Principio de funcionamiento de un piranómetro de termopila

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Publicado: martes, 13 de enero de 2015 ¿Cómo funciona un piranómetro? Como expertos en medición de la radiación solar, es habitual que nos formulen esta pregunta, por lo que nos complace responderla con una explicación del principio de funcionamiento de los piranómetros de termopila. Nuestra experiencia en su fabricación se remonta a 1924 y, desde entonces, hemos evolucionado este principio hasta los mejores instrumentos de que disponemos hoy en día.

Historia de los piranómetros de termopila

En 1913, Kipp & Zonen comenzó a fabricar una termopila rápida y sensible (compuesta por múltiples termopares) diseñada por el Dr. Moll, de la Universidad de Utrecht, para la medición de la luz y la radiación térmica. Sin embargo, no fue hasta una conferencia meteorológica celebrada en Utrecht en 1923 cuando el Dr. Moll consiguió llamar la atención de los científicos hacia esta termopila. El profesor L. Gorczynski, del Instituto Meteorológico de Polonia, decidió construir un pirheliómetro y un piranómetro utilizando termopilas Moll-Gorczynski modificadas.

Las características de estas termopilas permitían que los instrumentos fuesen más compactos, ligeros y baratos, que ofreciesen una señal de salida de tensión continua y que no necesitasen alimentación eléctrica externa ni sistemas de control. Los prototipos demostraron su eficacia y Kipp & Zonen se convirtió en el fabricante de estos instrumentos en 1924.

Como funciona un piranómetro de termopila

Estos dispositivos utilizan el principio de detección termoeléctrica, por el que la radiación entrante es absorbida casi en su totalidad por una superficie horizontal ennegrecida, para una gama de longitudes de onda muy amplia. El incremento de la temperatura resultante se mide a través de termopares conectados en serie o en serie/paralelo para conformar la termopila.

Las uniones activas (calientes) se sitúan por debajo de la superficie ennegrecida del receptor y utilizan la radiación absorbida por el revestimiento negro para calentarse. Las uniones pasivas (frías) de la termopila mantienen un contacto térmico con la carcasa del piranómetro, que actúa como disipador térmico. En los últimos años, los piranómetros de mayor rendimiento utilizan un módulo Peltier, también termoeléctrico, aunque los distintos metales del termopar/termopila se sustituyen por distintos semiconductores.

Es necesario proteger el revestimiento negro del detector de las influencias externas que pueden afectar a las mediciones, como las precipitaciones, la suciedad o el viento. Casi todas las cúpulas semiesféricas individuales o dobles de los piranómetros utilizan un cristal de calidad óptica.

En función del cristal, la transmisión varía de 300 nm (o menos) hasta unos 3000 nm. Las cúpulas dobles ofrecen una estabilidad mejor en condiciones dinámicamente cambiantes gracias al aislamiento adicional de la superficie del sensor frente a factores medioambientales como el viento y las fluctuaciones repentinas de temperatura.

La forma de la cúpula y el índice de refracción del material mejoran la respuesta del sensor cuando el sol se sitúa cerca del horizonte al «curvar» los rayos de radiación entrantes. El piranómetro de mayores prestaciones de que disponemos, nuestro modelo CMP 22, incorpora cúpulas de cuarzo para una respuesta espectral más amplia. El incremento en el índice de refracción aumenta todavía más la respuesta direccional, mientras que la mejora en la conductividad térmica con respecto al cristal ofrece otras ventajas en términos de rendimiento.

 

Los piranómetros de Peltier / termopila pasiva, como los de nuestra serie CMP, no necesitan ninguna fuente de alimentación. El propio detector genera una pequeña tensión proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie de absorción negra y la carcasa del instrumento. Puesto que esta tensión es del orden de los 10 µV (microvoltios) por W/m², en un día soleado la potencia generada será de unos 10 mV (milivoltios). Cada piranómetro posee una sensibilidad única, definida durante el proceso de calibración, que se emplea para convertir la señal de salida expresada en microvoltios en irradiancia global en W/m².

Nuestra gama de piranómetros inteligentes SMP posee los mismos detectores que los modelos CMP análogos, si bien incorpora el procesamiento digital integrado de señales y una mejora de las prestaciones, por lo que su funcionamiento exige una fuente de alimentación externa.

Para garantizar el rendimiento, lo habitual es recomendar una recalibración cada dos años y, en este sentido, la incorporación de un conector impermeable de elevada calidad en el cable de señal simplifica enormemente el proceso.

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