ES2607723B1 - Dispositivo para la detección a distancia de elementos perturbadores sobre una superficie - Google Patents

Abstract

Dispositivo para la detección a distancia de elementos perturbadores (11) sobre una superficie (10), que comprende un vehículo aéreo no tripulado (9) que lleva acoplado mediante un soporte (3) un sensor (1) de medida de radiación infrarroja y un marcador láser (2) para controlar el área de medición (7) del sensor. La información del sensor (1) es capturada inalámbricamente en un registrador de datos (6). El sensor (1) comprende una termopila, una lente de germanio con campo de visión variable, y un termistor. Si una superficie (10), por ejemplo una placa fotovoltaica, presenta una deposición de un elemento perturbador (11), como hielo o suciedad, su emisión se ve afectada y se registra una diferencia en los extremos de la termopila. Además, es posible determinar la temperatura de la superficie (10) mediante la relación de los datos de la termopila, el termistor y la emisividad de la superficie.

Description

Campo técnico de la invención

La invención pertenece al campo de los detectores, más concretamente se refiere a un vehículo aéreo no tripulado para la detección a distancia de elementos perturbadores 10 sobre cualquier superficie mediante radiación infrarroja, así como su temperatura.

Antecedentes de la invención

En multitud de situaciones es necesario detectar la presencia de elementos

15 perturbadores sobre una superficie cualquiera, como es el caso de hielo o suciedad, ya pueda ser por el peligro que suponen en ámbitos como el de la aeronáutica, o por su efecto directamente sobre el rendimiento de dispositivos, como es en el caso de placas fotovoltaicas, concentradores solares o en la eficiencia de los aerogeneradores.

20 En el caso de los aviones, la acumulación de una capa de hielo sobre la superficie del avión bajo ciertas condiciones climáticas, conocido como hielo estructural, altera el flujo del aire en esas zonas, afectando a la aerodinámica.

En el caso de los aerogeneradores, el hielo genera dos problemas, uno de seguridad

25 asociado al hecho de que el hielo acumulado en las palas puede salir despedido cientos de metros, y otro problema es de eficiencia, pues altera la aerodinámica de la pala y en muchos casos obliga a la parada del aerogenerador.

La acumulación de suciedad también reduce el rendimiento en aplicaciones como la

30 energía fotovoltaica y en la producción de energía mediante concentradores solares. En ambos casos el rendimiento energético está directamente relacionado con la limpieza de la superticie de los espejos o las placas solares. La suciedad debida a lluvias de barro, contaminación ambiental, etc. , reduce la producción de energía entre un 6 y un 8%.

Hasta ahora se ha llevado a cabo la detección de dichos elementos perturbadores mediante sensores fijos empleando dispositivos con tecnología infrarroja, como se pone de manifiesto en los siguientes documentos de patente: ES2367735, W02008079931 , W09421503, US2816233A, US2237193, US2480846, US2423885,

5 US3031576A, US2794926, US2824235A y GB2268913.

Sin embargo, estos dispositivos no controlan en todo momento el área que se está analizando, además de no poder analizar tanto la temperatura como el estado de la superficie de forma conjunta. Es muy importante resaltar que el procesamiento de la

10 información de dichos dispositivos requiere mucho tiempo, pues son muy complejos.

Además de lo indicado, actualmente se conocen algunos dispositivos acoplados en vehículos aéreos no tripulados que detectan elementos como hielo o cambios de temperatura mediante videocámaras, sensores de radiación o mediante ultrasonidos.

15 Algunos de estos dispositivos se describen en los documentos US4818990-A, EP2527649-A1 , W02014080385-A2, US20140316614-A1 ,

Los inconvenientes principales de los dispositivos anteriores son su elevado coste, tanto en dispositivos de cámaras tennográficas como en la instalación de 20 videocámaras; la necesidad de analizar las imágenes captadas por dichas cámaras, que se hace offline; y en el caso de la detección de hielo, la baja eficiencia de los métodos ultrasónicos, debido a la fuerte atenuación de estas ondas en la mayoría de los materiales. Además, la mayoría no están preparados para trabajar bajo condiciones climáticas severas, como hielo, calor, nieve, lluvia, etc. Otro aspecto a tener en cuenta

25 es el peso de estos dispositivos, ya que han de ir acoplados a los vehículos aéreos no tripulados, y finalmente los altos costes de estos sensores.

Por lo tanto, sería deseable disponer de un dispositivo para la detección de elementos perturbadores en superficie, como hielo o suciedad, y con un coste y peso reducido, y

30 que además sea totalmente programable y autónomo, pudiéndose posicionar mediante GPS y adaptar el área máxima a examinar, donde se pueda determinar también la temperatura en superficie y controlar el área que se está midiendo. Finalmente, se precisa que el procesamiento de la información recibida del sensor se haga de manera eficaz y rápida.

Breve descripción de la invención

La presente invención se refiere a un vehículo aéreo no tripulado que lleva acoplado un novedoso dispositivo capaz de detectar agentes perturbadores, como hielo, suciedad y 5 elementos similares, sobre superficies, como por ejemplo en placas fotovoltaicas. Así mismo el dispositivo permite determinar la temperatura de la superficie que se analiza. Además, este dispositivo es capaz de controlar el área que se está analizando, además de poder trabajar en condiciones climáticas severas y con un peso y coste bastante más reducido de los existentes. La información recibida por este tipo de dispositivos es

10 muy simple, pues no se analizan imágenes como en los dispositivos existentes, efectuándose un procesamiento de la información rápido y eficaz que permite por ejemplo generar informes en tiempo real del estado de las superficies. Con la presente propuesta se resuelven por tanto los inconvenientes del estado de la técnica, además de conseguir ventajas adicionales que se describirán a continuación.

15 El dispositivo para la detección a distancia de elementos sobre una superficie incluye un vehículo aéreo no tripulado, un sensor para medir la radiación infrarroja, un marcador láser para proyectar el área de medición del sensor sobre la superficie a analizar, y un soporte móvil para sujetar el sensor al vehículo aéreo y moverlo de

20 forma remota junto con el marcador láser.

En una realización preferida el dispositivo comprende además un registrador de datos encargado de recoger remotamente de forma inalámbrica los datos capturados por el sensor. En otra realización alternativa el dispositivo comprende una memoria para

25 registrar localmente los datos capturados por el sensor para un posterior análisis de los mismos. La memoria puede estar ubicada en el vehículo aéreo no tripulado o en el propio sensor.

Opcionalmente, el sensor comprende una termopila, una lente de germanio, cuyo 30 ángulo de visión es variable, configurada para captar la radiación infrarroja en un intervalo de longitudes de onda, y un termistor configurado para medir la temperatura.

El soporte dispone de dos mecanismos de giro que pueden mover el sensor con dos grados de libertad, mediante giro del sensor según un eje vertical y un eje horizontal.

Las principales ventajas del presente dispositivo para la detección de elementos perturbadores sobre una superficie son:

Permite detectar si hay elementos en superticie de forma sencilla, empleando una comunicación inalámbrica y con un bajo coste. El sistema permite obtener los datos inmediatamente para procesar la

información en tiempo real, o registrar dicha información para un posterior análisis. Permite conocer la temperatura de la superficie a cierta distancia y con gran precisión. Permite obtener un promedio espacial de la temperatura de una zona amplia y evita influir en su propio valor, como sucede con los sensores de contacto. Gracias a su objetivo circular de ángulo variable permite, dependiendo de la inclinación del sensor respecto de la superficie, variar las dimensiones de la zona de la superficie a analizar en tiempo real y de manera remota. Permite conocer el área de medición de radiancia infrarroja mediante un dispositivo de marcación láser, eliminando la posibilidad de incluir en la medición la radiancia de superficies no deseadas que puedan interferir en el resultado. El ángulo de marcación láser es variable con el fin de poder adaptarse a los diferentes ángulos de campo de visión del sensor. Permite ahorrar en costes por desperfectos y disminuye el riesgo de accidentes por caída de objetos depositados en superficies. El peso del sensor es inferior a otros dispositivos convencionales del estado de la técnica. Se puede utilizar con gran facilidad . Tiene un muy bajo consumo, y solo necesita 2.5V para alimentar el termislor. La fiabilidad de los elementos que componen este dispositivo es muy elevada. Además, el coste de mantenimiento de los mismos es prácticamente nulo. El sensor está preparado para operar en condiciones climática severas, como es trabajar a muy bajas y altas temperaturas, nieve, lluvia, etc., debido a la carcasa que lo protege. Dispone de un escudo de protección de radiación.

Breve descripción de las figuras

5 Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unas figuras en las que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representan casos prácticos de realización.

La Figura 1 representa una vista esquemática en perspectiva del dispositivo para la 10 detección a distancia de elementos perturbadores sobre una superficie.

La Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de una realización del sensor.

La Figura 3 es una vista esquemática en perspectiva de los mecanismos de giro del 15 soporte para el dispositivo.

Descripción de una realización preferida

En la Figura 1 se muestra una vista en perspectiva de una posible realización del

20 dispositivo para la detección a distancia de elementos perturbadores 11 , tales como una capa de hielo o suciedad, sobre una superficie 10 de un cuerpo (por ejemplo, una placa fotovoltaica o un espejo de un concentrador). El dispositivo comprende un vehículo aéreo no tripulado 9 que lleva incorporado un sensor 1 para medir la radiación infrarroja, un marcador láser 2 de ángulo variable encargado de proyectar el área de

25 medición 7 del sensor, y un soporte 3 para sujetar y mover el sensor 1 junto con el marcador láser 2. Opcionalmente, el dispositivo puede comprender además un registrador de datos 6 en comunicación inalámbrica con el sensor 1.

En este ejemplo de realización de la Figura 1 se aprecia el montaje del sensor 1

30 sobre el vehículo aéreo no tripulado 9, así como el área de medición 7 en la superficie 10. El registrador de datos 6 está separado del vehículo aéreo no tripulado 9 y conectado al sensor 1 mediante un sistema de transmisión de datos inalámbrico. El registrador de datos 6 puede guardar o reproducir en tiempo real los datos de temperatura y radiación infrarroja de las mediciones del sensor 1. El vehículo aéreo

35 no tripulado 9 puede incorporar varios sensores 1 fijados mediante soportes 3. El número de sensores 1 a emplear puede variar en función del área 7 que se quiera

analizar.

En la Figura 2 se muestra una vista en detalle del sensor 1 y el marcador láser 2. El sensor 1 mide la radiancia en el infrarrojo térmico y está conectado al registrador de datos 6 mediante un módulo de comunicaciones inalámbrico que lleva incorporado. Alternativamente, en lugar de utilizar un registrador de datos 6 externo, el sensor 1 puede incorporar una memoria (e.g. una tarjeta de memoria) donde se almacenan los

dalos capturados.

En una realización preferida el sensor 1 está formado por una termopila junto con una

lente de germanio, con campo de visión variable, que capta la radiación infrarroja dentro de un cierto intervalo de longitudes de onda y por un termistor que mide la temperatura a la que se encuentra el sensor 1. El campo de visión del sensor 1 es variable y se puede modificar en tiempo real mediante control remoto para adaptarse a las dimensiones del objeto que se desea inspeccionar. Una carcasa 8 protege los componentes electrónicos del sensor 1 para trabajar en condiciones climáticas severas, como es en altas y bajas temperaturas, lluvia, nieve, etc. además de actuar como escudo de protección de radiación.

El funcionamiento del sensor 1 es como sigue. La radiación emitida por un cuerpo, dentro del intervalo de trabajo del sensor 1, proviene de los primeros micrómetros de la superficie 10 del mismo. Si sobre la superficie 10 aparece un elemento perturbador 11 (e.g. una capa de hielo o suciedad) dicha emisión se verá afectada y se registrará una diferencia en los extremos de la termopila. Además, es posible determinar la temperatura a la que se encuentra la superficie del cuerpo en todo momento mediante la relación de los datos obtenidos de la termopila, el termistor y la emisividad de la superficie.

El campo de visión del sensor 1 varía con su distancia al objeto, lo que permite, junto con la apertura del campo de visión variable, adaptar el montaje a las necesidades de la aplicación requerida según el caso. Para determinar y mostrar el campo de visión sobre la superficie 10 a examinar, el dispositivo comprende un marcador láser 2 circular que proyecta el área de medición 7 del sensor 1 sobre la superficie 10. El área de medición 7 proyectada por el marcador láser 2 varía junto con el ángulo de visión del sensor 1 con el fin de poder conocer el área que se va a inspeccionar. Esto permite que se pueda procesar la información en tiempo real, así como registrar dicha información para un posterior análisis.

El sensor 1 está fijado en un soporte 3 que está acoplado a un vehículo aéreo no tripulado 9. La Figura 3 muestra un ejemplo del soporte 3 empleado para el montaje del sensor 1 yel marcado láser 2 en el vehículo aéreo no tripulado 9. En esta realización particular el soporte 3 permite mover el sensor 1 con dos grados de libertad. Para ello se prevén dos mecanismos de giro (4, 5) que permiten girar el sensor 1 según dos lOgrados de libertad, sobre dos ejes (y, z). El control de los mecanismos de giro (4, 5) se efectúa de forma remota de manera conjunta al control del vehículo aéreo no tripulado

9. El sensor 1 se puede adaptar a otro tipo de soportes con diferentes grados de libertad (con uno o tres grados de libertad, por ejemplo).

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo para la detección a distancia de elementos perturbadores (11) sobre una

   superficie (10), caracterizado por que comprende:

   -

   un vehículo aéreo no tripulado (9);

   -

   un sensor (1) configurado para medir la radiación infrarroja;

   -

   un marcador láser (2) de ángulo variable configurado para proyectar el área

   de medición (7) del sensor sobre la superficie (10) a analizar; -un soporte (3) acoplado al vehículo aéreo no tripulado (9) y configurado para sujetar y mover el sensor (1) junto con el marcador láser (2).

2. 2.

   Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un registrador de datos (6) encargado de recoger remotamente de forma inalámbrica los datos capturados por el sensor (1).

3. 3.

   Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una memoria encargada de registrar los datos capturados por el sensor (1) para un posterior análisis de los mismos.

4. 4.

   Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el sensor (1) comprende una termopila, una lente de germanio configurada para captar la radiación infrarroja en un intervalo de longitudes de onda, y un termistor configurado para medir la temperatura.

5. 5.

   Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el soporte (3) dispone de dos mecanismos de giro (4, 5) configurados para girar al sensor (1) según dos grados de libertad.