DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MEDIDOR DE RADIACION INFRARROJA DE ONDA LARGA DESIGN AND CONSTRUCTION OF A LONG WAVE INFRARED RADIATION METER Cristian Camilo Serrano Franco. 1 Yuber Otálora Porras. 2 Cesar Alexander Chacón Cardona. 3 Resumen: Se diseñó y construyó un instrumento capaz de medir una parte del espectro electromagnético correspondiente a la radiación infrarroja (5,5 − 14) utilizando el sensor MLX90614B de la compañía MELEXIS. Se revisó el comportamiento del sensor mediante diferentes pruebas basados en la ley de Stefan Boltzmann y la dependencia de la irradiancia con el inverso del cuadrado de la distancia utilizando una fuente de radiación conocida y de fácil acceso como lo fue una bombilla incandescente y un montaje experimental elaborado para emitir radiación térmica, los resultados obtenidos permitieron relacionar la irradiancia emitida por la fuente y la irradiancia medida por el instrumento construido. Palabras clave: Radiación infrarroja, emisividad, Irradiancia, cuerpo negro. 1 Estudiante de tecnología en electrónica (ciclos propedéuticos). Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica. E-mail: [email protected]2 Estudiante de tecnología en electrónica (ciclos propedéuticos). Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica. E-mail: [email protected]3 Físico, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Magister en ciencias físicas, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Doctorado en ciencias físicas, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Lugar de trabajo: Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica, Colombia. E-mail: [email protected]
Transcript
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MEDIDOR DE RADIACION
INFRARROJA DE ONDA LARGA
DESIGN AND CONSTRUCTION OF A LONG WAVE INFRARED RADIATION
METER
Cristian Camilo Serrano Franco.1 Yuber Otálora Porras.2 Cesar Alexander Chacón
Cardona.3
Resumen: Se diseñó y construyó un instrumento capaz de medir una parte del espectro
electromagnético correspondiente a la radiación infrarroja (5,5𝜇𝑚 − 14𝜇𝑚) utilizando el
sensor MLX90614B de la compañía MELEXIS. Se revisó el comportamiento del sensor
mediante diferentes pruebas basados en la ley de Stefan Boltzmann y la dependencia
de la irradiancia con el inverso del cuadrado de la distancia utilizando una fuente de
radiación conocida y de fácil acceso como lo fue una bombilla incandescente y un
montaje experimental elaborado para emitir radiación térmica, los resultados obtenidos
permitieron relacionar la irradiancia emitida por la fuente y la irradiancia medida por el
1 Estudiante de tecnología en electrónica (ciclos propedéuticos). Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica. E-mail: [email protected] 2 Estudiante de tecnología en electrónica (ciclos propedéuticos). Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica. E-mail: [email protected] 3 Físico, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Magister en ciencias físicas, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Doctorado en ciencias físicas, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Lugar de trabajo: Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica, Colombia. E-mail: [email protected]
Abstract: An instrument capable of measuring a part of the electromagnetic spectrum
corresponding to infrared radiation (5.5μm-14μm) was designed and constructed using
the MLX90614B sensor of the MELEXIS company. The sensor's behavior was reviewed
by means of different tests using the Stefan Boltzman's law and the distance irradiance
dependency by the use of a known radiation source such as an incandescent bulb and
an experimental mounting prepared to emit thermal radiation, the results obtained
allowed to relate the irradiance emitted by the source and the irradiance measured by
the constructed instrument.
Key Words: Infrared radiation, emissivity, irradiance, black body.
1. Introducción
Colombia es un país que posee un suelo fértil, grandes cantidades de fuentes hídricas y
climas diversos(Geografía de Colombia, s. f.), son estas características las que le dan un
elevado potencial y una fuerte proyección en meteorología y agricultura, pero hasta el
momento no ha sido posible lograr un desarrollo significativo en estos sectores debido a la
falta de estudios, investigación, tecnificación e innovación.
Actualmente la instrumentación utilizada en meteorología y meteorología agrícola cuenta
con equipos muy bien desarrollados, uno de estos es el pirgeómetro, el cual es capaz de
medir la radiación infrarroja de onda larga, pero no es posible acceder a este instrumento
en Colombia de una manera fácil y rápida, además de estar a precios muy altos en el
mercado internacional, debido a esto, el estudio e investigación de la radiación infrarroja
se convierte en una tarea muy difícil, ya que para el análisis de este fenómeno es necesario
contar con medidas precisas y cuantificadas(Stoffel et al., 2006).
Por lo tanto, se realizó el diseño y construcción de un instrumento capaz de medir este tipo
de radiación con componentes de fácil acceso en el mercado local, así este instrumento
(Medidor de radiación infrarroja) es un aporte a la solución de esta problemática, pudiendo
ser implementado para la creación de redes de alerta agrícolas, elaboración de balances
energéticos, desarrollo de controles climáticos en invernaderos, generando un mayor
aprovechamiento en las cosechas, así como la creación de estaciones meteorológicas o
de complemento en las estaciones ya existentes.
2. Marco teórico
2.1. Radiación
La radiación es un fenómeno de transmisión de energía sin contacto mediante ondas
electromagnéticas, las cuales pueden viajar sin la existencia necesaria de un medio por
el cual propagarse. Todo cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto (0 K)
emite radiación de forma uniforme en todas direcciones. Las ondas electromagnéticas
poseen dos cualidades básicas: una longitud de onda (λ) y una frecuencia (f), las cuales
se pueden ver relacionadas en (1).
𝜆𝑓 = 𝑐 (1)
Estas dos componentes son esenciales para determinar su energía, poder de
penetración, visibilidad, entre otras características propias de las ondas
electromagnéticas. La Ecuación (1) revela una singularidad de este fenómeno y es que
sin importar su frecuencia o longitud de onda todas se desplazan en el vacío a la misma
velocidad la cual corresponde a la velocidad de la luz (c), una cantidad cercana a los
299 792 458 m/s (Izunza Bustos Juan, 2002).
2.2. Espectro de radiación electromagnética
Un espectro en el sentido físico es la intensidad de una mezcla de ondas
electromagnéticas en función de la longitud de onda o la frecuencia, en la Tabla 1 es
posible apreciar cómo está distribuida cada porción del espectro electromagnético y
cuáles son las características de cada uno de los tipos de radiación. El espectro de
radiación electromagnética varía de una región a otra en el origen, la creación y la
aplicación de la radiación. Todos los tipos de radiación electromagnética siguen
principios similares de difracción, refracción, reflexión y polarización (Micro-Epsilon,
2011).
Tabla 1. Distribución del espectro de radiación Electromagnética(Valea Pérez & Alonso Girón, 1998)
Tipos de Radiación Longitud de Onda – 𝛌 (𝒎) Frecuencia - 𝒇 (𝑯𝒛)
Rayos Gamma < 0.1 𝑥 10−9 > 30 𝑥 1018
Rayos X < 0.1 𝑥 10−6 > 30 𝑥 1015
Ultravioleta C < 0.28 𝑥 10−6 > 1.5 𝑥 1015
Ultravioleta B < 0.32 𝑥 10−6 > 1.1 𝑥 1015
Ultravioleta A < 0.4 𝑥 10−6 > 789 𝑥 1012
Visible < 0.78 𝑥 10−6 > 384 𝑥 1012
Infrarrojo A < 2 𝑥 10−6 > 120 𝑥 1012
Infrarrojo B < 40 𝑥 10−6 > 6 𝑥 1012
Infrarrojo C < 1 𝑥 10−3 > 300 𝑥 109
Microondas < 300 𝑥 10−3 > 1 𝑥 106
Radio < 10 𝑥 103 > 30 𝑥 103
2.3. Radiación solar
El sol, es una gigantesca esfera en estado gaseoso el cual se comporta prácticamente
como un cuerpo negro cuya superficie se encuentra a una temperatura cercana a los
6000 K y está compuesta en un 75% de átomos Hidrogeno; en su interior se llevan a
cabo fusiones nucleares entre átomos de Hidrogeno a cada segundo, un proceso que
alcanza temperaturas cercanas a las 15 000 000 K. Es así que se consigue transformar
átomos de Hidrogeno en átomos de Helio, un gas noble descubierto en el sol mucho
antes de ser hallado en la Tierra. En este proceso de formación de núcleos de Helio el
sol pierde 5 de las 580 millones de toneladas de gas de Hidrogeno que son empleados
en este tarea de transformación y de generación de energía, ya que es aquí donde el
sol consigue liberar una cantidad enorme de energía la cual se aproxima a los
3.86 𝑥 1026 𝑊.(Bachiller, s. f.)
Esta gran masa de energía generada por el sol es emitida siguiendo la ley de Planck
mediante ondas electromagnéticas y se denomina radiación solar. La radiación solar se
distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, pasando por la franja del visible,
porción del espectro electromagnético donde tiene su punto más alto la radiación de
energía el sol(Chacon Cardona, Cesar Alexander; Cely, 2008).
Tan solo una pequeña porción de toda la radiación solar alcanza la superficie de la
atmosfera terrestre, una cantidad cuantificada en promedio 1366 𝑊/𝑚²(Solar constant,
s. f.)
Al penetrar la atmosfera terrestre gran parte de la radiación solar que incide sobre la
superficie atmosférica es atenuada a tal punto que la radiación en la superficie terrestre
alcanza los 1000 𝑊/𝑚2 aproximadamente. Este valor varía debido a diversos factores
tales como el lugar de incidencia de la radiación solar, la época del año, el estado del
cielo y la hora del día. Esta atenuación es provocada por los procesos de absorción,
dispersión y reflexión generados por las nubes y los gases y partículas de efecto
invernadero presentes en la atmosfera terrestre(Introducción a la energía fotovoltaica—
La radiación solar—Inversores fotovoltaicos para instalaciones de todos los tamaños|
AROS Solar Technology, s. f.).
2.4. Tipos de radiación
Ilustración 1. Tipos de radiación [Fuente Autores]
2.4.1. Radiación Global
La radiación global es la cantidad de energía total que llega a la superficie de la
tierra, esta es la suma de las tres componentes de radiación encargadas de calentar
la tierra, estas son: radiación directa, difusa y reflejada. Esta magnitud puede ser
medida empleado un Piranómetro(World Meteorological Organization, 2008).
2.4.2. Radiación Directa
Este tipo hace referencia a toda aquella radiación que no sufre ningún tipo de
desviación mientras atraviesa la atmósfera, consiguiendo de esta manera alcanzar
la superficie terrestre de forma continua. La radiación directa se presenta en mayor
cantidad en días de verano con cielos despejados (Chiron De La Casiniére et al.,
2008). Esta magnitud puede ser medida empleado un Pirheliómetro (World
Meteorological Organization, 2008).
2.4.3. Radiación Difusa
Por el contrario de la radiación directa, la radiación difusa se denomina a todas las
ondas electromagnéticas que alcanzan la superficie luego de haber sufrido cambios
en la dirección de su desplazamiento al pasar por la atmosfera esto provocado a
diversas partículas que se albergan en ella como es el caso del 𝐶𝑂2. En días de
cielo despejados la radiación difusa representa aproximadamente tan solo un 25%
de la radiación global, pero este porcentaje aumenta en gran medida en días
nublados y en épocas invernales y en un ponderado anual este tipo de radiación
simboliza alrededor del 55% de la radiación que alcanza la superficie terrestre. Es
por este motivo que la atmósfera es la principal causa del calentamiento de la Tierra
en general (Introducción a la energía fotovoltaica—La radiación solar—Inversores
fotovoltaicos para instalaciones de todos los tamaños| AROS Solar Technology,
s. f.). Esta magnitud puede ser medida empleando un Pirgeómetro(World
Meteorological Organization, 2008).
2.4.4. Radiación reflejada.
Es la cantidad de energía que es reflejada por el suelo luego de incidir sobre él. El
porcentaje de radiación reflejado por una superficie respecto a la que incide sobre
ella, se denomina albedo. En la ilustración 2 es posible observar cómo varia el valor
porcentual del albedo para distintas zonas en el globo terráqueo, esto depende
básicamente del tipo de ecosistemas presentes en dicha área(«Mean Annual of
Terrestrial Radiation [TOA] and Albedo», 2012). Esta magnitud puede ser medida
empleado un Albedómetro (World Meteorological Organization, 2008).
Ilustración 2. Albedo terrestre(«Mean Annual of Terrestrial Radiation [TOA] and Albedo», 2012)
2.5. Radiación infrarroja
La radiación infrarroja es uno de los muchos tipos de radiación electromagnética que
conforman el espectro, el lugar ocupado por el infrarrojo va desde los 740 𝑛𝑚, justo al
borde de la zona del visible donde termina lo que es el color rojo, hasta 1 𝑚𝑚, ya en
entrando en espacio de las microondas, se encuentra en el intervalo de frecuencias
entre 3 𝑥 1011 𝐻𝑧 y 4 𝑥 1014 𝐻𝑧 y la energía de sus fotones esta entre los 10−3 𝑒𝑉 y los
1.6 𝑒𝑉 (Valea Pérez & Alonso Girón, 1998). Se han definido diversos intervalos
espectrales para la IR y su nomenclatura no está estandarizada debido a que es muy
susceptible al campo en donde se pretenda ser aplicada, tales como: la astronomía, la
meteorología, la medicina, entre otras(Chiron De La Casiniére et al., 2008).
Aproximadamente la mitad de la radiación solar es infrarroja y responsable del efecto
calorífico inmediato que se siente en la exposición solar.
La radiación Infrarroja se divide en tres bandas de longitud de onda distintas:
Tabla 2. Dominio espectral de la radiación infrarroja(Valea Pérez & Alonso Girón, 1998)
Tipo de onda Radiación Longitud de onda – 𝝀(𝝁𝒎)
Onda corta IR-A 0.76 – 2
Onda media IR-B 2 – 4
Onda Larga IR-C 4 − 1000
2.6. Cuerpo negro
Un cuerpo negro es aquel que tiene la capacidad de absorber la totalidad de la radiación
que incide sobre él, así mismo emite radiación a cualquier temperatura superior a los 0
K en diversas longitudes de onda. Esto es posible a que ni la más mínima parte de
radiación es reflejada o transmitida, de ahí lo característico de su nombre, ya que debido
a este fenómeno el ojo humano los percibe de un profundo color negro, por otro lado,
un cuerpo que se percibe de color blanco, es debido a que posee propiedades que los
hacen excelentes reflectores del espectro visible y a la vez muy buenos absorbedores
de la radiación infrarroja. Un cuerpo negro es considerado un referente para determinar
la cantidad de radiación que emiten otros cuerpos(Manrique Valadez, 2002).
2.7. Leyes de la radiación infrarroja
2.7.1. Ley de Stefan-Boltzmann
Esta ley establece una relación entre la energía radiada por un cuerpo y la
temperatura a la que se encuentra la superficie dicho cuerpo. Esta relación es
representada en la ecuación (2).
𝐸 = 𝜎𝑇4 (2)
La letra griega 𝜎 (“sigma”) representa la constante de proporcionalidad entre la
energía y la temperatura en (2), recibe el nombre de constante de Stefan-Boltzmann
y se le atribuye un valor de 5.6669 ∗ 10−8 𝑊
𝑚2.𝐾4 . Esto muestra un aumento de gran
magnitud en la energía radiada por un cuerpo en relación a su temperatura (Valea
Pérez & Alonso Girón, 1998).
En la Tabla 3 se evidencian algunos valores para la irradiancia de un cuerpo en
función a su temperatura.
Para una superficie real se emplea la ecuación (3).
E = εσT4 (3)
Donde el coeficiente de emisividad es representado con la letra griega ε hace
referencia a la capacidad de emitir radiación con rango 0 y 1, y dependerá de la
longitud de onda en la que dicho cuerpo emite al igual que la temperatura de su
superficie(Valea Pérez & Alonso Girón, 1998).
Tabla 3. Potencia radiada en función de la temperatura del emisor(Valea Pérez & Alonso Girón, 1998)
