Medidor infrarrojo autocalibrable y procedimiento de autocalibración de dicho medidor.

Medidor infrarrojo autocalibrable y procedimiento de autocalibración de dicho medidor.

El medidor IR permite ser calibrado sin necesidad de ser transportado a una instalación de calibración. Incorpora un calentador

(7) para calentar el medidor IR y al menos un sensor de temperatura de contacto (8) para medir la temperatura en el medidor IR. El procedimiento comprende: efectuar al menos una primera medida, empleando el medidor IR, en un primer campo de temperatura; calentar el medidor IR empleando el calentador (7) hasta obtener un segundo campo de temperaturas; efectuar al menos una segunda medida, empleando el medidor IR, en el segundo campo de temperatura; calcular un coeficiente de degradación (β) a partir de las primeras medidas y las segundas medidas, empleando ecuaciones de calibración predeterminadas.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331924.

Solicitante: INSTITUTO NACIONAL DE TECNICA AEROESPACIAL "ESTEBAN TERRADAS".

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GOMEZ-ELVIRA RODRIGUEZ,JAVIER, SEBASTIAN MARTINEZ,EDUARDO, ARMIENS APARICIO,Carlos, FERRÁNDIZ GUIBELALDE,Ricardo.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO,... > G01J5/00 (Pirometría de las radiaciones)
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Medidor infrarrojo autocalibrable y procedimiento de autocalibración de dicho medidor.

Fragmento de la descripción:

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de la medición sin contacto de la temperatura de un objeto lejano o de la radiación emitida por este.

De manera más concreta, la presente invención se refiere a, de acuerdo con un primer objeto, un medidor de tipo infrarrojo (IR) , tal como un radiómetro IR o un pirómetro IR, que es autocalibrable. De acuerdo con un segundo objeto, la presente invención se refiere a un procedimiento de autocalibración para calibrar el mencionado medidor infrarrojo autocalibrable.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un medidor IR es un dispositivo que se emplea para detectar, a distancia, es decir, sin contacto, la temperatura superficial de un objeto, denominado en lo sucesivo objetivo, o alternativamente, la radiación emitida por el objetivo dentro de un determinado rango del espectro.

Así, un pirómetro IR, es un medidor empleado para medir temperatura a distancia de un objetivo, recogiendo la radiación infrarroja proveniente del objetivo en una determinada banda de longitudes de onda. El pirómetro IR incorpora un detector IR sobre el que se concentra la radiación proveniente del objetivo. Dicha radiación concentrada sobre el detector IR se emplea para calcular, empleando la ley de Planck y/o funciones de calibración, la temperatura de brillo del objetivo.

Alternativamente, un radiómetro IR es un medidor IR que funciona similarmente a los medidores IR descritos en el párrafo anterior, salvo que, a partir de la radiación concentrada en el detector IR, se calcula la energía de radiación emitida por el objetivo dentro de la banda de longitudes de onda considerada.

En numerosas ocasiones, los medidores IR, ya sean pirómetros o radiómetros, se emplean en condiciones agresivas, tales como son: usos de duración prolongada o en ambientes con suciedad y polvo. Tanto el uso continuado como los ambientes sucios y polvorientos provocan una degradación en las propiedades de los medidores, en particular del detector IR, de manera que para garantizar la obtención de medidas suficientemente precisas, resulta necesario someter los medidores IR a calibraciones programadas y/o buscar soluciones para minimizar la degradación de los medidores.

Se conocen documentos, tales como las patentes estadounidenses US6086245 y US7734439, que se refieren a procedimientos para calibrar pirómetros empleados en atmósferas polvorientas, y que se basan en el empleo de una fuente de energía infrarroja externa previamente calibrada y que es activada periódicamente para calentar muestras y efectuar mediciones de calibración para determinar la degradación del detector IR.

Asimismo, se conoce una solución alternativa basada en el empleo de sistemas de purga por flujo de aire, que mantienen el medidor libre de polvo y suciedad, evitando, por tanto, su deterioro.

En cualquiera de los casos mencionados, las soluciones implican la incorporación de elementos sofisticados que, por tanto, presentan, entre otros, los inconvenientes de: un aumento del coste y del tamaño del medidor IR; y, en su caso, una necesidad de retirar el medidor IR y trasladarlo a una instalación de calibración.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe, de acuerdo con un primer objeto, un medidor infrarrojo (en adelante referido como medidor IR) autocalibrable, es decir, configurado para, según se explicará seguidamente, poder ser calibrado sin necesidad de trasladar el medidor IR a una instalación de calibración. Asimismo, de acuerdo con un segundo objeto de la presente invención, se describe un procedimiento de autocalibración del medidor IR anteriormente mencionado.

El medidor IR autocalibrable de la presente invención comprende, tal como es conocido en el estado de la técnica del campo de la invención:

- una carcasa;

- un aislante térmico en el interior de la carcasa, para estabilizar la temperatura del medidor IR;

- un detector IR (también denominado sensor IR) configurado para generar una respuesta cuantificable en valor (por ejemplo una señal de voltaje o resistencia) cuando es estimulado por radiación infrarroja procedente de un objeto distante, en lo sucesivo denominado objetivo;

- una masa térmica, acoplada térmicamente con el detector IR, para homogeneizar la temperatura del medidor IR, así como proporcionar un campo de temperaturas más uniforme en el medidor IR, estando la carcasa, el aislante térmico y la masa térmica configurados de tal manera que permiten el paso de la radiación desde el objetivo hasta el detector IR; y

- una unidad de control configurada para controlar el funcionamiento del medidor IR y determinar un valor de temperatura superficial de, o de radiación emitida por, el objetivo, a partir de la respuesta generada por el detector IR, aplicando una o unas ecuaciones de medida predeterminadas.

De manera preferente, el detector IR incorpora una cubierta que comprende una base y una parte delantera, así como se dispone de un filtro vinculado a la parte delantera de la cubierta, para filtrar la radiación proveniente del objetivo en un determinado rango de longitudes de onda.

El medidor IR de la presente invención se caracteriza por incorporar adicionalmente:

-un calentador, para provocar un aumento de temperatura en al menos un elemento seleccionado de entre la carcasa, el aislante térmico, la cubierta, la masa térmica y el filtro; y

- al menos un sensor de temperatura de contacto, para determinar la temperatura en algún punto del medidor IR, como puede ser la carcasa, el aislante térmico, la cubierta, el filtro o la masa térmica.

De manera preferente, el al menos un sensor de temperatura de contacto comprende un primer sensor de temperatura de contacto para determinar la temperatura de la masa térmica, así como el calentador está configurado para calentar directamente la masa térmica.

Las respuestas generadas por el detector IR pueden ser almacenadas en una memoria y seguidamente procesadas por una unidad de cálculo para, a partir de una o unas ecuaciones de calibración, determinar un coeficiente de degradación del medidor IR, que representa la degradación del medidor IR, en particular, del detector IR, por motivos de, por ejemplo:

condiciones de funcionamiento en presencia de suciedad o polvo; o funcionamiento prolongado, tal como se explicará más adelante, de modo que el valor del coeficiente de degradación puede ser empleado para compensar medidas tomadas posteriormente por el detector IR, y obtener así valores más precisos de temperatura o radiación del objetivo.

De manera preferente, la memoria y la unidad de cálculo están incorporadas en la unidad de control que forma parte del medidor IR de la invención.

El procedimiento de autocalibración incorpora los siguientes pasos:

- efectuar con el medidor IR al menos una primera medida, para obtener al menos una primera respuesta del detector IR a la radiación emitida por el objetivo;

-almacenar en la memoria la al menos una primera respuesta;

- conectar el calentador a una primera potencia, para producir un calentamiento progresivo de los componentes del medidor IR;

- esperar que se produzca una estabilización en el campo de los mencionados componentes del medidor IR, de acuerdo con un criterio predeterminado;

- con el campo de temperaturas estabilizado, efectuar con el medidor IR al menos una segunda medida, para obtener al menos una segunda respuesta del detector IR a la radiación emitida por el objetivo;

-almacenar en la memoria la al menos una segunda respuesta;

- determinar un coeficiente de degradación, empleando la unidad de cálculo, a partir de la al menos una primera...

 


Reivindicaciones:

1. Medidor infrarrojo autocalibrable, que comprende:

- una carcasa (1) ;

-un aislante térmico (2) , alojado en la carcasa (1) , para estabilizar la temperatura del medidor IR;

- un detector IR (3) , ubicado en el interior del aislante térmico (2) , configurado para generar una respuesta cuantificable en valor cuando es estimulado por radiación infrarroja procedente de un objetivo (4) distante;

-una masa térmica (5) , acoplada térmicamente con el detector IR (3) , para uniformizar temperatura en el medidor IR; y

- una unidad de control, configurada para controlar el funcionamiento del medidor IR y determinar un valor de temperatura superficial del objetivo (4) , o de radiación emitida por el objetivo (4) , a partir de la respuesta generada por el detector IR (3) ; caracterizado por que comprende adicionalmente:

- un calentador (7) , alojado en la carcasa (1) , para provocar un aumento de temperatura en el medidor IR;

-al menos un sensor de temperatura de contacto (8) , alojado en la carcasa (1) , para determinar la temperatura en algún punto de al menos un elemento seleccionado entre la carcasa (1) , el aislante térmico (2) , y la masa térmica (5) ;

- una memoria, incorporada en la unidad de control, para almacenar datos de las respuestas generadas por el detector IR (3) ; y

- una unidad de cálculo, incorporada en la unidad de control, configurada para determinar el coeficiente de degradación (ȕ) a partir de los valores de las respuestas almacenados en la memoria.

2. Medidor infrarrojo, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que tanto el sensor de temperatura de contacto (8) como el calentador (7) están en contacto con la masa térmica (5) .

3. Medidor infrarrojo, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el detector (3) incorpora un bolómetro (12) .

4. Procedimiento de autocalibración para autocalibrar el medidor IR descrito en las

reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el procedimiento comprende los pasos de:

- efectuar con el medidor IR una o varias primeras medidas, para obtener correspondientes primeras respuestas a la radiación emitida por el objetivo (4) distante, por parte del detector IR

(3) incorporado en el medidor IR; -almacenar la primera o las primeras respuestas en una memoria;

- conectar, a una primera potencia previamente determinada, el calentador (7) incorporado en el medidor IR, para generar un calentamiento del medidor IR;

- esperar que se produzca una estabilización de temperaturas en el medidor IR;

- con el campo de temperaturas estabilizado, efectuar con el medidor IR una o varias segundas medidas, para obtener correspondientes segundas respuestas del detector IR (3) a la radiación emitida por el objetivo (4) ;

- almacenar la segunda o las segundas respuestas en la memoria;

- determinar un coeficiente de degradación (ȕ) , empleando una unidad de cálculo, a partir de la primera respuesta y la segunda respuesta, despejando el coeficiente de degradación (ȕ) de una ecuación o ecuaciones de calibración que relacionan el coeficiente de degradación (ȕ) con las primeras medidas y las segundas medidas y con los valores de temperatura y/o radiación del objetivo.

5. Procedimiento de autocalibración, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que el coeficiente de degradación (ȕ) presenta la siguiente expresión:

§K2 · K2

¨ K ¸·) ) ·) ) K ·) ) K ·T T T T

cc1 cc2 cb1 cb22 s1 s23 cb1 s1 cb2 s2

© 2 ¹ 2E K ·) ) ) ) 2

f 1 f 2 cc1 cc

donde K1, K2 y K3 son parámetros propios del medidor IR obtenibles experimentalmente;

x

así como los términos del tipo ) representan términos de flujo, calculados según la ecuación de Planck, para diversos elementos, que se representan mediante el subíndice x, donde el subíndice x se corresponde con: cc para una parte delantera (10) de una cubierta incorporada en el detector IR (3) ; cb para una base (11) de la cubierta; s para el bolómetro (12) ; y t para el objetivo (4) ; donde los indicadores 1 y 2 en los flujos y las temperaturas implican el campo de temperaturas en los que se han determinado respectivamente la primera medida y la segunda medida.

6. Procedimiento de autocalibración, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, caracterizado por que comprende adicionalmente los pasos de:

- tras efectuar la segunda medida o las segundas medidas, esperar que se produzca una estabilización de temperaturas en el medidor IR, con el calentador desconectado;

- efectuar una o varias medidas de validación, empleando el medidor IR, obteniéndose correspondientes señales de validación generadas por el detector IR (3) como respuesta a la radiación emitida por el objetivo (4) ;

-almacenar la señal o las señales de validación en la memoria.

- determinar si el valor de temperatura del objetivo (4) obtenido a partir de la primera señal y el obtenido a partir de la señal de validación son iguales;

- si se determina que los valores del paso anterior son iguales, considerar válido el valor calculado para coeficiente de degradación (ȕ) .

7. Procedimiento de autocalibración para autocalibrar un medidor IR, caracterizado por que el procedimiento comprende los pasos de:

- efectuar con el medidor IR una o varias primeras medidas, para obtener correspondientes primeras respuestas a la radiación emitida por un objetivo (4) distante, por parte de un detector IR (3) incorporado en el medidor IR; -almacenar la primera respuesta o las primeras respuestas en una memoria;

- conectar, a una primera potencia predeterminada, un calentador (7) incorporado en el medidor IR, para generar un calentamiento del medidor IR;

- esperar que se produzca una estabilización de temperaturas en el medidor IR;

- con el campo de temperaturas estabilizado, efectuar con el medidor IR una o varias segundas medidas, para obtener correspondientes segundas respuestas del detector IR (3) a la radiación emitida por el objetivo (4) ;

- almacenar la segunda o las segundas respuestas en la memoria;

- almacenar en la memoria una serie auxiliar de respuestas que incorpora alguna de las primeras respuestas y alguna de las segundas respuestas;

- seleccionar un valor inicial para el coeficiente de degradación (ȕ) ;

- determinar un primer valor o unos primeros valores de temperatura o de radiación del objetivo, a partir de las primeras respuestas, y del valor inicial seleccionado para el coeficiente de degradación (ȕ) , empleando las ecuaciones de calibración;

- aplicar un tratamiento matemático/estadístico al primer valor o los primeros valores de

temperatura o radiación del objetivo, para obtener un primer resultado;

- análogamente al paso anterior, determinar un segundo valor o unos segundos valores de temperatura o radiación del objetivo, a partir de las segundas respuestas, y del valor inicial seleccionado para el coeficiente de degradación (ȕ) , empleando las ecuaciones de calibración, y aplicar el tratamiento matemático/estadístico al segundo valor o a los segundos valores de temperatura o radiación para obtener un segundo resultado;

-análogamente a los dos pasos anteriores, determinar un valor auxiliar o unos valores auxiliares de temperatura o radiación del objetivo, a partir de la serie auxiliar de respuestas, y del valor inicial seleccionado para el coeficiente de degradación (ȕ) , empleando las ecuaciones de calibración, y aplicar el tratamiento matemático/estadístico al valor auxiliar o a los valores auxiliares de temperatura o radiación para obtener un resultado auxiliar;

-verificar si se cumple una relación preestablecida entre el primer resultado, el segundo resultado y el resultado auxiliar, y

- en caso de que la relación del paso anterior se cumpla, admitir como adecuado el valor del coeficiente de degradación (ȕ) .

8. Procedimiento de autocalibración, de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que incorpora los siguientes pasos adicionales:

-modificar el valor del coeficiente de degradación (ȕ) en un valor incremental, y

-volver a aplicar iterativamente el procedimiento, considerando el valor del coeficiente de degradación (ȕ) modificado en el paso anterior, donde los pasos adicionales se aplican en el caso de que no se cumpla la relación preestablecida entre los resultados obtenidos para el primer valor, el segundo valor y el valor auxiliar de temperatura del objetivo (4) .

9. Procedimiento de autocalibración, de acuerdo la reivindicación 7, caracterizado por que la primera señal comprende una primera serie de valores generados a intervalos temporales predeterminados; así como la segunda señal comprende una segunda serie de valores tomados a intervalos temporales predeterminados; donde el tratamiento matemático/estadístico aplicado al primer valor, al segundo valor y al valor auxiliar de temperatura del objetivo (4) comprende efectuar sendas regresiones lineales de las series y tomar como resultado las respectivas pendientes obtenidas.

por que la relación preestablecida es que el valor de la pendiente obtenida para el valor auxiliar se encuentre en el punto medio de los valores de las pendientes obtenidas para el primer valor y el segundo valor, de acuerdo con una tolerancia preestablecida.

11. Procedimiento de autocalibración, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 7, caracterizado por que el calentador (7) permanece en funcionamiento mientras se toman las segundas medidas.