sensor de temperatura

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Universidad de Guadalajara
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS
Práctica
Jorge Mario Salvatore Bernal Amezcua [214554483] Sofia Alejandra Martinez Ramirez [214130217]
Johana Yaredt Arredondo Garay [218340275]
Profesor: Dr. Jorge Luis Flores Nuñez
Ingeniería Fotónica | Optoelectrónica
31 de mayo de 2022
Resumen
En este proyecto de fin de curso se realiza el análisis y diseño de un sensor de temperatura remoto.
El objetivo principal del proyecto es desarrollar un dispositivo capaz de obtener la temperatura de un
objeto situado a una cierta distancia, conocida su emisividad y la radiación infrarroja emitida por
éste. Además, se plantea el estudio de los principios básicos de termometría infrarroja y la clasificación
de diferentes sensores con el fin de seleccionar el más adecuado para el desarrollo de nuestro dispositivo.
Palabras clave: termómetro, radiación infrarroja,
1
Índice
I. Introducción 3
II. Marco Teórico 3
I. Radiación Infrarroja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
II. Fundamentos físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
III.Desarrollo 4
I. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.2. Codigo Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
IV.Resultados 7
.1. Video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
V. Conclusión 7
Índice de figuras
1. Absorción, reflexión y transmisión de la energía incidente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Absorción, reflexión y transmisión de la energía incidente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3. Diagrama a bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4. Funcionamiento del termometro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
5. Resultados Termómetro Casero vs Termómetro Profesional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
6. Proyecto Optoelectrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
7. Temperatura Ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
8. Temperatura Corporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2
I. Introducción
Hoy en día el uso del termómetro se convirtió
en algo cotidiano los sistemas de medición de
temperatura usando termómetros infrarrojos cada
vez son más utilizados. Estos sensores miden la
temperatura sin contacto, utilizando la propiedad
que tienen todos los materiales de emitir ondas
electromagnéticas en el rango del infrarrojo, estando
esta radiación totalmente relacionada con la
temperatura del objeto. Conociendo la cantidad
de energía infrarroja emitida por el objeto y su
emisividad, la temperatura del objeto puede ser
determinada.
II. Marco Teórico
En esta sección se desglosaran términos que
nos ayudaran a entender de mejor forma el
funcionamiento de nuestro sensor de temperatura
remoto.
I. Radiación Infrarroja
La radiación infrarroja (IR) es una radiación
electromagnética cuya longitud de onda comprende
desde los 760-780 nm, limitando con el color rojo en
la zona visible del espectro, hasta los 10.000 o 15.000
nm (según autores), limitando con las microondas.
Su descubrimiento se debe a W Herschel, quien
en 1800 detectó en el espectro de la radiación
solar un aumento importante de temperatura en
la zona situada más allá del rojo, de la que
no provenía ninguna luz visible. Posteriormente,
Kírchhoff, Wien y Stephan estudiaron de forma
experimental sus leyes y propiedades.
La Comisión Internacional de Iluminación o CIE
(del francés: Commission International d’ Èclairage)
ha establecido tres bandas en el IR:
IRA: 780-1,400nm
IRB: 1.400-3.000 nm
IRC: 3.000-10.000 nm
Sin embargo, a efectos prácticos, según los efectos
biológicos, suelen dividirse en IR distales (entre
los 15.000 y 1.500 nm) e IR proximales (entre
los 1.500 y los 760 nm). Desde el punto de vista
terapéutico, es una forma de calor radiante, que
puede transmitirse sin necesidad de contacto con
la piel. Produce un calor seco y superficial, entre 2
y 10 mm de profundidad.
II. Fundamentos físicos
En torno al año 1900 Max Planck, Josef
Stefan, Ludwig Edward Boltzmann, Wilhelm Wien
y Gustav Kirchhoff establecieron correlaciones
cualitativas y cuantitativas para describir la energía
infrarroja. A continuación se definen algunos
términos y conceptos característicos de la energía
radiante de tipo calorífico. De toda la radiación
que incide sobre una superficie, una parte puede
absorberse por el cuerpo, otra reflejarse y una
tercera transmitirse a través del mismo. De esta
manera se define:
Coeficiente de absorción (a): Fracción de la
radiación absorbida por el cuerpo con respecto
a la energía incidente.
Coeficiente de reflexión (r): Fracción de la
radiación reflejada con respecto a la energía
incidente.
Coeficiente de transmisión (t): Fracción de
la radiación transmitida con respecto a la
energía incidente.
3
Figura 1: Absorción, reflexión y transmisión de la energía
incidente.
Un cuerpo capaz de absorber toda la energía
incidente se denomina cuerpo negro. La radiación
que incide sobre éste no se refleja ni se transmite
a través del mismo, de tal forma que sólo emite
la radiación correspondiente a su temperatura. Un
cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino
que es un objeto ideal que se utiliza como referencia
respecto a otros radiadores.
Figura 2: Absorción, reflexión y transmisión de la energía
incidente.
Cuando un cuerpo está en equilibrio térmico
con sus alrededores, su coeficiente de absorción
y su emisividad son iguales (Ley de Kirchhoff).
Teóricamente, la superficie ideal para la medición
con termómetros infrarrojos está representada por
un cuerpo negro, cuya emisividad es igual a uno.
La emisividad (ϵ), es la capacidad de un objeto de
emitir o absorber energía. Se define como la relación
entre la energía emitida por un objeto a una cierta
temperatura y la emitida por cuerpo negro en la
misma temperatura. Cualquier objeto o cuerpo real
tiene valores inferiores a los de un cuerpo negro. Los
valores de emisividad varían en función del material
y se encuentran comprendidos entre cero y uno.
La ley de radiación de Planck nos muestra la
radiación emitida por un cuerpo negro situado a
una cierta temperatura T, en función de la longitud
de onda λ [VA98]. Quedando la radiación térmica
por unidad de área A y en función de la longitud de
onda:
Siendo
c =
1
√
ϵ0µ0
la velocidad de propagación de la luz en el
vacío, y c1, c2 las constantes de radiación (c1 =
3.74x10−6Wm2, c2 = 1.44x10
−2Km)
La intensidad total M(W/m2), de la radiación
emitida por un cuerpo negro se obtiene integrando
la expresión [2], en todo el espectro. De esta forma se
obtiene la ley de Stefan Boltzmann, la cual establece
que la energía emitida por un cuerpo negro es
proporcional a la cuarta potencia de su temperatura
absoluta.
III. Desarrollo
I. Procedimiento
Para este proyecto nuestro objetivo fue diseñar
e implementar un sensor de temperatura, con el
objetivo de poder monitorear la temperatura del
ambiente, y la temperatura corporal de manera
4
simultanea. Esto guiandonos a partir del siguiente
diagrama a bloques.
Figura 3: Diagrama a bloques
De esta manera, el dispositivo podrá medir
y registrar la intensidad de la temperatura a
cierta distancia del cuerpo, así como del ambiente,
mostrando así, la información en un Display LCD.
Cabe mencionar que este dispositivo lo diseñamos
basándonos en la ley de Stefan Boltzmann, en donde
dicha ley menciona que la radiación que emite es
directamente proporcional a la temperatura.
Un termómetro infrarrojo es capaz de detectar
esta radiación y convertirla a temperatura.
Figura 4: Funcionamiento del termometro
I.1. Materiales
Termómetro infrarrojo (Sensor MLX90614)Arduino UNO
Display LCD 16*2 Luz Azul Arduino
Raspberry
Lampara luz blanca
Caja de colores
Tornillos
Cables
Aplicación Arduino
5
I.2. Codigo Arduino
#include <LiquidCrystal_I2C . h> //
#include <Adafruit_MLX90614 . h> //
LiquidCrystal_I2C lcd (0 x27 , 1 6 , 2 ) ; //
Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614 ( ) ; //
void setup ( ) { //
l cd . i n i t ( ) ; // I n i c i a r LCD
l cd . back l i gh t ( ) ; // Act ivar l u z de fondo
l cd . c l e a r ( ) ; // Borrar datos LCD
l cd . se tCursor (4 , 0 ) ; // Coordenadas LCD
l cd . p r i n t ( "Proyecto " ) ; // Mensaje de i n i c i o
l cd . se tCursor (0 , 1 ) ; // coordenadas LCD
l cd . p r i n t ( "␣Optoe l e c t ro inca " ) ; // I n i c i o
delay (3000) ; //
l cd . c l e a r ( ) ; // borrar LCD
l cd . se tCursor (3 , 0 ) ; // coordenadas LCD
l cd . p r i n t ( "Termometro" ) ; //Mensaje Pirometro
l cd . se tCursor (3 , 1 ) ; // coordenadas LCD
l cd . p r i n t ( " I n f r a r r o j o " ) ; // Mensaje de I n f r a r r o j o
delay (2000) ;
l cd . c l e a r ( ) ;
l cd . se tCursor (4 , 0 ) ; // coordenadas LCD (x , y )
l cd . p r i n t ( "Var iab le " ) ; // Mensaje de v a r i a b l e
l cd . se tCursor (2 , 1 ) ; // coordenadas LCD (x , y )
l cd . p r i n t ( "TEMPERATURA" ) ; //
delay (1000) ;
l cd . c l e a r ( ) ;
l cd . se tCursor (4 , 0 ) ; // coordenadas LCD (x , y )
l cd . p r i n t ( "Var iab le " ) ; // Mensaje de v a r i a b l e
l cd . se tCursor (2 , 1 ) ; // coordenadas LCD (x , y )
l cd . p r i n t ( "TEMPERATURA" ) ; // Mensaje de Temperatura
delay (1000) ;
l cd . c l e a r ( ) ;
l cd . se tCursor (4 , 0 ) ; // coordenadas LCD (x , y )
l cd . p r i n t ( "Dr" ) ;
l cd . se tCursor (2 , 1 ) ; // coordenadas LCD (x , y )
l cd . p r i n t ( " Jorge ␣ F lo r e s " ) ;
de lay (1000) ;
l cd . c l e a r ( ) ;
void loop ( ) {
l cd . c l e a r ( ) ;
l cd . se tCursor (0 , 0 ) ;
l cd . p r i n t ( "Ambient=␣" ) ; l cd . p r i n t (mlx . readAmbientTempC ( ) ) ; l cd . p r i n t ( "∗C" ) ;
l cd . se tCursor (0 , 1 ) ;
i f (mlx . readObjectTempC ( ) >32){
l cd . p r i n t ( "Object ␣=␣" ) ; l cd . p r i n t (mlx . readObjectTempC ( ) ) ; l cd . p r i n t ( "∗C" ) ;
}
de lay (3000) ;
}
6
IV. Resultados
A continuación se muestran los resultados
obtenidos, haciendo una comparación con un
termómetro profesional y el termómetro que
realizamos.
Figura 5: Resultados Termómetro Casero vs
Termómetro Profesional
Presentación de bienvenida en la pantalla LCD
Figura 6: Proyecto Optoelectrónica
Temperatura Ambiental
Figura 7: Temperatura Ambiental
Temperatura Corporal
Figura 8: Temperatura Corporal
.1. Video
https://youtu.be/ul8uLGmysv0
V. Conclusión
El objetivo de este proyecto fue logrado gracias
al estudio de los principios de radiación de los
materiales en el infrarrojo próximo, al sensor y
los componentes utilizados, así como al desarrollo
electrónico, óptico y mecánico utilizado, junto con
su calibración y verificación de funcionamiento.
Referencias
[1] https://core.ac.uk/download/pdf/30046656.pdf
[2] https://astronomia.fandom.com/wiki/Ley_de_Stefan-Boltzmann
[3] https://www.luisllamas.es/arduino-y-el-termometro-infrarrojo-a-distancia-mlx90614
[4] https://www.fisica.unam.mx/personales/romero/2010/Cuerpo-Negro.pdf
7
https://youtu.be/ul8uLGmysv0
https://core.ac.uk/download/pdf/30046656.pdf
https://astronomia.fandom.com/wiki/Ley_de_Stefan-Boltzmann
https://www.luisllamas.es/arduino-y-el-termometro-infrarrojo-a-distancia-mlx90614
https://www.fisica.unam.mx/personales/romero/2010/Cuerpo-Negro.pdf
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