Bolómetro casero , medidor de potencia para láser

14 de Marzo del 2011

Bolómetro :

El bolómetro es un instrumento de medida de la radiación electromagnética en todas las longitudes de onda.
Existen otros medidores más específicos para longutides de onda visible, como fotodiodos, etc…

En este documento se va a explicar la forma más sencilla y básica de fabricar un bolómetro con materiales de fácil disponibilidad.

Teoria de funcionamiento:

El método de funcionamiento se basa en la diferencia de temperatura de un cuerpo negro con otro de referencia. El cuerpo negro hace de captador de radiación que transforma en un aumento de temperatura.

Existen dos o más posibilidades de medir y referenciar esa diferencia de temperatura:
   1-     La primera puede ser por el calor específico del cuerpo. Por tanto, se sabemos la masa del cuerpo que se calienta, sabemos de que material está hecho  y medimos la diferencia de temperatura obtenida en un tiempo, tendremos a partir de la fórmula:

 

 

m=masa del cuerpo

Este método parece sencillo pero no lo es, por que entran en juego la  convección del aire, con lo cual a mayor superficie mayor convección y por tanto los cálculos se complican.

2 - Método por convección en régimen estable.
Este método se basa en la convección  del cuerpo negro en contacto con el aire.

Cada cuerpo tiene un coeficiente de convección definido por su geometría, superficie, etc.., por lo tanto la mayor dificultad en este método va a ser encontrar tal coeficiente para cada cuerpo negro que queramos utilizar.

I= Flujo  de convección (expresado en Watios)

A= Área del cuerpo (en metros cuadrados)

e=emisividad  (en nuestro caso 0,95)
Nota: La emisividad no entraría en la fórmula a la hora de obtener nuestro coeficiente de convección, pero sí entra a la hora de obtener la potencia por radiación absorbida.

Obtención de nuestro coeficiente de convección:

Vamos a usar un adhesivo de aluminio con el cual haremos un "sándwich" con una resistencia tipo SMD de valor pequeño en su interior.

cinta aluminio
Cinta de aluminio adhesiva usada para otros experimentos

La superficie del sándwich la pintaremos de negro mate (o en su defecto la ahumamos). Con ello tendremos una emisividad cercana al 1, sobre el 0.95.

Debemos anotar la superficie del captador para poder realizar los cálculos, esta será el Area.

El poner la resistencia dentro de los dos adhesivos de aluminio va a ser que el calor de la resistencia se distribuya por conducción por todo el aluminio, y así el aluminio con forma bien definida incrementará su temperatura hasta el punto en que por convección se equilibre (y como sabremos que potencia  que le estamos dando a la resistencia, ya sabremos la relación entre el equilibrio de temperaturas y la potencia necesaria).

resistencia y cinta

La Resistencia:

Una tipo SMD a ser posible de 1/4 de watio o de 1/2 watio. Pueden tener medidas de 4X3X0,5 mm.

Usando una fuente regulable de laboratorio con un amperímetro y un voltímetro, le haremos circular  una intensidad por la resistencia.
Mediremos el producto del voltaje por la intensidad para obtener la potencia absorbida y así mediremos el aumento de temperatura.

Debemos anotar en una tabla los valores de Potencia, Diferencia de temperatura , con la cual obtendremos una gráfica con puntos que se pueden trazar por una recta por el método de mínimos cuadrados para así obtener el coeficiente de convección del cuerpo negro que habremos fabricado.

Ver ejemplos:

excel

Con una hoja de Excel nos será de gran utilidad.

 

En realidad no hace falta ir tan apurados con los decimales, podemos dejarlo en 70 y es un buen valor.

Errores en la medida:

Debido a que la convección es afectada por toda corriente de aire, cercanía de objetos que dificultan la libre circulación del aire por el cuerpo, etc… . Las medidas se han de tomar en un lugar sin corrientes de aire, a ser posible poner el captador dentro de una caja o recinto que esté aislado de las corrientes de aire pero no en contacto con objetos.

En las pruebas realizadas con esta sonda o captador he registrado errores de hasta un 10% en la medida.

Como medimos la temperatura:

Como podemos ver en la foto, he usado un medidor de temperatura por infrarrojos, esto añade más error en la lectura, pero el global estaría dentro del 10% citado.

bolómetro

Con el medidor por infrarrojo, primero hay que medir la temperatura en otro captador esclavo, que registra la temperatura en la habitación, que forzosamente cambiará dependiendo de la luz, las personas cerca, pequeñas corrientes de aire, calefacción,  etc…

Una vez tenemos la temperatura estable,  incidiremos la luz o fuente de radiación electromagnética que queramos medir en el captador delante del termómetro.
El termómetro tardará unos segundos hasta que muestre la temperatura más alta a la que llega, en ese momento anotaremos la temperatura y restaremos de la inicial.

De esta forma y aplicando la fórmula antes descrita, podremos obtener la potencia incidida sobre el captador:

Y ya tendremos la potencia emitida por nuestra fuente.

Otra opción para medir la temperatura:

Otra opción que es más cómoda, consiste en incorporar una sonda PTC o un termopar  en el captador, internamente igual que en las fotos y con los cables que sobresalen.
 Con dos termopares  o PTC y restando su señal proporcional a su temperatura, obtenemos directamente la diferencia de temperatura, que multiplicada por un coeficiente que será:

 I=dif.Temp * (h*A*e)   --> h*A*e  será una constante, por lo tanto con un amplificador operacional en modo diferencial con una amplificación igual a la constante, podremos obtener un voltaje de salida proporcional a la temperatura registrada.

Conclusiones:

Con muy poco dinero (solo el termómetro), y el resto de componentes de desguace podemos fabricarnos nuestro medidor de potencia para cualquier longitud de onda. Con errores del 10% son muy aceptables para un aficionado.

Notas a tener en cuenta:

 

Alfonso Torres
14-03-2011

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