UNIVERSIDAD DE LAS AMERICAS-PUEBLA

PIROMETROS DE RADIACIÓN Y ÓPTICOS

TRANSDUCTORES Y SISTEMAS DE MEDICIÓN

Introducción

Conocer la temperatura de un cuerpo o un sistema ha sido importante en muchos ámbitos de la sociedad a través del tiempo, desde aplicaciones industriales hasta el cuidado de la salud humana, además es un factor muy importante a la hora de tomar decisiones de riesgo o de estabilidad en un proceso o incluso una vida humana.

A medida de que la temperatura de un cuerpo aumenta se vuelve más difícil medirla, ya sea por medios convencionales como los termómetros de mercurio o con sistemas eléctricos como las resistencias detectores de temperatura (RTD's) termisotres o termopares. Los problemas asociados con la medición de temperatura elevada por métodos convencionales, motivó los primeros descubrimientos sobre pirómetros. Los pirómetros son dispositivos que miden la temperatura a través de la energía irradiada por el cuerpo.

Teoría de los 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, de lo cual parten para medir la temperatura de los cuerpos. 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 3x108 m/s. La radiación electromagnética se extiende a través un ancho rango de frecuencias, como se ilustra en la siguiente figura:

Fig. 1. Espectro de radiación electromagnética

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, 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. Asimismo, la misma proporción de la energía radiante que incide desde el interior se refleja hacia dentro, y se transmite cierta proporción que se propaga hacia fuera, lo que se denomina energía radiante emitida por la superficie. Dependiendo de las características de la superficie del cuerpo, es la cantidad de energía que se refleja y absorbe, por ejemplo en las siguientes imágenes se muestra una superficie que refleja la mayor parte de la energía que incide y por lo tanto absorbe una mínima cantidad de ella, y otra que refleja una pequeña cantidad de energía incidente pero absorbe en su mayoría la cantidad restante.

Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de radiación es un buen emisor, y un mal absorbedor es un mal emisor. También podemos decir, que un buen reflector es un mal emisor, y un mal reflector es un buen emisor.

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.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente. Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.

Tipos de Pirómetros

Existen 3 tipos de pirómetros: los de radiación, los infrarrojos y los ópticos. El primero acepta un muestreo controlado de la radiación total y mediante determinación del efecto calorífico del muestreo obtenido, un sensor térmico como una termopila (grupo de termopares conectados en serie) determina le medición de temperatura. El pirómetro óptico usa el ojo humano como el medio de detección estimando el cambio en el ancho de banda de radiación visual con temperatura. Finalmente el infrarrojo maneja un principio similar que al de radiación total, solo que las mediciones se restringen al segmento infrarrojo. Ninguno de los 3 necesita contacto directo con el objeto a analizar ni una distancia particular. En este trabajo solo se hablará sobre los 2 primeros tipos, por radiación y ópticos.

Fig. 2. Pirómetro de Radiación en la industria (lateral izquiero)

Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1 300º C. Este tipo de pirómetros utilizan un método de comparación como base de operación. En general, una temperatura de referencia es proporcionada en forma de un filamento de lámpara eléctricamente calentada, y la medición de temperatura es obtenida comparando de manera óptica la radiación visual del filamento contra la de la fuente de calor a medir. En principio, la radiación de una de las fuentes, como la ve el observador, es ajustada hasta coincidir con la radiación de la otra fuente. Existen dos métodos: 1) La corriente a través del filamento es controlada eléctricamente mediante un ajuste de resistencia, o 2) la radiación aceptada por el pirómetro de la fuente desconocida es ajustada ópticamente mediante algún aparato absorbente como un filtro polarizante. En ambos casos el ajuste es requerido para la lectura de la temperatura.

La siguiente figura ilustra de forma esquemática la estructura de un pirómetro de intensidad variable.

Fig. 3 Diagrama Esquemático de un pirómetro óptico

En uso, el pirómetro es puesto en dirección de la fuente u objeto a analizar a una distancia adecuada para que la lente del pirómetro enfoque la fuente en el plano del filamento. La ventanilla de enfoque es ajustada de tal forma que el filamento y la fuente aparezcan uno puesto sobre otro. En general, el filamento aparecerá más caliente que la fuente o más frío que ella como se muestra en la figura 4. Ajustando la corriente en la batería, el filamento debe de hacerse desparecer como se ejemplifica en la figura 4c. La corriente medida en el indicador conectado a la lámpara y a la batería es usado para asignar la temperatura de la fuente.

Un filtro rojo es generalmente usado para obtener aproximadamente condiciones monocromáticas, y el filtro de absorción es utilizado para que el filamento opere a una intensidad reducida y así prolongar su vida.

Fig. 4. Apariencia del filamento

Este pirómetro es de uso manual, pero existen los pirómetros ópticos automáticos, los cuales son parecidos a los de radiación infrarrojos y consisten esencialmente en un disco rotatorio que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicador. Éste envía una señal de salida en forma de onda cuadrad de impulsos de corriente continua que convencionalmente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la lámpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura.

Pirómetros de radiación

Los pirómetros de radiación se emplean para medir temperaturas mayores de 550°C hasta un poco más de 1600°C captando toda o gran parte de la radiación emitida pro el cuerpo a analizar. Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT4, donde

W (potencia emitida)= Flujo radiante por unidad de área.

K =Constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4).

T =Temperatura en Kelvin

La figura 5 muestra, de forma simplificada, la forma de operación de un pirómetro de radiación. La parte esencial del dispositivo consiste en una especie de lente de pirex sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en un termopila formada por varios termopares de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensibles a pequeñas variaciones de 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 propiciando la fuerza electromotriz máxima.

Fig. 5. Esquema simplificado de un pirómetro de radiación

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. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura del ambiente. La compensación de esta se lleva a cabo 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. Esta compensación se utiliza en temperaturas ambientes mínimas a 120°C, a mayor temperatura se emplean dispositivos de refrigeración.

El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo. El espejo cóncavo es a veces preferido como medidor para enfocar por dos razones:

Aplicaciones

Los pirómetros, como ya se había mencionado, se utilizan para medir temperaturas muy elevadas sin la necesidad de contacto físico y dependiendo del rango deseado se elige uno de los tipos de pirómetros ya que los pirómetros de radiación total tienen un mayor rango que los ópticos.

El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos siguientes:

• Donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera de horno.

• Para la medida de temperaturas de superficies.

• Para medir temperaturas de objetos que se muevan.

• Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares.

• Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.

• Donde las condiciones mecánicas (vibraciones, choques, etc.) acorten la vida de un par termoeléctrico caliente.

En la industria del vidrio se necesita controlar la temperatura en sus procesos, es por ello que se emplean pirómetros, de los cuales según la capa de vidrio que se desea medir, se elige el tipo de pirómetro, debido a que en diferentes longitudes de onda se alcanzan diferentes profundidades. Pirómetros con detectores de silicio alcanzan profundidades en vidrio para ventanas de unos 190mm aproximadamente.

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Fig. 6. Pirómetros digitales de fibra óptica

Bibliografía

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Instrumentation for Engineering Measurements, Dally, James W., John Wiley & Sons, Nueva York, 1984.

Mechanical Measurement, Beckwith, Thomas G., Addison-Wesley Pub Co., 3a Edición, 1982.

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http://www.sereetron.com/Medida%20temp%20en%20industria%20vidrio.pdf

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm