor de la resistencia proporcionada por el termistor a dicha temperatura a partir de laexpresin anterior. 1 ln 1 8

Conociendo la respuesta del termistor y termopila podemos conocer la temperatura ala que se encuentra el objeto de medida. En primer lugar debemos conocer la sensibilidad

de nuestro dispositivo (K), as como la emisividad () del material a medir. Con estosdatos comenzamos obteniendo el valor de la temperatura ambiente a travs del valor de laresistencia del termistor [8], para posteriormente adquirir el valor de la tensinproporcionada por la termopila y poder calcular a partir de la ecuacin [6] el valorcompensado de la temperatura del objeto.


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2.5 Conclusiones

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Figura 6. Flujograma de lectura Tobjeto.

Este flujograma representa la sucesin de pasos a realizar para obtener la temperaturadel objeto de medida, calculando en un primer lugar la temperatura ambiente paraposteriormente obtener la temperatura del objeto compensada con la misma.

2.5ConclusionesEn este captulo se ha descrito desde el origen de la radiacin infrarroja, emitida por

una material al estar situado a una cierta temperatura, hasta la captacin y cuantificacinde la misma mediante una termopila.

Los conceptos y fundamentos fsicos sobre la radiacin infrarroja nos han permitidoconocer el comportamiento, captacin y medida de la misma, mediante el uso de lasteoras y leyes formuladas por Planck, Stefan, Boltzmann, Wien y Kirchhoff.

Por otro lado, se han detallado distintos tipos de detectores infrarrojos, centrndonos

en la termopila. sta forma parte de los detectores trmicos, capaz de obtener latemperatura de un objeto conocida su emisividad, estableciendo en detalle sucomposicin y funcionamiento de la misma.

Con estas bases de funcionamiento podemos llevar a cabo el diseo de untermmetro infrarrojo basado en una termopila, mediante el desarrollo de la parteelectrnica y ptica que lleva asociada la misma, as como el diseo mecnico queconlleva el conjunto.


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2.5 Conclusiones

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Captulo 3

Clasificacin y mercado de lastermopilas

Este captulo se centra en el estudio y bsqueda de los diferentes tipos determopilas que actualmente se encuentran en el mercado atendiendo a sus principalescaractersticas, clasificando sus respectivos proveedores con el fin de seleccionaraquella termopila que cumpla con nuestras necesidades de servicio para llevar a cabo eldesarrollo de nuestro sensor.

En el captulo anterior, se demostr el funcionamiento y la construccin de lastermopilas, por lo que ahora nos centraremos en las caractersticas ms importante odeterminantes de cada una, segn el fabricante. Se realizar una bsqueda global a

travs de la web, archivando los diferentes proveedores existentes actualmente en elmercado, seleccionando las termopilas ms significantes de cada uno, atendiendo a sucampo de visin, rangos de temperatura, encapsulado, as como el tipo de salida queproporcionan (digital o analgica). Adems, se ha conseguido establecer contacto con lamayora de estos proveedores, proporcionndonos informacin adicional sobrecaractersticas tcnicas de las termopilas, precios en funcin de las unidades, plazos deentrega e incluso ejemplares de muestras.

Finalmente, tras esta clasificacin podremos concretar el modelo de termopila ausar para nuestro termmetro infrarrojo.


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3.1 Clasificacin

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3.1ClasificacinPara la consecucin de nuestro principal objetivo fue necesario realizar una bsqueda

de fabricantes y distribuidores existentes actualmente en el mercado, clasificando losdistintos tipos de termopilas, con el fin de encontrar aquella que mejor se adaptase anuestros requisitos.

Para seleccionar una termopila hay que tener en cuenta una serie de caractersticasdeterminantes para su aplicacin:

Rango de temperatura del objeto: Intervalo en el que se debe de situar latemperatura del material de medida, para que sta pueda ser captada por latermopila.

Rango de temperatura ambiente: Intervalo en el cual el dispositivo seencuentra en condiciones ptimas de operacin.

Precisin: Grado de error en la medicin, expresado en % con respecto a latemperatura de medida, o en C con respecto al fondo de escala. Como sepodr comprobar a lo largo del proyecto la precisin de los sensores detemperatura infrarrojos dependen fuertemente de la temperatura del objeto demedida, as como de la diferencias de temperaturas entre el objeto y el sensor.

Encapsulado: Todos los encapsulados utilizados en termopilas son del tipoTO-, variando exclusivamente su dimetro y altura.

Campo de visin: ngulo de abertura para el cual la termopila capta unacantidad especfica de energa radiada procedente del objeto de medicin. Esexpresado en grados. La superficie de medida debe rellenar completamente elcampo de visin para asegurar una medida exacta de la temperatura.Caracterstica importante en una termopila, ya que esta abertura influye de

forma directa en la distancia a la que se debe encontrar el objeto de medicin,as como su rea.

Tipo de salida: Analgica o digital. Este es un aspecto importante, dado quesi la termopila proporciona una salida analgica posteriormente hay querealizar una conversin a formato digital para su procesamiento. Sinembargo, las termopilas con salida digital, adems de tener dentro delencapsulado la termopila y el termistor, poseen un ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit), que incluye toda la electrnica deacondicionamiento, un conversor Analgico-Digital e interfaz decomunicaciones. El encapsulado es mayor con respecto a la termopila consalida analgica pero dependiendo de la aplicacin pueden dar a un sistemams compacto.

La bsqueda de distribuidores de termopilas se realiz durante varios das a travs dela web, estableciendo contacto con la mayora de los proveedores mediante correoelectrnico y llamadas telefnicas. A fecha de este proyecto, Octubre 2012, se muestranlos distintos proveedores existentes en el mercado junto a los principales modelos determopilas que proporcionan.

HeimannSensor[HETE].Empresa alemana lder en el mercado de los sensores de termopila

infrarrojos. Ofrece una amplia gama de termopilas destacando aquellas desalida digital, ya que se corresponden con una de sus novedades de este ao,


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3.1 Clasificacin

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Thermopile Module HID L1x FL5.5 (LS) Tx. Esta termopila poseeinternamente una memoria RAM donde almacena en todo momento el valorde la temperatura ambiente y objeto, alcanzando estos valores con una simplelectura de memoria por medio de un interfaz SMBus o PWM. Cabe destacarque la temperatura del objeto que proporciona ya se encuentra compensada

con la temperatura ambiente. Adems incorpora una lente de 5mm dedistancia focal, con relacin ptica D:S 8:1, lo cual permite medir objetos agrandes distancias, ya que su ngulo de abertura es muy pequeo. Poseeencapsulado TO-5 y su resolucin es inferior a 1C, con una temperaturamxima de operacin de 382C. Su precio asciende a 50, siendo su plazo deentrega inferior a 2 semanas.

Como termopila simple se encuentra el modelo HMS-M Series con salidaanalgica, que incorpora una lente en su interior proporcionando un campo devisin de 34. Esta termopila tiene un encapsulado TO-46 y su coste varasegn el nmero de unidades solicitadas, siendo 14 si se adquiere 1 unidad,

11.50 de 2 a 50 unidades, 5.40 de 51 a 100 y 3.90 si oscila entre 100 y200 unidades.

Se adquirieron 5 ejemplares de este ltimo modelo y dos del modeloanterior con salida digital, por medio de Antje Springer([email protected]), encargada del departamento de ventas dela empresa. La adquisicin de estos modelos, reside en su posterior uso parallevar a cabo el desarrollo de nuestro termmetro infrarrojo, debido a su bajaabertura de visin y a su amplio intervalo de temperaturas de medicin,requisitos que implantaremos ms adelante.

Excelitas(Distribuidora en Espaa, Setron) [EXTE].Esta empresadej de cooperar con su distribuidor espaol este ao, pero sposeen un distribuidor alemn que tiene actividades en el mercado espaol,Setron. Ofrece dos grandes grupos de termopila, montadas en mdulos dePCB capaces de compensar la temperatura ambiente, y simples, ambosmodelos con salida analgica. Dentro de cada uno de estos grupos existe unagran variedad dependiendo de su uso (detector de gases, medicin detemperatura).La termopila simple TPD 1T 0226 L5.5 incorpora una lente, proporcionando

un campo de visin de 7, prcticamente mnimo, logrando operar entre -20 y60C. Su precio es de 8.15 con un plazo de entrega de 8 semanas.Por otro lado, el modelo TPM 1T 0136 L5.5 se encuentra formado por unaPCB que dispone de un circuito acondicionador encargado de compensar latemperatura ambiente. Por este motivo, su precio es ms elevado que elmodelo anterior, siendo de 16.65 y el plazo de entrega puede ascender a 12semanas.

Esta empresa nos proporcion dos muestras sin compromisos de ambosmodelos, por medio de Maria Lnger ([email protected]), ingeniera

responsable de las aplicaciones de todos los productos de termopilaExcelitas.


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3.1 Clasificacin

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Nicera[NITE].Situada en Reino Unido, esta empresa se dedica a la produccin de detectoresinfrarrojos y tambin acta distribuyendo productos fabricados por otras dosempresas de China. Al igual que la anterior empresa, sta proporciona

termopilas simples y en mdulo. Debido a la falta de informacin que ofrecesu pgina web sobre estos sensores, fue necesario ponerse en contacto paraobtener las caractersticas de los mismos.Luke Habgood ([email protected]), representante de ventas de la empresa,nos proporcion la hoja de caractersticas de dos modelos de termopilas.Termopila simple TSL-SINAU-C, preparada para operar en un rango detemperaturas comprendido entre -30 y 60C, siendo capaz de obtener latemperatura de un objeto que se encuentre entre -30 y 70C, con un campo devisin relativamente pequeo, 10. Posee un encapsulado TO-5.Sin embargo, el modelo TSUP-6C3-1U, consiste en una termopila montada

sobre un mdulo de PCB en el que se encuentra el circuito acondicionador determopila y termistor. Este mdulo proporciona una salida de tipo analgicosin compensacin de la temperatura ambiente. Pensado para operar enambientes donde la temperatura se encuentra entre 0 y 80C, para unastemperaturas del material de medida comprendidas entre -30 y 100C. stetiene una precisin de 2C, cuando se opera en temperaturas elevadas, siendode 3C para temperaturas inferiores a 60C. Adems incorpora una lente, aligual que el modelo anterior, proporcionando un campo de visin de 10.

MMS-Electronics[MMST].Compaa dedicada a la distribucin de componentes y fabricacin desistemas electrnicos. Opera como distribuidora de Reino Unido para otrascuatro empresas, Smartec,Electronic Assembly, TABy PICSHOP.Ofrece varios tipos de termopilas simples y mdulos con salida digital. Latermopila simple SMTIR9902SIL, permite la medicin de -40 a 100C en unambiente de trabajo comprendido entre -20 y 100C. sta se encuentraencapsulada en TO-5, con un campo de visin de 7.27, siendo su precio de19.50.El mdulo SMTIRMOD09 incorpora una termopila donde su ngulo deabertura puede ser elegido entre 14 y 120. ste suministra una salida digitala travs de un interfaz con bus I2C, aunque tambin se encuentran disponiblescon conexin USB. Su temperatura de medicin oscila entre 0 y 300 C, auna temperatura ambiente comprendida de 0 a 85C. Posee una resolucin de2C y tiene un coste de 41.45.Para realizar algn pedido u obtener ms informacin sobre estas termopilases necesario ponerse en contacto con Marc Arijs a travs de su correoelectrnico [email protected], [email protected].


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3.1 Clasificacin

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EOC-INC[EOCT].Empresa de EE.UU. especialista en detectores de termopila en funcin de suaplicacin, medicin de temperatura sin contacto, anlisis de gases ymonitorizacin de presencia, entre otros. Nosotros nos hemos interesado en el

modelo TS1x80B-A-D0.5-. ste trabaja entre -20 y 85C con temperaturaambiente entre -20 y 100C. Este dispositivo ostenta de un campo de visinde 53.1. Tiene un precio muy elevado, 74, debido a que esta empresa notiene ningn distribuidor en Europa, tardando entre 2 y 3 semanas desde larealizacin del pedido. Esta informacin ha sido proporcionada por PrimoGalban ([email protected]), miembro del departamento de ventas dela empresa.

Dexter[DEXT].Se puede considerar como la compaa lder en deteccin infrarroja de

EE.UU., ofreciendo distintas soluciones en este campo. Tiene diferentesvariedades de termopilas segn aplicacin, ofreciendo adems la posibilidadde fabricacin de la termopila segn los parmetros del usuario. BillMcMillan ([email protected]) nos suministr informacinsobre la termopila ST60R/4.4 FL AR LENS A1/A2, de encapsulado TO-5,cuya temperatura de medicin se encuentra entre -50 y 100C, en unambiente de -20 a 100C. Dotada con un ngulo de abertura muy pequeo,concretamente 9.Su precio y plazo de entrega varan en funcin del nmero de unidades.

Hasta 9 unidades el precio es de 62, y entre 10 y 49 unidades el preciodisminuye a 47, con un plazo de entrega de 2 semanas. Con pedidos entre 50y 99 unidades el plazo de entrega aumenta una semana ms y su precio sesita en 40.En caso de que la termopila tenga la necesidad de ser diseada, absenta decaractersticas estndar, se deber abonar un suplemento de 38.6 debido aldesarrollo de la documentacin de caractersticas del dispositivo.

Meausrement Specialties[MESP].Diseador y fabricante de sensores de varias tipologas, temperatura,humedad, presin, etc. Opera en EE.UU., Europa y China. Dentro de lossensores de temperatura basados en infrarrojos encontramos dos grupos determopilas, simples y en mdulo. Destacamos el modelo TS105-10L5.5 NTC100K, con un intervalo de operacin de -20 a 100C, campo de visin de 30.La informacin de su precio fue proporcionada por Jasmin Ollig([email protected]), dependiendo ste del nmero de unidades.Hasta 400 unidades el precio es de 9.12 y 7.61 hasta 1000.El mdulo de termopila TSEV0108L39, opera entre -30 y 85C, con un rangode medida de -10 a 85C, con abertura de 40 y proporciona una salida

digital, con interfaz SPI.


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3.1 Clasificacin

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Pacer[PATE].Es un proveedor especializado en optoelectrnica, soluciones lser y pantallasdigitales, que opera en todo el mundo, con sede en EE.UU.Todos los modelos de termopila que suministra esta empresa se encuentran

mondados sobre mdulo de PCB, con lente integrada. Por ejemplo, el modeloTPM 1T 0236 L5.5 OBA 060 P7 ofrece un campo de visin de 5, con unatemperatura ambiente y de medida comprendida entre -20 y 60C. No sedispone de ms informacin debido a que no se consigui establecer contactocon esta empresa.

LaserComponents[LACO].Dedicada al trabajo de componentes optoelectrnicos, operando en Europa,Amrica y Asia.Ofrece una gran variedad de termopilas dentro de la serie ST60 quecomprenden un rango de medida de -50 a 100C, con aberturas angulares que

abarcan de 36 hasta 111, segn el modelo. Esta serie es proporcionada por elfabricante Dexter, ya que dentro de sta se encuentra el ejemploanteriormente mencionado. No se dispone de una mayor informacin al noser posible el contacto con esta empresa.

GE Measurement & Control [GESR].Empresa innovadora en los sistemas de medicin, inspeccin y control. Seencuentra distribuida por todo el mundo y al igual que la mayora de lasempresas mencionadas posee termopilas en mdulo y simples.

Por ejemplo, la termopila ZTP-135SR con salida analgica tiene un intervalocomprendido entre -40 y 120C de temperatura objeto, operando a unatemperatura ambiente entre -20 y 100C. Posee encapsulado TO-41 y uncampo de visin de 170. Mientras que el mdulo ZTP-188ML opera en elmismo rango de temperaturas, y adems dispone de lente incorporadaofreciendo un ngulo de abertura de 52. Este mdulo tiene la capacidad decompensar la temperatura ambiente ofreciendo una salida digital con interfazI2C.Del primer modelo ZTP-135SR con salida analgica se disponen de dos

ejemplares en el laboratorio, con los que se realizarn unas primeras pruebashasta la llegada de las termopilas adquiridas aHeimannSensor.

Llegado a este punto se dispone de diez distribuidores de termopilas diferentes, conlos cuales se ha establecido contacto con siete de ellos, ofrecindonos caractersticasadicionales no registradas en sus respectivas webs, precios, plazos de entrega e inclusomuestras para investigacin.

Realizada esta bsqueda se dispone de informacin ms que suficiente paraseleccionar cualquier tipo de termopila capaz de adaptarse a las caractersticas o

necesidades deseadas. A continuacin se muestra una tabla con las caractersticas msimportantes de los proveedores y termopilas encontrados.


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3.1 Clasificacin

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Refe

renciadelcontacto

[email protected]

AntjeSpringer

Maria.La

[email protected]

MariaL

nger

[email protected]

LukeHabgood

marc@m

ms-e.co.uk

marc@sm

artec.co.uk

MarcArijs

[email protected]

PrimoGalban

bmcmilla

[email protected]

BillMcM

illan

Jasmin.O

[email protected]

JasminO

llig

--- --

-

Tabla2.Distribuido

resdetermopilasenelmercado.

Plazode

entrega

(Semanas)

2 2 8 8-12

--- --

---- --

- 23

4 8 --- --

- ---

Precio

(Unidades)

14(1),11.50(2-50),5.40

(50-100),3.90(100-200)

50

8,15

16,65

--- --

-

19,50

41,45

74

62(1-9),47(10-49),40

(50-99)

9,72(1-399),7,61(400-

1000)

--- --

- ---

Tipodesalida

Analgica

PWM,SMBus

Analgica

Analgica

Analgica

Analgica

Analgica

I2C

Analgica

Analgica

Analgica

SPI

Analgica

Analgica

Analgica

Analgica

I2C

Rangode

temperaturas

(Tobj./Tamb.)

-40120C/-20120C

Tmax382C

-2060C/-2060C

-2060C/-2060C

-3070C/-3060C

-30100C/080C

-40100C/-20100C

0300C/085C

-2085C/-20100C

-50100C/-20100C

-20100C/-20100C

-3085C/-1085C

-2060C/-2060C

-20300C/-20300C

-50100C/-50100C

-40120C/-20100C

-40120C/-20100C

Campo

de

visin

34

8:1

7 7 10

10

7.27

14/90

53.1

9 30

40

5 7

36/111

170

52

Modelodetermopila

HMS

-MSerieswithLensL3.0

ModuleHIDL1xFL5.5(LS)Tx(PWM)

TPD

1T0226L5.5

TPM

1T0136L5.5(CompensaTamb.)

TSL-SINAU-C

TSUP-6C3-1U

SMT

IR9902SIL

SMT

IRMOD09

TS1x

80B-A-D0.5-

ST60

R/4.4FLARLENSA1/N2

TS10

5-10L55NTC100K

TSEV0108L39

TPM

1T0236L5.5OBA060P7

TPM

1T0136L5.5OBA300P7

ST60

ZTP-135SR

ZTP-188ML

Direccinweb

www.heimansensor.com

www.excelitas.com

www.setron.de

www.nicera-

european.co.uk

www.mms-e.co.uk

www.eoc-inc.com

www.dexterresearch.com

www.meas-spec.com

www.pacer.co.uk

www.lasercomponents.c

om

www.ge-mcs.com

Empresa

HeimannSensor

Excelitas

(SetronenEspaa)

Nicera

MM

S-Electronics

EOC-INC

Dexter

M

easurement

S

pecialties

Pacer

Lase

rComponents

GE

Measurement

&Control


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3.2 Conclusiones

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3.2ConclusionesEn este captulo se ha descrito las caractersticas principales a tener en cuenta para la

seleccin de una termopila, como son el campo de visin, rango de temperaturasambiente y de medida, tipo de salida, encapsulado y precisin.

Con ello se han ido seleccionando los distintos tipos de termopilas en funcin decada proveedor. Estos proveedores han sido archivados tras una bsqueda global a travsde la web, estableciendo contacto con la mayora de ellos, de forma que nossuministraron precios en funcin del nmero de unidades, plazos de entrega, informacinadicional sobre caractersticas concretas, e incluso proposicin de termopilas alternativascapaces de cumplir con nuestros requisitos para llevar a cabo el diseo de nuestrotermmetro infrarrojo.

Finalmente, se adquirieron los modelos HMSM21L3.0F5.5 y HDI L14 FL5.5 T100de la casa HeimannSensor, usando el primer modelo para el diseo y desarrollo de

nuestro sensor, ya que proporciona los requisitos para satisfacer las necesidades delsistema deseado. Por otro lado, se realiz un circuito de acondicionamiento y un pequeosoftware de control, con la finalidad de comprobar el funcionamiento del segundomodelo. Esto se muestra en el Anexo 2, no entrando en grandes detalles del mismo al noformar parte de este proyecto.

Tambin se recibieron dos muestras de forma gratuita por parte de la compaaExcelitas, los modelos TPD 1T 0226 L5.5 y TPM 1T 0136 L5.5 mencionadosanteriormente, no siendo usados hasta el momento debido a la tarda entrega por parte dela empresa.

Con este captulo se ha conseguido una clasificacin de los diferentes tipos determopilas en funcin de cada proveedor, obteniendo el modelo a utilizar para nuestro

sistema.


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Captulo 4

Diseo e implementacin de untermmetro infrarrojo

Conocido el modelo de termopila a usar para nuestro dispositivo, nos disponemos adesarrollar y calibrar todo el sistema que lleva incorporado. En este captulo se muestra eldiseo del circuito electrnico acondicionador de nuestro termmetro, todo el sistemaptico asociado, as como el sistema de adquisicin de temperatura, con todo el softwarede procesamiento que conlleva. Posterior a este diseo se realiza una calibracin de todoel sistema utilizando como referencia un segundo sensor basado en el mismo principio defuncionamiento.

El sensor de temperatura remoto a disear debe de ser capaz de operar para una

temperatura del objeto de medida comprendida entre -20 y 20C, cuya temperaturaambiente del dispositivo debe de situarse en un intervalo de -20 a 30C. La distanciaentre el dispositivo de medida y objeto debe de ser de al menos 1.5 metros, para un reaeficaz mnimo del objeto de medida de 200x200mm2. Cabe destacar, que los objetos demedicin empleados para este sensor poseen valores de emisividades muy altos, cercanosa uno.

Conocidos los requisitos o necesidades que debe de satisfacer nuestro sensorpodemos comenzar el diseo y desarrollo de nuestro dispositivo.


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4.1 Termopila

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4.1TermopilaEn un primer momento se llev a cabo el desarrollo del sensor con una termopila de

la casa GE-Measurement&Control [GESR], modelo ZTP-135SR. El motivo de lautilizacin de este modelo se debe a que se disponen de dos ejemplares en el laboratorio.Esta termopila tiene un ngulo de visin demasiado grande, concretamente 170 grados,ya que carece de lente interna. Por esta caracterstica fue rechazada la opcin dedesarrollar el termmetro de infrarrojos con esta termopila.

Dados los requisitos de nuestro sistema nos decantamos finalmente por el modeloHMSM21L3.0F5.5 del fabricanteHeimannSensor[HETE]. Este modelo posee una lenteincorporada lo que nos permite un ngulo de visin reducido, en torno a los 34 grados,con filtro para una longitud de onda comprendida entre 8 y 20m, y una distancia focalde 3mm.

Figura 7. Termopila HMSM21L3.0F5.5 [HETE].

El rango de temperatura ambiente de esta termopila se encuentra comprendido entre-20 y 120C, situndose los lmites de la temperatura de medicin entre -40 y 120,intervalos que engloban nuestro rango de trabajo requerido.

El fabricante proporciona para el termistor interno un valor de 3940K (25C, 50C)y un valor R0 de 100kpara una temperatura de referencia T0de 25C.

4.2Circuito de adquisicin de temperaturaLa tensin suministrada por la termopila es proporcional a la temperatura de medida,

siendo sta compensada con la temperatura ambiente recogida a travs del termistor. Por

ello, vamos a dividir el circuito de adquisicin de temperatura en tres subcircuitos,circuito de temperatura ambiente o circuito termistor, circuito de temperatura del objeto ode termopila y el circuito de alimentacin de ambos, siendo la tensin proporcionada porste ltimo de 5V para todo el sistema.

4.2.1Circuito termistorEl termistor es un sensor resistivo sensible a la temperatura, por lo que se establece

un divisor de tensin con el mismo, obteniendo un valor de tensin proporcional a dichatemperatura. Para que el valor de tensin de salida no se vea afectado por el equipo demedicin o la tarjeta de adquisicin de datos, se ha incorporado un buffera la salida dedicho divisor para subsanar este problema.


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4.2 Circuito de adquisicin de temperatura

25

Figura 8. Circuito acondicionador del termistor.

La resistencia del termistor, Rth, proporciona un valor que vara exponencialmente

con la temperatura, disminuyendo el valor de resistencia a medida que aumenta latemperatura [7].

Figura 9. Comportamiento del termistor frente a la temperatura ambiente.

Dado el comportamiento no lineal del termistor, el objetivo es encontrar un valor deR3 para el divisor de tensin, que proporcione una linealidad ptima en el margen detemperaturas de trabajo.

9Teniendo en cuenta la tensin de alimentacin de 5V del sistema, y un rango de

temperatura ambiente comprendido entre -20 y 30C, nos hemos decantado por un valorde R3de 270k. Con este valor se consigue mxima linealidad, ya que coincide con elvalor de resistencia de termistor a temperatura media de nuestro rango de trabajo,comprendida en torno a los 4C [7].

()

(

()


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Figura 10. Respuesta del divisor de tensin del termistor para diferentes valores de temperatura.

De esta manera, se obtiene una seal de salida prcticamente lineal, V termistor, con unatensin de salida que disminuye a medida que aumenta la temperatura, proporcionandouna tensin de salida que oscila entre 4 y 1V, para un rango de temperaturas comprendido

entre -20 y 30C. Con este valor de tensin obtenemos el valor de la resistencia deltermistor, Rth, despejando de [9] el mismo, obteniendo la siguiente expresin:

1 10Finalmente, para poder calcular la temperatura ambiente el fabricante nos

proporciona los parmetros del termistor. Un valor de 3940K para la constante , en unrango de temperaturas comprendido entre 25 y 50C, y un valor de R 0 de 100kpara unatemperatura de referencia de 25C. Con estos valores y el valor de la resistencia deltermistor proporcionado por la expresin anterior [10], podemos obtener la temperaturaambiente a la que se encuentra nuestro dispositivo sustituyendo los mismos en [8].

1 ln 1 8=3940K; R0= 100k@ 298.15K

4.2.2Circuito termopilaLa termopila se encuentra acondicionada por un circuito encargado de suministrar

una tensin de salida proporcional a la temperatura del objeto, sin ser compensada con latemperatura ambiente. Este circuito se muestra en la figura 11.

La termopila suministra una tensin entre terminales proporcional a la temperaturadel objeto, por lo que en el terminal negativo se ha establecido una tensin de referenciade 2V, VRef, a travs de un divisor de tensin. Sobre esta tensin de referencia sesuperpone la tensin suministrada por el terminal positivo, el cual ha sido llevado a unamplificador de bajo ruido. ste se encuentra en configuracin no inversora y con una

ganancia de 1000V/V, ya que recordamos que la tensin proporcionada por la termopilaes del orden de milivoltios. Se ha escogido un amplificador operacional de bajo ruido de

/(+)

(

()


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altas prestaciones, modelo AD8628 [AD86] del fabricante Analog Device, indicado paraeste tipo de operaciones. La eleccin de este modelo se debe a que ofrece muy baja derivade offset, presentando un valor mximo de 0.02V C . De esta manera se alcanza unvalor mximo para nuestro circuito de 1V, correspondiente para una diferencia detemperatura de 50C, comprendida en nuestro intervalo de operacin situado entre -20 y

30C.La resistencia R5y el condensador C6 limitan el ancho de banda del circuito, dandolugar a un ancho de banda equivalente de ruido aproximadamente de 2Hz, predominandode esta forma el ruido de baja frecuencia que segn las hojas de caractersticas deloperacional es de 0.5Vp-p de 0.1 a 10Hz. A partir de este dato, se pueden despreciar elresto de las componentes de ruido, tanto del operacional como de la termopila, al estarsituadas tres rdenes de magnitud por debajo de este valor para un ancho de banda de2Hz. Este amplificador es el que limita el tiempo de respuesta del sensor a 0.2 segundos.

Tanto la deriva de offset como el ruido generado son despreciados, ya que la sealde la termopila es del orden de milivoltios. Sin embargo, hay que tener en cuenta el offsetpresentado por el operacional, ya que puede alcanzar un valor mximo de 10V. En el

apartado de calibracin ser calculado este valor de offset que presenta nuestrooperacional.

Adems, con el fin de eliminar toda interferencia o ruido posible de la tensin dealimentacin, se ha dotado al circuito de los condensadores oportunos.

Figura 11. Circuito acondicionador de la termopila.

La tensin de salida ser proporcional a la tensin suministrada por la termopila,teniendo en cuenta la tensin de referencia en el terminal negativo de la misma y el offsetproporcionado por el operacional.

1 1 11Donde Vtp se corresponde con la diferencia de tensin presentada entre terminales de

la termopila antes de ser amplificada, VRef recibe el valor de 2V proporcionado por eldivisor de tensin y Voffset con la tensin de offset proporcionada por el amplificador,

despreciando la deriva del mismo debido a su reducido valor.


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De esta manera, si despejamos el valor de la tensin en terminales de la termopila ysustituimos los respectivos valores en la ecuacin [11], obtenemos la siguiente expresindel valor de tensin proporcionado entre los terminales de la termopila,correspondindose VOFFSET con el valor de tensin de offset a la salida del operacional.

2 1001 12Si sustituimos esta expresin en [6] y considerando el valor de temperatura ambiente

[8], obtenemos el valor de temperatura a la cual se encuentra el objeto en C, teniendo encuenta que 0K se corresponde con 273.15C.

C 2 1001

K 273.15 13El valor de la contante Ko sensibilidad del dispositivo se sita entre un margen de

1x10-13y 2x10-13 V/K4. Este valor se determina a partir de la tensin proporcionada porla termopila para una temperatura del objeto de medida conocida, por lo que se precisa laayuda de un segundo sensor que nos proporcione este valor real de temperatura. Estaoperacin de calibracin del dispositivo se muestra ms adelante.

4.2.3Circuito de alimentacinLa alimentacin de todo el sistema se realiza a 5V, teniendo un consumo de 3.3mA.

Para garantizar esta alimentacin se ha escogido un regulador de tensin, modeloLP2980IM5-5 [DCLP], capaz de cumplir con nuestras especificaciones. ste proporcionauna corriente mxima de 50mA, y una tensin de salida de 5V para una diferencia detensin mnima entre entrada y salida de 60mV, cuya tensin mxima de entrada es de16V. Para su configuracin, slo se requiere a la salida un condensador de 3.3F deTntalo.

Figura 12. Circuito de alimentacin.


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4.3 Diseo de placa PCB

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4.3Diseo de placa PCBEn el diseo de la placa del sensor se deber tener en cuenta diferentes aspectos

como son la compacidad del sistema y la facilidad a la hora de manejar las sealesnecesarias. Tambin habr que estudiar la fijacin de algunos componentes para que suinstalacin sea de tipo plug and play, ya que esto permitir una mayor flexibilidad delsensor.

La disposicin de la termopila en nuestro sistema es de vital importancia, dado a questa debe de situarse de manera accesible a la radiacin incidente del objeto de medida,para que estos rayos incidan sobre el rea de visin activa de la termopila. Adems, sedebe de tener en cuenta la incorporacin de una lente al sistema de manera que sta quedecentrada y paralela al rea de visin mencionada. La descripcin y motivo de esta lenteser contemplado en el apartado de calibracin y adecuacin del sistema ptico.

Para conseguir alcanzar estos requerimientos se opt por el uso de un tubo ptico del

fabricante Thorlabs [TH1L]. Consiste en un tubo fabricado en aluminio de 30.5mm dedimetro y una longitud de 54.6mm, el cual posee un roscado interior permitiendo lafijacin de la placa y de la ptica asociada. Basta con insertar una arandela roscada[TH1R] en el interior del tubo a la distancia deseada, posteriormente la placa o lente yfinalmente una segunda arandela roscada que fije al conjunto.

Figura 13. Soporte y fijador del dispositivo.

Conocido el soporte mecnico de nuestro dispositivo, procedemos a realizar eldiseo de la placa, ajustndose a las caractersticas del mismo. Por ello, la placa debe detener seccin circular de 25.4mm de dimetro para poder adaptarse al interior del tubo.Dadas sus reducidas dimensiones, todos los componentes electrnicos que forman elcircuito se han elegido de montaje superficial.

El diseo del circuito impreso de la placa, PCB (Printed Circuit Board), se harealizado a travs del software de diseo de circuitos electrnicos OrCAD, de la

compaa Cadence [CAOR], a travs de las herramientas Capture Cis y Layout Plus.Mencin especial cobra la termopila en este programa que se tuvo que disear una huellaespecfica con la herramientaLibrary Manager.

Los archivos pertenecientes al diseo de la placa se adjuntan en el Anexo 1. En estosarchivos se podr observar detalladamente la disposicin de la termopila y componenteselectrnicos en la placa. A continuacin puede observarse el aspecto final de la placadiseada en la siguiente figura.


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4.3 Diseo de placa PCB

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Figura 14. Placa PCB del sensor.

En esta figura se observa el aspecto final de la placa PCB. La parte superior de laimagen presenta la cara superior de la placa, donde se encuentra la termopila, el circuitoacondicionador asociado a la misma y el circuito de alimentacin, aprecindose susreducidas dimensiones tomando como referencia un simple bolgrafo. En la parte inferiorderecha muestra la cara inferior de la placa, donde se encuentra situado el circuitoacondicionador del termistor y los bloques terminales de la PCB.


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4.4 Calibracin del sistema

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4.4Calibracin del sistemaDiseado todo el sistema se procede a la calibracin del mismo, mediante el ajuste de

los circuitos de termistor y termopila, y la ptica asociada que nos permitir un mayoralcance de visin para una misma rea. Para ello, es necesario disponer de un sensor dereferencia capaz de proporcionarnos la temperatura ambiente a la que se encuentra elsistema y la temperatura del objeto de medida, con el fin de verificar mediciones yobtener la sensibilidad exacta del dispositivo. Adems, para ajustar el termistor o someteral material de medicin a ciertas temperaturas ser preciso el uso de una cmara climticacon temperatura programable. A continuacin se detallan los elementos esenciales parallevar a cabo la calibracin de nuestro sistema.

4.4.1Equipos auxiliares empleados4.4.1.1Sensor de referencia

Como sensor de referencia, se ha optado por el modelo CS LT del fabricante Optris[OPCS]. Sensor de temperatura remoto basado en la captacin de radiacin infrarroja,capaz de facilitar temperatura ambiente y de objeto, para una emisividad dada. Tiene unasdimensiones de: M12 x 87mm de longitud y carcasa de acero inoxidable. Su rango detemperatura oscila de -40 a 1030C, con un rango espectral comprendido de 8 a 14 m.Posee ptica de silicio reforzada y puede trabajar en un entorno con una temperaturamxima de 80C sin refrigeracin adicional. Adems posee un error de temperatura demedicin de 1.5%, para una temperatura ambiente de 235C, con una repetitividad de0.75, tomados ambos valores con respecto a la temperatura.

Figura 15. Circuito acondicionador de la termopila.

Tambin dispone de un sensor interno, concretamente un sensor resistivo Pt1000,

capaz de recoger la temperatura ambiente a la que se encuentra el sensor en todomomento. Mediante un interfaz USB y con un software de control, proporcionado con elsensor, se realiza toda la recopilacin y procesamiento de datos. Adems nos va apermitir realizar medidas a una distancia relativamente grande, ya que dispone de unaresolucin ptica D:S de 15:1.

Figura 16. Especificaciones pticas D:S = 15:1.


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4.4.1.2Cmara climticaPara la ejecucin de las pruebas se utiliz una cmara climtica programable para

ensayos de temperatura y humedad. Se trata del modelo CCK -40/180 del fabricanteDYCOMETAL [DYCO]DYCO, albergando un rango de temperaturas de -40 a 180C y

un rango de humedad relativa comprendido entre el 15 y el 98%. sta presenta unahomogeneidad de la temperatura de 1C/min en refrigeracin y de 2C/min encalefaccin. Posee unas dimensiones interiores de 600mm de ancho, por otros 600 mm dealto y con 500mm de profundidad, incorporando dos rejillas para la sujecin deelementos, regulables en altura a travs de unos soportes.

Figura 17.Cmara climtica CCK -40/180.

Para el control de todo el funcionamiento de la cmara se utiliza el controladormultibucle EUROTHERM 2604 [EUR], el cual posee dos bucles de control que se handedicado para el control de la temperatura y de humedad relativa respectivamente. ste seprograma con la utilizacin de segmentos que establecen unos valores de temperatura y

humedad durante un tiempo prefijado, permitiendo almacenar hasta 50 programas con unmximo de 500 segmentos.

Existen tres tipos de segmentos, el tipo Profilecorrespondiente a un segmento bsicou ordinario, el tipo End Segment con el que se finaliza el programa y por ltimo elsegmento Go Back, que permite saltar, dentro del mismo programa, a otros segmentos unnmero de veces requerido por el usuario.

En nuestro caso, se han realizado dos sencillos programas para la calibracin de loscircuitos acondicionadores de termistor y termopila. El primero ha sido programado pararealizar un barrido de temperaturas de -25 a 35C, con el fin de someter al termistor alintervalo de temperaturas de trabajo y evaluar sus resultados. En la tabla siguiente sedetalla el programa.

N Segmento Tipo Segmento Punto Consigna Duracin (min.)1 Profile -25/15%HR 702 Profile -25/15%HR 23 Profile 35/15%HR 1104 End Segment 35/15%HR --

Tabla 3. Programa de la cmara climtica para ajuste de termistor.

Para la calibracin de la termopila fue desarrollado un segundo programa con el que

el material de medida era sometido a una temperatura de -25C, durante un tiemposuficiente para garantizar que el material se encuentre a la misma. Posteriormente, el


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material era retirado de la cmara climtica situndolo a temperatura ambiente en unsoporte frente a los sensores de medicin hasta el alcance de la misma, con el fin deobtener la temperatura del mismo a lo largo de nuestro intervalo de trabajo, ya que tantoel material de medida como la totalidad del sistema se encontraban a temperaturaambiente. De esta forma conseguimos el valor de la temperatura del objeto y el valor de

tensin proporcionado por la termopila desde -20C hasta una temperatura ambientesituada en torno a los 25C, cubriendo nuestro rango de trabajo.

4.4.1.3Fuente de radiacin infrarrojaPara la realizacin de las diferentes mediciones se ha empleado como objeto de

medida un fragmento de asfalto, extrado de una carretera. ste posee un rea aproximadode 240x200mm2. La emisividad de este material se corresponde con un valor de 0.967[OPT], valor verificado con diferentes medidas realizadas con el sensor de referenciamencionado anteriormente.

Figura 18. Muestra de asfalto de carretera.

Este material se va a emplear en todo momento para la calibracin del nuestro sensory la realizacin de las respectivas medidas que verifiquen su funcionamiento.

4.4.1.4Sistema de adquisicin de datosTodo sistema sensorial ha de disponer de un sistema de adquisicin de datos para

poder analizar posteriormente los mismos. Nuestro sensor realizar esta tarea medianteuna tarjeta destinada a este fin, tarjeta de adquisicin de datos miniLAB 1008 y unsoftware de control encargado de procesar, mostrar y almacenar los datos obtenidos.

Tarjeta de adquisicin de datos.Los datos del sistema se recogern con la tarjeta de adquisicin de datos miniLAB

1008. Esta tarjeta nos permitir monitorizar completamente las temperaturasproporcionadas por el sistema, ya que est formada por ocho entradas analgicas de1.2kS/s, con un rango entre 10 V y 11 bits de resolucin, y dos salidas analgicas de

100S/s, con un rango entre 0 y 5 V y 10 bits de resolucin.


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Figura 19.Tarjeta de adquisicin de datos miniLAB 1008.

sta ser conectada directamente al ordenador mediante el puerto USB, usando losdos primeros canales, para la recogida de la tensin proporcionada por el circuitoacondicionador de la termopila y la tensin correspondiente al termistor, estandoconfigurados estos canales como entradas analgicas.

Software de almacenamiento de datos.El procesamiento de datos se realiza a travs de un programa desarrollado en

LabVIEW, permitindonos el almacenamiento de los valores de tensin de termopilay termistor en un fichero.

LabVIEW se tratade una excelente herramienta grfica para sistemas de medida, testy control, creada por National [NAIN], basado en una programacin grfica olenguaje G. Todo se desarrolla en un entorno grfico, permitindonos una granfacilidad de programacin. Adems, LabVIEW permite combinarse con todo tipo desoftware y hardware, entre ellos la tarjeta de adquisicin de datos miniLab 1008empleada.Como mencionamos anteriormente, la tensin de salida proporcional a la temperatura

del objeto y a la temperatura ambiente son los datos fundamentales del sistema. stosse almacenarn en un archivo cada cierto tiempo que depender del tiempo demuestreo impuesto, siendo ste de un segundo.

4.4.2Ajuste de termistorLos parmetros de referencia suministrados por el fabricante para el clculo de

temperatura ambiente mediante el termistor se corresponden con un valor de resistenciaR0de 100kpara una temperatura T0de 25C, y un valor de constante de temperatura del

material del mismo de 3940K, para un intervalo de temperaturas comprendido entre 25y 50C.

Dado que estos valores suministrados por el fabricante son proporcionados para unatemperatura ambiente de 25C, y stos pueden variar ligeramente segn la temperatura deservicio, sern calculados de nuevo dentro de nuestro rango de trabajo, en un intervalo de-20 a 30C.

En primer lugar, se calcula un nuevo valor de resistencia de referencia del termistorpara una temperatura media de nuestro intervalo de trabajo. Se ha escogido 1.5C comotemperatura media, obteniendo un valor de 300k para R0, tras someter al sistema adicha temperatura en el interior de la cmara climtica, durante 60 minutosaproximadamente.


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Para el clculo de la constante , despejamos el mismo de [8] obteniendo la siguienteexpresin:

ln

1 1 14

Donde la temperatura ambiente se obtiene por medio del sensor de referencia CS LT,los valores de R0 y T0 han sido calculados anteriormente, y el valor de Rth se obtienemediante la expresin [10], a partir de la tensin proporcionada por el circuitoacondicionador del termistor.

Para ello, se introduce la totalidad del sistema en el interior de la cmara climtica,donde es sometido a un barrido de temperaturas comprendido dentro de nuestro intervalode trabajo, obteniendo los siguientes resultados.

Tamb. CS LT(C) Vtermistor (V) Rth (k)

-20 3,93 992,47-15 3,72 786,61-10 3,45 601,26-5 3,13 450,630 2,80 344,405 2,44 257,97

10 2,14 202,0815 1,85 158,8720 1,58 124,7825 1,35 100,1230 1,15 80,65

Tabla 4. Resistencia del termistor en funcin de la temperatura.

A partir de estos datos podemos obtener el nuevo valor de la constante mediante laexpresin obtenida anteriormente [14] y los valores de referencia calculados, tomando R0un valor de 300kpara una temperatura de 1.5C.

Se calcula diferentes valores de para un rango de temperaturas comprendido en elpunto medio del intervalo de operacin, es decir, entre 0 y 10C. Finalmente, tras larealizacin de un promediado de estos valores obtenemos un valor de de 3738K.

(K R0 (k) T0 (C)

Suministrados por fabricante 3940 (25,50C) 100 25

Calculados 3738 (0, 10C) 300 1.5

Tabla 5. Comparativa de parmetros fabricante vs medidos

Obtenidos los nuevos parmetros nos disponemos a calcular la temperatura ambientea partir de la resistencia del termistor y la expresin [8], con la finalidad de observar elerror o las diferencias de usar unos parmetros u otros con respecto al sensor dereferencia, y seleccionar para nuestro dispositivo aquellos que sean ms adecuados.


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KR0 = 100k@ 25C

KR0 = 300k@ 1.5C

Tamb. CS LT(C) Vtermistor (V) Rth (k) TTermistor(C) TTermistor(C)-20 3,93 992,47 -19,12 -20,69-15 3,72 786,61 -15,25 -16,67

-10 3,45 601,26 -10,64 -11,85-5 3,13 450,63 -5,49 -6,470 2,80 344,40 -0,51 -1,265 2,44 257,97 5,05 4,58

10 2,14 202,08 9,93 9,7115 1,85 158,87 14,91 14,9620 1,58 124,78 20,09 20,4225 1,35 100,12 24,97 25,5930 1,15 80,65 29,93 30,84

Tabla 6. Temperatura ambiente en funcin de distintos parmetros.

A la vista de los resultados obtenidos nos decantamos por los parmetrossuministrados por el fabricante, ya que stos difieren menos con respecto al sensor dereferencia, encontrndose una diferencia mxima de 0.8C para una temperatura mnimade -20C, mientras que con los parmetros calculados esta diferencia asciende a un valorde 1.8C para bajas temperaturas.

Analizando estos datos, obtenemos que el termistor muestra una precisin mnima de0.8C para una temperatura lmite de -20C. Este valor es demasiado elevado debido aque nos encontramos en el lmite de funcionamiento de la termopila, ya que a medida queaumenta la temperatura disminuye este valor alcanzando una precisin mxima 0.03C.

Llegado a este punto, podemos obtener la temperatura ambiente a la que se encuentranuestro dispositivo, con una precisin mnima de 0.8 C, por medio de la expresiones [8]

y [10], la tensin suministrada por el circuito acondicionador del termistor y losparmetros proporcionados por el fabricante, siendo R0 de 100k para una temperaturaT0de 25C y un valor de de 3940K.

4.4.3Calibracin pticaLa termopila posee un campo de visin de 34 @ 5%, es decir, con un ngulo de

visin de 17 la termopila capta un 95% de la radiacin incidente, siendo el 5% restantedespreciable.

Figura 20. Campo de visin de la termopila.


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Dado que uno de nuestros objetivos reside en que la distancia de medicin debe deser mxima, ser necesario agregar al sistema una lente adicional a la incorporada en latermopila. Este tipo de lente necesariamente debe de ser convexa, para permitirconcentrar toda la radiacin perpendicular a la lente en un mismo punto, punto focal, deforma que ste se encuentre situado en la regin de visin de la termopila.

Figura 21. Esquema de lente plano-convexa.

Tambin es posible el uso de lentes de Fresnel, caracterizadas por tener una granapertura de visin con una reducida distancia focal, adems de presentar un bajo coste ypeso. Podemos destacar en estas lentes al fabricante Memstech [MEMS] y a Roithner

Laser Techink[RLTL]. Estas lentes presentan una gran complejidad de ajuste, ya que ladistancia focal es muy reducida, por lo que finalmente se ha optado por el uso de unalente plano-convexa.

Se ha seleccionado una lente de Germanio del fabricante Thorlabs, modelo LA9509-F [THLA], ya que se ajusta adecuadamente a la abertura de visin de la termopila y cuyaregin de trabajo se sita entre 8 y 12 m, satisfaciendo nuestras necesidades. Esta lentetiene un dimetro y una distancia focal de 25.4mm.

Para ajustar la lente a nuestro dispositivo debemos calcular la distancia D para la cualse consigue adaptar la abertura de visin de la termopila a la lente, permitiendo lacaptacin de toda la energa que incide perpendicularmente sobre la misma.

Figura 22.Clculo de la distancia de adaptacin de la lente.

Si cogemos la mitad de la abertura de visin de la termopila, 17, podemos calcularla distancia D a la cual hay que situar la lente mediante unos sencillos clculos.

sin17 2 25.42 43.43cos17 41.54

D

/2

17

Distancia Focal

Punto Focal

h


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La lente debe de estar situada a una distancia de 41.54mm, con respecto al reaactiva de visin de la termopila.

Esta distancia D de 41.54mm debe ser ajustada de forma precisa, con un margen deerror mnimo, ya que de no ser as parte del rea de visin de la termopila quedara fuerade la lente captando un cierto porcentaje de radiacin procedente del soporte mecnico.

Dado que el soporte mecnico de nuestro dispositivo se trata de un elementometlico cilndrico de 25.4mm de dimetro y con roscado interior, la lente se ajustaadecuadamente por medio de dos arandelas roscadas del mismo dimetro, con susrespectivas arandelas que evitan posibles daos en la lente a la hora de su fijacin.

Fijada la lente al dispositivo, se obtiene un sistema con una resolucin ptica D:S de10:1. Esto quiere decir que si el dispositivo se encuentra a una distancia de 100mm delobjeto de medida, ste recibir toda la radiacin que incide en la lente procedente de un

rea de seccin circular de 10mm de dimetro de dicho objeto.

Figura 24. Relacin ptica D:S del sensor.

Esta relacin fue medida fijando el sensor a una distancia conocida con respecto auna base o plataforma, enfocado perpendicularmente a la misma. El spot o rea de visindel sensor ha sido determinada al pasar un objeto sometido a una elevada temperaturasobre una superficie base. Al existir una gran diferencia de temperatura entre objeto ybase, el rea queda delimitada al pasar cuidadosamente el objeto sobre dicha base,marcando la trayectoria del rea a medida que el dispositivo capta la elevada diferenciade temperaturas existente entre objeto y base.

El rea de visin es determinada sin problemas al existir gran diferencia de

temperatura entre la base y el objeto de medida empleado, de manera que conocido el

Figura 23. Incorporacin de una lente de 25.4mm de dimetro y distancia focal.

(00)

( 0)

34

41.54 mm

25.4mm

Termopila


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dimetro de esta rea y la distancia de medida obtenemos el valor de la resolucin pticade nuestro sensor, 1:10.

4.4.4Ajuste de termopilaEl primer paso a llevar a cabo en el ajuste del circuito acondicionador de la termopila

consiste en el clculo de offset originado a la salida el mismo. Para su clculo, se requiereque todo el sistema se encuentre en equilibrio trmico, de forma que la tensinproporcionada por la termopila sea 0V, debido a que la temperatura del objeto de medidacaptada por la termopila coincide con la temperatura ambiente a la que se encuentra eldispositivo en ese instante [5].

Para ello, se introduce tanto el sistema como el objeto de medida en el interior de lacmara climtica, programndose una temperatura constante durante un largo periodo detiempo, de forma que tanto el sistema como el objeto de medida se encuentren a la mismatemperatura.

Esta medida se desarrolla a una temperatura constante de 2.8C, obteniendo un valorde 2.0356V a la salida del circuito acondicionador de la termopila, con una desviacin de41mV. Si consideramos una tensin de referencia de 2V precisos en el terminalnegativo de la termopila [11], obtenemos un offset en el circuito de 35.6mV. Esta tensinde referencia no es exacta, debido a la tolerancia de las resistencias, por lo que una partede este offset se debe la incertidumbre del valor referencia de 2V, considerando elrestante al proporcionado por el amplificador operacional.

Para la realizacin de las diferentes medidas, siempre se debe de tener en cuenta estevalor de offset en la tensin de salida del circuito acondicionador de la termopila [12]. Deesta forma obtenemos el verdadero valor de tensin suministrado en terminales de la

termopila.Finalmente, para terminar la calibracin del sistema nos queda por determinar elvalor de la constante K, o sensibilidad del dispositivo. Despejando el valor de estaconstante de [6] se obtiene la expresin mostrada a continuacin.

15Para su clculo se precisa conocer la temperatura del objeto de medicin en funcin

de la tensin proporcionada por la termopila, para una temperatura ambiente constante.La temperatura del objeto ser recogida por el sensor de referencia CS LT, al mismotiempo que se almacenan los diferentes valores de tensin de la termopila en funcin dedicha temperatura. De esta forma obtenemos los valores que se muestran a continuacinpara

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