Pirómetros
La palabra pirómetro se deriva de la palabra griega pyros, que significa “fuego” y metron que significa “medida”. La teoría de los pirómetros se basa en el hecho de que todos los cuerpos arriba del cero absoluto de temperatura irradian energía.
La radiación es un modo de propagación de la energía a través del vacío, de forma análoga a la luz. Cuando hablamos de la radiación de los cuerpos nos referimos a la emisión continua de energía desde la superficie de dichos cuerpos, esta energía es radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a una velocidad de 3x10^8 m/s.
La radiación electromagnética se extiende a través de través un ancho rango de frecuencias, como se ilustra en la figura T47:
Figura T47. Longitudes de onda en función de la frecuencia
Los cuerpos no solo irradian o emiten energía, sino que también reciben y absorben de otras fuentes. Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante, tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo, cuando la energía radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra parte se transmite, si la superficie es como la de un espejo, la mayor parte de la energía incidente se refleja y el resto atraviesa la superficie del cuerpo y es absorbido por sus átomos o moléculas. La proporción de energía que incide es igual a la suma de la reflejada y la absorbida.
En Figura T48 se muestra una superficie que refleja la mayor parte de la energía que incide y por lo tanto absorbe una mínima cantidad de ella.
Figura T48. Comparación entre cuerpos Emisor/Receptor
Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de radiación es un buen emisor, y un mal absorbedor es un mal emisor.
Cuerpo negro
Es el cuerpo ideal que absorbe toda la radiación incidente sobre el (no hay ni reflexión ni transmisión). Por lo tanto, como es el que mayor calor absorbe entonces será el cuerpo capaz de emitir la mayor cantidad de radiación posible. Según la ley de Kirchoff:
“Cualquier cuerpo en equilibrio térmico emite tanto calor por radiación como el que recibe, a cualquier longitud de onda y cualquier temperatura”
La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida, en la figura T49 se muestra un esquema representativo del cuerpo negro.
Su emisividad es la unidad. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conocen como cuerpos opacos.
Figura T49. Esquema representativo del cuerpo negro
Coeficiente de emisividad
El coeficiente de emisión o emisividad de un cuerpo es la relación entre la energía radiante emitida por un cuerpo y la de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura y en las mismas condiciones de servicio.
La emisividad depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0,10 a 0,85 si el metal, perfectamente pulido, se recubre bruscamente con una capa de óxido. Igual sucede con un baño metálico líquido.
Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Existen varios tipos, el pirómetro óptico que capta la radiación luminosa, el pirómetro de infrarrojos, el detector fotoeléctrico que mide la radiación térmica, el pirómetro de dos colores o de relación entre radiaciones correspondientes a dos bandas estrechas y el pirómetro de radiación total, que mide toda la radiación emitida por el cuerpo.
Pirómetros ópticos
Los pirómetros de radiación parcial se llaman también pirómetros de radiación visible, porque sólo aprecian o miden la radiación correspondiente a la zona visible del espectro.
Están basados en la ley de desplazamiento de Wien, de acuerdo con la cual, establece que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura, esto se representa por la ecuación T21:
(T21)
Donde:
λmax: longitud de onda del pico de emisión en metros.
T: Temperatura del cuerpo negro en kelvin (K).
K: Constante de Wien (Kelvin x metro).
De acuerdo con esta ecuación, la longitud de onda de la radiación disminuye a medida que la temperatura aumenta. Así, en una primera aproximación podemos saber la temperatura de un cuerpo incandescente por el color que presenta (ver tabla T6).
Tabla T6.Temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color
Los pirómetros de radiación parcial, al contrario que los de radiación total, son pirómetros de comparación, ya que en realidad lo que hacen es comparar la radiación del cuerpo, cuya temperatura se trata de medir, con la de otro cuya temperatura conocemos, o podemos calibrar.
La radiación procedente del cuerpo objeto, se enfoca mediante una lente objetivo sobre el filamento de una lámpara incandescente, la cual se observa a través de un filtro rojo mediante el ocular, en la figura T50 se muestra el pirómetro óptico.
Figura T50. Pirómetro óptico
El observador puede variar la corriente que atraviesa el filamento de la lámpara por medio del reóstato, R (resistencia eléctrica graduable), hasta que el filamento se hace indistinguible sobre el fondo de la imagen del foco.
Si la temperatura del filamento es más elevada que la del cuerpo, el filamento aparecerá como una raya brillante en un fondo más oscuro, si por el contrario el filamento está a menor temperatura, se verá como un hilo oscuro en un campo luminoso brillante. Cuando la intensidad luminosa del filamento coincida con la del cuerpo cuya temperatura se mide, el filamento no se distinguirá del fondo luminoso del campo de observación. En este caso, el filamento y el cuerpo tienen la misma temperatura.
El filtro rojo permite que la comparación se realice dentro de un pequeño intervalo de longitudes de onda y el instrumento se calibra, registrando las lecturas realizadas por el amperímetro para distintos focos cuyas temperaturas se miden mediante un par termoeléctrico estándar.
El cuerpo cuya temperatura se quiere medir debe estar, por lo menos, al rojo, para que pueda ser visible su radiación.
Características
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Pirómetro óptico con haz luminoso capaz de leer la temperatura en superficie.
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Determinación de altas temperaturas tales como la temperatura de fusión del platino o del tungsteno.
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Son capaces de ver los niveles de longitud de onda de hasta 0,65 micras.
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Un error de ± 1% en la confrontación del brillo supone solamente un error de ± 0,05 a ± 0,1% en la temperatura.
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Este tipo de pirómetro mide una temperatura que alcanza los 2.400ºF, pero existen otros más complejos que pueden alcanzar los 10000ºF.
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El pirómetro consta de dos partes un telescopio y una caja de control.
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Solo se utiliza cuando el ambiente es limpio.
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Este pirómetro no es eléctrico
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Trabaja en el rango del espectro Rojo.
Aplicaciones
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Para medir temperaturas superiores a 600º en fábricas donde se funden metales.
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Para medir temperaturas promedios de superficies muy grandes.
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Para la medición de objetos en movimiento o cualquier superficie a la que no se pueda llegar o que no pueda ser tocada.
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Para medir temperaturas donde el medio o la atmósfera impiden el uso de otros métodos.
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Rango de medición comercial desde 50ºC a 6000ºC.
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Buena repetitividad, pero difícil de determinar una temperatura exacta.
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Costo elevado.