WO2012052578A1 - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares y método de funcionamiento - Google Patents

Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares y método de funcionamiento Download PDF

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Francisco Villuendas Yuste
Carlos David Heras Vila
David IZQUIERDO NUÑEZ
Rafael Alonso Esteban
Iñigo SALINAS ARIZ
Santiago Forcada Pardo
Noelia Martinez Sanz
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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Definitions

  • the invention falls within the field of measuring devices, more specifically, in measuring devices or instruments of optical parameters, such as reflection and transmission coefficients on cylindrical surfaces.
  • the surfaces to be characterized are the absorber tubes that are installed in the solar collectors, normally composed of two concentric tubes: an inner metal tube that is interested in knowing its reflection coefficient and an outer glass tube, which is interested in knowing its transmission coefficient .
  • This equipment includes all the components necessary to make the measurement, such as the bench on which the tube is supported allowing the rotation of the tube and the displacement of the optical measuring head, the optical head that performs the reflection and transmission measurements, the module that generates the optical transmission and reflection measurement beams, the electronic data acquisition and processing system, an external computer for the control of the equipment and the export of measured data and a communication system between the equipment and the computer.
  • the equipment must be able to accurately measure extreme values of the reflection and transmission coefficients (close to zero or to the unit), with spectral precision (around 10nm), at the wavelengths required by the different regulations of reference, and automatically along different points of the tube.
  • a device that performs a spectral measurement of this type is called a spectrophotometer.
  • US4669873, June 2, 1987 describes a spectrophotometer for measuring transmitted, reflected or radiated light in at least one object or layer.
  • the light is carried by fiberglass cable formed by a matrix of fibers from the point of measurement to the spectrophotometer.
  • the object of the patent is to allow a large number of mutually independent measurement points or of several objects from a single measurement and a single analysis system, while maintaining measurement accuracy.
  • the system uses its light spectroscopic disperser, so that the light of each fiber is dispersed in its wavelengths at different points where there is for example a CCD (charge-coupled device), and for each fiber there is a different angle and therefore a different CCD.
  • CCD charge-coupled device
  • the patent US4921351 of May 1990 describes a spectrophotometer for measuring the reflectance of an object using a pulsed tube Xe lamp as a light source, to emit several flashes within the measurement time and to filter the ambient light through a high-pass filter.
  • US5815254 September 1998 describes an apparatus with two measurement modes, one for transmittance and one for reflectance.
  • the device consists of two optical channels, with a detector in each optical channel, for direct light measurement and reference light measurement.
  • the advantage of using only two channels is that it allows us to have a compact field device.
  • the optical channels are preferably formed by optical fibers, and may also consist of lenses and mirrors.
  • In the measure of transmittance only light is injected from a fiber.
  • the object is illuminated from several fibers all positioned in circumference and having an incidence of 45 °, so that the reflection of all the fibers is collected in a single fiber to take the signal to the detector.
  • US2009 / 0213371A1 of August 2009, describes a spectrophotometer with two detectors that overlap their different spectral ranges, to cover a spectral range greater than that of each of them individually. It describes a main module where electronics and light generation and light detection optics and a measurement or test module are connected, both connected by two optical fibers.
  • the main module can be connected via USB to a PC.
  • the measurement module is custom made for each different object geometry, and they are exchanged. It only projects the light on the sample and collects the reflected light, which through the fiber returns to the main module for detection. Use fiber bundle.
  • the diffraction network is placed in the detection part of the main module, so that the detectors are placed in different positions to collect the spectrum corresponding to the angle of departure of the diffraction network. That is, two detectors are used but the light beam is not divided (so as not to lose power) but the spectra are spatially separated with the diffraction grid exit angle.
  • the present invention takes into consideration the specific characteristics for a design that meets requirements such as automation, accuracy, speed in measurement, sensitivity and adequate dynamic range.
  • the equipment measures the coefficient of transmission of the outer glass tube and the reflection coefficient of the inner metal tube.
  • the device performs measurements for different wavelengths determined by a monochromator that spectrally filters the light beam obtained from a white light lamp. Measurements can be performed automatically at any point in the tube.
  • the equipment incorporates a tube rotation system that allows its rotation by at least ⁇ 80 ° and a linear displacement system that allows the measurement module to be moved along of the entire length of the tube and beyond its length to also allow the spectrophotometer calibration based on a standard.
  • two light beams are generated in the equipment, one for transmission and the other for reflection, obtained from the same light source and marked at different frequencies for proper differentiation in detection. These two beams are generated in the main module, which remains fixed in the measurement bench for greater stability and durability of the light sources.
  • the two beams are carried by two multimode optical fibers to the measurement module, where measurements are made and that is moved along the length of the tube by the linear displacement system.
  • the illumination of the tube is carried out by means of a monochromator system and white light that covers the range of wavelengths in which it is desired to obtain the characterization, preferably in the range of 300 nm to 2500 nm (near infrared ultraviolet) with a resolution defined by the size of the fiber collected by the light beam.
  • the equipment can measure as many wavelengths as desired, with increases in wavelength or steps that can be from 1 nm to a few tens of nm, according to the reference regulations that apply in each case.
  • the team implements two photodetectors with different overlapping spectral responses at each measurement point, to which the optical signal arrives at the same time by means of a beam splitter. It is the data processing system that will determine for each wavelength the signal from each detector to be processed.
  • the equipment In order to achieve a stable measurement against changes in power of the source and variations of the modes in the multimode fibers used in the spectrophotometer to route the light to the tube, the equipment simultaneously performs the measurement of the coefficients of transmission and reflection of each point of the tube under measure, also combining for each of them the direct light measurement (transmitted and reflected) with the corresponding reference measurements.
  • optical transmission and reflection measurement systems include a diaphragm that is the same for direct light and reference light measurements.
  • a lens with a diameter at least twice the size of the beam is included in the optical system at the point of collection of the light, so that the correct focus of the light on the measurement detectors is guaranteed against variations in the path of the rays.
  • a lens of diameter at least twice the size of the beam is included in the optical system at the point of collection of the light, so that the correct focus of the light on the measurement detectors is guaranteed against variations in the path of the rays.
  • the relationships of focal points and distances of objects and images of the optical reflection and transmission systems, both in direct light and in reference measurements, are such that the size of the focused light beam in the detectors is smaller than The size of the sensitive area of the detectors.
  • the acquisition system has a sufficiently large signal to noise ratio.
  • the background optical signal comes mainly from ambient light, which can be of great intensity, it is essential to perform some type of treatment to that signal that allows the signal to noise ratio to be high.
  • the most indicated in this case is the digital signal processing through the application of some extraction algorithm such as synchronous detection or lock-in.
  • the signal to be measured can be easily distinguished from the noise background, something that is usually achieved by applying some type of modulation to it.
  • the optical signal used as a transmission channel and the optical signal used as a reflection channel are modulated at a different frequency, by means of a rotating propeller or chopper system.
  • Another essential feature in such a device is the possibility of managing and controlling a personal computer in a comfortable and flexible way. In the case of the present invention, this is solved by communication via USB port.
  • a profile structure that acts as an optical bench where the tube, the main module, the measurement module, the standard or standard, the tube rotation system and the linear displacement system of the measurement module are supported.
  • a main module where the two beams of light are generated to measure transmission and reflection formed by:
  • a white light source preferably Xe or halogen lamp
  • ⁇ a monochromator covering the spectral range that you want to characterize, preferably from 300nm to 2500nm
  • ⁇ an optical system that generates the two optical measurement channels modulated at different frequencies, preferably by chopper technique and with multimode fiber output.
  • Two multimode fibers that optically connect the main module that remains fixed with the measurement module that travels along the tube and the standard or standard.
  • a measuring module where the lighting of the tube and the measurements of the optical signals necessary to characterize the transmission and reflection coefficients of the tube, consisting of:
  • An optical system for transmission measurement composed of elements such as lenses, beam splitters and diaphragms together with the mechanics and electronics necessary for the correct characterization of the glass tube transmission.
  • An optical system for the measurement of reflection composed of elements such as lenses, beam splitters and diaphragms together with the mechanics and electronics necessary for the correct characterization of the reflection of the metal tube.
  • a digital circuit which performs the functions of analog / digital acquisition and conversion of the signals of interest.
  • connection between the main module and the measuring module for the transmission of the measured electrical signals and data preferably USB connection.
  • a linear displacer that allows the unit of measurement to be moved along the length of the tube and the standard or pattern.
  • a mechanical tube support system that allows the tube to rotate in a controlled manner by at least ⁇ 180 °.
  • a central processing unit which controls the overall operation of the system, selecting the electronic components corresponding to the channel used at all times and governing internal and external communications.
  • This treatment includes the processing of the signal for the elimination of noise and the storage of the data obtained in the appropriate format.
  • One of the advantages and advances provided by the invention is the fact that the system is capable of carrying out measurements of transmittance and reflectance of the tubes automatically at any point or points chosen, with high spectral resolution and in configurable spectral ranges. simple adjusted to the applicable regulations in each case.
  • Figure 1 represents an image of the measuring equipment, including the optical bank, the optical modules of the system, the external computer for the control of the equipment and the communication system between the equipment and the computer.
  • Figure 2 represents a diagram of the measurement equipment of the proposed embodiment, including the optical system and the electronic components, as well as the data acquisition card that performs the functions of analog / digital conversion of the signals and communication with the PC .
  • Figure 3 represents the view of the focusing face and reference measurement of the reflection bank of the measurement module.
  • Figure 4 represents the view of the direct measurement face of the reflection bank of the measurement module.
  • Figure 5 represents the view of the transmission bank of the measurement module.
  • Figure 6 represents the view of the transmission and reflection banks of the measurement module, including a representation of the light beams for the transmission and reflection measurements.
  • the equipment comprises a measuring bench (1) in which the tube under test (2) is placed and a spectrophotometer consisting of: a measuring module (4) that measures the reflection coefficients and transmission, a main module (5) that generates the optical beams for the two light, reflection and transmission channels, an electronic data acquisition and processing system with analog / digital converter (6), an external computer (7) and a communication system (8) between the equipment and said computer, preferably arranged as detailed in Figure 1.
  • a measuring bench (1) in which the tube under test (2) is placed and a spectrophotometer consisting of: a measuring module (4) that measures the reflection coefficients and transmission, a main module (5) that generates the optical beams for the two light, reflection and transmission channels, an electronic data acquisition and processing system with analog / digital converter (6), an external computer (7) and a communication system (8) between the equipment and said computer, preferably arranged as detailed in Figure 1.
  • the tube under test (2) is placed so that it is subject at its ends to bearings and a turning system (9) that allow the tube to rotate at an angle of at least 180 ° .
  • a linear displacement unit (10) supports the measuring module (4) so that it can move along the length of the tube under test (2) and also reach the area of the measuring bench (1) where a standard tube (3) is placed that allows the correct calibration of the measurements.
  • the equipment can automatically measure the reflection and transmission coefficients of any point or points of the tube (2).
  • the optical system is a key section of the proposed equipment, as it must enable the simultaneous measurement of the tubes in transmission and reflection, with the required precision and comfort.
  • a preferred embodiment is proposed according to the scheme of Figure 2 where the spectrophotometer scheme is detailed.
  • the spectrophotometer includes, within the main module (5), two light channels, a first channel for transmittance measurement (12) of the outer glass tube (13), and a second channel for reflectance measurement (14) of the metal tube interior (15).
  • the two light channels are generated from the output light beam of a monochromator (16) that selects the desired wavelength on the light signal that comes from a single light source. white (17), being able to be Xe lamp or halogen lamp.
  • a set of filters (11) that are switching ensure the elimination of harmonics in the spectral measuring range.
  • each light channel (12, 14) is modulated in intensity at a different low modulation frequency (39) by chopper (18), so that synchronous detection or individual lock-in is implemented for each channel. In this way, the measurement of reflection and transmission coefficients is simultaneous and without the influence of ambient light.
  • This processing is performed digitally on the computer (7), for which it is necessary to previously convert the analog signals through the acquisition card (6).
  • the two modulated light channels (12, 14) are carried by large multimode optical fibers to the measuring module (4) through a cable chain (19, figure 1).
  • the spectrophotometer For each light channel (12, 14), the spectrophotometer simultaneously includes two measurements, one measuring the direct signal, either transmitted by the outer tube (13) or reflected by the inner tube (15) according to the channel, and a second, the measurement of the reference signal. For each of the measurements, the spectrophotometer implements two detectors (23-24, 33-34) whose response spectrum overlaps, so that the set covers a spectral range of measurement greater than that covered by each of the detectors individually .
  • the light beam at the output of the multimode optical fiber is collimated by means of an optical lens (20) in the working frequency range, and divided by a beam splitter (21) to generate the beam for direct measurement and the beam for reference measurement.
  • This lens (20) acts as a diaphragm of the optical system, so that a stable transmittance measurement is assured against changes in the distribution of the fiber modes.
  • the direct measurement optical signal is directed through the glass tube under measure (13) and is then collected by a second lens (22) of larger diameter than the diaphragm of the system, so that capturing is ensured all the light of the beam against deviations of the beam when passing through the curved glass of the tube (13).
  • This second lens (22) focuses the optical signal on two large area detectors (23) and (24), after passing through a beam splitter (25) where it is divided and directed towards said detectors
  • the detectors are one of Si and another of InGaAs, to cover the range of optical frequencies from 300nm to 2500nm.
  • the optical reference measurement signal is collected by a lens (26) of larger diameter than the diaphragm of the system (20) to ensure that all beam light is captured.
  • This second lens (26) focuses the optical signal on two large area detectors (28) and (29), after passing through a beam splitter (27) where it is divided and routed to said detectors (28, 29).
  • the detectors are one of Si and another of InGaAs.
  • the light beam at the output of the multimode optical fiber is divided by a beam splitter (49) to generate the beam for direct measurement and the beam for reference measurement.
  • a diaphragm (50) is placed in front of this beam splitter, so that a stable reflectance measurement is assured against changes in the distribution of the fiber modes.
  • the direct measurement optical beam is focused by means of an optical lens (30) on the surface of the metal tube (15), and the beam reflected in the metal tube (15) is collected by a second lens (31) in diameter larger than the size of the beam at this point, so that it captures all light from the beam in front of beam deviations by reflecting on the curved metal tube.
  • This second lens (31) focuses the optical beam on two large area detectors (33) and (34), after passing through a beam splitter (32) where it is divided and directed towards said detectors.
  • the detectors are one of Si and another of InGaAs, to cover the range of optical frequencies from 300nm to 2500nm.
  • the optical reference measurement signal is collected by a lens (35) with a diameter greater than the size of the beam at this point, to ensure that all beam light is captured.
  • This second lens focuses the optical signal on two detectors (37) and (38) of large area, after passing through a beam splitter (36) where it is divided and directed towards said detectors.
  • the detectors are one of Si and another of InGaAs.
  • the analog electrical signals detected or measured (40) in the detectors of the measurement module (4) are converted to digital signals in the electronic data acquisition system (6) by means of an analog / digital converter, and taken to the computer ( 7) for processing.
  • the optical system of the reflectance measurement is placed on the reflection bench (42, figure 3) which is a wedge-shaped base such that the angle of incidence of the light beam on the metal tube is 15 °.
  • the optical elements for collecting and focusing the detectors (33, 34) of the beam of light reflected by the metal tube and the elements are placed electronic for the measurement of the direct signal of the reflection (31, 32).
  • the optical system of the transmittance measurement is placed on the transmission bench (43) which is a flat base, as shown in Figure 5.
  • the optical collection and focusing elements (23, 24, 25) are placed in the detectors of the light beam that crosses the glass tube (13) and the electronic elements for the measurement of the direct signal of the transmission.
  • the tube under measure is placed, and a window (44) that allows the passage of the incident optical beam reflected and reflected by the metal tube (15).
  • the transmittance and reflectance measurement systems are positioned relative to each other so that the points of the glass tube (13) and the metal tube (15) remaining in the same longitudinal position of the tube are measured as shown in the Figure 6.
  • the optical transmittance system is positioned so that its optical axis of incidence (45) is transverse to the axis of the tube, and below it is the optical reflectance system positioned so that its optical axis of incidence (46 ) is longitudinal to the axis of the tube. This ensures greater tolerance against variations in the position of the metal tube (15) and the correct correction of the reflectance measurement is also possible with the attenuation of the tube when the beams travel similar paths inside the glass tube ( 13).
  • the measured value of the transmittance of the glass tube (13) is made from the optical signals measured in the direct measurement beam and in the reference measurement beam, considering the correction due to the curvature of the glass tube ( 13).
  • the measurement value of the reflectance of the metal tube (15) is made from the optical signals measured in the direct measurement beam and in the reference measurement beam, considering the correction due to the attenuation of the metal tube (15) obtained in the measure of reflectance of the metal tube (15).
  • an optical filter (11) for harmonic elimination and gains in the detectors is positioned in the equipment to adapt the level of signal received in each one to the measuring range of each detector.
  • Photodetectors are followed by two amplification stages whose gain depends on the value of the resistors they include.
  • One of these resistors can be a digital potentiometer whose value can be controlled via software, which allows you to adjust the gain of each channel at any time using the digital outputs (41) of the analog / digital conversion system (6).
  • a program installed in the control computer (7) allows you to use the commands (47) programmed in the electronic data acquisition and processing system (6) to perform all the necessary functions in the measurement process, including the selection of the measuring wavelength in the monochromator (16), of the filter (11) placed at the input of the monochromator, of the gains in the detectors, of the position of the measuring head in the length of the tube and of the rotation position of the tube, and the reading of the data obtained (48) for its subsequent treatment and storage.
  • the method of operation of the equipment comprises the following steps to obtain the reflection and transmission coefficients of the tubes:
  • the equipment will sequentially position the tube rotation and the position of the measuring module (4) at each of the configured measuring points.
  • the monochromator (16) performs the selected spectral scan.
  • the data obtained in the transmission and reflection detectors is normalized with its reference measurement.
  • an optical filter (11) for harmonic elimination and gains in the detectors is positioned in the equipment to adapt the level of signal received in each one to the measuring range of each detector.
  • the industrial application of this equipment is the characterization of absorber tube type surfaces that are installed in the solar collectors, normally composed of two concentric tubes: a metal inner tube that is interested in knowing its reflection coefficient and an outer tube of glass, which is interested in knowing its transmission coefficient.
  • a metal inner tube that is interested in knowing its reflection coefficient
  • an outer tube of glass which is interested in knowing its transmission coefficient.

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Abstract

Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares y método de funcionamiento, que mide los coeficientes de transmisión del tubo de vidrio (13) y de reflexión del tubo metálico (15). Este equipo incluye todos los componentes necesarios para realizar esta medida, como son el banco óptico (1) donde se soporta el tubo (2), el estándar o patrón (3) y los módulos ópticos del equipo, un módulo principal (5) que genera los haces de luz, un módulo de medida (4) que realiza la medida del coeficiente de transmisión del tubo exterior de vidrio (13) y del coeficiente de reflexión del tubo interior metálico (15), un sistema mecánico de giro del tubo (9), un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6), un ordenador externo (7) para el control del equipo y el tratamiento de los datos medidos y un sistema de comunicación (8) entre el equipo y el ordenador (7).

Description

ESPECTROFOTÓMETRO PARA CARACTERIZACIÓN ÓPTICA AUTOMATIZADA DE TUBOS COLECTORES SOLARES Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO
SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La invención se encuadra dentro del sector de los aparatos de medida, más concretamente, en los aparatos o instrumentos de medida de parámetros ópticos, como son coeficientes de reflexión y transmisión en superficies cilindricas.
Las superficies a caracterizar son los tubos absorbedores que se instalan en los colectores solares, normalmente compuestos por dos tubos concéntricos: un tubo interior metálico del que interesa conocer su coeficiente de reflexión y un tubo exterior de vidrio, del que interesa conocer su coeficiente de transmisión.
Este equipo incluye todos los componentes necesarios para hacer la medida, como son el banco sobre el que se soporta el tubo permitiendo el giro del mismo y el desplazamiento del cabezal óptico de medida, el cabezal óptico que realiza las medidas de reflexión y de transmisión, el módulo que genera los haces ópticos de medida de transmisión y reflexión, el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos, un ordenador externo para el control del equipo y la exportación de datos medidos y un sistema de comunicación entre el equipo y el ordenador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las energías renovables por captación de energía solar térmica son de relevante importancia tecnológica y económica en el sector doméstico e industrial. Entre las tecnologías destacadas se encuentran las centrales termoeléctricas solares de concentración de energía solar por espejos cilindro-parabólicos sobre tubos de captación solar.
Estos sistemas requieren un máximo de absorción de la energía solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, están configurados en tubos de vacío o estructuras similares que disminuyen las pérdidas por conducción y convección y poseen recubrimientos con gran poder absorbente de la energía solar y características de baja emisividad para disminuir las pérdidas energéticas por radiación térmica en el infrarrojo lejano, en los que los recubrimientos absorbentes selectivos juegan un papel esencial en el rendimiento del sistema.
Por todo ello, se hace relevante disponer de un sistema adecuado de caracterización de los tubos absorbentes que permita medir con resolución espectral sus coeficientes de transmisión y de reflexión (máxima absorción de energía y mínimas pérdidas energéticas) y que también permita asegurar la uniformidad de estos valores en todos los puntos del tubo. Para ello el equipo deberá ser capaz de medir con precisión valores extremos de los coeficientes de reflexión y transmisión (cercanos a cero o a la unidad), con precisión espectral (entorno a los 10nm), en las longitudes de onda exigidas por las diferentes normativas de referencia, y de forma automatizada a lo largo de diferentes puntos del tubo.
Un equipo que realiza una medida espectral de este tipo se denomina espectrofotómetro.
La patente US4669873, 2 de junio de 1987, describe un espectrofotómetro para medir luz transmitida, reflejada o radiada en al menos un objeto o capa. La luz es llevada por cable de fibra de vidrio formado por una matriz de fibras desde el punto de medido hasta el espectrofotómetro. El objeto de la patente es permitir un número elevado de puntos de medida mutuamente independientes o de varios objetos a partir de una sola medida y un solo sistema de análisis, manteniendo precisión de la medida. El sistema utiliza su dispersor espectroscópico de luz, de manera que la luz de cada fibra es dispersada en sus longitudes de onda sobre diferentes puntos donde hay por ejemplo una CCD (charge-coupled device, dispositivo de carga acoplada), y para cada fibra hay un ángulo distinto y por tanto una CCD distinta. Se tiene así en la detección un array de fibras, cada una con su CCD, para espectroscopia individual y simultánea de los distintos puntos de muestra recogidos por las distintas fibras utilizadas.
La patente US4921351 de mayo de 1990 describe un espectrofotómetro para medida de reflectancia de un objeto usando como fuente de luz una lámpara de Xe de tubo pulsada, para emitir varios flashes dentro del tiempo de medida y poder filtrar mediante filtro paso alto la luz ambiente.
La patente US5815254 septiembre 1998 describe un aparato con dos modos de medida, uno para transmitancia y otro para reflectancia. El aparato consta de dos canales ópticos, con un detector en cada canal óptico, para la medida de luz directa y medida de luz de referencia. La ventaja de usar sólo dos canales es que nos permite tener un equipo compacto para campo. Los canales ópticos están formados preferentemente por fibras ópticas, pudiendo también estar formados por lentes y espejos. En la medida de transmitancia, sólo se inyecta luz desde una fibra. En la medida de reflectancia, el objeto se ilumina desde varias fibras todas posicionadas en circunferencia e incidiendo a 45°, de manera que la reflexión de todas las fibras se recoge en una única fibra para llevar la señal al detector.
La patente US6559941 de mayo de 2003 describe un espectrofotómetro UV-VIS con una fuente de luz pulsada Xe y detectores de estado sólido. El rango dinámico en los detectores se reduce modificando la potencia emitida en los pulsos de la fuente de luz y la anchura de la rendija a la entrada del monocromador. En esta patente se habla de la no uniformidad espacial de los pulsos generados en la lámpara, que deben considerarse en el diseño de la detección para colocar detectores de estado sólido en vez de fotomultiplicadores.
La patente US2009/0213371A1 , de agosto de 2009, describe un espectrofotómetro con dos detectores que solapan sus rangos espectrales diferentes, para cubrir un rango espectral mayor que el de cada uno de ellos individualmente. Describe un módulo principal donde está la electrónica y la óptica de generación de luz y detección de luz y un módulo de medida o prueba, conectados ambos por dos fibras ópticas. El módulo principal se puede conectar por USB a un PC. El módulo de medida se fabrica a medida para cada diferente geometría del objeto, y se intercambian. Únicamente proyecta la luz sobre la muestra y recoge la luz reflejada, que por la fibra vuelve al módulo principal para su detección. Utiliza haz de fibras. La red de difracción está colocada en la parte de detección del módulo principal, de manera que los detectores están colocados en distintas posiciones para recoger el espectro que corresponde con el ángulo de salida de la red de difracción. Esto es, se usan dos detectores pero no se divide el haz de luz (para no perder potencia) sino que se separan espacialmente los espectros con el ángulo de salida de la red de difracción.
Ninguno de los equipos citados ni otros similares cumplen los requisitos necesarios para la caracterización automatizada de los tubos absorbedores para colectores solares, ya sea por rango, sensibilidad y/o configuración mecánica.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Banco, espectrofotómetro y método de caracterización de tubos absorbedores de colectores solares para la caracterización simultánea y automatizada de coeficientes de reflexión y transmisión en cualquier punto del tubo.
La presente invención toma en consideración las características específicas para un diseño que reúna requisitos como automatización, precisión, rapidez en la medida, sensibilidad y rango dinámico adecuados.
El equipo realiza la medida del coeficiente de transmisión del tubo exterior de vidrio y del coeficiente de reflexión del tubo interior metálico. El equipo realiza las medidas para diferentes longitudes de onda determinadas por un monocromador que filtra espectralmente el haz de luz obtenido de una lámpara de luz blanca. Las medidas pueden realizarse automáticamente en cualquier punto del tubo.
Para automatizar el proceso de caracterizar cualquier punto del tubo, el equipo incorpora un sistema de rotación del tubo que permite el giro del mismo en al menos ± 80° y un sistema de desplazamiento lineal que permite desplazar el módulo de medida a lo largo de toda la longitud del tubo y más allá de la longitud del mismo para permitir también la calibración del espectrofotómetro en base a un patrón.
Para realizar la medida de transmisión y de reflexión de forma simultánea e independiente, en el equipo se generan dos haces de luz, uno para transmisión y el otro para reflexión, obtenidos desde la misma fuente de luz y marcados a diferente frecuencia para su correcta diferenciación en detección. Estos dos haces son generados en el módulo principal, que permanece fijo en el banco de medida para mayor estabilidad y durabilidad de las fuentes de luz. Los dos haces son llevados mediante dos fibras ópticas multimodo hasta el módulo de medida, donde se realizan las medidas y que se desplaza a lo largo de la longitud del tubo mediante el sistema de desplazamiento lineal.
Para conseguir un sistema con resolución en longitud de onda, la iluminación del tubo se realiza mediante sistema monocromador y luz blanca que cubre el rango de longitudes de onda en el que se desea obtener la caracterización, preferentemente en el rango de 300 nm a 2500 nm (ultravioleta a infrarrojo cercano) con una resolución definida por el tamaño de la fibra que recoge el haz de luz. El equipo puede realizar medida de tantas longitudes de onda como se desee, con incrementos de longitud de onda o pasos que pueden ser desde 1nm hasta unas decenas de nm, de acuerdo con la normativa de referencia que se aplique en cada caso. Para conseguir el rango espectral cubriendo ultravioleta e infrarrojo cercano, el equipo implementa en cada punto de medida dos fotodetectores con diferentes respuestas espectrales que se solapan, a los que la señal óptica llega al mismo tiempo por medio de un divisor de haz. Es el sistema de tratamiento de datos el que determinará para cada longitud de onda la señal proveniente de cada detector que se procesará.
Con el objeto de conseguir una medida estable frente a cambios de potencia de la fuente y de variaciones de los modos en las fibras multimodo utilizadas en el espectrofotómetro para encaminar la luz hasta el tubo, el equipo realiza de manera simultánea la medida de los coeficientes de transmisión y reflexión de cada punto del tubo bajo medida, simultaneando también para cada una de ellas la medida de luz directa (transmitida y reflejada) con las correspondientes medidas de referencia.
Puesto que la distribución de modos va a variar debido a las modificaciones de posición de la fibra cuando el módulo de medida se desplaza de un punto a otro y con el objeto de conseguir una medida estable frente a variaciones de la distribución de la potencia óptica entre los modos de propagación de las fibras multimodo, los sistemas ópticos de medida de transmisión y de reflexión incluyen un diafragma que es el mismo para las medidas de luz directa y de luz de referencia. Con el objeto de asegurar que toda la luz que atraviesa el tubo es medida por los detectores de luz directa de transmisión, en el sistema óptico se incluye una lente de diámetro al menos dos veces mayor que el tamaño del haz en el punto de recogida de la luz, de manera que se asegura la focalización correcta de la luz sobre los detectores de medida frente a variaciones en la trayectoria de los rayos.
Con el objeto de asegurar que toda la luz reflejada por el tubo es medida por los detectores de luz directa de reflexión, en el sistema óptico se incluye una lente de diámetro al menos dos veces mayor que el tamaño del haz en el punto de recogida de la luz, de manera que se asegura la focalización correcta de la luz sobre los detectores de medida frente a variaciones en la trayectoria de los rayos.
Las relaciones de focales y distancias de objetos e imágenes de los sistemas ópticos de reflexión y de transmisión, tanto en medida de luz directa como en medida de referencia, son de tal manera que el tamaño del haz de luz focalizado en los detectores es menor que el tamaño del área sensible de los detectores.
Para obtener una medida con alta sensibilidad, que permita resolver con precisión valores de los coeficientes de reflexión y transmisión muy pequeños o muy cercanos a la unidad, es necesario que el sistema de adquisición disponga de una relación señal a ruido suficientemente grande. Dado que la señal óptica de fondo proviene principalmente de la luz ambiente, que puede ser de gran intensidad, es indispensable realizar algún tipo de tratamiento a dicha señal que permita lograr que la relación señal/ruido sea elevada. Lo más indicado en este caso es el procesamiento digital de la señal mediante la aplicación de algún algoritmo de extracción como la detección síncrona o lock-in. Para realizar un tratamiento de este tipo, es necesario que la señal a medir pueda distinguirse fácilmente del fondo de ruido, algo que habitualmente se consigue mediante la aplicación de algún tipo de modulación a la misma. En el sistema se modulan a frecuencia diferente la señal óptica utilizada como canal de transmisión y la señal óptica utilizada como canal de reflexión, mediante una hélice rotatoria o sistema chopper.
Otra de las características indispensables en un equipo de este tipo es la posibilidad de gestión y control de manera cómoda y flexible a un ordenador personal. En el caso de la presente invención, esto se resuelve mediante comunicación por puerto USB.
El esquema general del equipo de medida es el siguiente:
- Una estructura de perfiles que hace de banco óptico donde se soporta el tubo, el módulo principal, el módulo de medida, el patrón o estándar, el sistema de giro del tubo y el sistema de desplazamiento lineal del módulo de medida.
- Un módulo principal donde se generan los dos haces de luz para medida de transmisión y de reflexión, formado por:
■ una fuente de luz blanca, preferentemente lámpara de Xe o halógena
■ un monocromador que cubra el rango espectral que se desee caracterizar, preferentemente desde 300nm hasta 2500nm
■ un sistema óptico que genere los dos canales ópticos de medida modulados a diferente frecuencia, preferentemente por técnica de chopper y con salida en fibra multimodo.
Dos fibras multimodo que conectan ópticamente el módulo principal que permanece fijo con el módulo de medida que se desplaza a lo largo del tubo y del estándar o patrón.
Un módulo de medida donde se realiza la iluminación del tubo y las medidas de las señales ópticas necesarias para caracterizar los coeficientes de transmisión y reflexión del tubo, formado por:
■ Un sistema óptico para la medida de transmisión compuesto por elementos como lentes, divisores de haz y diafragmas junto con la mecánica y electrónica necesaria para la correcta caracterización de la transmisión del tubo de vidrio.
■ Un sistema óptico para la medida de reflexión compuesto por elementos como lentes, divisores de haz y diafragmas junto con la mecánica y electrónica necesaria para la correcta caracterización de la reflexión del tubo metálico.
■ Un circuito digital, que realiza las funciones de adquisición y conversión analógico/digital de las señales de interés.
La conexión entre módulo principal y módulo de medida para la transmisión de las señales eléctricas medidas y datos, preferentemente conexión USB.
Un desplazador lineal que permite desplazar la unidad de medida a lo largo de la longitud del tubo y del patrón o estándar.
Un sistema mecánico de soporte del tubo que posibilite el giro del tubo de forma controlada en al menos ±180°.
Un sistema de comunicación con cualquier ordenador personal que disponga del software de medida adecuado, siendo en una realización preferente comunicación por puerto USB.
Una unidad central de proceso, que controla el funcionamiento global del sistema, seleccionando los componentes electrónicos correspondientes al canal utilizado en cada momento y gobernando las comunicaciones internas y externas.
El software a instalar en el ordenador que va a utilizarse con el equipo, necesario para llevar a cabo la comunicación con el mismo y el tratamiento posterior de la información adquirida. Este tratamiento incluye el procesado de la señal para la eliminación del ruido y el almacenamiento de los datos obtenidos en el formato adecuado.
Una de las ventajas y avances que aporta la invención es el hecho de que el sistema sea capaz de realizar medidas de transmitancia y reflectancia de los tubos de forma automatizada en cualquier punto o puntos elegidos, con alta resolución espectral y en rangos espectrales configurables de forma sencilla ajustados a la normativa aplicable en cada caso.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, acompañan a esta memoria descriptiva una serie de figuras donde, con carácter meramente indicativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 representa una imagen del equipo de medida, incluyendo el banco óptico, los módulos ópticos del sistema, el ordenador externo para el control del equipo y el sistema de comunicación entre el equipo y el ordenador.
La figura 2 representa un esquema del equipo de medida de la realización propuesta, incluyendo el sistema óptico y los componentes electrónicos, así como la tarjeta de adquisición de datos que realiza las funciones de conversión analógico /digital de las señales y la comunicación con el PC.
La figura 3 representa la vista de la cara de focalización y medida de referencia del banco de reflexión del módulo de medida.
La figura 4 representa la vista de la cara de medida directa del banco de reflexión del módulo de medida.
La figura 5 representa la vista del banco de transmisión del módulo de medida.
La figura 6 representa la vista de los bancos de transmisión y de reflexión del módulo de medida, incluyendo una representación de los haces de luz para las medidas de transmisión y de reflexión.
En cuanto a las referencias utilizadas en las figuras:
(1) Banco de medida
(2) Tubo bajo ensayo
(3) Tubo patrón o estándar
(4) Módulo de medida
(5) Módulo principal
(6) Sistema electrónico de adquisición de datos con conversor analógico/digital.
(7) Ordenador de control y tratamiento de datos. (8) Sistema de comunicación.
(9) Sistema mecánico de giro del tubo.
(10) Unidad lineal de desplazamiento.
(11) Conjunto de filtros ópticos
(12) Canal óptico para la medida de transmisión
(13) Tubo exterior de vidrio
(14) Canal óptico para la medida de reflexión
(15) Tubo interior metálico
(16) Monocromador
(17) Fuente de luz blanca
(18) Sistema de modulación de la señal óptica por chopper
(19) Cadena portacables
(20) Lente colimación canal transmisión
(21) Divisor haz de transmisión para obtención referencia
(22) Lente recogida para medida directa del canal de transmisión
(23) Detector InGaAs medida directa del canal de transmisión
(24) Detector Si medida directa del canal de transmisión
(25) Divisor de haz de transmisión para medida directa
(26) Lente recogida para medida referencia del canal de transmisión (27) Divisor de haz de transmisión para medida referencia
(28) Detector InGaAs medida referencia del canal de transmisión
(29) Detector Si medida referencia del canal de transmisión
(30) Lente focalización canal reflexión
(31 ) Lente recogida para medida directa del canal de reflexión (32) Divisor haz de reflexión para medida directa
(33) Detector InGaAs medida directa del canal de reflexión
(34) Detector Si medida directa del canal de reflexión
(35) Lente recogida para medida referencia del canal de reflexión
(36) Divisor de haz de reflexión para medida referencia
(37) Detector InGaAs medida referencia del canal de reflexión
(38) Detector Si medida referencia del canal de reflexión
(39) Señales de modulación
(40) Señales eléctricas analógicas medidas
(41 ) Control mediante salidas digitales
(42) Banco de reflexión (43) Banco de transmisión
(44) Ventana para paso haz reflexión
(45) Haz de luz de medida de transmisión
(46) Haz de luz de medida de reflexión
(47) Comandos
(48) Datos
(49) Divisor de haz
(50) Diafragma
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Según una realización preferente el equipo comprende un banco de medida (1) en el que se coloca el tubo bajo ensayo (2) y un espectrofotómetro que está formado por: un módulo de medida (4) que realiza la medida de los coeficientes de reflexión y de transmisión, un módulo principal (5) que genera los haces ópticos para los dos canales de luz, reflexión y transmisión, un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos con conversor analógico/digital (6), un ordenador externo (7) y un sistema de comunicación (8) entre el equipo y dicho ordenador, dispuestos preferentemente como se detalla en la figura 1.
En el banco de medida (1) se coloca el tubo bajo ensayo (2) de manera que queda sujeto por sus extremos a unos rodamientos y un sistema de giro (9) que permiten el giro del tubo en un ángulo de al menos 180°. Por la parte inferior del tubo (2), una unidad lineal de desplazamiento (10) soporta el módulo de medida (4) de manera que éste puede desplazarse a lo largo de la longitud del tubo bajo ensayo (2) y llegar también a la zona del banco de medida (1) donde se coloca un tubo patrón (3) que permite la correcta calibración de las medidas. En función de la posición del módulo de medida (4) y de la posición de giro del tubo bajo medida (2), el equipo puede realizar de forma automatizada la medida de los coeficientes de reflexión y de transmisión de cualquier punto o puntos del tubo (2).
El sistema óptico es una sección clave del equipo propuesto, pues debe posibilitar la realización de una medida simultánea de los tubos en transmisión y reflexión, con la precisión y comodidad requeridas. Para lograrlo, se propone una realización preferente según el esquema de la figura 2 donde se detalla el esquema del espectrofotómetro.
El espectrofotómetro incluye, dentro del módulo principal (5), dos canales de luz, un primer canal para medida de transmitancia (12) del tubo de vidrio exterior (13), y un segundo canal para medida de reflectancia (14) del tubo metálico interior (15). Los dos canales de luz se generan a partir del haz de luz de salida de un monocromador (16) que selecciona la longitud de onda deseada sobre la señal de luz que proviene de una única fuente de luz blanca (17), pudiendo ser lámpara Xe o lámpara halógena. A la entrada del monocromador, un conjunto de filtros (11) que van conmutando aseguran la eliminación de armónicos en el rango espectral de medida.
Para lograr una relación señal/ruido elevada en las medidas de las señales, lo más indicado es el procesamiento de la señal mediante la aplicación de algún algoritmo de extracción como la detección síncrona o lock-in. Para realizar un tratamiento de este tipo, es necesario que la señal a medir pueda distinguirse fácilmente del fondo de ruido, algo que habitualmente se consigue mediante la aplicación de algún tipo de modulación de la misma. Para ello, cada canal de luz (12, 14) es modulado en intensidad a una frecuencia de modulación (39) baja diferente mediante chopper (18), de manera que se implementa detección síncrona o lock-in individual para cada canal. De esta forma, la medida de los coeficientes de reflexión y de transmisión es simultánea y sin influencia de la luz ambiente. Este procesado se realiza de forma digital en el ordenador (7), para lo cual es necesario la previa conversión de las señales analógicas mediante la tarjeta de adquisición (6).
Los dos canales de luz modulados (12, 14) son llevados por sendas fibras ópticas multimodo de área grande hasta el módulo de medida (4) a través de una cadena portacables (19, figura 1).
Para cada canal de luz (12, 14), el espectrofotómetro incluye simultáneamente dos medidas, una la medida de la señal directa, bien transmitida por el tubo exterior (13) o bien reflejada por el tubo interior (15) según el canal, y una segunda, la medida de la señal de referencia. Para cada una de las medidas, el espectrofotómetro implementa dos detectores (23-24, 33-34) cuyo espectro de respuesta se solapa, de manera que el conjunto cubre un rango espectral de medida mayor que el cubierto por cada uno de los detectores individualmente.
En el canal de medida de transmitancia (12), el haz de luz a la salida de la fibra óptica multimodo es colimado mediante lente óptica (20) en el rango de frecuencias de trabajo, y dividido por un divisor de haz (21) para generar el haz para la medida directa y el haz para la medida de referencia. Esta lente (20) hace de diafragma del sistema óptico, de manera que se asegura una medida de transmitancia estable frente a cambios en la distribución de los modos de la fibra. Por un lado, la señal óptica de medida directa se dirige a través del tubo de vidrio bajo medida (13) y es luego recogida por una segunda lente (22) de diámetro mayor que el diafragma del sistema, de manera que se asegura el capturar toda la luz del haz frente a desviaciones del haz al atravesar el vidrio curvado del tubo (13). Esta segunda lente (22) focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (23) y (24), tras pasar por un divisor de haz (25) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores. Los detectores son uno de Si y otro de InGaAs, para cubrir el rango de frecuencias ópticas desde 300nm hasta 2500nm. Por otro lado, la señal óptica de medida de referencia es recogida por una lente (26) de diámetro mayor que el diafragma del sistema (20) para asegurar capturar toda la luz del haz. Esta segunda lente (26) focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (28) y (29), tras pasar por un divisor de haz (27) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores (28, 29). Los detectores son uno de Si y otro de InGaAs.
En el canal de medida de reflectancia (14), el haz de luz a la salida de la fibra óptica multimodo es dividido por un divisor de haz (49) para generar el haz para la medida directa y el haz para la medida de referencia. Delante de este divisor de haz se coloca un diafragma (50), de manera que se asegura una medida de reflectancia estable frente a cambios en la distribución de los modos de la fibra. Por un lado, el haz óptico de medida directa es focalizado mediante lente óptica (30) sobre la superficie del tubo metálico (15), y el haz reflejado en el tubo metálico (15) es recogido por una segunda lente (31) de diámetro mayor que el tamaño del haz en este punto, de manera que se asegura el capturar toda la luz del haz frente a desviaciones del haz al reflejar en el tubo curvado metálico. Esta segunda lente (31) focaliza el haz óptico sobre dos detectores de área grande (33) y (34), tras pasar por un divisor de haz (32) donde es dividido y encaminado hacia dichos detectores. Los detectores son uno de Si y otro de InGaAs, para cubrir el rango de frecuencias ópticas desde 300nm hasta 2500nm. Por otro lado, la señal óptica de medida de referencia es recogida por una lente (35) de diámetro mayor que el tamaño del haz en este punto, para asegurar capturar toda la luz del haz. Esta segunda lente focaliza la señal óptica sobre dos detectores (37) y (38) de área grande, tras pasar por un divisor de haz (36) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores. Los detectores son uno de Si y otro de InGaAs.
Las señales eléctricas analógicas detectadas o medidas (40) en los detectores del módulo de medida (4), son convertidas a señales digitales en el sistema electrónico de adquisición de datos (6) mediante un conversor analógico/digital, y llevadas hasta el ordenador (7) para su procesamiento.
La disposición de los elementos del sistema óptico en el módulo de medida es clave pues debe posibilitar la medida correcta de los coeficientes de transmisión y reflexión sobre la misma parte del tubo, tanto en ángulo de incidencia como en corrección de las medidas. Para lograrlo, se propone como realización preferente la mostrada en las figuras 3, 4, 5 y 6.
El sistema óptico de la medida de reflectancia está colocado sobre el banco de reflexión (42, figura 3) que es una base en forma de cuña de manera que el ángulo de incidencia de haz de luz sobre el tubo metálico es en 15°. En un lado de esta base se colocan los elementos ópticos que forman el sistema de focalización del haz de luz de reflexión (49, 50, 30) sobre la superficie del tubo metálico junto con el sistema óptico y electrónico para la medida de la señal de referencia de la reflexión (35, 36) tal y como muestra la figura 3. En el otro lado de esta base (figura 4) se colocan los elementos ópticos de recogida y focalización en los detectores (33, 34) del haz de luz reflejado por el tubo metálico y los elementos electrónicos para la medida de la señal directa de la reflexión (31 , 32).
El sistema óptico de la medida de transmitancia está colocado sobre el banco de transmisión (43) que es una base plana, tal y como muestra la figura 5. En un lado de esta base se colocan los elementos ópticos que forman el sistema de colimación del haz de luz de transmisión (20, 21) a través del tubo de vidrio (13) junto con el sistema óptico y electrónico para la medida de la señal de referencia de la transmisión (26, 27 28 29). En el otro lado de esta base se colocan los elementos ópticos de recogida y focalización (23, 24, 25) en los detectores del haz de luz que atraviesa el tubo de vidrio (13) y los elementos electrónicos para la medida de la señal directa de la transmisión. En medio de estos dos sistemas ópticos queda colocado el tubo bajo medida, y una ventana (44) que permite el paso del haz óptico de reflexión incidente y reflejado por el tubo metálico (15).
Los sistemas de medida de transmitancia y de reflectancia están colocados uno respecto al otro de manera que se miden los puntos del tubo de vidrio (13) y del tubo metálico (15) que quedan en la misma posición longitudinal del tubo tal y como muestra la figura 6. El sistema óptico de transmitancia está colocado de manera que su eje óptico de incidencia (45) es transversal al eje del tubo, y debajo de él se encuentre el sistema óptico de reflectancia colocado de manera que su eje óptico de incidencia (46) es longitudinal al eje del tubo. De esta manera se asegura mayor tolerancia frente a variaciones de la posición del tubo metálico (15) y también se posibilita la correcta corrección de la medida de reflectancia con la atenuación del tubo al recorrer los haces caminos similares en el interior del tubo de vidrio (13).
El valor de medida de la transmitancia del tubo de vidrio (13) se realiza a partir de las señales ópticas medidas en el haz de medida directa y en el haz de medida de referencia, considerando la corrección debida a la curvatura del tubo de vidrio (13).
El valor de medida de la reflectancia del tubo metálico (15) se realiza a partir de las señales ópticas medidas en el haz de medida directa y en el haz de medida de referencia, considerando la corrección debida a la atenuación del tubo metálico (15) obtenida en la medida de reflectancia del tubo metálico (15).
Ambas medidas, transmitancia y reflectancia, son realizadas simultáneamente. En función de la longitud de onda, en el equipo se posiciona un filtro óptico (11) para la eliminación de armónicos y unas ganancias en los detectores para adecuar el nivel de señal recibida en cada uno al rango de medida de cada detector. Los fotodetectores están seguidos de dos etapas de amplificación cuya ganancia depende del valor de las resistencias que incluyen. Una de esas resistencias puede ser un potenciómetro digital cuyo valor se puede controlar vía software, lo que permite ajustar la ganancia de cada canal en cualquier momento utilizando las salidas digitales (41) del sistema de conversión analógico/digital (6).
Un programa instalado en el ordenador de control (7) permite utilizar los comandos (47) programados en el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6) para realizar todas las funciones necesarias en el proceso de medida, entre ellos la selección de la longitud de onda de medida en el monocromador (16), del filtro (11) colocado a la entrada del monocromador, de las ganancias en los detectores, de la posición del cabezal de medida en la longitud del tubo y de la posición de giro del tubo, y la lectura de los datos obtenidos (48) para su posterior tratamiento y almacenaje.
En cuanto al método de funcionamiento del equipo, comprende las siguientes etapas para la obtención de los coeficientes de reflexión y transmisión de los tubos:
1. Posicionar el tubo (2) en el banco (1)
2. Encender la lámpara de luz blanca (17) del equipo.
3. Seleccionar en el sistema los puntos de medida del tubo y las longitudes de onda de medida.
4. El equipo posicionará secuencialmente la rotación del tubo y la posición del módulo de medida (4) en cada uno de los puntos de medida configurados. En cada uno de estos puntos, el monocromador (16) realiza el barrido espectral seleccionado. Para cada longitud de onda, el dato obtenido en los detectores de transmisión y de reflexión se normaliza con su medida de referencia. En función de la longitud de onda, en el equipo se posiciona un filtro óptico (11) para la eliminación de armónicos y unas ganancias en los detectores para adecuar el nivel de señal recibida en cada uno al rango de medida de cada detector.
5. Posteriormente, se obtiene el coeficiente de transmisión y de reflexión de los tubos (2) para cada longitud de onda de medida. Este valor final de los coeficientes se obtiene también por referencia a un patrón conocido.
6. Los valores correspondientes al patrón (3) están almacenados en el equipo y se han obtenido previamente tras un proceso de calibración, que requiere la utilización de un tubo (3) con coeficientes de transmisión y de reflexión conocidos. Esta calibración se realiza siguiendo los pasos 2 a 4 de este mismo procedimiento.
Así pues, la aplicación industrial de este equipo es la caracterización de superficies de tipo tubo absorbedor que se instalan en los colectores solares, normalmente compuestos por dos tubos concéntricos: un tubo interior metálico del que interesa conocer su coeficiente de reflexión y un tubo exterior de vidrio, del que interesa conocer su coeficiente de transmisión. Aunque su diseño es específico para este tipo de superficies, podría utilizarse en cualquier tipo de aplicación de características similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) de los formados por un tubo interior metálico (15) y un tubo exterior de vidrio (13) caracterizado porque el espectofotómetro se sitúa en un banco de medida (1) donde se coloca el tubo (2) a caracterizar y comprende:
- un módulo principal (5) que genera los haces de luz para la medida de transmisión del tubo de vidrio exterior (13) y para la medida de reflexión del tubo metálico interior (15);
- un módulo de medida (4) que se desplaza de forma automatizada a lo largo de la longitud del tubo (2) y realiza en cada punto la medida del coeficiente de reflexión del tubo interior (15) y la medida del coeficiente de transmisión del tubo exterior (13);
- un sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos con conversor analógico/digital (6);
- un ordenador externo (7) para el control del equipo y el tratamiento de los datos medidos (48);
- un sistema de comunicación (8) entre el equipo y el ordenador (7) y el resto del equipo.
2. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el banco de medida (1) comprende un sistema mecánico (9) para el giro del tubo (2) y una unidad lineal de desplazamiento (10) para el desplazamiento del módulo de medida (4) a lo largo de la longitud del tubo (2).
3. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el módulo principal (5) comprende una fuente de luz blanca (17), un conjunto de filtros (11) a la salida de la fuente (17) que conmutan asegurando la eliminación de armónicos en el rango espectral de medida, un monocromador (16) a la salida de los filtros que selecciona la longitud de onda deseada sobre la señal de luz, dos fibras ópticas multimodo a la salida del monocromador (16) para generar dos canales ópticos (12, 14) y un sistema de modulación por chopper (18) de la señal óptica de los dos canales (12, 14).
4. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el módulo principal (5) y el módulo de medida (4) se conectan mediante dos fibras ópticas multimodo de área grande colocadas en una cadena portacables (19).
5. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 4 caracterizado porque tanto para la medida de transmisión o transmitancia como para la de reflexión o reflectancia, el módulo de medida (4) realiza simultáneamente dos medidas: una la medida de la señal directa, bien transmitida por el tubo exterior de vidrio (13) o bien reflejada por el tubo interior metálico (15) y una segunda, la medida de la señal de referencia.
6. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 5 caracterizado porque en la medida de transmitancia (12), tras la salida de la fibra óptica multimodo, se instala una lente óptica (20) en el rango de frecuencias de trabajo para colimar el haz de luz a la salida de la fibra óptica multimodo y que actúa como diafragma del sistema, a continuación se instala un divisor de haz (21) para generar el haz para la medida directa y el haz para la medida de referencia.
7. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 6 caracterizado porque para la medida directa se instala una segunda lente (22) de diámetro mayor que el diafragma del sistema (20) que captura toda la luz del haz tras atravesar el vidrio curvado del tubo (13) y tras la lente (22) se instala un divisor de haz (25) que divide y focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (23) y (24).
8. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 6 caracterizado porque para la medida de referencia se instala una lente (26) de diámetro mayor que el diafragma del sistema que focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (28, 29), tras pasar por un divisor de haz (27) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores (28, 29).
9. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 5 caracterizado porque en la medida de reflectancia, tras la salida de la fibra óptica multimodo, se coloca un diafragma (50), de manera que se asegura una medida de reflectancia estable y a continuación se instala un divisor de haz (49) para generar el haz para la medida directa y el haz para la medida de referencia.
10. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 9 caracterizado porque para la medida directa se instala una lente óptica (30) que focaliza el haz de luz sobre la superficie del tubo metálico (15), y tras ella se coloca una segunda lente (31) de diámetro mayor que el tamaño del haz en este punto y esta segunda lente (31) focaliza el haz óptico sobre dos detectores de área grande (33, 34), tras pasar por un divisor de haz (32) donde es dividido y encaminado hacia dichos detectores.
11. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 9 caracterizado porque para la medida de referencia se instala una lente (35) de diámetro mayor que el tamaño del haz en este punto que focaliza la señal óptica sobre dos detectores de área grande (37, 38), tras pasar por un divisor de haz (36) donde es dividida y encaminada hacia dichos detectores (37, 38).
12. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según cualquiera de las reivindicaciones 7, 8, 10, 11 caracterizado porque los detectores empleados (23-24, 28-29, 33-34, 37-38) tienen espectro de respuesta que se solapa, de manera que el conjunto cubre un rango espectral de medida mayor que el cubierto por cada uno de los detectores individualmente.
13. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 12 caracterizado porque cada pareja de detectores son uno de Si y otro de InGaAs, para cubrir el rango de frecuencias ópticas desde 300nm hasta 2500nm.
14. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 12 caracterizado porque los fotodetectores están seguidos de dos etapas de amplificación a base de resistencias.
15. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 14 caracterizado porque las resistencias puede ser un potenciómetro digital cuyo valor se puede controlar vía software.
16.- Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema óptico de la medida de reflectancia está colocado sobre el banco de reflexión (42) que es una base en forma de cuña.
17. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 16 caracterizado porque la cuña es tal que el ángulo de incidencia del haz de luz sobre el tubo metálico es de 15o.
18. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 16 caracterizado porque en un lado del banco de reflexión (42) se colocan los elementos ópticos que forman el sistema de focalizacion del haz de luz de reflexión sobre la superficie del tubo metálico junto con el sistema óptico y electrónico para la medida de la señal de referencia de la reflexión y en el otro lado del banco (42) se colocan los elementos ópticos de recogida y focalizacion en los detectores del haz de luz reflejado por el tubo metálico y los elementos electrónicos para la medida de la señal directa de la reflexión.
19. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema óptico de la medida de transmltancia está colocado sobre el banco de transmisión (43) que es una base plana.
20. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 19 caracterizado porque en un lado del banco de transmisión (43) se colocan los elementos ópticos que forman el sistema de colimación del haz de luz de transmisión a través del tubo de vidrio junto con el sistema óptico y electrónico para la medida de la señal de referencia de la transmisión y en el otro lado se colocan los elementos ópticos de recogida y focalización en los detectores del haz de luz que atraviesa el tubo de vidrio y los elementos electrónicos para la medida de la señal directa de la transmisión.
21. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicaciones 16 y 19 caracterizado porque en medio de estos dos sistemas ópticos queda colocado el tubo a medir (2) y una ventana (44) que permite el paso del haz óptico de reflexión incidente y reflejado por el tubo metálico.
22. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 21 caracterizado porque el sistema óptico de transmitancia está colocado de manera que su eje óptico de incidencia (45) es transversal al eje del tubo (2) y debajo de él se encuentre el sistema óptico de reflectancia colocado de manera que su eje óptico de incidencia (46) es longitudinal al eje del tubo
23. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6) cuenta con un conversor analógico/digital que recibe las señales eléctricas analógicas detectadas (40) en el módulo de medida (4) y las lleva hasta el ordenador (7) para su procesamiento.
24. - Espectrofotómetro para caracterización óptica automatizada de tubos colectores solares (2) según reivindicación 1 caracterizado porque el ordenador externo (7) para el control del equipo de tratamiento de los datos medidos tiene un programa instalado que permite utilizar los comandos (47) programados en el sistema electrónico de adquisición y tratamiento de datos (6) para realizar todas las funciones necesarias en el proceso de medida y la lectura de los datos obtenidos (48) para su posterior tratamiento y almacenaje.
25. - Método de funcionamiento del espectrofotómetro descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas para la obtención de los coeficientes de reflexión y transmisión de los tubos:
1. Posicionar el tubo (2) en el banco (1 ) Encender la fuente de luz blanca (17) del equipo.
Seleccionar en el sistema los puntos de medida del tubo (2) y las longitudes de onda de medida.
El equipo posicionará secuencialmente la rotación del tubo y la posición del módulo de medida (4) en cada uno de los puntos de medida configurados; en cada uno de estos puntos, el monocromador (16) realiza el barrido espectral seleccionado; para cada longitud de onda, el dato obtenido en los detectores de transmisión y de reflexión se normaliza con su medida de referencia; en función de la longitud de onda, en el equipo se posiciona un filtro óptico para la eliminación de armónicos y unas ganancias en los detectores para adecuar el nivel de señal recibida en cada uno al rango de medida de cada detector.
Posteriormente, se obtiene el coeficiente de transmisión y de reflexión de los tubos para cada longitud de onda de medida; este valor final de los coeficientes se obtiene también por referencia a un patrón conocido.
Los valores correspondientes al patrón están almacenados en el equipo y se han obtenido previamente tras un proceso de calibración, que requiere la utilización de un tubo (3) con coeficientes de transmisión y de reflexión conocidos; esta calibración se realiza siguiendo los pasos 2 a 4 de este mismo procedimiento.
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