Medidor Energía lumínica para láser / Power meter and Energy meter laser 

Introducción: 

Este proyecto es para fabricarse un medidor de energía / potencia lumínica especial para láser sean pulsados o continuos, de cualquier longitud de onda. 

El medidor funciona por efecto de calentamiento de un metal conocido cuando es irradiado por energía lumínica procedente de un láser. Para poder absorber toda la energía, el metal tiene que estar ahumado o pintado de negro (se opta por el ahumado con carbonilla de una vela o soplete). 

Precisión y escala de medición para este medidor: 

La escala de medición depende mucho de la cantidad de metal que se emplea en el cabezal y de la capacidad calorífica. 

Para este proyecto, se emplea una superfície para captar la energía de 17x9.8 milímetros con un grosor de 0.2. Con estas dimensiones, volumen y peso obtendremos una resolución de unos 12,5 uJ. 

La precisión dependerá de la sonda de temperatura utilizada, en este caso es una PT100 con tolerancias según norma IEC 751:1995 +/- 0.3ºC (a 0ºC), lo que equivale a un error absoluto de +/- 37,5 uJ 

Errores debido al instrumento de medida: 

Estos errores son debido a la intensidad necesaria que debe circular por la resistencia para producir un voltaje de lectura y que el multímetro sepa la resistencia.
Hay que medir la intensidad en la escala de 200Ohms del multímetro, colocando un amperímetro independiente u otro multímetro que mida en mAh o uAh. 

Probamos dos multímetros, uno que circulan 3mAh y otro de 240uAh. 

Sabemos que la Potencia = Voltaje/Intensidad  y por la ley de Ohm, Voltaje=Intensidad * Resistencia , no conocemos el voltaje, pero sí la intensidad y resistencia: 

Ejemplo con 3mAh: 

P=R*I^2  P=100*0.003^2=0.9mW/h , dividido por los 3600 segundos, tenemos 0.9/3600 = 0.00025mJ = 25uJ 

Por regla de tres, 1 grado ...... 125.03uJ  

                         X ................. 25uJ 

25/125.03=  0.199 grados por segundo, por lo tanto en 1 minuto habrá aumentado unos 12 grados, Intolerable para una medición precisa, descartamos usar una intensidad de 3mAh para el medidor.  

Ejemplo con 240uAh: 

P=100*0.00024^2= 5,76uW/h .... 5.67/3600 = 0.0016uJ = 1.6nJ 

0.0016/3600 = 1.279*10^-5 grados por segundo = 0.04 grados por hora, este multímetro con 240uAh es el adecuado, por el poco aumento de temperatura. 

Buscamos el volumen y peso del captador de energía: 

Para obetener la mayor precisión, calcularemos el volumen y después obtendremos el peso del captador, sumaremos el peso de la sonda PT100 y podremos hacer los cálculos. 

Usando Cobre, una chapa de 17x9.8x0.2 milímetros, densidad 8960 Kg/m^3: 

 

 

 

	(1)

 

Sonda PT100, más o menos 5000 Kg/m^3: 

 

 

 

	(2)

 

Por regla de tres, obtenemos el peso para la chapa de cobre y la sonda PT100: 

8960 Kg ...... 1m^3 

X ............... 3.332*10^-8 

Cobre:
 

 

	(3)

 

 

	(4)

 

Formula: Q=C*T = m*c*T 

m= masa (Kg), c=Calor específio / Conductividad KJ/(Kg*K) 

T=diferencia de temperatura (Tfinal - Tinicial ) En º Kelvin *. 

* Aprovecharemos que 1 unidad en Kelvin corresponde a 1 en Celcius. 

 

 

	(5)

 

Calculamos el calor específico:  

Lo hacemos por separado para el cobre y la PT100 y al final lo sumamos para ver la energía total necesaria para un aumento de temperatura de 1 grado. 

 

	(6)

 

 

	(7)

 

Sumamos el total para ver la energía necesaria: Observamos que la sonda PT100 no es muy grande y no afectaría mucho la lectura, pero para captadores de menos peso puede afectar mucho más. 

 

 

 

 

 

	(8)

 

Por lo tanto, podemos ver que por cada segundo que el captador reciba 125uJ aumentará 1 grado de temperatura.
Podemos medir la temperatura con un simple multímetro en la escala de 200 Ohms, teniendo en cuenta que por cada 1 Ohm es 1 grado (solo para PT100, a 0ºC la pt100 marcará 100 ohms). 

Captador el cual tendremos que ahumar por la cara contraria a la PT100 y sujetarla por las patas dentro de una caja o tubo pintado de negro y aislado de las corrientes de aire que harán variar la lectura por conducción térmica.
Lo ideal sería que estuviera en el vacío, pero luego se perdería energía por reflexión en el cristal del compartimento con vacío. 

Un ejemplo de captadores de energía, medidores de energía: http://www.metrolux.de/contenido/cms/power-energy-meter/ 

Ponemos un ejemplo de conversión de energía a potencia: 

Disponemos de un diodo láser rojo el cual no sabemos su potencia, si iluminamos durante 10 segundos el captador, y aumenta 2 grados, procederemos de la siguiente forma: 

Dividimos 2 grados entre 10 segundos para saber la diferencia de temperatura por segundo. 

A continuación por regla de tres, sabemos que 125uJ son 1 grado, por lo tanto para 0.2 grados: x=125*0.2 = 25uJ por segundo ,para pasarlo a potencia, representa energía por hora, multiplicamos por 3600 segundos. 25*3600=90.000 uW Vigilar con las unidades, entonces dividimos por 1000 y tenemos los Miliwatios, si dividimos por 1000000 tendremos los Watios. 

 

 

	(9)

 

 

	(10)

 

Total 90mW de nuestro puntero láser. 

Para medir pulsos, solo hace falta 1 pulso para saber la energía, y si sabemos la duración del pulso entonces sabemos la potencia de cada pulso. 

P=E/t  (P=potencia (w), E=Energía en Julios, t=tiempo en segundos) 

Ejemplo de un pulso de un láser de nitrógeno:  

Medimos 500uJ, y sabemos que la duración de un Láser TEA de N2 dura 0.8nS por lo tanto: 

(11)

 

Potencia en Watios, esto representa 625 KW. 

Publicado: 06-02-2010

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