Tesis Sensor Infrarrojo

PROYECTO FIN DE CARRERA
Desarrollo de un sensor de temperatura

remoto basado en la radiacin infrarroja.

Autor: Abraham de los ngeles Daz Garca

Tutora: Marta Ruiz Llata

Legans, Octubre de 2012
Departamento de Tecnologa Electrnica

ii

iii

Ttulo: Desarrollo de un sensor de temperatura remoto basado en la radiacin infrarroja.
Directora: 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 de
2012 en Legans, en la Escuela Politcnica Superior de la Universidad Carlos III de
Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIN de

VOCAL

SECRETARIO PRESIDENTE

iv

v

Agradecimientos

En primer lugar, me gustara agradecer este proyecto a mi abuelo, que aunque no est
presente en este momento de mi vida, s que cuento con su apoyo y seguro que se
encuentra muy orgulloso de que haya alcanzado esta etapa de mi vida.

A mis padres y hermana, porque sin ellos no estara aqu, por su apoyo prestado para
seguir siempre adelante y su confianza depositada, alcanzando aquellas metas que nunca
antes haba imaginado.

Dar gracias a Laura, por hacerme tan feliz y por apoyarme en todo momento a lo
largo de este ao, y hacerme darme cuenta de que todo aquello que te propongas en la
vida puedes hacerlo si confas en ti mismo.

A todos mis amigos, a los de siempre y a los de la universidad que a lo largo de estos
aos me han hecho pasar muy buenos momentos, necesarios en el da a da y que nunca
se olvidarn.

Como no, agradecer a mi tutora de proyecto, Marta Ruiz, por la oportunidad que me
ha brindado de realizar con ella este segundo PFC y por toda la ayuda prestada en todo
momento, adems de los conocimientos adquiridos durante estos aos

Gracias a todos.

vi

vii

Resumen

Este proyecto fin de carrera se centra en el estudio y diseo de un sensor de
temperatura remoto. El objetivo principal del proyecto es desarrollar un dispositivo capaz
de obtener la temperatura de un objeto situado a una cierta distancia, conocida su
emisividad y la radiacin infrarroja emitida por ste. Adems, se plantea dentro de este
proyecto el estudio de los principios bsicos de termometra infrarroja y la clasificacin
de los distintos tipos de termopilas en el mercado atendiendo a sus principales
caractersticas, con el fin de seleccionar la ms adecuada para el desarrollo de nuestro
sensor.
Las aportaciones principales del proyecto son: el estudio de los fundamentos fsicos
para la cuantificacin de la radiacin infrarroja emitida por los cuerpos segn su
temperatura, el estudio de mercado de este tipo de sensores y la clasificacin de los
distintos tipos de proveedores de termopilas atendiendo a las principales caractersticas de
las mismas, y la implementacin de un prototipo de termmetro infrarrojo basado en una
termopila, 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 verificacin
de su correcto funcionamiento.

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

ndice general

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS ......................................................................................... 1
1.1 Introduccin .............................................................................................................. 1
1.2 Objetivos ................................................................................................................... 2
1.3 Medios empleados ..................................................................................................... 2
1.4 Estructura de la memoria .......................................................................................... 3
2. PRINCIPIOS DE LA RADIACIN INFRARROJA .................................................................. 5
2.1 Introduccin .............................................................................................................. 6
2.2 Fundamentos fsicos .................................................................................................. 7
2.3 Tipos y funcionamiento de los termmetros infrarrojos ......................................... 10
2.4 Construccin y funcionamiento de una termopila .................................................. 11
2.5 Conclusiones ........................................................................................................... 13
3. CLASIFICACIN Y MERCADO DE LAS TERMOPILAS ...................................................... 15
3.1 Clasificacin ............................................................................................................ 16
3.2 Conclusiones ........................................................................................................... 22
4. DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN TERMMETRO INFRARROJO ............................... 23
4.1 Termopila ................................................................................................................ 24
4.2 Circuito de adquisicin de temperatura ................................................................... 24
4.2.1 Circuito termistor ............................................................................................. 24
4.2.2 Circuito termopila ............................................................................................ 26
4.2.3 Circuito de alimentacin .................................................................................. 28
4.3 Diseo de placa PCB ............................................................................................... 29
4.4 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 .......................................................................................... 39
4.5 Conclusiones ........................................................................................................... 41
NDICE GENERAL

x

5. MEDIDAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................... 43
5.1 Software de control ................................................................................................. 44
5.2 Descripcin del procedimiento seguido en los experimentos ................................. 47
5.3 Verificacin del sistema .......................................................................................... 49
5.4 Conclusiones ........................................................................................................... 53
6. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 55
7. GESTIN Y PRESUPUESTO DEL PROYECTO ................................................................... 57
7.1 Gestin .................................................................................................................... 57
7.2 Presupuesto ............................................................................................................. 58
8. REFERENCIAS ................................................................................................................ 61
9. ANEXO 1 ........................................................................................................................ 65
Documentacin de placa Temperatura-IR .................................................................... 65
10. ANEXO 2 ...................................................................................................................... 69
Puesta en marcha de termopila con salida digital ......................................................... 69
ndice de figuras

Figura 1. Espectro electromagntico. .................................................................................. 6
Figura 2. Absorcin, reflexin y transmisin de la energa incidente. ............................... 7
Figura 3. Espectro de radiacin trmica de un cuerpo negro en funcin de [OPT]. ........ 8
Figura 4. Esquema bsico de una termopila. ..................................................................... 11
Figura 5. Composicin de la termopila. ............................................................................ 11
Figura 6. Flujograma de lectura T
objeto
. ............................................................................. 13
Figura 7. Termopila HMSM21L3.0F5.5 [HETE]. ............................................................ 24
Figura 8. Circuito acondicionador del termistor. .............................................................. 25
Figura 9. Comportamiento del termistor frente a la temperatura ambiente. ..................... 25
Figura 10. Respuesta del divisor de tensin del termistor para diferentes valores de
temperatura. ............................................................................................................... 26
Figura 11. Circuito acondicionador de la termopila. ......................................................... 27
Figura 12. Circuito de alimentacin. ................................................................................. 28
Figura 13. Soporte y fijador del dispositivo. ..................................................................... 29
Figura 14. Placa PCB del sensor. ...................................................................................... 30
Figura 15. Circuito acondicionador de la termopila. ......................................................... 31
Figura 16. Especificaciones pticas D:S = 15:1. ............................................................... 31
Figura 17.Cmara climtica CCK -40/180. ....................................................................... 32
Figura 18. Muestra de asfalto de carretera. ....................................................................... 33
Figura 19.Tarjeta de adquisicin de datos miniLAB 1008. ............................................... 34
Figura 20. Campo de visin de la termopila. .................................................................... 36
Figura 21. Esquema de lente plano-convexa. .................................................................... 37
Figura 22.Clculo de la distancia de adaptacin de la lente. ............................................ 37
Figura 23. Incorporacin de una lente de 25.4mm de dimetro y distancia focal. ........... 38
Figura 24. Relacin ptica D:S del sensor. ....................................................................... 38
Figura 25.Sensor de Temperatura-IR. ............................................................................... 41
Figura 26.Panel frontal del programa de control. ............................................................. 44
Figura 27.Diagrama de bloques del programa de control con uso de frmulas. ............... 45
Figura 28.Variacin de V
tp
en funcin de T
objeto
. .............................................................. 46
NDICE DE FIGURAS

xii

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

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. ....................................................... 21
Tabla 4. Programa de la cmara climtica para ajuste de termistor. ................................. 32
Tabla 4. Resistencia del termistor en funcin de la temperatura. ..................................... 35
Tabla 5. Comparativa de parmetros fabricante vs medidos ............................................ 35
Tabla 6. Temperatura ambiente en funcin de distintos parmetros. ............................... 36
Tabla 7. V
tp
en funcin de la temperatura del objeto. ....................................................... 40
Tabla 8. T
Obj.
en funcin de la sensibilidad K para T
Amb.
constante de 25.5C. ............... 40
Tabla 9. Lookup tables

de termistor y termopila. ............................................................. 45
Tabla 10.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para asfalto. ........................................... 50
Tabla 11.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para aluminio. ....................................... 52
Tabla 12.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para madera. .......................................... 53
Tabla 13. Hoja de caractersticas tcnicas del sensor Temperatura-IR diseado.............. 54
Tabla 14. Descripcin y periodo de las tareas realizadas en el proyecto. ......................... 58

NDICE DE TABLAS

xiv

Captulo 1
Introduccin y objetivos
1.1 Introduccin

Actualmente, los sistemas de medicin de temperatura usando termmetros
infrarrojos cada vez son ms utilizados, ya que permiten la medicin de temperatura de
un objeto situado a una cierta distancia sin causar contacto con el mismo. Son utilizados
en aquellas operaciones donde no es posible el contacto entre el dispositivo de medida y
objeto, tales como la medicin de un metal en una fundicin, alimentos, comprobacin de
equipos 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 tienen
todos los materiales de emitir ondas electromagnticas en el rango del infrarrojo, estando
esta radiacin totalmente relacionada con la temperatura del objeto. Conociendo la
cantidad de energa infrarroja emitida por el objeto y su emisividad, la temperatura del
objeto puede ser determinada.

Este proyecto fin de carrera se ha realizado en el Grupo de Optoelectrnica y
Tecnologa Lser de la UC3M, donde existe una avanzada experiencia sobre dispositivos
y 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 de
estas caractersticas.
1.2 Objetivos
2

1.2 Objetivos
El 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 de
temperaturas preestablecido, basndonos en la radiacin que emiten los cuerpos en el
infrarrojo prximo por encontrarse a una cierta temperatura. Para ello el presente
proyecto fin de carrera propone los siguientes objetivos:

1. Manejar los conceptos que involucran la medicin de temperatura sin contacto por
infrarrojos.
2. Implementacin de un prototipo de termmetro infrarrojo basado en una
termopila 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 diferentes
proveedores de termopilas existentes actualmente en el mercado, clasificando los
distintos tipos de termopilas atendiendo a sus principales caractersticas, con el objetivo
de seleccionar aquella que mejor se adapte a nuestras condiciones de trabajo, para el
diseo y desarrollo de nuestro termmetro infrarrojo. Estas actividades han sido
realizadas previamente a este proyecto, en una beca de colaboracin con el Departamento
de Tecnologa Electrnica, incluidas y necesarias en este trabajo al formar parte del
desarrollo del termmetro infrarrojo a disear.

1.3 Medios empleados
El 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 de
circuitos 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 del
Departamento de Tecnologa Electrnica y Oficina Tcnica de la UC3M.
Finalmente, para las pruebas y mediciones realizadas en el laboratorio, se ha
utilizado una tarjeta de adquisicin de datos, modelo miniLAB 1008, un ordenador
porttil para almacenar dichos datos y permitir el soporte al software LabVIEW,
encargado del procesamiento de los mismos. Para el calentamiento o enfriamiento de los
objetos utilizados en las mediciones se ha utilizado una cmara climtica del fabricante
DYCOMETAL, modelo CCK -40/180.

1.4 Estructura de la memoria
3

1.4 Estructura de la memoria
Para 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 tratar
y desarrollar el presente proyecto.

En el Captulo 2 se describen los conceptos y fundamentos fsicos para la
captacin y cuantificacin de la temperatura sin contacto por infrarrojos, as
como la composicin y funcionamiento de la termopila para la medicin de
dicha temperatura.

En el Captulo 3 se presenta una bsqueda de los diferentes tipos de
proveedores de termopilas existentes actualmente en el mercado, clasificando
los distintos tipos de termopilas, segn sus caractersticas fundamentales, con
el fin de seleccionar aquella que mejor se adapte a nuestras condiciones de
servicio, 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 termopila
seleccionada, as como la calibracin del mismo.

Una vez diseado nuestro termmetro, en el Captulo 5 se detalla el
desarrollo de un software de control de todo el sistema, junto a la disposicin
de los elementos en el entorno de trabajo y verificacin del correcto
funcionamiento del dispositivo diseado, corroborado por un segundo sensor
tomado como referencia.

Implementado el prototipo de termmetro infrarrojo se sacarn conclusiones
en el Captulo 6.

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

Captulo 2
Principios de la radiacin
infrarroja
Este captulo describe el trabajo que se ha realizado para cumplir el primer objetivo
del proyecto, basado en el estudio de los principios bsicos de la termometra infrarroja.

El captulo comienza considerando los fenmenos relacionados con la radiacin
infrarroja. 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 al
encontrarse a una cierta temperatura, siendo capaces de calcular la misma al estar
directamente relacionada con la radiacin. Tambin se detalla la composicin y
funcionamiento de una termopila, con el fin de usar sta para el desarrollo de un
termmetro infrarrojo.

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

2.1 Introduccin

6

2.1 Introduccin
Todo 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, por
encima del espectro visible.

Los orgenes de la medicin de las radiaciones infrarrojas (IR) se remontan al ao
1800 donde William Herschel descompuso la luz solar en los distintos colores del
espectro visible a travs de un prisma, con el fin de medir el calor emitido por cada color
por medio de un termmetro de mercurio. Descubri que la temperatura de los colores del
espectro 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", donde
posteriormente tomaron el nombre de rayos infrarrojos o radiacin infrarroja [OPT].

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

Figura 1. Espectro electromagntico.

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

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

La medicin con termmetros infrarrojos es aplicable a casos en los que no sea
recomendable estar el sensor en contacto con la temperatura del objeto. Se usan en
distintas aplicaciones como la medicin de productos alimenticios, maquinaria en
movimiento, superficies con temperaturas muy altas, etc. Otra ventaja es que permite una
medida rpida en comparacin con los termmetros de contacto, siendo esta cualidad
importante en aplicaciones de cadenas de produccin, en diagnsticos de pacientes, etc.

2.2 Fundamentos fsicos

7

En torno al ao 1900 Max Planck, Josef Stefan, Ludwig Edward Boltzmann,
Wilhelm Wien y Gustav Kirchhoff establecieron correlaciones cualitativas y cuantitativas
para describir la energa infrarroja.
A continuacin se definen algunos trminos y conceptos caractersticos de la energa
radiante de tipo calorfico.
De toda la radiacin que incide sobre una superficie, una parte puede absorberse por
el 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 con
respecto 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 1

La 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; 1

Sin 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 de
absorcin y reflexin prcticamente nulos para la radiacin infrarroja. Otros gases,
especialmente el anhdrido carbnico, pueden ser muy absorbentes para ciertas longitudes
de onda de la radiacin trmica, comprendidas en la banda de infrarrojo, aunque muy
reflectantes o transparentes con respecto a otras longitudes de onda comprendidas en esta
misma banda. En este trabajo slo se va a trabajar con cuerpos opacos, cuya transmisin
de la energa incidente es nula a travs del mismo, por lo que parte de esta radiacin
incidente es absorbida por el cuerpo y la otra parte reflejada. La parte de radiacin que se
Energa Incidente
Reflejada
Transmitida
Absorbida

8

refleja no afecta al cuerpo en s, siendo radiacin que se marcha. Sin embargo, la
radiacin 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. La
radiacin 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 negro
perfecto no existe en la realidad, sino que es un objeto ideal que se utiliza como
referencia 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 de
absorcin y su emisividad son iguales (Ley de Kirchhoff). Tericamente, la superficie
ideal 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 define
como la relacin entre la energa emitida por un objeto a una cierta temperatura y la
emitida por cuerpo negro en la misma temperatura. Cualquier objeto o cuerpo real tiene
valores inferiores a los de un cuerpo negro. Los valores de emisividad varan en funcin
del material y se encuentran comprendidos entre cero y uno. A continuacin se detallan
algunos ejemplos:

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

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

M (w/m
2
)

9

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

,
2

1
2

Siendo c = 310
la velocidad de propagacin de la luz en el vaco, y c

1,
c
2
las
constantes de radiacin (
3.74 10
1.44 10
).

La intensidad total W m
, de la radiacin emitida por un cuerpo negro se

obtiene integrando la expresin [2], en todo el espectro. De esta forma se obtiene la ley
de Stefan Boltzmann, la cual establece que la energa emitida por un cuerpo negro es
proporcional 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 radiacin
trmica emitida por un cuerpo negro se desplaza, con el aumento de la temperatura, hacia
la regin de longitudes de onda ms corta.

2.898 10
4

Conocidos los fundamentos fsicos de la radiacin infrarroja podemos calcular la
temperatura a la que se encuentra un objeto, teniendo en cuenta que la radiacin recibida
no slo depende de la temperatura de su superficie, sino tambin de la radiacin reflejada
del ambiente, incluso de la radiacin que penetra a travs del mismo.

2.3 Tipos y funcionamiento de los termmetros infrarrojos

10

2.3 Tipos y funcionamiento de los
termmetros infrarrojos
Existen dos grandes grupos de sensores para captar la radiacin emitida por los
cuerpos segn su temperatura, detectores trmicos y cunticos.

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

Un detector trmico est formado por un elemento sensible que vara en funcin de
la absorcin de la radiacin electromagntica, cambiando las propiedades del material y
en consecuencia la generacin de una seal elctrica proporcional a la radiacin incidente
sobre 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 cuerpo
negro. Dentro de estos detectores podemos destacar tres tipos [VA98]:

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

Detectores piroelectricos: Se basan en un efecto que se manifiesta sobre
materiales ferroelctricos, para el cual la polarizacin en ese material
disminuye 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 puede
medir.

Detectores de termopila: Formados por un conjunto de termopares en serie
que producen un voltaje a la salida proporcional a la radiacin recibida. El
termopar 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, concretamente
detectores de termopila.

2.4 Construccin y funcionamiento de una termopila

11

2.4 Construccin y funcionamiento de una
termopila
Una termopila est formada por un conjunto de termopares interconectados en serie
entre ellos, cada uno de los cuales est formado por dos materiales diferentes con
polaridades opuestas. Los termopares son emplazados en regiones calientes y fras
aisladas trmicamente. Las uniones fras se colocan en un sustrato de silicio para disipar
el calor, siendo esta unin conectada a una referencia conocida. Por otro lado, en las
regiones calientes hay un cuerpo negro que absorbe la radiacin infrarroja, elevando la
temperatura de acuerdo a esta radiacin. De esta forma se genera un voltaje proporcional
a la diferencia de temperatura en los termopares, estando comprendido entre decenas o
cientos de milivoltios. Otra cualidad es que no precisan de una fuente externa de
polarizacin.

Figura 4. Esquema bsico de una termopila.

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

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

Figura 5. Composicin de la termopila.

La tensin generada por la termopila, V
tp
, es proporcional a la cuarta potencia de la
temperatura 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 del
detector tenemos que [OPT]:
Termistor
Termopila
Termistor
Termopila
o
o o
2.4 Construccin y funcionamiento de una termopila

12

5

Donde K se corresponde con la constante o sensibilidad del dispositivo, la emisividad
del material de medida viene expresada por el parmetro , siendo (1- ) la reflexin en
el objeto de medida debida a la temperatura ambiente, T
amb.
. El valor de la temperatura
del objeto viene representado por medio de T
obj.
, y finalmente T
disp.
representa la
temperatura del propio dispositivo de medida. Todos los valores de estas temperaturas
son expresados en Kelvin.

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

6

La constante K depende 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:

7

Donde R
0
es el valor de resistencia del termistor a la temperatura de referencia T
0
,
expresada en Kelvin ,

y el parmetro es una constante asociada al material con el que se
fabrica el termistor, variando entre 2000 y 6000K. Estos parmetros de referencia son
proporcionados por el fabricante, obteniendo la temperatura ambiente en funcin del
valor de la resistencia proporcionada por el termistor a dicha temperatura a partir de la
expresin anterior.
ln
8

Conociendo la respuesta del termistor y termopila podemos conocer la temperatura a
la 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 estos
datos comenzamos obteniendo el valor de la temperatura ambiente a travs del valor de la
resistencia del termistor [8], para posteriormente adquirir el valor de la tensin
proporcionada por la termopila y poder calcular a partir de la ecuacin [6] el valor
compensado de la temperatura del objeto.

2.5 Conclusiones

13

Figura 6. Flujograma de lectura T
objeto
.

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

2.5 Conclusiones
En 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 cuantificacin
de la misma mediante una termopila.

Los conceptos y fundamentos fsicos sobre la radiacin infrarroja nos han permitido
conocer el comportamiento, captacin y medida de la misma, mediante el uso de las
teoras 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 la
temperatura de un objeto conocida su emisividad, estableciendo en detalle su
composicin y funcionamiento de la misma.

Con estas bases de funcionamiento podemos llevar a cabo el diseo de un
termmetro infrarrojo basado en una termopila, mediante el desarrollo de la parte
electrnica y ptica que lleva asociada la misma, as como el diseo mecnico que
conlleva el conjunto.

2.5 Conclusiones

14

Captulo 3
Clasificacin y mercado de las
termopilas
Este captulo se centra en el estudio y bsqueda de los diferentes tipos de
termopilas que actualmente se encuentran en el mercado atendiendo a sus principales
caractersticas, clasificando sus respectivos proveedores con el fin de seleccionar
aquella termopila que cumpla con nuestras necesidades de servicio para llevar a cabo el
desarrollo de nuestro sensor.
En el captulo anterior, se demostr el funcionamiento y la construccin de las
termopilas, por lo que ahora nos centraremos en las caractersticas ms importante o
determinantes de cada una, segn el fabricante. Se realizar una bsqueda global a
travs de la web, archivando los diferentes proveedores existentes actualmente en el
mercado, seleccionando las termopilas ms significantes de cada uno, atendiendo a su
campo de visin, rangos de temperatura, encapsulado, as como el tipo de salida que
proporcionan (digital o analgica). Adems, se ha conseguido establecer contacto con la
mayora de estos proveedores, proporcionndonos informacin adicional sobre
caractersticas tcnicas de las termopilas, precios en funcin de las unidades, plazos de
entrega e incluso ejemplares de muestras.
Finalmente, tras esta clasificacin podremos concretar el modelo de termopila a
usar para nuestro termmetro infrarrojo.

3.1 Clasificacin

16

3.1 Clasificacin
Para la consecucin de nuestro principal objetivo fue necesario realizar una bsqueda
de fabricantes y distribuidores existentes actualmente en el mercado, clasificando los
distintos tipos de termopilas, con el fin de encontrar aquella que mejor se adaptase a
nuestros requisitos.
Para seleccionar una termopila hay que tener en cuenta una serie de caractersticas
determinantes para su aplicacin:
Rango de temperatura del objeto: Intervalo en el que se debe de situar la
temperatura del material de medida, para que sta pueda ser captada por la
termopila.
Rango de temperatura ambiente: Intervalo en el cual el dispositivo se
encuentra en condiciones ptimas de operacin.
Precisin: Grado de error en la medicin, expresado en % con respecto a la
temperatura de medida, o en C con respecto al fondo de escala. Como se
podr comprobar a lo largo del proyecto la precisin de los sensores de
temperatura infrarrojos dependen fuertemente de la temperatura del objeto de
medida, as como de la diferencias de temperaturas entre el objeto y el sensor.
Encapsulado: Todos los encapsulados utilizados en termopilas son del tipo
TO-, variando exclusivamente su dimetro y altura.
Campo de visin: ngulo de abertura para el cual la termopila capta una
cantidad especfica de energa radiada procedente del objeto de medicin. Es
expresado en grados. La superficie de medida debe rellenar completamente el
campo 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 que
si la termopila proporciona una salida analgica posteriormente hay que
realizar una conversin a formato digital para su procesamiento. Sin
embargo, las termopilas con salida digital, adems de tener dentro del
encapsulado la termopila y el termistor, poseen un ASIC (Application
Specific Integrated Circuit), que incluye toda la electrnica de
acondicionamiento, un conversor Analgico-Digital e interfaz de
comunicaciones. El encapsulado es mayor con respecto a la termopila con
salida analgica pero dependiendo de la aplicacin pueden dar a un sistema
ms compacto.

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

HeimannSensor [HETE].
Empresa alemana lder en el mercado de los sensores de termopila
infrarrojos. Ofrece una amplia gama de termopilas destacando aquellas de
salida digital, ya que se corresponden con una de sus novedades de este ao,
3.1 Clasificacin

17

Thermopile Module HID L1x FL5.5 (LS) Tx. Esta termopila posee
internamente una memoria RAM donde almacena en todo momento el valor
de la temperatura ambiente y objeto, alcanzando estos valores con una simple
lectura de memoria por medio de un interfaz SMBus o PWM. Cabe destacar
que la temperatura del objeto que proporciona ya se encuentra compensada
con la temperatura ambiente. Adems incorpora una lente de 5mm de
distancia focal, con relacin ptica D:S 8:1, lo cual permite medir objetos a
grandes distancias, ya que su ngulo de abertura es muy pequeo. Posee
encapsulado TO-5 y su resolucin es inferior a 1C, con una temperatura
mxima de operacin de 382C. Su precio asciende a 50, siendo su plazo de
entrega inferior a 2 semanas.

Como termopila simple se encuentra el modelo HMS-M Series con salida
analgica, que incorpora una lente en su interior proporcionando un campo de
visin de 34. Esta termopila tiene un encapsulado TO-46 y su coste vara
segn 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 y
200 unidades.

Se adquirieron 5 ejemplares de este ltimo modelo y dos del modelo
anterior con salida digital, por medio de Antje Springer
(scheidulin@heimannsensor.com), encargada del departamento de ventas de
la empresa. La adquisicin de estos modelos, reside en su posterior uso para
llevar a cabo el desarrollo de nuestro termmetro infrarrojo, debido a su baja
abertura de visin y a su amplio intervalo de temperaturas de medicin,
requisitos que implantaremos ms adelante.

Excelitas (Distribuidora en Espaa, Setron) [EXTE].
Esta empresa dej de cooperar con su distribuidor espaol este ao, pero s
poseen un distribuidor alemn que tiene actividades en el mercado espaol,
Setron. Ofrece dos grandes grupos de termopila, montadas en mdulos de
PCB capaces de compensar la temperatura ambiente, y simples, ambos
modelos con salida analgica. Dentro de cada uno de estos grupos existe una
gran variedad dependiendo de su uso (detector de gases, medicin de
temperatura).
La termopila simple TPD 1T 0226 L5.5 incorpora una lente, proporcionando
un campo de visin de 7, prcticamente mnimo, logrando operar entre -20 y
60C. 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 una
PCB que dispone de un circuito acondicionador encargado de compensar la
temperatura ambiente. Por este motivo, su precio es ms elevado que el
modelo anterior, siendo de 16.65 y el plazo de entrega puede ascender a 12
semanas.
Esta empresa nos proporcion dos muestras sin compromisos de ambos
modelos, por medio de Maria Lnger (Maria.Laenger@setron.de), ingeniera
responsable de las aplicaciones de todos los productos de termopila
Excelitas.
3.1 Clasificacin

18

Nicera [NITE].
Situada en Reino Unido, esta empresa se dedica a la produccin de detectores
infrarrojos y tambin acta distribuyendo productos fabricados por otras dos
empresas de China. Al igual que la anterior empresa, sta proporciona
termopilas simples y en mdulo. Debido a la falta de informacin que ofrece
su pgina web sobre estos sensores, fue necesario ponerse en contacto para
obtener las caractersticas de los mismos.
Luke Habgood (luke@nicera-uk.com), 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 de
temperaturas comprendido entre -30 y 60C, siendo capaz de obtener la
temperatura de un objeto que se encuentre entre -30 y 70C, con un campo de
visin 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 de
termopila y termistor. Este mdulo proporciona una salida de tipo analgico
sin compensacin de la temperatura ambiente. Pensado para operar en
ambientes donde la temperatura se encuentra entre 0 y 80C, para unas
temperaturas del material de medida comprendidas entre -30 y 100C. ste
tiene una precisin de 2C, cuando se opera en temperaturas elevadas, siendo
de 3C para temperaturas inferiores a 60C. Adems incorpora una lente, al
igual que el modelo anterior, proporcionando un campo de visin de 10.

MMS-Electronics [MMST].
Compaa dedicada a la distribucin de componentes y fabricacin de
sistemas electrnicos. Opera como distribuidora de Reino Unido para otras
cuatro empresas, Smartec, Electronic Assembly, TAB y PICSHOP.
Ofrece varios tipos de termopilas simples y mdulos con salida digital. La
termopila simple SMTIR9902SIL, permite la medicin de -40 a 100C en un
ambiente de trabajo comprendido entre -20 y 100C. sta se encuentra
encapsulada en TO-5, con un campo de visin de 7.27, siendo su precio de
19.50.
El mdulo SMTIRMOD09 incorpora una termopila donde su ngulo de
abertura puede ser elegido entre 14 y 120. ste suministra una salida digital
a travs de un interfaz con bus I
2
C, aunque tambin se encuentran disponibles
con conexin USB. Su temperatura de medicin oscila entre 0 y 300 C, a
una temperatura ambiente comprendida de 0 a 85C. Posee una resolucin de
2C y tiene un coste de 41.45.
Para realizar algn pedido u obtener ms informacin sobre estas termopilas
es necesario ponerse en contacto con Marc Arijs a travs de su correo
electrnico marc@mms-e.co.uk, marc@smartec.co.uk.

3.1 Clasificacin

19

EOC-INC [EOCT].
Empresa de EE.UU. especialista en detectores de termopila en funcin de su
aplicacin, medicin de temperatura sin contacto, anlisis de gases y
monitorizacin de presencia, entre otros. Nosotros nos hemos interesado en el
modelo TS1x80B-A-D0.5-. ste trabaja entre -20 y 85C con temperatura
ambiente entre -20 y 100C. Este dispositivo ostenta de un campo de visin
de 53.1. Tiene un precio muy elevado, 74, debido a que esta empresa no
tiene ningn distribuidor en Europa, tardando entre 2 y 3 semanas desde la
realizacin del pedido. Esta informacin ha sido proporcionada por Primo
Galban (primogalban@eoc-inc.com), miembro del departamento de ventas de
la empresa.

Dexter [DEXT].
Se puede considerar como la compaa lder en deteccin infrarroja de
EE.UU., ofreciendo distintas soluciones en este campo. Tiene diferentes
variedades de termopilas segn aplicacin, ofreciendo adems la posibilidad
de fabricacin de la termopila segn los parmetros del usuario. Bill
McMillan (bmcmillan@dexterresearch.com) nos suministr informacin
sobre 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 un
ambiente 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 precio
disminuye a 47, con un plazo de entrega de 2 semanas. Con pedidos entre 50
y 99 unidades el plazo de entrega aumenta una semana ms y su precio se
sita en 40.
En caso de que la termopila tenga la necesidad de ser diseada, absenta de
caractersticas estndar, se deber abonar un suplemento de 38.6 debido al
desarrollo 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 los
sensores de temperatura basados en infrarrojos encontramos dos grupos de
termopilas, simples y en mdulo. Destacamos el modelo TS105-10L5.5 NTC
100K, con un intervalo de operacin de -20 a 100C, campo de visin de 30.
La informacin de su precio fue proporcionada por Jasmin Ollig
(jasmin.ollig@meas-spec.com), 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 rango
de medida de -10 a 85C, con abertura de 40 y proporciona una salida
digital, con interfaz SPI.

3.1 Clasificacin

20

Pacer [PATE].
Es un proveedor especializado en optoelectrnica, soluciones lser y pantallas
digitales, 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 modelo
TPM 1T 0236 L5.5 OBA 060 P7 ofrece un campo de visin de 5, con una
temperatura ambiente y de medida comprendida entre -20 y 60C. No se
dispone de ms informacin debido a que no se consigui establecer contacto
con 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 que
comprenden 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 el
fabricante Dexter, ya que dentro de sta se encuentra el ejemplo
anteriormente mencionado. No se dispone de una mayor informacin al no
ser posible el contacto con esta empresa.

GE Measurement & Control [GESR].
Empresa innovadora en los sistemas de medicin, inspeccin y control. Se
encuentra distribuida por todo el mundo y al igual que la mayora de las
empresas mencionadas posee termopilas en mdulo y simples.
Por ejemplo, la termopila ZTP-135SR con salida analgica tiene un intervalo
comprendido entre -40 y 120C de temperatura objeto, operando a una
temperatura ambiente entre -20 y 100C. Posee encapsulado TO-41 y un
campo de visin de 170. Mientras que el mdulo ZTP-188ML opera en el
mismo rango de temperaturas, y adems dispone de lente incorporada
ofreciendo un ngulo de abertura de 52. Este mdulo tiene la capacidad de
compensar la temperatura ambiente ofreciendo una salida digital con interfaz
I
2
C.
Del primer modelo ZTP-135SR con salida analgica se disponen de dos
ejemplares en el laboratorio, con los que se realizarn unas primeras pruebas
hasta la llegada de las termopilas adquiridas a HeimannSensor.

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

Realizada esta bsqueda se dispone de informacin ms que suficiente para
seleccionar cualquier tipo de termopila capaz de adaptarse a las caractersticas o
necesidades deseadas. A continuacin se muestra una tabla con las caractersticas ms
importantes de los proveedores y termopilas encontrados.
3.1 Clasificacin

21

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3.2 Conclusiones

22

3.2 Conclusiones
En 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 temperaturas
ambiente y de medida, tipo de salida, encapsulado y precisin.
Con ello se han ido seleccionando los distintos tipos de termopilas en funcin de
cada proveedor. Estos proveedores han sido archivados tras una bsqueda global a travs
de la web, estableciendo contacto con la mayora de ellos, de forma que nos
suministraron precios en funcin del nmero de unidades, plazos de entrega, informacin
adicional sobre caractersticas concretas, e incluso proposicin de termopilas alternativas
capaces de cumplir con nuestros requisitos para llevar a cabo el diseo de nuestro
termmetro infrarrojo.
Finalmente, se adquirieron los modelos HMSM21L3.0F5.5 y HDI L14 FL5.5 T100
de la casa HeimannSensor, usando el primer modelo para el diseo y desarrollo de
nuestro sensor, ya que proporciona los requisitos para satisfacer las necesidades del
sistema deseado. Por otro lado, se realiz un circuito de acondicionamiento y un pequeo
software de control, con la finalidad de comprobar el funcionamiento del segundo
modelo. Esto se muestra en el Anexo 2, no entrando en grandes detalles del mismo al no
formar parte de este proyecto.
Tambin se recibieron dos muestras de forma gratuita por parte de la compaa
Excelitas, los modelos TPD 1T 0226 L5.5 y TPM 1T 0136 L5.5 mencionados
anteriormente, no siendo usados hasta el momento debido a la tarda entrega por parte de
la empresa.
Con este captulo se ha conseguido una clasificacin de los diferentes tipos de
termopilas en funcin de cada proveedor, obteniendo el modelo a utilizar para nuestro
sistema.

Captulo 4
Diseo e implementacin de un
termmetro infrarrojo
Conocido el modelo de termopila a usar para nuestro dispositivo, nos disponemos a
desarrollar y calibrar todo el sistema que lleva incorporado. En este captulo se muestra el
diseo del circuito electrnico acondicionador de nuestro termmetro, todo el sistema
ptico asociado, as como el sistema de adquisicin de temperatura, con todo el software
de procesamiento que conlleva. Posterior a este diseo se realiza una calibracin de todo
el sistema utilizando como referencia un segundo sensor basado en el mismo principio de
funcionamiento.

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 temperatura
ambiente del dispositivo debe de situarse en un intervalo de -20 a 30C. La distancia
entre el dispositivo de medida y objeto debe de ser de al menos 1.5 metros, para un rea
eficaz mnimo del objeto de medida de 200x200mm
2
. Cabe destacar, que los objetos de
medicin empleados para este sensor poseen valores de emisividades muy altos, cercanos
a uno.

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

4.1 Termopila

24

4.1 Termopila
En 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 la
utilizacin 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 de
desarrollar el termmetro de infrarrojos con esta termopila.

Dados los requisitos de nuestro sistema nos decantamos finalmente por el modelo
HMSM21L3.0F5.5 del fabricante HeimannSensor [HETE]. Este modelo posee una lente
incorporada 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 focal
de 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 R
0
de 100k para una temperatura de referencia T
0
de 25C.
4.2 Circuito de adquisicin de temperatura
La 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 o
de termopila y el circuito de alimentacin de ambos, siendo la tensin proporcionada por
ste ltimo de 5V para todo el sistema.
4.2.1 Circuito termistor
El 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 dicha
temperatura. Para que el valor de tensin de salida no se vea afectado por el equipo de
medicin o la tarjeta de adquisicin de datos, se ha incorporado un buffer a la salida de
dicho divisor para subsanar este problema.

25

Figura 8. Circuito acondicionador del termistor.

La resistencia del termistor, R
th,
proporciona un valor que vara exponencialmente
con la temperatura, disminuyendo el valor de resistencia a medida que aumenta la
temperatura [7].

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

Dado el comportamiento no lineal del termistor, el objetivo es encontrar un valor de
R
3
para el divisor de tensin, que proporcione una linealidad ptima en el margen de
temperaturas de trabajo.

9

Teniendo 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 valor
de R
3
de 270k. Con este valor se consigue mxima linealidad, ya que coincide con el
valor de resistencia de termistor a temperatura media de nuestro rango de trabajo,
comprendida en torno a los 4C [7].

0
200
400
600
800
1000
1200
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Rth(k)
Rth(k)
T
ambiente
(C)


26

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 una
tensin de salida que disminuye a medida que aumenta la temperatura, proporcionando
una 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 del
termistor, R
th
, despejando de [9] el mismo, obteniendo la siguiente expresin:

1
10

Finalmente, para poder calcular la temperatura ambiente el fabricante nos
proporciona los parmetros del termistor. Un valor de 3940K para la constante , en un
rango de temperaturas comprendido entre 25 y 50C, y un valor de R
0
de 100k para una
temperatura de referencia de 25C. Con estos valores y el valor de la resistencia del
termistor proporcionado por la expresin anterior [10], podemos obtener la temperatura
ambiente a la que se encuentra nuestro dispositivo sustituyendo los mismos en [8].

ln
8

=3940K; R
0
= 100k @ 298.15K

4.2.2 Circuito termopila
La termopila se encuentra acondicionada por un circuito encargado de suministrar
una tensin de salida proporcional a la temperatura del objeto, sin ser compensada con la
temperatura ambiente. Este circuito se muestra en la figura 11.
La termopila suministra una tensin entre terminales proporcional a la temperatura
del objeto, por lo que en el terminal negativo se ha establecido una tensin de referencia
de 2V, V
Ref
, a travs de un divisor de tensin. Sobre esta tensin de referencia se
superpone la tensin suministrada por el terminal positivo, el cual ha sido llevado a un
amplificador 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 termopila
es del orden de milivoltios. Se ha escogido un amplificador operacional de bajo ruido de
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-40 -20 0 20 40
Rth/(R3+Rth)
Rth/(R3+Rth)
T
ambiente
(C)


27

altas prestaciones, modelo AD8628 [AD86] del fabricante Analog Device, indicado para
este tipo de operaciones. La eleccin de este modelo se debe a que ofrece muy baja deriva
de offset, presentando un valor mximo de 0.02 V C . De esta manera se alcanza un
valor mximo para nuestro circuito de 1V, correspondiente para una diferencia de
temperatura de 50C, comprendida en nuestro intervalo de operacin situado entre -20 y
30C.
La resistencia R
5
y el condensador C
6
limitan el ancho de banda del circuito, dando
lugar a un ancho de banda equivalente de ruido aproximadamente de 2Hz, predominando
de esta forma el ruido de baja frecuencia que segn las hojas de caractersticas del
operacional es de 0.5Vp-p de 0.1 a 10Hz. A partir de este dato, se pueden despreciar el
resto de las componentes de ruido, tanto del operacional como de la termopila, al estar
situadas tres rdenes de magnitud por debajo de este valor para un ancho de banda de
2Hz. 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 seal
de la termopila es del orden de milivoltios. Sin embargo, hay que tener en cuenta el offset
presentado 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 nuestro
operacional.
Adems, con el fin de eliminar toda interferencia o ruido posible de la tensin de
alimentacin, 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 offset
proporcionado por el operacional.

11

Donde V
tp
se corresponde con la diferencia de tensin presentada entre terminales de
la termopila antes de ser amplificada, V
Ref
recibe el valor de 2V proporcionado por el
divisor de tensin y V
offset
con la tensin de offset proporcionada por el amplificador,
despreciando la deriva del mismo debido a su reducido valor.


28

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

1001
12

Si 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 en
cuenta que 0K se corresponde con 273.15C.

1001
273.15 13

El valor de la contante K o sensibilidad del dispositivo se sita entre un margen de
1x10
-13
y 2x10
-13
V/K
4
. Este valor se determina a partir de la tensin proporcionada por
la termopila para una temperatura del objeto de medida conocida, por lo que se precisa la
ayuda de un segundo sensor que nos proporcione este valor real de temperatura. Esta
operacin de calibracin del dispositivo se muestra ms adelante.

4.2.3 Circuito de alimentacin
La 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, modelo
LP2980IM5-5 [DCLP], capaz de cumplir con nuestras especificaciones. ste proporciona
una corriente mxima de 50mA, y una tensin de salida de 5V para una diferencia de
tensin mnima entre entrada y salida de 60mV, cuya tensin mxima de entrada es de
16V. Para su configuracin, slo se requiere a la salida un condensador de 3.3F de
Tntalo.

Figura 12. Circuito de alimentacin.

4.3 Diseo de placa PCB

29

En 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 seales
necesarias. Tambin habr que estudiar la fijacin de algunos componentes para que su
instalacin sea de tipo plug and play, ya que esto permitir una mayor flexibilidad del
sensor.
La disposicin de la termopila en nuestro sistema es de vital importancia, dado a que
sta 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, se
debe de tener en cuenta la incorporacin de una lente al sistema de manera que sta quede
centrada y paralela al rea de visin mencionada. La descripcin y motivo de esta lente
ser 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 de
dimetro y una longitud de 54.6mm, el cual posee un roscado interior permitiendo la
fijacin 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 y
finalmente 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 el
diseo de la placa, ajustndose a las caractersticas del mismo. Por ello, la placa debe de
tener seccin circular de 25.4mm de dimetro para poder adaptarse al interior del tubo.
Dadas sus reducidas dimensiones, todos los componentes electrnicos que forman el
circuito se han elegido de montaje superficial.
El diseo del circuito impreso de la placa, PCB (Printed Circuit Board), se ha
realizado 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 huella
especfica con la herramienta Library Manager.
Los archivos pertenecientes al diseo de la placa se adjuntan en el Anexo 1. En estos
archivos se podr observar detalladamente la disposicin de la termopila y componentes
electrnicos en la placa. A continuacin puede observarse el aspecto final de la placa
diseada en la siguiente figura.


30

Figura 14. Placa PCB del sensor.

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

4.4 Calibracin del sistema

31

Diseado 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 mayor
alcance de visin para una misma rea. Para ello, es necesario disponer de un sensor de
referencia capaz de proporcionarnos la temperatura ambiente a la que se encuentra el
sistema y la temperatura del objeto de medida, con el fin de verificar mediciones y
obtener la sensibilidad exacta del dispositivo. Adems, para ajustar el termistor o someter
al material de medicin a ciertas temperaturas ser preciso el uso de una cmara climtica
con temperatura programable. A continuacin se detallan los elementos esenciales para
llevar a cabo la calibracin de nuestro sistema.
4.4.1 Equipos auxiliares empleados
4.4.1.1 Sensor 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 unas
dimensiones de: M12 x 87mm de longitud y carcasa de acero inoxidable. Su rango de
temperatura 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 temperatura
mxima de 80C sin refrigeracin adicional. Adems posee un error de temperatura de
medicin de 1.5%, para una temperatura ambiente de 235C, con una repetitividad de
0.75, 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 todo
momento. Mediante un interfaz USB y con un software de control, proporcionado con el
sensor, se realiza toda la recopilacin y procesamiento de datos. Adems nos va a
permitir realizar medidas a una distancia relativamente grande, ya que dispone de una
resolucin ptica D:S de 15:1.

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

32

4.4.1.2 Cmara climtica
Para 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 fabricante
DYCOMETAL [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 una
homogeneidad de la temperatura de 1C/min en refrigeracin y de 2C/min en
calefaccin. Posee unas dimensiones interiores de 600mm de ancho, por otros 600 mm de
alto y con 500mm de profundidad, incorporando dos rejillas para la sujecin de
elementos, 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 controlador
multibucle EUROTHERM 2604 [EUR], el cual posee dos bucles de control que se han
dedicado para el control de la temperatura y de humedad relativa respectivamente. ste se
programa con la utilizacin de segmentos que establecen unos valores de temperatura y
humedad durante un tiempo prefijado, permitiendo almacenar hasta 50 programas con un
mximo de 500 segmentos.
Existen tres tipos de segmentos, el tipo Profile correspondiente a un segmento bsico
u ordinario, el tipo End Segment con el que se finaliza el programa y por ltimo el
segmento Go Back, que permite saltar, dentro del mismo programa, a otros segmentos un
nmero de veces requerido por el usuario.
En nuestro caso, se han realizado dos sencillos programas para la calibracin de los
circuitos acondicionadores de termistor y termopila. El primero ha sido programado para
realizar un barrido de temperaturas de -25 a 35C, con el fin de someter al termistor al
intervalo de temperaturas de trabajo y evaluar sus resultados. En la tabla siguiente se
detalla el programa.

N Segmento Tipo Segmento Punto Consigna Duracin (min.)
1 Profile -25/15%HR 70
2 Profile -25/15%HR 2
3 Profile 35/15%HR 110
4 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 tiempo
suficiente para garantizar que el material se encuentre a la misma. Posteriormente, el

33

material era retirado de la cmara climtica situndolo a temperatura ambiente en un
soporte frente a los sensores de medicin hasta el alcance de la misma, con el fin de
obtener la temperatura del mismo a lo largo de nuestro intervalo de trabajo, ya que tanto
el material de medida como la totalidad del sistema se encontraban a temperatura
ambiente. 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 ambiente
situada en torno a los 25C, cubriendo nuestro rango de trabajo.
4.4.1.3 Fuente de radiacin infrarroja
Para 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 aproximado
de 240x200mm
2
. La emisividad de este material se corresponde con un valor de 0.967
[OPT], valor verificado con diferentes medidas realizadas con el sensor de referencia
mencionado anteriormente.

Figura 18. Muestra de asfalto de carretera.
Este material se va a emplear en todo momento para la calibracin del nuestro sensor
y la realizacin de las respectivas medidas que verifiquen su funcionamiento.

4.4.1.4 Sistema de adquisicin de datos
Todo sistema sensorial ha de disponer de un sistema de adquisicin de datos para
poder analizar posteriormente los mismos. Nuestro sensor realizar esta tarea mediante
una tarjeta destinada a este fin, tarjeta de adquisicin de datos miniLAB 1008 y un
software 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 temperaturas
proporcionadas por el sistema, ya que est formada por ocho entradas analgicas de
1.2kS/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.


34

Figura 19.Tarjeta de adquisicin de datos miniLAB 1008.

sta ser conectada directamente al ordenador mediante el puerto USB, usando los
dos primeros canales, para la recogida de la tensin proporcionada por el circuito
acondicionador de la termopila y la tensin correspondiente al termistor, estando
configurados 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 termopila
y termistor en un fichero.
LabVIEW se trata de una excelente herramienta grfica para sistemas de medida, test
y control, creada por National [NAIN], basado en una programacin grfica o
lenguaje G. Todo se desarrolla en un entorno grfico, permitindonos una gran
facilidad de programacin. Adems, LabVIEW permite combinarse con todo tipo de
software y hardware, entre ellos la tarjeta de adquisicin de datos miniLab 1008
empleada.
Como mencionamos anteriormente, la tensin de salida proporcional a la temperatura
del objeto y a la temperatura ambiente son los datos fundamentales del sistema. stos
se almacenarn en un archivo cada cierto tiempo que depender del tiempo de
muestreo impuesto, siendo ste de un segundo.

4.4.2 Ajuste de termistor
Los parmetros de referencia suministrados por el fabricante para el clculo de
temperatura ambiente mediante el termistor se corresponden con un valor de resistencia
R
0
de 100k para una temperatura T
0
de 25C, y un valor de constante de temperatura del
material del mismo de 3940K, para un intervalo de temperaturas comprendido entre 25
y 50C.
Dado que estos valores suministrados por el fabricante son proporcionados para una
temperatura ambiente de 25C, y stos pueden variar ligeramente segn la temperatura de
servicio, 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 termistor
para una temperatura media de nuestro intervalo de trabajo. Se ha escogido 1.5C como
temperatura media, obteniendo un valor de 300k para R
0
, tras someter al sistema a
dicha temperatura en el interior de la cmara climtica, durante 60 minutos
aproximadamente.


35

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

ln
14

Donde la temperatura ambiente se obtiene por medio del sensor de referencia CS LT,
los valores de R
0
y T
0
han sido calculados anteriormente, y el valor de R
th
se obtiene
mediante la expresin [10], a partir de la tensin proporcionada por el circuito
acondicionador 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 intervalo
de trabajo, obteniendo los siguientes resultados.

T
amb.
CS LT

(C) V
termistor
(V) R
th
(k)
-20 3,93 992,47
-15 3,72 786,61
-10 3,45 601,26
-5 3,13 450,63
0 2,80 344,40
5 2,44 257,97
10 2,14 202,08
15 1,85 158,87
20 1,58 124,78
25 1,35 100,12
30 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 la
expresin obtenida anteriormente [14] y los valores de referencia calculados, tomando R
0
un valor de 300k para una temperatura de 1.5C.
Se calcula diferentes valores de para un rango de temperaturas comprendido en el
punto medio del intervalo de operacin, es decir, entre 0 y 10C. Finalmente, tras la
realizacin de un promediado de estos valores obtenemos un valor de de 3738K.

(K) R
0
(k) T
0
(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 ambiente
a partir de la resistencia del termistor y la expresin [8], con la finalidad de observar el
error o las diferencias de usar unos parmetros u otros con respecto al sensor de
referencia, y seleccionar para nuestro dispositivo aquellos que sean ms adecuados.


36

= 3940K
R
0
= 100k @ 25C
= 3738K
R
0
= 300k @ 1.5C
T
amb.
CS LT

(C) V
termistor
(V) R
th
(k) T
Termistor
(C) T
Termistor
(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 -6,47
0 2,80 344,40 -0,51 -1,26
5 2,44 257,97 5,05 4,58
10 2,14 202,08 9,93 9,71
15 1,85 158,87 14,91 14,96
20 1,58 124,78 20,09 20,42
25 1,35 100,12 24,97 25,59
30 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 parmetros
suministrados por el fabricante, ya que stos difieren menos con respecto al sensor de
referencia, encontrndose una diferencia mxima de 0.8C para una temperatura mnima
de -20C, mientras que con los parmetros calculados esta diferencia asciende a un valor
de 1.8C para bajas temperaturas.
Analizando estos datos, obtenemos que el termistor muestra una precisin mnima de
0.8C para una temperatura lmite de -20C. Este valor es demasiado elevado debido a
que nos encontramos en el lmite de funcionamiento de la termopila, ya que a medida que
aumenta la temperatura disminuye este valor alcanzando una precisin mxima 0.03C.
Llegado a este punto, podemos obtener la temperatura ambiente a la que se encuentra
nuestro 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 los
parmetros proporcionados por el fabricante, siendo R
0
de 100k para una temperatura
T
0
de 25C y un valor de de 3940K.
4.4.3 Calibracin ptica
La 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% restante
despreciable.

Figura 20. Campo de visin de la termopila.
Grados
S
a
l
i
d
a

N
o
r
m
a
l
i
z
a
d
a


37

Dado que uno de nuestros objetivos reside en que la distancia de medicin debe de
ser mxima, ser necesario agregar al sistema una lente adicional a la incorporada en la
termopila. Este tipo de lente necesariamente debe de ser convexa, para permitir
concentrar toda la radiacin perpendicular a la lente en un mismo punto, punto focal, de
forma 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 gran
apertura de visin con una reducida distancia focal, adems de presentar un bajo coste y
peso. 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 la
distancia focal es muy reducida, por lo que finalmente se ha optado por el uso de una
lente 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 cuya
regin de trabajo se sita entre 8 y 12 m, satisfaciendo nuestras necesidades. Esta lente
tiene un dimetro y una distancia focal de 25.4mm.
Para ajustar la lente a nuestro dispositivo debemos calcular la distancia D para la cual
se consigue adaptar la abertura de visin de la termopila a la lente, permitiendo la
captacin 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 calcular
la distancia D a la cual hay que situar la lente mediante unos sencillos clculos.

sin17
25.4
2
43.43

cos 17
41.54

D
/2
17
Distancia Focal

Punto Focal

h


38

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

Esta distancia D de 41.54mm debe ser ajustada de forma precisa, con un margen de
error mnimo, ya que de no ser as parte del rea de visin de la termopila quedara fuera
de la lente captando un cierto porcentaje de radiacin procedente del soporte mecnico.
Dado que el soporte mecnico de nuestro dispositivo se trata de un elemento
metlico cilndrico de 25.4mm de dimetro y con roscado interior, la lente se ajusta
adecuadamente por medio de dos arandelas roscadas del mismo dimetro, con sus
respectivas 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 de
10:1. Esto quiere decir que si el dispositivo se encuentra a una distancia de 100mm del
objeto 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 a
una base o plataforma, enfocado perpendicularmente a la misma. El spot o rea de visin
del sensor ha sido determinada al pasar un objeto sometido a una elevada temperatura
sobre una superficie base. Al existir una gran diferencia de temperatura entre objeto y
base, 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 diferencia
de 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.
Distancia (100mm)
Spot
(= 10mm)
V
termopila
34
41.54 mm
2
5
.
4

m
m

Termopila


39

dimetro de esta rea y la distancia de medida obtenemos el valor de la resolucin ptica
de nuestro sensor, 1:10.
4.4.4 Ajuste de termopila
El 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 requiere
que todo el sistema se encuentre en equilibrio trmico, de forma que la tensin
proporcionada por la termopila sea 0V, debido a que la temperatura del objeto de medida
captada por la termopila coincide con la temperatura ambiente a la que se encuentra el
dispositivo en ese instante [5].
Para ello, se introduce tanto el sistema como el objeto de medida en el interior de la
cmara climtica, programndose una temperatura constante durante un largo periodo de
tiempo, de forma que tanto el sistema como el objeto de medida se encuentren a la misma
temperatura.
Esta medida se desarrolla a una temperatura constante de 2.8C, obteniendo un valor
de 2.0356V a la salida del circuito acondicionador de la termopila, con una desviacin de
41mV. Si consideramos una tensin de referencia de 2V precisos en el terminal
negativo de la termopila [11], obtenemos un offset en el circuito de 35.6mV. Esta tensin
de referencia no es exacta, debido a la tolerancia de las resistencias, por lo que una parte
de este offset se debe la incertidumbre del valor referencia de 2V, considerando el
restante al proporcionado por el amplificador operacional.
Para la realizacin de las diferentes medidas, siempre se debe de tener en cuenta este
valor de offset en la tensin de salida del circuito acondicionador de la termopila [12]. De
esta forma obtenemos el verdadero valor de tensin suministrado en terminales de la
termopila.
Finalmente, para terminar la calibracin del sistema nos queda por determinar el
valor de la constante K, o sensibilidad del dispositivo. Despejando el valor de esta
constante de [6] se obtiene la expresin mostrada a continuacin.

15

Para 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 mismo
tiempo que se almacenan los diferentes valores de tensin de la termopila en funcin de
dicha temperatura. De esta forma obtenemos los valores que se muestran a continuacin
para una temperatura ambiente constante de 25.5C, registrada por el termistor y sensor
de referencia CS LT.


40

T
obj
CS LT

(C) V
tp
(mV)

K(V/K
4
)
-20 -0.564 1,55 x10
-13

-15 -0.525 1,58 x10
-13

-10 -0.467 1,56 x10
-13

-5 -0.418 1,59 x10
-13

0 -0.359 1,60 x10
-13

5 -0.291 1,59 x10
-13

10 -0.223 1,58 x10
-13

15 -0.154 1,61 x10
-13

20 -0.076 1,59 x10
-13

Tabla 7. V
tp
en funcin de la temperatura del objeto.

Para cada temperatura se obtiene su valor correspondiente de constante K a partir de
la expresin anterior [15], obteniendo una serie de valores que varan entre 1,55x10
-13
y
1,61x10
-13
V/K
4
, escogiendo como valor de constante K o sensibilidad del dispositivo un
valor medio de dicho intervalo, 1,57x10
-13
V/K
4
. Si calculamos la temperatura del objeto
para las diferentes constantes, obtenemos el mayor ajuste de temperatura con este valor,
correspondindose con uno de los valores medios de este intervalo.

K(V/K
4
) 1,55x10
-13
1,56x10
-13
1,57x10
-13
1,58x10
-13
1,59x10
-13

T
Obj.
CS LT (C) V
tp
(mV) T
obj
(C) T
obj
(C) T
obj
(C) T
obj
(C) T
obj
(C)
-20 -0,564 -19,65 -19,27 -18,90 -18,54 -18,18
-15 -0,525 -15,67 -15,34 -15,01 -14,69 -14,37
-10 -0,467 -10,25 -9,97 -9,70 -9,43 -9,16
-5 -0,418 -5,54 -5,31 -5,07 -4,84 -4,62
0 -0,359 -0,55 -0,35 -0,16 0,02 0,21
5 -0,291 5,01 5,16 5,30 5,45 5,59
10 -0,223 10,30 10,40 10,51 10,61 10,71
15 -0,154 15,22 15,29 15,36 15,43 15,49
20 -0,076 20,60 20,63 20,66 20,70 20,73
Tabla 8. T
Obj.
en funcin de la sensibilidad K para T
Amb.
constante de 25.5C.

Con este valor de sensibilidad se obtiene una incertidumbre mxima de 0.75C para
una temperatura de -20C, disminuyendo sta hasta un valor de 0.03C para una
temperatura mxima de 20C.
Si analizamos los valores obtenidos con respecto al sensor tomado como referencia,
nos encontramos con una precisin mnima de 1.1C para una temperatura de -20C, con
temperatura ambiente constante de 25.5C. Este valor de precisin aumenta
significativamente a medida que disminuye la diferencia comprendida entre la
temperatura del objeto y ambiente.

Por otro lado, ha sido analizada la repetitividad del sistema, sometiendo al mismo a
varias mediciones sobre el mismo material, manteniendo siempre las mismas condiciones
de trabajo, es decir, se ha obtenido el error que presenta el dispositivo al realizar una serie
de medidas en diferentes intervalos de tiempo, para un mismo material, manteniendo la
distancia de medicin, temperatura del objeto y temperatura ambiente, siendo de 0.5C.

Con el clculo de esta constante o sensibilidad del dispositivo se disponen de todos
los datos necesarios para el clculo de la temperatura del material de medicin.

4.5 Conclusiones

41

4.5 Conclusiones
Este captulo ha sido fundamental para la consecucin del proyecto, ya que aqu se
han ido desarrollando todas las caractersticas que debe aunar nuestro sensor, verificando
cada una de ellas con respecto al sensor utilizado como referencia.
A continuacin se detallan las caractersticas del sensor de temperatura remoto
diseado, al que denominaremos a partir de este momento Sensor de Temperatura-IR.

Figura 25.Sensor de Temperatura-IR.

Especificaciones generales:
Rango de temperatura del objeto: -20 a 20C.
Rango de temperatura ambiente: -20 a 30C.
Peso: 35 gramos.
Dimensiones: 30.5mm de dimetro y 54.6mm de longitud.

Especificaciones elctricas:
Alimentacin comprendida entre 5.3 y 16V DC.
Consumo de corriente medio de 3.3mA.
Salida analgica:
V
termopila
: 1 a 3V (-20 a 20C).
V
termistor
: 4 a 1V (-20 a 30C).

Especificaciones de medicin:
Intervalo de temperatura de medicin: -20 a 20C.
Relacin ptica D:S de 10:1.
Rango espectral: 8 a 12m.
Resolucin: 0.3C.
Tiempo de respuesta: 0.2 segundos.
Precisin mnima de temperatura ambiente: 0.8C a -20C.
Precisin mnima de temperatura del objeto: 1.1C a -20C, con temperatura
ambiente de 205C.
Repetitividad: 0.5C.

4.5 Conclusiones

42

Mediante las expresiones [8] y [10] obtenemos la temperatura ambiente a la cual se
encuentra el sistema en C.
ln
270 10
273.15 16

Donde V
termistor
es la tensin proporcionada por el circuito acondicionador del
termistor, por medio del cable de color amarillo del sistema, variando entre 4 y 1V para
un intervalo de temperaturas entre -20 y 30C respectivamente. La constante posee un
valor de 3940K y R
0
tiene un valor de 100k para una temperatura T
0
de 25C
(298.15K).

La temperatura del objeto se obtiene mediante la siguiente expresin, obtenida a
partir de [14], teniendo en cuenta la tensin de offset de 35.6mV presentado por el
circuito de acondicionamiento de la termopila.

2.0356
1001 1.57x10
273.15 17

Siendo V
termopila
la tensin suministrada por el conductor de color blanco del sistema,
proporcional a la temperatura del objeto, cuyos valores de tensin varan entre 1 y 3V
para un rango de temperaturas entre -20 y 20C respectivamente. El parmetro se
corresponde con la emisividad del material de medida, variando entre 0.1 y 1.

Por lo tanto, podemos destacar que este captulo de diseo del sensor de temperatura
remoto ha sido resuelto de una manera satisfactoria que redundar en los resultados
obtenidos y recogidos en el captulo 5.

.
Captulo 5
Medidas de funcionamiento
Desarrollado y calibrado nuestro sensor de temperatura remoto, nos disponemos a
verificar su funcionamiento con respecto al sensor de referencia CS LT, mediante la
evolucin de la temperatura de tres fuentes de radiacin diferentes, dentro de nuestro
rango de temperaturas de trabajo, comprendido entre -20 y 20C.
En este captulo se muestra el procedimiento que se ha seguido y los resultados
obtenidos tras la calibracin del sensor de Temperatura-IR diseado, as como la
verificacin de su correcto funcionamiento. Para ello, se antoja necesaria la creacin de
un software de control a travs del programa LabVIEW, que nos permita calcular,
almacenar y visualizar a travs de pantalla la temperatura del objeto de medicin en
todo momento, as como la temperatura ambiente. Adems, este software permite al
usuario modificar el tiempo de muestreo y emisividad de material.
Todas las pruebas se realizaron en el laboratorio del Grupo de Optoelectrnica y
Tecnologa Laser de UC3M, con sus respectivos equipos de medicin mencionados en
el primer captulo.
5.1 Software de control

44

Acabado el diseo del sensor, nos dispondremos a desarrollar un programa realizado
en LabVIEW que nos permita procesar la tensin suministrada por la termopila y
termistor, traduciendo estos valores a temperatura.
El programa est formado por dos partes bien diferenciadas, el Panel Frontal y el
Diagrama de Bloques. El Panel Frontal es el interfaz con el usuario, permitiendo a ste la
visualizacin de los datos durante su ejecucin. Por otro lado, el Diagrama de Bloques es
el propio programa, es decir, en l se encuentran los iconos o bloques con distintas
funcionalidades que interconectados entre ellos forman el propio programa en s.

Figura 26.Panel frontal del programa de control.

El Panel Frontal posee dos indicadores, uno de ellos estar destinado a la
visualizacin de la temperatura del objeto y un segundo muestra la temperatura ambiente
a la que se encuentra el dispositivo. Adems este panel permite al usuario cambiar la
emisividad del material, as como pausar el programa, cambiar el tiempo de muestreo de
los datos y modificar el fichero de salida de los mismos, durante la ejecucin del
programa.


45

Figura 27.Diagrama de bloques del programa de control con uso de frmulas.

En el Diagrama de Bloques se muestra la programacin en s. Todos los iconos o
bloques se encuentran dentro de un bucle que recorre segn el tiempo de muestreo
programado por el usuario. Los iconos Ain tienen como funcin leer los valores de
entrada de la tarjeta de adquisicin, configurados mediante los valores numricos que se
encuentran a su izquierda, indicando el nmero de tarjeta usada, canal de la misma y el
rango de la tensin de entrada. Seguido a este icono nos encontramos el bloque ToEng,
encargado de transformar el valor ledo de tensin para procesarlo y poder calcular la
temperatura a travs del bloque Frmula, utilizando la expresin [17] para el clculo de
la temperatura del objeto, y la expresion [16] para temperatura ambiente. Finalmente,
estos datos de temperatura son almacenados, por medio de To Measurement File, en un
directorio.
Debido al alto coste computacional que requiere el clculo de los valores a travs de
las ecuaciones, se dise un segundo programa con el uso de lookup tables.
Los valores de resistencia del termistor en funcin de la temperatura ambiente y los
valores de tensiones de la termopila en funcin de la temperatura del objeto son
almacenados en lookup tables. Con ello se consigue ahorrar tiempo de procesamiento, ya
que sacar un valor de memoria es mucho ms rpido que hacer una gran computacin.

T
ambiente
(C) R
th
(k) T
objeto
(C) @ 0C V
tp
(mV)
-20 921.2 -20 -0,2174
-15 690 -15 -0,1676
-10 524.48 -10 -0,1149
-5 404.34 -5 -0,0591
0 308.41 0 0
5 244.86 5 0,0624
10 189.27 10 0,1283
15 145.13 15 0,1978
20 111.87 20 0,2708
25 100.62
30 80.65
Tabla 9. Lookup tables

de termistor y termopila.

46

Dado que los valores de ambas tablas se encuentran en intervalos de 5C, ser
necesario interpolar para la obtencin de valores intermedios. Adems, cabe destacar que
los valores de tensin de la termopila, V
tp
, son calculados para una temperatura ambiente
constante de 0C en el dispositivo.
Para el clculo de la temperatura ambiente a la que se encuentra el dispositivo, se
adquiere el valor de tensin proporcionado por el circuito acondicionador del termistor,
V
termistor
, obteniendo el correspondiente valor de resistencia, R
th
, mediante la expresin
[10]. A partir de este valor de resistencia se obtiene el respectivo valor de temperatura
ambiente por medio de la lookup table.
Por otro lado, se adquiere la tensin proporcionada por el circuito acondicionador de
la termopila, V
termopila,
y a partir de [13] se obtiene la tensin en la termopila, V
tp
,
obteniendo su respectivo valor de temperatura del objeto a travs de la tabla. A este valor
se le suma la temperatura ambiente obtenida anteriormente, quedando compensada la
temperatura del objeto.

18

Esta operacin se debe a que la curva de valores de tensin de la termopila se
desplaza en funcin de la temperatura ambiente, cortando en el eje de abscisas cuando el
valor de temperatura del objeto coincide con el de ambiente del dispositivo [5].

Figura 28.Variacin de V
tp
en funcin de T
objeto
.

El Panel Frontal de este nuevo programa no ha sido modificado, permitiendo al
usuario las mismas operaciones mencionadas anteriormente. Mientras que al Diagrama de
Bloques se le ha incorporado ambas lookup tables y un bloque de interpolacin

polinmica para los datos de cada tabla.

-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-30 -20 -10 0 10 20 30
Vtp(T amb.=-10C)
Vtp(T amb.=0C)
Vtp(T amb.=10C)
V
tp
(mV)
T
obj
(C)

5.2 Descripcin del procedimiento seguido en los experimentos

47

Figura 29.Diagrama de bloques del programa de control con uso de lookup tables.

Esta figura muestra el Diagrama de Bloques del programa de control con el uso de
dos lookup tables, para termistor y termopila. Los datos son almacenados en tablas por
medio de los bloques de la izquierda, de forma que stos son interpolados cuando entran
en el bucle obteniendo el valor correspondiente de resistencia o tensin en la termopila.
Finalmente, se cogen sus respectivos valores de temperatura, como se ha explicado
anteriormente, para mostrarlos y almacenarlos en un fichero.

5.2 Descripcin del procedimiento seguido en
los experimentos
Para llevar a cabo las medidas, fue situado el sensor de Temperatura-IR a la misma
altura que el sensor de referencia CS LT por medio de un soporte mecnico, distanciados
ambos por 10mm, con la finalidad de que ambos se encuentren en las mismas
condiciones de servicio.
El objeto de medicin era sometido a una temperatura de -25C en la cmara
climtica durante un tiempo aproximado de 150 minutos, tiempo ms que suficiente para
que el objeto de medida se encuentre a dicha temperatura. Posteriormente, el material era
expuesto ante los sensores hasta alcanzar la temperatura ambiente a la que se encuentran
los mismos. El material de medicin era situado a una distancia de medida fija durante la
toma de datos de temperatura.
5.2 Descripcin del procedimiento seguido en los experimentos

48

Figura 30.Disposicin de los elementos durante el desarrollo las medidas.

Ambos sensores permanecan a temperatura ambiente constante, de forma que la
distancia de separacin del objeto debera ser lo suficientemente grande como para que
los sensores encargados de recoger la temperatura ambiente no se vieran afectados por la
baja temperatura del material durante la ejecucin de las medidas, permaneciendo la
totalidad del sistema inmvil en todo momento.
Las salidas del circuito, temperatura del objeto y temperatura ambiente, se
conectaron a diferentes canales analgicos de la tarjeta de adquisicin de datos.
Para monitorizar los datos se lanzaba el programa de control realizado en LabVIEW,
en el cual el tiempo de muestreo fue programado cada segundo, de forma que se dispone
de un gran nmero de datos para comprobar el funcionamiento del sensor.

Sensor de
referencia
CS LT
Muestra de asfalto
de carretera
Sensor de
Temperatura-IR
Distancia de
medida
5.3 Verificacin del sistema

49

En este apartado se muestran los datos de temperatura del objeto de medida
recogidos por cada sensor, Temperatura-IR y CS LT, permaneciendo todo el sistema
inmvil, salvo la distancia de medida a la cual se encuentra el objeto y la temperatura
ambiente que variarn para cada tipo de medida, permaneciendo sta ultima constante
durante el desarrollo de la misma. El tiempo de muestreo fue fijado a un segundo, por lo
que se adquirieron una gran cantidad de datos.
Las medidas han sido realizadas utilizando tres fuentes de radiacin de materiales
diferentes: madera, aluminio y asfalto. Para cada medida realizada se ha seguido el
mismo procedimiento anteriormente explicado, es decir, la exposicin del material de
medicin ante ambos sensores cuando ste se encuentra a una temperatura de -25C,
almacenando los datos de temperatura durante el aumento de la misma hasta alcanzar la
temperatura ambiente a la que se encuentra el sistema. Para cada material se han
realizado tres mediciones diferentes en las que vara ligeramente la temperatura ambiente
y la distancia de medida entre 0.5, 1 y 1.7 metros, por lo que el rea de visin mxima del
dispositivo, para sta ltima distancia de medida, se corresponde con una seccin
circular de 170mm de dimetro.

Figura 31.Fuentes de radiacin empleadas: asfalto, aluminio y madera.

A continuacin se detallan los datos de temperatura recogidos por cada sensor en
funcin del tipo de material y la distancia de medida. En estos datos se ha representado la
temperatura ambiente recogida por el termistor, ya que para todas las mediciones sta
slo difiere 0.3C con respecto a la medida por el sensor de referencia CS LT.

Asfalto
En estas medidas se ha tomado como objeto de medida la muestra de asfalto
empleada anteriormente para la calibracin del sensor, la cual posee un rea eficaz de
240x200mm
2
, con 0.967 de emisividad.


50

Figura 32.Temperatura-IR vs CS LT para asfalto.

La evolucin de la temperatura del objeto durante el rango de trabajo para ambos
sensores es prcticamente coincidente, con una desviacin media entre ambos de 0.6C.
De la gran cantidad de datos de temperatura almacenados se han extrado en
intervalos de 10C con el fin de poder ser analizados detalladamente. Debido a que el
material permanece sometido a cada temperatura un tiempo superior al de muestreo (1
segundo), se han extrado varios valores de temperatura, tomando como referencia el
sensor CS LT. Tras realizar un promediado con los mismos obtenemos el valor final de la
temperatura del objeto recogida por el sensor diseado, junto con su desviacin. Esta
desviacin es calculada con respecto al dicho valor promediado, alcanzando un valor
mximo de 0.35C y un mnimo de 0.02C, para cualquier valor de temperatura,
distancia y material.
A continuacin se muestran los datos de temperatura extrados para diferentes
distancias de medida, usando como material de medicin el asfalto.

Distancia (m) 0.5 1 1.7
T
Amb.
(C) 27.70 24.26 26.55
T
Obj.
CS LT (C) T
Obj.
Temp.-IR (C) T
Obj.
Temp.-IR (C) T
Obj.
Temp.-IR (C)
-20 -20.03 -20.29 -19.46
-10 -10.28 -9.62 -9.87
0 0.32 0.10 0.44
10 9.96 10.10 10.45
20 20.05 20.05 19.82
Tabla 10.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para asfalto.
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0 5000 10000 15000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
(
C
)
Tiempo (Seg.)
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 10000 20000 30000 40000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
(
C
)
Tiempo (Seg.)
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 5000 10000 15000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
0.5 metros 1 metro
1.7 metros
T Ambiente (C)
Tobj CS LT (C)
Tobj Temperatura-IR(C)

51

La diferencia mxima de temperatura existente entre ambos sensores es de 0.38C,
para una temperatura de -10C y una distancia de medida de 1 metro. Esta diferencia es
mxima a bajas temperaturas, tendiendo a disminuir a medida que aumenta la
temperatura alcanzando un valor mnimo de 0.05C, para una temperatura de 20C a 1 y
0.5 metros de distancia de medida.

Aluminio
Para las siguientes mediciones se ha empleado una chapa metlica de aluminio,
pintada en negro mate, tomndose como valor de emisividad 0.97 [OPT], correspondiente
a dicha pintura, siendo su rea de 270x320mm2.

Figura 33.Temperatura-IR vs CS LT para aluminio.

Utilizando el aluminio como fuente de radiacin infrarroja nos encontramos con una
evolucin similar para ambos sensores, presentando a una distancia de 0.5 metros cierta
irregularidad en el intervalo de 15 a 24C. sta es debida a la no perfecta coincidencia o
alineacin del rea de visin de ambos sensores sobre la superficie de medida,
obtenindose una pequea desigualdad o desviacin entre ambos de 0.7C, al no
presentar el material un comportamiento homogneo sobre el calentamiento de su
superficie.

-30
-20
-10
0
10
20
30
0 2000 4000 6000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 2000 4000 6000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 2000 4000 6000 8000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
0.5 metros 1 metro
1.7 metros
T Ambiente (C)
Tobj CS LT (C)

52

T
Amb.
(C) 25.4 24.61 24.46
T
Obj.
CS LT (C) T
Obj.
Temp.-IR (C) T
Obj.
Temp.-IR (C) T
Obj.
Temp.-IR (C)
-20 -20.25 -19.32 -19.24
-10 -10.06 -9.6 -10.39
0 -0.35 0.32 -0.25
10 9.57 10.03 9.9
20 19.35 19.94 20.6
Tabla 11.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para aluminio.

La desviacin mxima de temperatura generada entre ambos sensores, tomando
como material el aluminio, se produce a -20C de temperatura para una distancia mxima
de 1.7 metros, con un valor de 0.76C, encontrndose por debajo de la precisin mnima
de 1.1C deducida en la calibracin del sensor.
El resto de medidas presentan una precisin superior a 0.76C, aumentando
progresivamente a medida que aumenta la temperatura.

Madera

Las ltimas medidas se han realizado con una pieza de madera, tambin pintada en
color negro mate, por lo que consideramos la misma emisividad que para el aluminio, es
decir, una emisividad de 0.7. Su rea es superior a las utilizadas anteriormente, con un
valor de 600x500mm
2
.

T Ambiente (C)
Tobj CS LT (C)

Figura 34.Temperatura-IR vs CS LT para madera.
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 5000 10000 15000 20000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 5000 10000 15000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 5000 10000 15000
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

(
C
)
Tiempo (Seg.)
0.5 metros 1 metro
1.7 metros
5.4 Conclusiones

53

Las mediciones de temperaturas recogidas por ambos sensores sobre madera,
muestran una evolucin coincidente en todo el rango de medida para las diferentes
distancias, presentando una diferencia media de 0.4C entre las respuestas de ambos
sensores.
Cabe destacar una pequea desigualdad de calentamiento del material a una distancia
de 1.7 metros, presentando una desviacin entre sendos sensores en torno a 1C, no
teniendo en cuenta sta, al producirse por encima de 20C, es decir, fuera de nuestro
rango de medicin.

T
Amb.
(C) 24.32 24.65 26.65
T
Obj.
CS LT (C) T
Obj.
Temp.-IR (C) T
Obj.
Temp.-IR (C) T
Obj.
Temp.-IR (C)
-20 -20.13 -20.09 -19.54
-10 -10.34 -10.18 -9.46
0 0.32 0.27 0.73
10 10.07 10.21 10.13
20 19.87 20.01 20.25
Tabla 12.Valores de Temperatura-IR vs CS LT para madera.

Con este material, obtenemos una precisin mnima de 0.54C para una temperatura
de -10C y 1.7 metros de distancia de medida, aumentando esta precisin hasta valores de
0.01C para temperaturas superiores.
5.4 Conclusiones
Con las medidas realizadas en este captulo, se verifica un correcto funcionamiento
del sensor diseado para las distintas fuentes de radiacin empleadas, tomndose como
referencia un sensor basado en los mismos principios de funcionamiento, sensor CS LT.
Se han tomado diferentes mediciones con ambos sensores expuestos ante tres
materiales diferentes, asfalto, aluminio y madera, variando la distancia de medida entre
0.5 y 1.7 metros, obteniendo de esta forma la evolucin de temperaturas en funcin de la
distancia para nuestro intervalo de trabajo, comprendido entre -20 y 20C, cuyo tiempo
de muestreo ha sido programado cada segundo, obteniendo una gran cantidad de datos.
Dada la gran cantidad de datos, han sido extrados stos en intervalos de 10C para
cada material y distancia medida, con el fin de poder ser analizados con un mayor detalle,
obteniendo una precisin mnima de nuestro dispositivo de 0.8C para una temperatura
lmite de -20C. La precisin mnima ha sido obtenida para los tres materiales, a bajas
temperaturas, sin sobrepasar la precisin mnima de 1.1C para una temperatura de -
20C, obtenida con la calibracin del sensor.
Con la finalizacin de este captulo queda terminado el desarrollo del sensor de
temperatura remoto, habiendo sido verificado el funcionamiento del mismo con respecto
al sensor tomado como referencia, cumpliendo con los requisitos establecidos y
presentado una precisin mnima de 1.1C para una temperatura lmite de -20C,
aumentando significativamente este valor de precisin a medida que disminuye la
diferencia entre la temperatura del objeto y temperatura ambiente, ya que para una
temperatura de -15C esta precisin pasa a tomar un valor de 0.58C.
5.4 Conclusiones

54

A continuacin se muestra la hoja de caractersticas tcnicas que rene el sensor
diseado:

Temperatura-IR
TERMMETRO INFRARROJO

Especificaciones generales
Temperatura ambiente -20 a 30C
Temperatura de
medicin
-20 a 20C
Peso 35g
Dimensiones
=30.5mm
L= 54.6mm

Especificaciones elctricas
Especificaciones de medicin

Alimentacin (Cable Rojo)
5.3 a
16V DC
Rango de temperatura -20 a 20C Consumo de corriente 3.3mA
Rango espectral 8 a 12m Longitud de cables 1.5m
Resolucin ptica D:S 10:1 Salida analgica
Precisin mnima (A temperatura
ambiente de 25 5C )
1.1C a -20C V
termopila
(Cable blanco) 1 a 3V
Repetitividad (A temperatura
ambiente de 25 5C )
0.5C V
termistor
(Cable amarillo) 4 a 1V
Resolucin 0.3C
Tiempo de respuesta 0.2 segundos
Emisividad ajustable por
software
0.1 a 1
Temperatura ambiente (C)
ln
273.15 [16]
=3940K, R
0 =
100k @ 25C
Temperatura del objeto (C)
273.15 [17]

K= 1,57x10
-13
V/K
4

Tabla 13. Hoja de caractersticas tcnicas del sensor Temperatura-IR diseado.

Captulo 6
Conclusiones
El objetivo de partida del proyecto era el desarrollo de un termmetro de temperatura
remoto. Objetivo que se ha logrado, gracias al estudio de los principios de radiacin de
los materiales en el infrarrojo prximo, a la eleccin de la termopila adecuada capaz de
satisfacer nuestras necesidades, as como todo el desarrollo electrnico, ptico y
mecnico que conlleva el sensor, junto con su calibracin y verificacin de
funcionamiento. Tambin cabe destacar, la utilizacin de un segundo sensor, tomado
como referencia para llevar a cabo la calibracin y comprobacin del funcionamiento, al
poseer caractersticas similares y estar basado en el mismo principio de funcionamiento.

En primer lugar, en el captulo 2 se ha realizado un estudio sobre los principios
bsicos de termometra infrarroja. Aqu se estudiaron diferentes fundamentos fsicos
sobre la cuantificacin de la radiacin infrarroja emitida por los cuerpos y las diferentes
formas de captacin de la misma, centrndonos en la termopila. sta suministra una
tensin proporcional a la temperatura que se encuentra el objeto de medida, por medio de
la radiacin que emite el mismo en funcin de su temperatura. Esta radiacin se ve
afectada por la reflexin de la temperatura ambiente sobre el objeto, por lo que en el
interior del encapsulado de la termopila se encuentra un termistor encargado de
compensar dicha temperatura ambiente.

Conocido los principios bsicos de captacin y cuantificacin de la energa radiada
por los cuerpos a travs de una termopila, se realiza una bsqueda global clasificando los
principales proveedores de termopilas existentes actualmente en el mercado, atendiendo a
las principales caractersticas de las mismas. Tras esta clasificacin se adquieren dos tipos
6 Conclusiones

56

de termopilas, una con salida analgica y otra digital, llevando a cabo el desarrollo de
nuestro termmetro con la termopila de salida analgica.

A continuacin, se ha llevado a cabo todo un diseo electrnico dividido en dos
circuitos de acondicionamiento, termopila y termistor, implementados con el software de
diseo de circuitos electrnicos OrCAD. Finalizado el diseo, se ha realizado el calibrado
de ambos circuitos con la ayuda de un sensor de referencia basado en los mismos
principios de funcionamiento. Adems se le dota al dispositivo de un sistema ptico con
el fin de disminuir su abertura de visin y aumentar el alcance del mismo.

Finalmente, se han diseado los experimentos utilizando la instrumentacin
disponible en el laboratorio, destacando el uso de una cmara climtica, una tarjeta de
adquisicin de datos y el entorno grfico de programacin LabVIEW. Las pruebas
descritas en el captulo anterior se han realizado siguiendo un protocolo que nos permite
asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas electrnicos, la adecuada fijacin y
alineacin de ambos sensores con respecto al objeto de medida, y el correcto
procesamiento de las seales adquiridas. Por tanto, a la vista de los resultados obtenidos,
se puede verificar un comportamiento correcto del dispositivo diseado, permitindonos
la adquisicin de la temperatura de un objeto de manera remota, para un rango de
temperaturas comprendido entre -20 y 20C, conocida la emisividad del mismo.

En la realizacin de este proyecto fin de carrera se han utilizado y ampliado los
conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, en especial las asignaturas
optoelectrnica, instrumentacin y electrnica analgica.

Captulo 7
Gestin y presupuesto del proyecto
7.1 Gestin
Este proyecto ha sido realizado a lo largo de los meses comprendidos entre
Diciembre de 2011 y Octubre de 2012, ambos inclusive. ste se puede dividir en las
etapas mostradas a continuacin.

Tareas
Comienzo
(da/mes/ao)
Duracin
(das)
Fin
(da/mes/ao)
Estudio terico lun 05/12/11 15 das mi 11/01/12
Bsqueda y clasificacin de termopilas lun 12/12/11 33 das mi 08/02/12
Compra de termopila jue 09/02/12 15 das mi 29/02/12
Diseo electrnico jue 12/01/12 13 das lun 30/01/12
Prueba en protoboard con termopila auxiliar jue 02/02/12 20 das mi 29/02/12
Diseo optomecnico jue 01/03/12 5 das mi 07/03/12
Diseo de PCB en OrCAD jue 08/03/12 15 das mi 28/03/12
Fabricacin de PCB jue 29/03/12 12 das lun 23/04/12
Compra de componentes, lente y material
optomecnico
jue 29/03/12 12 das lun 23/04/12
Prueba en protoboard con termopila auxiliar jue 29/03/12 12 das lun 23/04/12
Soldadura de PCB mar 24/04/12 5 das jue 03/05/12
Calibracin del sistema vie 04/05/12 30 das jue 14/06/12
7.2 Presupuesto

58

Desarrollo de software de control vie 15/06/12 12 das lun 02/07/12
Puesta en funcionamiento mi 04/07/12 25 das vie 07/09/12
Verificacin del sistema con termmetro
auxiliar
lun 10/09/12 23 das mi 10/10/12
Tabla 14. Descripcin y periodo de las tareas realizadas en el proyecto.

A continuacin se presenta el diagrama de Gantt correspondiente a las anteriores
tareas.

Figura 35.Diagrama de Gantt.

En el diagrama de Gantt se contemplan las actividades previas realizadas con la beca
de colaboracin con el Departamento de Tecnologa Electrnica, necesarias para la
comprensin y desarrollo de este trabajo.
7.2 Presupuesto
Departamento: Tecnologa Electrnica
Descripcin del Proyecto:
Ttulo: Desarrollo de un sensor de temperatura remoto basado en la radiacin infrarroja.
Duracin del proyecto: 10 meses
Tasa de costes indirectos: 20%
Presupuesto total del Proyecto: 18190

7.2 Presupuesto

59

Desglose presupuestario (costes directos):

Coste de personal

Apellidos, Nombre Categora
Dedicacin
(hombres mes)
*
Coste
hombre mes
()
Importe total
()

Ruiz LLata, Marta Ingeniero Senior 0.8 4289.54 3431.63
Daz Garca, Abraham Ingeniero 3.9 2694.39 10508.12

Hombres mes 4.7 Coste total del personal 13939.75

* 1 Hombre mes = 131.25 horas. Mximo anual de dedicacin de 12 hombres mes (1575 horas).
Mximo anual para PDI de la Universidad Carlos III de Madrid de 8.8 hombres mes (1155 horas).

Coste de equipos

Descripcin
Coste
()
% Uso
dedicado
al proyecto
Dedicacin
(meses)
Periodo de
Depreciacin
(meses)
Importe
total
()

Cmara climtica 12500 60 5 60 625
Ordenador de desarrollo 1000 100 10 60 166.67
Sensor CS LT 186.25 100 10 30 62.08
Otros 150 80 10 60 25

Coste total de equipos 878.75

Coste de subcontratacin de tareas

Descripcin Empresa
Importe total
()

Fabricacin de placa PCB Oficina Tcnica, UC3M 70

Coste total de subcontratacin de tareas 70

Coste de material

Descripcin Empresa
Importe total
()

Termopila HeimannSensor 11.50
Componentes electrnicos Farnell 14.34
Componentes optomecnicos Thorlabs 48.32
Lente Thorlabs 195.75

Coste total de material 269.91
7.2 Presupuesto

60

Resumen del presupuesto

Presupuesto costes totales Importe total ()

Personal 13940
Amortizacin 879
Subcontratacin de tareas 70
Material 270
Costes indirectos (20%) 3032

Total presupuesto 18190

El presupuesto total de este proyecto asciende a la cantidad de DIECIOCHO MIL
CIENTO NOVENTA EUROS.

Legans a 24 de Octubre de 2012

El ingeniero proyectista

Fdo. Abraham de los ngeles Daz Garca

Referencias

[OPT] Optris. Disponible [Internet]: < http://www.optris.com/downloads-compact-
series> [25 de October de 2012]

[VA98] Valea Prez, ngel y Alonso Girn, Jess Maria. Radiacin infrarroja y
ultravioleta: tecnologa y aplicaciones. Mc Graw Hill, 1998.

[MEMS] Memstech. Disponible [Internet]: <http:// http://www.memstech.com/file/MBL-
RevA.pdf> [25 de October de 2012]

[THLE] Thorlabs. Lentes. Disponible [Internet]:
<http://www.thorlabs.com/catalogpages/V21/674.pdf> [25 de October de 2012]

[RLTL] Roithner Laser Technik. Lentes. Disponible [Internet]: <http://www.roithner-
laser.com/lenses.html> [25 de October de 2012]

[HETE] HeimannSensor. Termopilas. Disponible [Internet]:
<http://www.heimannsensor.com/products_singles.php> [25 de October de 2012]

[EXTE] Excelitas. Termopilas. Disponible [Internet]:
<http://www.excelitas.com/Pages/Product/Thermopile-Detectors-Sensors-and-Array-
Modules.aspx> [25 de October de 2012]

[DETE] Dexter. Termopilas. Disponible [Internet]:
<http://www.dexterresearch.com/?module=Page&sID=st60-with-diffractive-lens>
[25 de October de 2012]

[NITE] Nicera. Termopilas. Disponible [Internet]: <http://www.nicera-
european.co.uk/product4b.htm> [25 de October de 2012]

[MMST] MMS-electronics Termopilas. Disponible [Internet]:
<http://www.mmselectronics.co.uk/smt9901.htm> [25 de October de 2012]

[EOCT] EOC. Termopilas. Disponible [Internet]: <http://www.eoc-
inc.com/thermopile_detectors.htm> [25 de October de 2012]

62
[DEXT] Dexter. Termopilas. Disponible [Internet]:
<http://www.dexterresearch.com/?module=Page&sID=st60-with-diffractive-lens> [25 de
October de 2012]

[MESP] Measurement Specialties. Disponible [Internet]: <http://www.meas-
spec.com/temperature-sensors/thermopile-infrared-sensors-modules/thermopile-infrared-
ir-sensors.aspx> [25 de oktober de 2012]

[PATE] Pacer. Termopilas. Disponible [Internet]:
<http://www.pacer.co.uk/products/sensors/thermoandpyro/thermometry/> [25 de
October de 2012]

[LACO] Laser Components. Termopilas. Disponible [Internet]: <
http://www.lasercomponents.com/de/?embedded=1&file=fileadmin/user_upload/home/D
atasheets/drc/singleelements.pdf&no_cache=1> [25 de October de 2012]

[GESR] GE Measurement & Control. ZTP-135SR. Disponible [Internet]:
<http://www.ge-mcs.com/en/temperature/infrared-ir-sensors/ztp-135sr.html> [25 de
October de 2012]

[AD86] Analog Device. AD8628. Disponible [Internet]:
<http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8628_8629_8630.pdf> [25
de October de 2012]

[DCLP] Datasheet Catalog. LP2980IM5-5. Disponible [Internet]:
<http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/P/2/9/LP2980.shtml> [25 de
October de 2012]

[OPCS] Optris. CS LT. Disponible [Internet]: <http://www.optris.com/optris-cs> [25 de
October de 2012]

[THLA] Thorlabs. Lente LA9509-F. Disponible [Internet]:
<http://www.thorlabs.de/thorProduct.cfm?partNumber=LA9509-F> [25 de October
de 2012]

[TH1L] Thorlabs. Tubo SM1L20. Disponible [Internet]:
<http://www.thorlabs.de/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L20> [25 de October de
2012]

[TH1R] Thorlabs. Tuerca SM1RR. Disponible [Internet]:
<http://www.thorlabs.de/thorProduct.cfm?partNumber=SM1RR> [25 de October de
2012]

[CAOR] Cadence. OrCAD. Disponible [Internet]:
<http://www.cadence.com/products/orcad/pages/default.aspx> [25 de October de
2012]

[DYCO] Dycometal. Disponible [Internet]: <http://www.dycometal.com> [25 de
October de 2012]

63

[EUR] Eurotherm. Disponible [Internet]: <http://www.entech.se/d/datablad/Eurotherm
_2604.pdf> [25 de October de 2012]

[NAIN] National Instruments. Disponible [Internet]: < http://www.ni.com > [25 de
October de 2012]

[MICP] Microchip. PIC18f2525. Disponible [Internet]:
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39626b.pdf> [25 de October de
2012]

[MICM] Microchip. MPLab. Disponible [Internet]: < http://www.microchip.com/mplab
> [25 de October de 2012]

[MICC] Microchip. Compilador C18. Disponible [Internet]:
<http://www.microchip.com/c18> [25 de October de 2012]

[DCMA] DatasheetCatalog. MAX232. Disponible [Internet]:
<http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/max232.pdf> [25 de
October de 2012]

Anexo 1
Documentacin de placa
Temperatura-IR

66
ESQUEMTICO

67

LAYOUT

68

69

Anexo 2
Puesta en marcha de termopila con
salida digital

70
PUESTA EN MARCHA DE TERMOPILA CON SALIDA
DIGITAL

La termopila con salida digital modelo HDI L14 FL5.5 T100 del fabricante
HeimannSensor [HETE], fue adquirida y acondicionada para ver su funcionamiento.
Este modelo incorpora una lente de 5mm de distancia focal, con relacin D:S 8:1, lo cual
permite medir objetos a grandes distancias, ya que su ngulo de abertura es mnimo. Su
resolucin es inferior a 1C y con una temperatura mxima de 100C.
Para obtener la temperatura del objeto debemos de leer la direccin correspondiente
a la memoria RAM interna en la termopila. La comunicacin con el sensor se debe
realizar con el protocolo especificado por el fabricante, protocolo SMBus. Es un
protocolo muy sencillo, basado en la comunicacin Maestro-Esclavo.
Para establecer este protocolo de comunicacin con el sensor nos hemos decantado
por la utilizacin de un PIC, concretamente el modelo PIC18f2525, de Microchip
[MICP]. La eleccin de este microcontrolador se debe a la facilidad que ofrece de
programacin y comunicacin a travs de un ordenador, as como su reducido tamao.
A continuacin se muestra el circuito desarrollado para la comunicacin y
alimentacin del sensor y del PIC, siendo sta de 5 V.

Figura 36. Circuito de comunicacin y alimentacin de la termopila digital.

La comunicacin entre el PIC y el ordenador se realiz a travs del puerto serie RS-
232, por medio del circuito integrado MAX232 [DCMA] que convierte los niveles de las
lneas del puerto serie a niveles TTL y viceversa.

La programacin del protocolo SMBus se realiz en lenguaje C, a travs del
programa que nos facilita Microchip, llamado MPLab [MICM]. Junto al programa fue
instalado el compilador de C correspondiente, C18 [MICC].Este lenguaje ofrece amplia
variedad de funciones que permiten facilitar toda la programacin.

71
Desarrollado hardware y software del dispositivo se comprob su funcionamiento
obteniendo la temperatura de varios objetos y mostrndolas por pantalla a travs del
HyperTerminal del ordenador.

Tesis Sensor Infrarrojo

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