Definición: Un bolómetro es un instrumento que mide la cantidad de radiación electromagnética que incide sobre una resistencia eléctrica en función de la temperatura.
Radiación Térmica: Todo cuerpo intercambia parte de su energía emitiendo radiación electromagnética y absorbiendo radiación de su entorno en función del tiempo su tendencia será al equilibrio. Aquellas superficies ideales que irradian la máxima cantidad de energía para una temperatura determinada se conocen como, cuerpos negros. Como la materia emite energía termica mediante cuantos, esto permite inferir la temperatura de un cuerpo si se conoce cuanta radiación emite en una determinada longitud de onda.
Principio de Funcionamiento: Un metal delgado de absorción debe estar conectado a un deposito térmico a través de un enlace térmico, cualquier radiación que incida sobre el elemento de absorción elevara su temperatura con respecto a la del enlace térmico. Cuanto mayor es la potencia absorbida, mayor es la temperatura. Para determinar la sensibilidad del Bolometro, la constante de tiempo térmico es igual a la relación de la capacidad de calor que tiene el elemento de absorción (metal) con la conductancia del elemento de absorción.
Efecto Seebeck y Sensores Termopares: El efecto Seebeck describe que si dos cables de materiales diferentes se unen en sus extremos y uno de ellos es calentado, la respuesta de esto consiste en una corriente continua en el circuito termoelectrico. Si el circuito se corta en su parte central el resultado es un termopar. Ocasionando una conversión de energía térmica en energía eléctrica, que depende los metales y de las diferencias de temperatura.
Bolometro de Langley: es un bolometro que esta construido con dos tiras de platino que forman un puente de WheatStone conectado a una batería y un galvanometro. La radiación electromagnetica que cae sobre la tira incrementara su temperatura y cambiara su resistencia eléctrica.
Aplicaciones: Los Bolometros pueden ser usados para medir la radiación de cualquier frecuencia, en astronomía de altas frecuencias son utilizados para mediar la radiación cósmica de fondo, en física se utilizan para realizar mediciones en bandas submilimetricas.
Microbolometros: La radiación infrarroja en un rango especifico de longitudes de onda, incide sobre una rejilla de oxido de vanadio que cambia su resistencia eléctrica en función del tiempo.
Metodología: Una de las técnicas para medir radiación ionizante sobre un cuerpo, se basa en la convección de un cuerpo negro que absorbe la luz o radiación electromagnética procedente de cualquier fuente de radiación.
Usando un termopar tipo J (Primer terminal: +hierro; segundo terminal: -Cobre -Niquel; de 0 a 750 grados). Los termopares comerciales se designan por las letras (S, T,E,J,K,R) que identifican los materiales de los que están constituidos e identifican sus sensibilidad o coheficiente de saturacion térmica. Los tipos E, J, K, y T son de base metalica y se pueden utilizar por encima de los 1.000 grados. Los S y R son termopares nobles porque tiene palatino como elemento básico y funcionan por encima de los 2.000 grados.
Al ser tan poco el voltaje transita por el termopar (tipo J al ser mas fácil de conseguir en las ferreterias), se hace necesario utilizar un amplificador operacional de ganancia que coincida con una escala que sea fácilmente interpretada. Para esto, se puede elegir una escala que proporcione 1V por cada vatio de potencia que reciba el Bolometro.
Con un Multímetro se mide un mínimo de 100microvoltios, de aquí se tendría una resolución de 100 microwatios, todo esto en la escala de 200 mV con un máximo de 0.2W. Ahora, en la siguiente escala del multimetro se miden rangos de a 1mV, por lo tanto 1 mW con un limite de 2mW. Existe una maxima temperatura que puede soportar el bolometro, se quema si excede los 100 grados, por lo tanto esta en función de la potencia, de aquí que también sea recomendable utilizar un medio para dispar el calor generado.
Cálculos matemáticos para determinar el Amplificador operacional a usar
Calculando la Convección. La ley de enfriamiento de Newton establece que la taza de transferencia de calor que abandona una superficie a una temperatura T para ser transferita a un entorno con temperatura T sub-1. Esta dada por. Q(convección) = hA(T-Tsub-1)* e. h, es el coheficiente de conveccion; A, el area el area del bolometro; y también se le puede agregar un factor como es la emisividad de la pintura
Nos queda del siguiente modo: Q(convección)= (T-Tsub-1) * h*A*e ; el coheficiente de conveccion del Termopar J , se puede localizar segun las propiedades que determine el fabricante, o se puede averiguar utilizando un termometro infrarrojo (un recurso mucho mas caro).
De todas formas, aislando lo términos constantes nos queda: 1W= deltaT * 70.69 *0.0004*0.92 donde deltaT= 1/ 70.69*0.0004*0.92 = 38.82 C.
Aqui como dije el coheficiente del termopar es de 70.69; el area del bolometro equivale a 20mm* 20mm = 0.0004, y el facto de emisividad de la pintura que recubre de lo mas a lo mas negro de 0.95 a 0.92.
El tipo de termopar J tiene un factor de resistencia al voltaje de 52microV*C(grados celcius) según las propiedades del fabricante, esto con una convección de 38.83 grados C, paso esta diferencia de temperatura a voltaje que se evidenciara en el termopar, entonces tenemos:
38.83 grados C * 52microV/C *1V/1000000microV = 0.0020186V.
Este voltaje se tiene que amplificar mediante un amplificador operacional hasta un voltio, asi que tenemos que: DELTA= Voltaje Amplificado/ Voltaje inicial; donde 1v/0.0020186 = 495.38
A continuación seleccciono un ampificador operacional en modo no inversor con una ganancia de 495.38 V, asi que el mas apropiado para esto es el LM324.
Con lo anterior ya tengo un esquema teórico aproximado para la ejecución del bolometro con R1 variable, con el fin de ajustarlo a un patron conocido.
El siguiente es el esquema montado en una protoboard , con voltaje de 9 voltios que mide radiacion de cualquier longitud de onda.
Entonces en este circuito la diferencia de temperatura que incide sobre el termopar desde la influencia de frecuencia de onda que tiene el laser marcará un voltaje proporcional en vatios. No es un trabajo terminado porque falta adaptar bien los dos termopares al amplificador y ejecutarlo en un montaje mas versátil. A futuro espero reemplazar este engorroso circuito con modulo Arduino que sea el responsable de registrar las diferencias de temperatura sobre el modulo del termopar.
FUENTES:
No hay comentarios.:
Publicar un comentario