Pirómetros
Pirómetro de infrarrojos
El diseño más básico de un pirómetro infrarrojo consiste en una lente que filtra la radiación infrarroja emitida por el área del objeto examinado y la concentra en un sensor de temperatura fotoresistivo que la convierte en una señal de corriente y, a través de un algoritmo interno del instrumento y de la emisividad del cuerpo enfocado, la pasa a un valor de temperatura. La señal de salida puede ser analógica (4-20 mA c.c.) o digital. La relación de la distancia del objeto al sensor, y del tamaño de la imagen sobre la lente, varía entre 2:1 hasta 300:1, en la figura T51 se muestra el esquema de funcionamiento del pirómetro infrarrojo.
Figura T51. Esquema de funcionamiento del pirómetro infrarrojo
Las consideraciones importantes para cualquier termómetro de infrarrojos incluyen campo de visión (tamaño del objetivo y la distancia), el tipo de superficie que se mide (consideraciones de emisividad), respuesta espectral (por efectos atmosféricos o de transmisión a través de superficies), rango de temperatura y de montaje (montaje portátil de mano o fijo).
El campo de visión es el ángulo de visión en el que el instrumento funciona, y está determinado por la óptica del pirómetro, objetivo que se mide debe llenar el campo de visión del instrumento puesto que el sensor de infrarrojos determina la temperatura media de todas las superficies dentro del campo de visión, si la temperatura de fondo es diferente de la temperatura del objeto, puede llevar a un error de medición es por esto que el aparato dispone de un compensador de emisividad que permite corregir la temperatura leída, no solo para la pérdida de radiación en cuerpos con emisividad menor que uno, sino también cuando hay vapores, gases, humos o materiales transparentes que se interponen en el camino de la radiación.
Aplicaciones:
Permiten a los usuarios medir la temperatura en aplicaciones en las que los sensores de temperatura convencionales no pueden ser empleados. Específicamente, en los casos relacionados con objetos en movimiento (es decir, rodillos, maquinaria en movimiento, o una cinta transportadora), o donde mediciones sin contacto se requieren debido a razones de contaminación o peligrosas (tales como alta tensión), donde las distancias son demasiado grandes, o donde las temperaturas que se miden son demasiado altas para termopares u otros sensores de contacto.
Pirómetros de efecto fotoeléctrico.
Los detectores fotoeléctricos o cuánticos (quantum) consisten en materiales semiconductores cristalinos, tales como el indio, antimonio, silicio, el sulfuro de plomo y el sulfuro de cadmio, que responden a los fotones que irradia el cuerpo que se enfoca liberando cargas eléctricas a través de mecanismos de foto electricidad, foto conducción o fotovoltaico. Estos semiconductores poseen una excelente relación señal ruido, de modo que, operando en longitudes de onda corta y bandas estrechas permiten medidas precisas de temperatura.
El instrumento con detector fotoeléctrico de uso general tiene un campo de trabajo de 15 °C a 3000 °C, pudiendo enfocar desde 1 m hasta el infinito.
La señal de salida depende de la temperatura instantánea del objeto a medir y del volumen del detector. La tensión eléctrica generada por el detector es:
La señal de salida depende de la temperatura instantánea del volumen del detector, por lo que evita los retardos, inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector, que existen en los otros modelos de pirómetros térmicos. La tensión eléctrica generada por el detector es la expresión T22:
V = K × T^3 (T22)
Siendo:
V = fuerza electromotriz
K = constante
T = temperatura absoluta del cuerpo
Pirómetro de dos colores
El pirómetro de relación, o de dos colores, se basa en que la relación entre las radiaciones emitidas, en dos bandas estrechas del espectro, es función de la temperatura y de la relación entre emisividades del cuerpo correspondientes a las dos bandas. El instrumento dispone de un selector de relación de emisividades y, de este modo, si la relación seleccionada es la correcta, el aparato puede indicar la temperatura real del objeto con una gran exactitud. Su empleo es excelente en los llamados cuerpos grises, es decir, aquellos cuyo coeficiente de emisión es constante para todas las longitudes de onda.
El pirómetro de dos colores divide básicamente la radiación del objeto en dos haces medidos por dos células fotoeléctricas de silicio similares, una de ellas dispone de un filtro que sólo deja pasar la radiación de longitud de onda más corta (0,65 micras) y la otra en la zona de 0,9 micras. La relación entre las dos corrientes de salida de la célula es una medida de la temperatura del objeto.
(T23)
Dónde:
W: Energía emitida (vatios)
K: Constante de emisividad del cuerpo (vatios/K^4)
T4: Temperatura absoluta (K)
La termopila mide las radiaciones térmicas en longitudes de onda que van desde 0.1µ (radiaciones ultravioletas) hasta 12µ (radiaciones infrarrojas). La fuerza electromotriz (FEM) se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador, en la figura T52 se muestra un esquema simplificado del pirómetro de radiación total.
Figura T52. Esquema de funcionamiento del pirómetro de radiación total.
El pirómetro puede disponer de los siguientes accesorios
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Lente posterior para enfocar correctamente la radiación en la termopila.
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Dispositivo automático de seguridad para aislar la lente del proceso y proteger el pirómetro en el caso de que una llama lo alcance directamente.
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Dispositivo de refrigeración por aire que protege la lente contra un calentamiento excesivo y, al mismo tiempo, la mantiene limpia de los gases o vapores que pueden estar en contacto con el tubo de mira.
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Dispositivo de refrigeración por agua empleado usualmente con el dispositivo de refrigeración por aire.
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Tubos de mira con extremo abierto utilizados para proteger la lente.
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Tubos de mira con extremo cerrado que se emplean en hornos con atmósfera a presión o con gases particularmente agresivos, y en las medidas de temperatura de metales fundidos en los que el tubo de mira debe estar sumergido (por la existencia de escorias en la superficie del metal, que darían lugar a una temperatura leída errónea). Al ser el tubo cerrado, las condiciones de trabajo se aproximan a las de cuerpo negro.
Los tubos de protección de los pirómetros de radiación pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión, y se emplean a temperaturas que no superan generalmente los 1100 °C. Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos.
La relación entre la FEM generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente siempre que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente del elemento sensor. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de lectura. Para obtener una medida precisa de la temperatura es necesario ajustar las observaciones y calibrar de manera correcta el instrumento utilizado. Además de calcular la f.e.m real mediante la ecuación T24:
(T24)
Efectos a considerar en los pirómetros de radiación total
Existen cuatro efectos importantes a tomar en cuenta en los pirómetros de radiación total, estos son:
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Temperatura de la junta de referencia: Solo es importante en el tipo termopila y termopar al vacío, ya que en estos la temperatura de la junta de referencia se debe mantener constante. Se puede refrigerar la junta de referencia para mantener esta constante, o compensar su temperatura usando una resistencia de níquel hasta temperaturas de 120 ºC.
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Distancia entre el instrumento y el objeto a medir: La superficie de emisión del cuerpo debe cubrir todo el detector. Para ello existen pirómetros de ángulo estrecho 20:1 y de ángulo ancho 7:1.
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Absorción de la atmósfera: El medio ambiente contaminado puede absorber parte de la radiación emitida por el cuerpo. Para corregir esto se puede usar un tubo de mira.
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Emisividad del cuerpo: Para medir la temperatura en superficies abiertas se debe corregir el valor en función de la emisividad de las superficies a medir. Si esta es conocida se usa la relación T25:
(T25)
Pirómetro de radiación total
El pirómetro de radiación total capta una banda amplia de radiación y está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada, incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares.
Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante y, además, muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía y proporcionando la máxima f.e.m.
La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría, y es compensada mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior, de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de éste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la pérdida de f.e.m. de la termopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento.
El pirómetro de radiación total basa su funcionamiento en la ley de Stefan-Boltzman, la cual se enuncia a continuación.
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Ley de Stefan-Boltzman
“La intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta”. Como se muestra en la siguiente ecuación T23.
Dónde:
Ta: temperatura aparente, medida por el instrumento(K).
T: temperatura real de la superficie.
ε: emisividad de la superficie.
Aplicaciones
El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del pirómetro termoeléctrico en los casos siguientes:
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Para la medida de temperaturas de superficies
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Para medir temperaturas de objetos que se muevan
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Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares
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Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura
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Donde las condiciones mecánicas (vibraciones, choques, etc.) acorten la vida de un par termoeléctrico.