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Title: Conversor Sigma-Delta Térmico com ajuste automático da faixa de operação para medição de radiação incidente
Authors: Vitorino, Bruno Augusto Ferreira
Keywords: Sensores termoresistivos;Modulação sigma-delta;Sigma-delta térmico;Piranômetros;Bolômetros;Termistores
Issue Date: 6-Sep-2018
Citation: VITORINO, Bruno Augusto Ferreira. Conversor Sigma-Delta Térmico com ajuste automático da faixa de operação para medição de radiação incidente. 2018. 91f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Abstract: The incident thermal radiation measurement, including infrared and solar radiation, has several applications and increasing demand. In the infrared (IR) radiation measurement, resistive microbolometers are the most used sensors, being applied in complex thermal imaging and detection systems. Some researches aim to increase the sensitivity of IR detection systems, as well as to integrate new functions such as analog-to-digital conversion, together with sensors. The measurement of solar radiation has as main applications the meteorology, photovoltaic plants and studies for agriculture, being the pyranometer the most used instrument. Thermoresistive sensors have been used to measure temperature, fluid speed and direction and radiation. In several architectures the sensor operates in closed loop, increasing the sensitivity, decreasing the response time and linearizing the system‘s response. The most used closed-loop architectures are the Wheatstone feedback bridge, control systems, capacitive coupling feedback and Thermal Sigma-Delta Modulator (TΣ∆M). TΣ∆M is a closed-loop measurement approach where the sensing element performs part of the Σ∆ modulation in the thermal domain. A new architecture is proposed in this work for measuring thermal incident radiation using TΣ∆M and thermoresistive sensors, where the modulator input range is automatically adjusted to fit the complete thermal radiation range. The proposed architecture is compared with a similar one, which uses the same transducer interface circuit but without range adjustment, and is validated experimentally with a reference pyranometer. The proposed architecture has the main advantage of presenting a signal-to-noise ratio, and sensitivity, which are independent of the ambient temperature range definition. Experimental results for ambient temperature range of 45 ◦C show a signal-to-noise ratio gain of 13 dB over the state of the art architecture.
Portuguese Abstract: A medição de radiação térmica incidente, entre elas as radiações infravermelho e solar, tem diversas aplicações e demanda crescente. Na medição de radiação infravermelho (IR) os microbolômetros resistivos são os sensores mais utilizados, sendo aplicados em sistemas complexos de detecção e imagens térmicas. Algumas pesquisas buscam aumentar a sensiblidade dos sistemas de detecção IR, assim como integrar novas funções, como a conversão analógico-digital, junto aos sensores. A medição de radiação solar tem como principais aplicações a meteorologia, as plantas de energia fotovoltaica e estudos para agricultura, sendo o principal instrumento utilizado o piranômetro. Os sensores termoresistivos vêm sendo utilizados para medição de temperatura, velocidade e direção de fluidos e radiação. Em diversas arquiteturas o sensor opera em malha-fechada, com o objetivo de aumentar a sensibilidade, diminuir o tempo de resposta ou linearizar a resposta dos sistemas. Entre os circuitos mais utilizados estão a ponte de Wheatstone realimentada, os sistemas de controle, a realimentação com acoplamento capacitivo e os moduladores Sigma-Delta térmicos. O modulador Sigma-Delta Térmico (Σ∆T) é um método de medição em malha-fechada onde o elemento sensor executa parte das funções da modulação Σ∆ no domínio térmico. Neste trabalho de tese é proposta uma nova arquitetura para medição de radiação incidente usando o modulador Σ∆T e sensores termoresistivos, na qual a faixa de operação do modulador é automaticamente ajustada para ser igual a faixa de radiação térmica. A arquitetura proposta é comparada a uma anterior, que usa o mesmo circuito porém com a faixa de operação fixa, abrangendo toda a faixa de temperatura ambiente. O circuito proposto é validado experimentalmente com um piranômetro comercial como referência. A principal vantagem do Σ∆T com auto-ajuste de faixa de operação é ter sensibilidade e relação sinal-ruído independentes da faixa de temperatura ambiente. Os resultados experimentais para faixa de temperatura ambiente de 45 ◦C mostram um ganho de relação sinal-ruído de 13 dB sobre a arquitetura considerada estado da arte.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26388
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