sensores cercanos
SENSORES de radiación
La radiación solar es la energía que emite el Sol en el espacio interplanetario. La radiación solar que llega a la Tierra se cuantifica mediante la irradiación solar, que es la energía recibida por unidad de superficie.
Al cruzar la atmósfera la radiación solar se somete a fenómenos de reflexión, refracción, absorción y difusión por los diversos gases atmosféricos en un grado variable en función de la frecuencia.
La atmósfera terrestre actúa como un filtro. La parte extrema de la atmósfera absorbe parte de las radiaciones reflejando el resto directamente al espacio exterior. Otros elementos que actúan como filtro son el dióxido de carbono, las nubes y el vapor de agua que a veces la convierten en radiación difusa.
Las ondas electromagnéticas pueden tener diferentes longitudes de onda. El conjunto de todas las longitudes de onda se denomina espectro electromagnético. El conjunto de las longitudes de onda emitidas por el Sol se denomina espectro solar.
La proporción de la radiación solar en las distintas regiones del espectro es aproximadamente:
↑ Fig: Espectro electromagnético
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- Ultravioleta: 7%
- Luz visible: 43%
- Infrarrojo: 49%
- El resto: 1%
Aplicaciones
Tipos de sensores
Existen varios tipos de mediciones de radiación:
- Radiación directa
- Radiación global y difusa
- Radiación PAR
- Radiación infrarroja
- Radiación ultravioleta
A continuación, pasaremos a detallar los sensores que se utilizan para la mediación de cada uno de estos tipos de radiación.
Radiación directa
La radiación solar directa se mide por medio de pirheliómetros. Merced al empleo de obturadores, solamente se mide la radiación procedente del sol y de una región anular del cielo muy próxima al astro. En los instrumentos modernos, esta última abarca un semiángulo de 2.5º aproximadamente a partir del centro del Sol.
Generalmente el sensor está dotado de un visor en el que un pequeño punto luminoso coincide con una marca situada en el centro del mismo cuando la superficie receptora se halla en posición exactamente perpendicular al haz solar directo. La luz del sol entra en el instrumento a través de una ventana y es dirigida sobre una termopila, que convierte el calor en una señal eléctrica que se puede grabar. Por lo que se precisa que todos los pirheliómetros vayan montados sobre un mecanismo que le permita un seguimiento muy preciso del Sol.
↑ Fig: Esquema de un pirheliómetro
Fig: Pirheliómetro para medir la radiación directa →
Radiación global y difusa
La radiación global se define como la radiación solar recibida de un ángulo sólido de 2π estereorradianes sobre una superficie horizontal. La radiación global incluye la recibida directamente del disco solar y también la radiación celeste difusa dispersada al atravesar la atmósfera.
El instrumento necesario para medir la radiación global es el piranómetro. Se trata de un sensor diseñado para medir la densidad del flujo de radiación solar (kilovatios por metro cuadrado) en un campo de 180 grados.
Existen diferentes tipos de piranómetros:
↑ Fig: Esquema de un piranómetro
↑ Piranómetro térmico
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.
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.
↑ Piranómetro fotovoltaico
Otro tipo de piranómetros son los fotovoltaicos. En ellos, el principio de funcionamiento no es térmico como en el caso anterior; sino que tiene como fundamento el efecto fotoeléctrico. La radiación incide sobre un fotodiodo que es capaz de diferenciar el espectro solar por la frecuencia de la onda electromagnética, y de ese modo, mediante la lectura de voltaje, conocer los datos de radiación.
Dada su naturaleza, en este tipo de piranómetros es posible adosar filtros de ciertas bandas del espectro solar, por medio de algún domo de vidrio impregnado con el filtro deseado. Por otro lado, son más sensibles a pequeñas irregularidades y cambios debido a que no tienen la inercia térmica que sí tienen los térmicos.
Radiación PAR
La radiación que impulsa la fotosíntesis se llama radiación fotosintéticamente activa (PAR) y generalmente se define como radiación total en un rango de 400 a 700 nm. PAR se expresa a menudo como densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD): flujo de fotones en unidades de micromoles por metro cuadrado por segundo (µmol m-2 s-1, igual a microEinsteins por metro cuadrado por segundo) sumado de 400 a 700 nm (total número de fotones de 400 a 700 nm). Los sensores que miden el flujo fotosintético se denominan cuánticos debido a la naturaleza cuantizada de la radiación. Un cuanto se refiere a la cantidad mínima de radiación, como puede ser un fotón, involucrado en interacciones físicas (por ejemplo, absorción por pigmentos fotosintéticos). O lo que es lo mismo, un fotón es un cuanto único de radiación.
Las aplicaciones típicas de los sensores cuánticos incluyen la medida de la PPFD incidente en las cubiertas vegetales, tanto en ambientes al aire libre, como en invernaderos, cámaras de crecimiento… También se puede medir la PPFD reflejada o transmitida en los mismos entornos. Balance energético en ecosistemas ambientales. Cálculo del LAI (Leaf area index) y desarrollo de cubiertas vegetales. Caracterización de las propiedades estructurales de cubiertas y uso de la radiación PAR en comunidades vegetales.
Fig: Sensor cuántico para medir la radiación PAR →
El instrumento usado para medir radiaciones de onda larga es el pirgeómetro.
La mayoría de éstos eliminan las longitudes de onda cortas mediante filtros que presentan una transparencia constante a longitudes de onda largas mientras que son casi opacos a longitudes de onda más cortas (300 a 3000nm). Un pirgeómetro consta de las siguientes partes:
- Un sensor de termopila que es sensible a la radiación en un amplio rango.
- Una cúpula o ventana de silicio con un revestimiento de filtro ciego solar. Tiene una transmitancia entre 4.5 μm y 50 μm que elimina la radiación solar de onda corta.
- Un sensor de temperatura para medir la temperatura corporal del instrumento.
- Un protector solar para minimizar el calentamiento del instrumento debido a la radiación solar.
↑ Fig: Esquema de un pirgeómetro
↑ Fig: Pirgeómetro para medir la radiación infrarroja
Radiación ultravioleta
La Radiación Ultravioleta cubre el rango espectral desde los 100 a los 400 nm. Aunque tan sólo representa el 7 % de la radiación total, los efectos que provoca sobre los seres vivos y el medio ambiente hace que sea muy importante.
Para su medida se usan piranómetros específicos de ultravioleta. Estos normalmente utilizan un filtro de alta calidad para aproximar la respuesta espectral del aparato a la respuesta que presenta la piel humana a los efectos del Sol (Función eritemática).
← Fig: Piranómetro para medir la radiación ultravioleta
Modelos comerciales
- Sensor de Radiación Global Marca: APOGEE
- Sensor de Radiación Ultravioleta Marca: APOGEE
- Sensor de Radiación PAR: Marca: APOGEE