4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002 1


Sensor de temperatura ambiental por ultrasonido
Lupi, D.; Brengi, D.; Trapanoto, A.
Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones, Electrónica e
Informática (CITEI)

Se describe en este trabajo un termó-
metro ultrasónico para gases, que permite la
evaluación volumétrica de la temperatura en
ambientes. El dispositivo que se presenta
aprovecha la dependencia de la velocidad del
sonido con la temperatura, que normalmente
debe ser compensada para una correcta me-
dición de distancia.
Introducción
A partir de un transductor electrostático
convencional se desarrolló un sistema de me-
dición de temperatura que puede cubrir dis-
tancias entre 50 centímetros y hasta un
máximo de 10 metros. Este sistema puede
medir temperaturas fuera del rango de tempe-
ratura de trabajo del sensor ultrasónico debido
a que el mismo puede ubicarse alejado de la
zona de medición.
Principio de funcionamiento
La velocidad isoentrópica del sonido en
un gas depende de la temperatura y la hume-
dad del mismo. Se estima que para el caso de
la humedad resulta sólo un 0,15% de influen-
cia para una variación de 10 % a 90% de hu-
medad relativa en el aire [1].
Teniendo esto en cuenta la velocidad
del sonido Vs en función de la temperatura T
resulta:
Vs=20,055 • √T (1)

El tiempo de vuelo Tv de la señal ultra-
sónica entre dos objetos, ida y vuelta, para
una distancia D entre objetos será:
Tv=2 • D/Vs (2)
Colocando dos obstáculos fijos a dis-
tancias bien conocidas, y midiendo el tiempo
de vuelo de la señal ultrasónica se puede rea-
lizar el cálculo de la velocidad promedio del
sonido entre los mismos. Con la velocidad del
sonido, se obtiene luego la temperatura pro-
medio del aire por el cual ha viajado la onda.
Modificando la distancia entre obstácu-
los este sistema puede adaptarse fácilmente
para medir temperatura entre distancias de
0,5 y 10 metros. Dado que el dispositivo debe-
rá trabajar en áreas con ciertas turbulencias
por el aire acondicionado, se espera una inde-
terminación de ± 0,5ºC manteniendo la com-
plejidad y costo del equipo suficientemente
bajos.
Implementación
La gran mayoría de las aplicaciones de
detección de obstáculos en robots móviles uti-
liza el económico transductor electrostático
Polaroid 6500, junto con su módulo de control
asociado [2]. Debido a que este módulo au-
menta la incertidumbre en la medición de
tiempos, se utilizó un osciloscopio digital co-
nectado a la segunda etapa de amplificación
del módulo receptor para medir el tiempo en-
tre ecos.
Un microcontrolador se encarga de dis-
parar el sensor a intervalos regulares. Para
comenzar una medición, el microcontrolador
da la instrucción al módulo para disparar el
pulso. Luego se mide el tiempo transcurrido
entre la recepción del primer y segundo eco.
Con este tiempo se calcula la velocidad del
sonido en ese intervalo de distancias y la
temperatura promedio entre obstáculos.
Resultados Experimentales
En la primera prueba del sistema, se
utilizaron dos obstáculos, el primer obstáculo
ubicado a 60 cm , y el segundo a 1,07 m del
sensor. El sensor y ambos obstáculos se
montaron con soportes especiales de preci-
sión sobre un riel de aluminio para aplicacio-
nes ópticas. No se consideraron los errores
debidos al coeficiente de dilatación lineal del
aluminio.

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Fig. 1: Esquema del sistema. (S) Transductor ultrasónico.
(R) Riel de soporte. (CT) Cámara térmica. (1) Primer obs-
táculo. (2) Segundo obstáculo. (D) Distancia entre obstá-
culos. (Ta) Temperatura ambiente. (Tm) Temperatura
medida.
La variación de temperatura se realizó
con una cámara térmica abierta, dentro de la
cual se ubican ambos obstáculos, quedando
el sensor ultrasónico fuera de la misma. De
esta forma el transductor se encuentra siem-
pre a temperatura ambiente.
Con la ayuda de un sistema de medi-
ción de temperaturas multipunto, se relevó la
temperatura promedio entre ambos obstácu-
los, realizando un barrido de temperatura
desde 18°C (Temperatura ambiente) hasta -
15°C.
Se observó una buena correlación de
los datos con lo calculado, considerando que
los gradientes térmicos y otras inhomogenei-
dades del medio incrementan las incertidum-
bres respecto de las previstas.
Conclusiones
Se describe un termómetro ultrasónico
de bajo costo que aprovecha dispositivos de
tipo sonar para robótica, en una aplicación
original. El dispositivo consta de un módulo
sensor que emite y recibe pulsos de ultrasoni-
do cuya velocidad es proporcional a la tempe-
ratura del ambiente.
Entre las ventajas del método propues-
to se puede mencionar la medición volumétri-
ca e instantánea de la temperatura del aire, la
no alteración del elemento a medir con el sis-
tema de medición y la posibilidad de ser utili-
zado en aplicaciones industriales.
Fig. 2: Mediciones obtenidas.
Referencias
[1] Alessio Carullo and Marco Parvis, "An Ultrasonic Sensor for
Distance Measurement in Automotive Applications" IEEE Sen-
sors Journal, vol. 1, No2, August 2001.
[2] Roman Kuc, "Pseudoamplitude Scan Sonar Maps” Transac-
tions on robotics and automation, Vol. 17, No5, October 2001.
Para mayor información contactarse con:
Daniel Lupi – lupi@inti.gov.ar
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