Los piranómetros de termopila se suministran no solo con un certificado de calibración de irradiancia que incluye el valor de sensibilidad, sino también con certificados de respuesta direccional y de respuesta a la temperatura. Estas dos características de respuesta se encuentran entre los factores clave que contribuyen a la incertidumbre de la medición. En este artículo, analizaremos qué representan estos certificados —que se proporcionan con cada piranómetro— y cómo deben interpretarse.
Según la frase extraída textualmente de la norma ISO 9060:2021, sección 4.3.3 «Criterios de clasificación»:
“Para la clasificación de un piranómetro en la clase más alta, se requieren ensayos individuales de respuesta a la temperatura y de respuesta direccional.”
¿Qué es un certificado de respuesta direccional en los piranómetros?
La respuesta direccional describe cómo varía el resultado de la medición de un piranómetro cuando la radiación solar incide desde diferentes ángulos de incidencia. Un piranómetro ideal debería detectar la irradiancia independientemente del ángulo de la radiación entrante y debería realizar la medición cumpliendo plenamente la ley del coseno.
Sin embargo, en la práctica, debido a la geometría del sensor y al diseño óptico, algunos piranómetros pueden presentar desviaciones, especialmente en determinados ángulos cenitales (para más información sobre el ángulo cenital, véase …). Se realizan mediciones para cuantificar estas desviaciones y calcular el error de respuesta del coseno.
¿PARA QUÉ SE UTILIZA EL ERROR DE RESPUESTA DEL COSENO?
La desviación respecto a esta ley física se conoce como «error coseno». La irradiancia solar incidente sobre una superficie sigue este principio:
Irradiancia medida (W/m²) = Irradiancia real (W/m²) × cos(θ)
Aquí, θ es el ángulo de incidencia del haz sobre el sensor, es decir, el ángulo cenital.
Un gráfico de respuesta direccional muestra la variación porcentual de esta desviación en diferentes ángulos.
¿Cómo se mide la respuesta direccional?
Según la sección Procedimiento de calibración del Certificado de respuesta direccional del piranómetro de termopila de clase A 3S-TP-MB-A de SEVEN Sensor Solution, la calibración se realiza de la siguiente manera:
“La respuesta direccional del piranómetro se define de acuerdo a la norma ISO 9060:2018, basándose en la conformidad de la señal de salida con la ley del coseno en función del ángulo de incidencia. El piranómetro SEVEN se sometió a un ensayo de respuesta direccional en función de los ángulos cenital y acimutal. Durante el ensayo, el piranómetro se montó horizontalmente sobre una plataforma goniométrica automatizada y se realizaron mediciones en distintos ángulos cenitales (20°, 40°, 60°, 70°, 80°) bajo un nivel de irradiancia constante (1000 W/m², AM1.5, simulador solar de clase AAA). En concreto, para los ángulos cenitales de 40° y 70°, se registraron las señales del piranómetro para las direcciones acimutales (sur, oeste, norte y este), y estos datos se obtuvieron a partir de los resultados de las mediciones realizadas dentro de rangos de temperatura específicos (40 °C y 70 °C) para cada dirección. Además, se llevó a cabo una verificación según la fórmula del error coseno. Los resultados de las mediciones se evaluaron en función de si se encontraban dentro de los límites de tolerancia de ±10 W/m².”
¿Cuál es la relación entre la respuesta direccional y las normas?
La clasificación del rendimiento de los piranómetros se lleva a cabo de conformidad con la norma ISO 9060.
Según la norma ISO 9060, Tabla 1 — Lista de clasificación de piranómetros:
¿Qué es la respuesta a la temperatura?
La respuesta a la temperatura es un parámetro de rendimiento que muestra cómo varía la sensibilidad de un piranómetro con la temperatura ambiente.
En los piranómetros basados en termopilas, la tensión de salida del sensor puede variar con la temperatura, o bien los componentes electrónicos pueden sufrir una deriva térmica. Esto puede introducir un error sistemático en la irradiancia medida (W/m²).
¿Cómo se mide la respuesta a la temperatura?
Según la sección Procedimiento de Calibración del certificado de respuesta a la temperatura del piranómetro de termopila de clase A 3S-TP-MB-A de SEVEN Sensor Solutions, la calibración se realiza de la siguiente manera:
“La respuesta a la temperatura del piranómetro se define en la norma ISO 9060:2018 como la desviación porcentual con respecto a la señal a +20 °C, en función de los cambios en la temperatura ambiente dentro del intervalo de -10 °C a +40 °C. Sin embargo, el piranómetro SEVEN se sometió a un ensayo de respuesta a la temperatura entre -20 °C y +50 °C. Durante el ensayo, el piranómetro se colocó en posición horizontal. Mientras se variaba la temperatura ambiente, se mantuvo constante el nivel de irradiancia. Los resultados de las mediciones se obtuvieron sometiendo el piranómetro a ensayos en incrementos de 10 °C en el rango de temperaturas entre 50 °C y -20 °C.”
Respuesta a la temperatura y su relación con las normas
La clasificación del rendimiento de los piranómetros se lleva a cabo de conformidad con la norma ISO 9060.
Según la norma ISO 9060, Tabla 1 — Lista de clasificación de piranómetros:
¿QUÉ ES EL IMPACTO TIENEN LOS ERRORES DE RESPUESTA DIRECCIONAL Y DE TEMPERATURA EN LA INCERTIDUMBRE TOTAL DE LA MEDICIÓN?
La norma ISO 9901:2021 aborda las incertidumbres de medición de forma más exhaustiva a la hora de definir los criterios de rendimiento de los piranómetros. Exige el análisis de todas las fuentes de incertidumbre de medición teniendo en cuenta numerosos factores, como la respuesta direccional del instrumento, la respuesta a la temperatura, la no linealidad y los errores del registrador de datos. La figura 4 presenta un ejemplo de análisis de incertidumbre realizado según estos criterios.
En el ejemplo que se muestra en la figura 4, el piranómetro mide la irradiancia global horizontal (GHI) alrededor del mediodía en un día despejado y soleado, con un nivel de irradiancia de aproximadamente 1.000 W/m². La distribución de la incertidumbre total procedente de las diferentes fuentes se expresa a la izquierda en W/m² y a la derecha como porcentaje de la irradiancia.
Figura 4 – Ejemplo de evaluación de la incertidumbre de una medición realizada con un piranómetro de clase A espectralmente plano
La “Figura 4” se incluye en la norma ISO 9901:2021 y se ha utilizado directamente sin ninguna modificación.
- X: tiempo (hora)
- Y1: U95 por fuente de incertidumbre, W/m²
- Y2: U95 por fuente de incertidumbre, expresada en %
- 1; Mantenimiento
- 2; Respuesta a la temperatura
- 3; Respuesta direccional
- 4; No linealidad
- 5; Inestabilidad
- 6; Desviación del cero B
- 7; Desviación del cero A
- 8; Precisión del registrador de datos
- 9; Incertidumbre de calibración
Según este gráfico, las mediciones de la respuesta direccional y de respuesta a la temperatura son extremadamente importantes para los piranómetros de termopila. Se deben generar certificados de respuesta direccional y respuesta a la temperatura para cada piranómetro vendido y facilitarlos al cliente. En SEVEN Sensor, realizamos estas mediciones para nuestro piranómetro SEVEN 3S-TP-MB-A en nuestros laboratorios equipados con tecnologías de vanguardia.
Para más información técnica, contacte a SEVEN Sensor Solutions.