ES2221162T3 - Sensor de termopila y termometro de radiacion con sensor de termopila. - Google Patents
Sensor de termopila y termometro de radiacion con sensor de termopila.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN SENSOR DE TERMOPILA Y, ESPECIALMENTE, UN TERMOMETRO DE RADIACION O UN DETECTOR DE MOVIMIENTO CON EL CITADO SENSOR. EL SENSOR DE TERMOPILA TIENE UNA TERMOPILA MONTADA EN UN ALOJAMIENTO. LA CAPACIDAD TERMICA DE LOS PUNTOS FRIOS Y CALIENTES DE DICHA TERMOPILA, JUNTO CON SU MONTAJE Y LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DEL CITADO MONTAJE SE COORDINAN ENTRE SI DE MANERA QUE UN CAMBIO EN LA TEMPERATURA DEL ALOJAMIENTO PROVOQUE UN CAMBIO IGUAL EN LA TEMPERATURA DEL ALOJAMIENTO PROVOQUE UN CAMBIO IGUAL EN LA TEMPERATURA DE LOS PUNTOS FRIOS Y CALIENTES, DE MANERA QUE NO OCURRAN GRADIENTES DE TEMPERATURA DENTRO DE LA TERMOPILA.
Description
Sensor de termopila y termómetro de radiación con
sensor de termopila.
La invención se refiere a un sensor de termopila
y en especial a un termómetro de radiación o un detector de
movimiento con sensor de termopila.
En las patentes
US-A-4.722.612 y
US-A-2.627.530 ya se describe un
termómetro de infrarrojos con una termopila colocada sobre una
lámina aislante en forma de disco de manera que los puntos
calientes se encuentran en el centro de dicha lámina, rodeados por
los puntos fríos. La lámina está tensada sobre un sustrato
termoconductor en forma de anillo de modo que la termopila se
encuentra en la cara superior y el sustrato en la cara inferior de
dicha lámina. Los puntos calientes de la termopila se encuentran en
la zona del orificio central del sustrato anular, mientras que los
puntos fríos se encuentran en la zona de la lámina soportada por el
sustrato. Por tanto, los puntos fríos en la termopila conocida
están mucho mejor acoplados térmicamente con el sustrato que los
puntos calientes y por la misma razón poseen una capacidad térmica
varias veces superior que los puntos calientes.
Si este termómetro de infrarrojos se utiliza en
zonas de temperatura ambiente cambiante, se produce una diferencia
de temperatura entre la caja del termómetro y el sensor de
termopila, con la consecuencia de que la radiación térmica de la
caja se superpone a la radiación térmica que se quiere medir y
falsea el resultado de medición. Además se produce una diferencia
de temperatura en el interior del sensor de termopila, ya que, como
es natural, la variación de temperatura afecta primero a la caja
del sensor por efecto de la transmisión de calor y/o la convección,
y después a la termopila del interior. Así, por ejemplo, si la caja
del sensor de termopila es calentada por la caja del termómetro de
infrarrojos, la caja del sensor calienta muy deprisa el aire de su
interior, que a su vez solo calienta por convección los puntos
calientes de la termopila. Esto es así porque, en el sensor de
termopila conocido, los puntos fríos están fuertemente acoplados
térmicamente con el sustrato que, a raíz de su elevada capacidad
térmica, apenas es calentado por el aire. No obstante, y como es
natural, también el sustrato y, por consiguiente, los puntos fríos
se calientan por transmisión térmica de la caja del sensor de
termopila, pero en un proceso comparativamente lento. Así pues, las
temperaturas de los puntos fríos y de los puntos calientes cambian
a velocidades diferentes, es decir, en el interior de la termopila
también se forman gradientes de temperatura que falsean el
resultado de medición. Para compensar estos errores de medición, el
termómetro de infrarrojos conocido contiene dos termopilas iguales
conectadas eléctricamente en paralelo, una de las cuales está
expuesta a la radiación que se quiere medir y la otra no.
La invención tiene por objeto proponer un sensor
de termopila de estructura sencilla que no sea sensible a los
gradientes de temperatura, y un termómetro de radiación con un
sensor de termopila de estructura igualmente sencilla que no sea
sensible a las fluctuaciones de la temperatura ambiente.
La solución a esta tarea según la invención se
caracteriza por estar construido el sensor de termopila de manera
que, cuando se producen variaciones en la temperatura ambiente,
los puntos fríos y calientes de la termopila se calientan o se
enfrían con la misma velocidad. Para conseguirlo, las diferencias
de capacidad térmica entre los puntos calientes y fríos, dispuestos
en un soporte, se compensan mediante las oportunas diferencias de
aislamiento térmico de dichos puntos calientes y fríos en relación
con la caja, es decir, la relación entre capacidad térmica y
conductividad térmica en la zona de los puntos calientes equivale
aproximadamente a esta misma relación en la zona de los puntos
fríos. En consecuencia, un transporte de calor procedente de la
caja del sensor provoca una variación uniforme de la temperatura
de los puntos fríos y calientes, de forma que dentro de la
termopila no se forman gradientes de temperatura que pudieran
falsear la medición. El transporte de calor entre la caja y la
termopila se produce tanto por conductividad térmica a lo largo del
soporte de la termopila como por convección e irradiación. Una
parte de la capacidad térmica de los puntos fríos y calientes está
determinada por la masa y los materiales de cada uno de dichos
puntos y otra parte está determinada por el soporte.
El sensor de termopila que propone la invención
tiene la ventaja de que no precisa una compleja estabilización
térmica mediante acoplamiento con cuerpos isotérmicos de capacidad
térmica elevada, ni costosos dispositivos correctores como por
ejemplo una segunda termopila conectada con tensión opuesta. Por
consiguiente, este sensor permite montar puntas de medición
sencillas muy pequeñas, como por ejemplo para un termómetro de
radiación que mida la temperatura corporal en el oído. Asimismo, el
sensor de termopila que propone la invención resulta especialmente
adecuado para termómetros de radiación sin conductor óptico o bien
con un conductor óptico corto o integrado en la caja del
termómetro.
Los puntos fríos y los puntos calientes tienen el
mismo grado de aislamiento térmico respecto a la caja del sensor de
termopila y poseen además la misma capacidad térmica con su
soporte. La igualdad en el grado de aislamiento térmico se consigue
de forma particularmente sencilla mediante la disposición simétrica
de los puntos fríos y calientes en relación con la caja.
En una ejecución preferida del sensor de
termopila según la invención, el soporte presenta una membrana poco
conductora del calor, que posee preferiblemente poca capacidad
térmica, y un marco que soporta la membrana. Los puntos fríos y los
puntos calientes están ubicados en la membrana, en una zona que no
está en contacto con el marco. De este modo, la membrana actúa
también de aislamiento térmico entre los puntos fríos y calientes y
la caja.
En el sensor de termopila que propone la
invención, los puntos calientes están más expuestos que los puntos
fríos a la radiación que se quiere medir o viceversa. Para esto se
puede utilizar por ejemplo un diafragma que cubra los puntos fríos
en la trayectoria de los rayos, o bien se puede dotar los puntos
fríos de una capa termorreflectante y los puntos calientes de una
capa termoabsorbente. En otra ejecución, los puntos fríos y los
puntos calientes que hay en el interior de la caja del sensor de
termopila están dispuestos de manera asimétrica, de manera que la
radiación, que penetra en el sensor a través de un orificio,
prácticamente solo alcanza los puntos calientes. No obstante, los
puntos fríos y calientes están dispuestos preferentemente de forma
simétrica dentro de la caja del sensor de termopila, en tanto que
el orificio de entrada está preferiblemente en posición
asimétrica.
El termómetro de radiación según la invención
emplea el sensor de termopila descrito brevemente más arriba. El
sensor está situado en la trayectoria de los rayos de forma que los
puntos calientes están más expuestos a la radiación a medir que los
puntos fríos o viceversa. En una ejecución preferida, el termómetro
de radiación posee además medios que cubren los puntos fríos
situados en la trayectoria de los rayos. Esto se consigue por
ejemplo mediante un diafragma. En otras ejecuciones, el sensor de
termopila está dispuesto de manera asimétrica en la trayectoria de
los rayos del termómetro de radiación.
A continuación se detalla el funcionamiento de la
invención mediante algunos ejemplos de ejecución para sensores de
termopila y un termómetro de infrarrojos, representados en las
figuras. La descripción incluye diversas conformaciones así como un
detector de movimiento. Las figuras muestran:
Fig. 1 Esquema básico de un primer elemento
sensor de termopila conforme a la invención;
Fig. 2 Sección transversal del elemento sensor de
la fig. 1;
Fig. 3 Esquema básico de un segundo elemento
sensor de termopila conforme a la invención;
Fig. 4 Sección transversal del elemento sensor de
la fig. 3;
Fig. 5 Esquema básico de un termómetro de
infrarrojos conforme a la invención.
El elemento sensor de termopila 1 representado
esquemáticamente en las figuras 1 y 2 posee un marco 2 en el que
está fijada una membrana delgada 3. Sobre la membrana se encuentra
una termopila 10, es decir, varios termoelementos, cada uno de los
cuales posee un punto frío 11 y un punto caliente 12. Los puntos
fríos 11 se encuentran en una mitad de la membrana 3 y los puntos
calientes 12 en la otra mitad, ambos aproximadamente a la misma
distancia del marco. Ambas mitades, al menos en la zona de los
puntos fríos y calientes, están recubiertas por sendas capas
absorbentes 15 o capas con buena conductividad térmica, de manera
que los puntos fríos 11 se encuentran debajo de una capa y los
puntos calientes 12 debajo de la otra. Estas capas aumentan la
sensibilidad del elemento sensor. Los termoelementos están
conectados en serie y unidos a los puntos de conexión 14 del marco
2 mediante alambres de conexión 13 de igual longitud. El marco 2
lleva asimismo un sensor de temperatura ambiente 4 fijado mediante
una unión termoconductora.
Las capas absorbentes 15 mejoran la absorción de
radiación de la termopila. En otra ejecución de un elemento sensor
de termopila conforme a la invención, tan solo los puntos
calientes 12 están cubiertos por una capa absorbente; y en otra
más, los puntos calientes 12 están cubiertos por una capa
absorbente y los puntos fríos 11 por una capa
termorreflectante.
En un ejemplo de ejecución de elemento sensor de
termopila no representado en las figuras, los termoelementos se
distribuyen uniformemente en prácticamente toda la superficie de la
membrana, es decir, los puntos fríos y los puntos calientes están
muy próximos. De este modo es posible colocar una cantidad
especialmente grande de termoelementos en una membrana relativamente
pequeña, puesto que los conductores que conectan dichos puntos
pueden ser muy cortos. Los puntos calientes pueden estar cubiertos
individualmente o bien puede haber una capa termoabsorbente común
que cubra varios puntos calientes próximos. De igual modo, los
puntos fríos pueden estar cubiertos individualmente o puede haber
una capa termorreflectante común que cubra para varios puntos
fríos próximos.
La membrana se compone preferentemente de un
material con poca conductividad térmica y además tiene poca
capacidad térmica. A raíz de la disposición asimétrica de los
puntos fríos y calientes en la membrana, al calentarse el marco
por efecto de la conductividad térmica de la membrana, por pequeña
que ésta sea, se produce un calentamiento uniforme de los puntos
calientes y fríos, de forma que sólo por razón de la disposición de
los puntos calientes y fríos según propone la invención se generan
gradientes de temperatura todo lo más muy pequeños en el interior
de los termoelementos de la termopila.
Preferentemente, la membrana 3 tiene un espesor
menor que 1 \mum y se compone principalmente de óxido de silicio
y nitruro de silicio o de oxinitruro de silicio. Los
termoelementos se componen por ejemplo de polisilicio/aluminio o de
p-polisilicio/n-polisilicio. El
marco 2 se compone preferentemente de silicio, pudiendo servir de
sustrato para componentes electrónicos como por ejemplo
amplificadores que intensifiquen la señal enviada por la termopila.
Como estos amplificadores disipan una cierta cantidad de calor, se
disponen en el marco simétricamente con respecto de la termopila
para que no puedan formar gradientes de temperatura en la
misma.
Las figuras 3 y 4 representan esquemáticamente
otro elemento sensor de termopila 1' conforme a la invención. La
única diferencia con el elemento sensor 1 representado en las
figuras 1 y 2 es un nervio 20 ubicado debajo de la membrana 3 entre
los puntos fríos y los puntos calientes. En una ejecución
preferida, el nervio 20 tiene una unión termoconductora con el
marco 2 ó bien forma parte del marco 2. El nervio reduce la
conductividad térmica entre los puntos fríos y los puntos
calientes, mejorando el comportamiento dinámico del sensor. Además,
el nervio 20 incrementa la estabilidad mecánica de la membrana 3 al
apoyarla en el centro.
En otra ejecución de los elementos sensores de
termopila arriba descritos, y con el propósito de aumentar la
sensibilidad, se han conformado puntos fríos y/o puntos calientes
más grandes en comparación con los conductores que los
conectan.
El termómetro de radiación 40 representado
esquemáticamente en la figura 5 posee una caja 41 con una ventana
transparente a las radiaciones 42 de la que parte un conductor de
luz 43 al interior de la caja 41 hasta un sensor de termopila.
Resulta especialmente ventajoso que el conductor 43 llegue
directamente al sensor de termopila de forma que éste no registre
otra cosa que dicho conductor 43. De este modo se evitan errores de
medición causados por la radiación emitida por las piezas de la
caja, que se encuentran a una temperatura distinta de la del sensor
de termopila. Asimismo puede dorarse el conductor de luz 43 para
reducir su emisividad.
El sensor de termopila posee una caja 18 con una
ventana transparente a radiaciones 19 en cuyo interior se encuentra
un elemento sensor de termopila 1, 1'. La radiación a detectar se
dirige al elemento sensor 1, 1' de forma que la mayor parte de la
misma llega a los puntos calientes de la termopila, estableciéndose
una diferencia de temperatura entre los puntos calientes y los
puntos fríos de la termopila y generándose la correspondiente señal
de salida del sensor. Con este fin, en el interior del sensor de
termopila o junto al mismo se han previsto los medios adecuados (no
representados en la figura 5) para cubrir los puntos fríos de la
termopila, o bien el elemento sensor 1, 1' es asimétrico en la caja
18 detrás de la ventana 19, es decir, está desplazado hacia un lado
para que la radiación entrante no pueda alcanzarlo. En otra
ejecución, el sensor de termopila tiene forma asimétrica, es decir,
está desplazado lateralmente en el extremo del conductor de luz
43.
También es posible una configuración totalmente
simétrica de la trayectoria de los rayos en un termómetro de
radiación si se utiliza el elemento sensor de termopila arriba
descrito, en el que los puntos calientes llevan una capa distinta
de la de los puntos fríos. Resulta especialmente ventajoso cubrir
los puntos calientes con una capa absorbente y los puntos fríos con
una capa reflectante.
En un detector de movimiento no representado en
las figuras, el elemento sensor de termopila posee diafragmas y/o
elementos de enfoque para que los puntos fríos y calientes de dicho
elemento sensor detecten alternativamente un objeto caliente o frío
que pase por delante de la ventana, generándose la correspondiente
señal de salida del sensor. La estructura básica y el principio de
funcionamiento son los de un detector de movimiento con dos
elementos sensores de termopila conectados en serie. Sin embargo, el
sensor que propone la invención es más sencillo y económico y las
dos mitades del sensor tienen la misma sensibilidad.
Claims (16)
1. Sensor de termopila compuesto de una caja, una
termopila con al menos un punto frío y un punto caliente y un
soporte para los puntos fríos y calientes, caracterizado por
tener los puntos calientes (12) y los puntos fríos (11) el mismo
grado de aislamiento térmico respecto a la caja y poseer la misma
capacidad térmica con su soporte.
2. Sensor de termopila conforme a la
reivindicación 1, caracterizado por presentar el soporte una
membrana (3) sobre la que están situados los puntos fríos y
calientes y que posee poca capacidad térmica y poca conductividad
térmica.
3. Sensor de termopila conforme a la
reivindicación 2, caracterizado por presentar un marco (2)
que soporta la membrana (3) y por encontrarse los puntos fríos y
calientes en una zona de la membrana que no está en contacto con
dicho marco (2).
4. Sensor de termopila conforme a la
reivindicación 3, caracterizado por existir entre los puntos
fríos (11) y los puntos calientes (12) un disipador térmico (20)
en unión termoconductora con el marco (2) o que forma parte de
dicho marco (2).
5. Sensor de termopila conforme a una de las
reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado por estar compuesta la
membrana (3) principalmente de óxido de silicio y nitruro de
silicio o de oxinitruro de silicio, por estar compuesto el marco
(2) básicamente de silicio y por llevar dicho marco circuitos
electrónicos, en especial amplificadores.
6. Sensor de termopila conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por estar
recubiertos los puntos calientes (12) de una capa termoabsorbente
o una capa termoconductora.
7. Sensor de termopila conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por estar
recubiertos los puntos fríos (11) de una capa
termorreflectante.
8. Sensor de termopila conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por estar
dispuestos los puntos fríos y los puntos calientes de forma
simétrica en el interior de la caja.
9. Sensor de termopila conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por estar
dispuestos de forma no simétrica los puntos fríos y calientes o
bien una ventana de entrada de la radiación al interior de la
caja.
10. Sensor de termopila conforme a una la
reivindicación 9, caracterizado por estar recubiertos los
puntos fríos (11) de una capa termoabsorbente o una capa
termoconductora.
11. Sensor de termopila conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por presentar el
marco una unión termoconductora con un sensor de temperatura
ambiente (4).
12. Termómetro de radiación con un sensor de
termopila conforme a una de las reivindicaciones anteriores.
13. Termómetro de radiación conforme a la
reivindicación 12, caracterizado por estar situado el sensor
de termopila en la trayectoria de los rayos del termómetro de
forma que los puntos calientes están más expuestos que los puntos
fríos a la radiación medida o viceversa.
14. Termómetro de radiación conforme a la
reivindicación 13, caracterizado por existir medios que
cubren los puntos fríos situados en la trayectoria de los
rayos.
15. Termómetro de radiación conforme a la
reivindicación 13, caracterizado por situarse el sensor de
termopila asimétricamente en la trayectoria de los rayos del
termómetro.
16. Detector de movimiento con al menos un sensor
de termopila conforme a una de las reivindicaciones 1 a 10.
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