Pirómetros de Radiación y Ópticos

Pirómetros de Radiación, Calorimetría Directa e Indirecta Facultad de Ingeniería, arquitectura y diseño Dr. Rubén César Villarreal Sánchez Giovanna K. Arámburo García Alberto Abaroa Villanueva. Diego Castañeda Rodarte José Aguilar Castro Sistemas de Medición 25-Mayo-2015 Cabe preguntarse cómo medir la temperatura en procesos, cuando los valores exceden los puntos de fusión de muchos de los sensores que se han visto en clase (termopar, termistor, etc.). Esto puede ser posible mediante un pirómetro; la pirometría es una técnica empleada para la detección de temperatura, que permite hacer la medición sin que el sensor esté en contacto físico con la variable. En lugar de ello, la medición depende de la relación entre la tem peratura y radiación electromagnética de un cuerpo caliente. ( Abstract   Abstract )

Introducción Si algo está muy caliente como para sostenerlo, no es una buena idea intentar medirlo con un termómetro convencional. En vez de eso puedes tratar con un termopar, éste es un tipo de termómetro que funciona generando electricidad dependiendo dependiendo de lo caliente que el objeto esté. Pero, ¿Qué tal si lo que quieres medir es aún más caliente o es inconveniente hacer una medición con un termopar?, ¿Qué tal si se encuentra dentro de un horno de acero, horno de cerámica, el techo de una catedral o una nube? En ese caso, es cuando puedes medir la temperatura con un instrumento de forma remota, llamado Pirómetro.

¿Qué es un pirómetro? Una persona puede sentir el fuego a cierta distancia, debido a que el fuego emite radiación térmica en todas direcciones. En teoría, si el fuego se comporta de acuerdo a las leyes físicas, la radiación que es producida está relacionada con la temperatura de una forma muy predecible. Entonces, si puedes medir la radiación, puedes medir su temperatura de forma precisa a cierta distancia del objeto. Esta es la teoría detrás de un pirómetro: Un termometro de buena presición que mide la temperatura de un objeto a través de la radiación que este emite.

pirómetro inventado fue por el alfarero inglés Josiah Wedgwood, alrededor de 1780. Wedgwood sabía que la porcelana se contrae cuando se quema, y dependiendo de la contracción es la temperatura del horno, entonces él ideo la forma de colocar porcelanas dentro del horno observando cómo estas se contraían para determinar su temperatura.

Pirometría La pirometría es una técnica para determinar la temperatura de un cuerpo mediante la medición de su radiación electromagnética electromagnética y se basa en dos principios: el primero es que la intensidad de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo, depende al menos parcialmente de la emisión del cuerpo o habilidad para radiar energía. El segundo es que la intensidad de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo, también depende de su temperatura. En otras palabras, la intensidad de la radiación electromagnética de un cuerpo está en función de su temperatura y de su habilidad para radiar energía

(emisividad o emitancia).

Emisividad

¿Quién lo inventó?

La emisividad o emitancia (E) es definida como la relación de la energía que irradia un cuerpo a una temperatura dada con respecto a la energía que irradia un cuerpo negro a esa misma temperatura. La emisividad en un cuerpo negro es de 1, por lo tanto, todos los valores de emisividad fluctúan entre 0 y 1.

Mucho antes de que los pirómetros electrónicos y de filamento fueran creados, alfareros necesitaban medir las temperaturas de sus hornos para asegurarse de que sus vasijas de cerámica quemarían correctamente. Por lo que no viene a sorpresa el saber que el primer

La emisividad de un cuerpo es una medida de su habilidad para radiar energía. Tenemos pues que relacionado al término emisividad, se tiene la reflectividad, la transmitancia y la absorbancia; en

donde en cada uno de ellos es la habilidad de reflejar (R), transmitir (T) o absorber (A) energía.

=++=1 Si en la figura 1 el objeto X está caliente y el objeto Y está frío, el calor se irradia del objeto caliente al frío.

Figura 1. Interpretación de transmisión, reflexión y absorción.

En este proceso algo de calor es absorbido, reflejado y transmitido por el objeto Y. La distribución en estos tres parámetros debe de ser igual a 100% lo cual se representa como 1.0. Si un objeto está en equilibrio térmico, es decir, que no está ni caliente ni frío, indica que la energía que radia es igual a la energía que absorbe A = E. El cuerpo que emite y absorbe calor en forma ideal es llamado un cuerpo negro. Éste emite más radiación que cualquier otro cuerpo con la misma área y a la misma temperatura; en otras palabras, un cuerpo negro absorbe toda la energía radiante que cae sobre él, sin reflejar absolutamente nada. Aunque un cuerpo negro es un objeto ideal más que real.

La figura 2 muestra un dispositivo que es frecuentemente usado como cuerpo negro. Consiste en una esfera hueca de metal de pared gruesa con una pequeña perforación a través de la pared. La s uperficie interior de la esfera es recubierta con una sustancia con buenas propiedades emisoras, tal como carbón negro. Cuando se calienta el exterior de la esfera, la radiación electromagnética emitida a través de la horadación, es equivalente a la radiación que se obtendría de un cuerpo ideal. La emisión de un cuerpo desconocido es medida por comparación con la de un cuerpo negro. Los buenos emisores tienen emisiones cercanas a la unidad, que es la emisión de un cuerpo negro. Los emisores pobres tienen emisiones cercanas a cero. Por ejemplo la mayoría de las sustancias orgánicas como la madera, la ropa, los plásticos, se aproximan a 0.95, mientras que los metales con superficies pulidas pueden tener emisividades mucho menores que 1.0. La relación exacta para obtener la emisión de un cuerpo es:

ó    ó = ó     La emitancia es una consideración muy importante en el uso de la pirometría para medir temperatura. Dos cuerpos a la misma temperatura pero con diferente emitancia irradiarán cantidades diferentes de calor. Si se interpreta la diferencia de energía irradiada como una diferencia de temperatura (en vez de una diferencia de emitancias), un cuerpo estará más caliente que el otro.

Relación energía radiante-temperatura La intensidad de la radiación electromagnética es una función tanto de la temperatura como de la emitancia, específicamente, la energía radiada es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura expresada en grados Kelvin (Ley de Stefan-Boltzmann).

 =  4 W = Potencia emitida (Energía radiada / Unidad de área W/cm2)  = Constante de Boltzmann (5.67x10 -8 W/m2·K4) T = Temperatura absoluta en ºK



Figura 2. Cuerpo Negro.

La ley de Boltzmann constituye la base teórica de los pirómetros de radiación. Por ejemplo: si se tiene un lingote de acero a 5000K (227 ºC), la energía radiada por el lingote es de aproximadamente 0.285 W/cm2. Esto significa que cada cm2 del lingote está radiando 0.285 W. Ahora supongamos que la temperatura es incrementada al doble, la energía radiada por el lingote a 10000K (727 ºC) será de 4.56 W. Note que la

radiación electromagnética fue incrementada por un factor de 16 (X 24) mientras que la temperatura sólo aumentó en un factor de 2.

Intensidad contra longitud de onda La mayoría de los cuerpos absorben y emiten radiación en una determinada longitud de onda. Esta es la causa de que algunos objetos tengan colores característicos cuando son calentados. Para entender el efecto de la longitud de onda y la radiación en la pirometría, es conveniente considerar el caso del cuerpo negro.

los pirómetros se clasifican basados en el rango del espectro electromagnético que cubren.

Pirómetros de banda angosta (Pirómetro Óptico) Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien. La longitud de onda correspondiente al máximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda, es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro.

 =/ donde A = 0.2897 y  está dada en centímetros. La medición de la temperatura de un cuerpo se hace con la comparación de la intensidad de la radiación emitida por el cuerpo contra la de un filamento de referencia, cuya temperatura se conoce. Si la fuente es un radiador perfecto, o sea un llamado cuerpo negro, existe una relación entre el brillo  de la fuente en esta banda estrecha, la longitud landa de la onda efectiva media de esta banda y la temperatura absoluta T de la fuente, la cual se expresa muy aproximadamente por la ley de distribución de la radiación térmica de Wien:

 

Figura 3. Radiación de un cuerpo negro vs longitud de onda para

diferentes temperaturas.

La figura 3 es un conjunto de curvas que muestran la intensidad relativa de radiación con una función de la longitud de onda a varias temperaturas de un cuerpo negro. El área bajo dicha curva representa la energía total irradiada por el cuerpo negro a esa temperatura. El eje horizontal de la gráfica “la longitud de onda” se

mide en micras. La mayor parte de la radiación emitida por un cuerpo caliente, tiene una longitud de onda ente 0.3 y 20 micras. Sólo puede verse la radiación en el rango de 0.35 a 0.7 5 micras, mientras que la radiación entre 0.75 y 20 micras, se encuentra en el rango infrarrojo y por lo tanto es invisible al ojo humano.

2 ) ( −5    =   La modificación de Planck de esta ley es exacta.



  = −5(2 −) En estas expresiones C1 y C2 son constantes físicas que pueden ser determinadas experimentalmente por varios métodos. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800°C y es matemáticamente de manejo más cómodo que la ley de Planck.

Al variar la temperatura de un cuerpo ocurren cambios en la cantidad total de radiación emitida y en la cantidad de radiación presente en varias longitudes de ondas. En la figura 3 puede observarse que al incrementarse la temperatura, el cuerpo negro emite más energía en todas las longitudes de onda. A bajas temperaturas casi toda la radiación es infrarroja, pero al incrementarse la temperatura, una mayor cantidad de energía se irradia en el rango visible.

Los pirómetros de banda estrecha son llamados frecuentemente pirómetros ópticos, debido a que su uso está limitado a radiaciones de longitudes de onda de 0.35 a 0.75 micras.

Pirómetros y longitudes de onda

En otras palabras, un pirómetro óptico requiere que el operador compare una fuente de energía radiante conocida (generalmente un filamento de platino) con la fuente de temperatura desconocida (objeto), un

Los pirómetros se clasifican en dos tipos: de banda angosta y de banda amplia, como el nombre lo sugiere,

El pirómetro óptico requiere que un operador compare la intensidad del objeto que es medido contra la referencia. Su uso por lo tanto está restringido a las longitudes de onda a las cuales responde el ojo humano (espectro visible).

cambio en la temperatura del objeto causará el cambio correspondiente de la intensidad de su energía radiada, y se deberá ser capaz de detectar tales cambios en la brillantez. Para operarlo, se coloca frente a la vista y se enfoca sobre el objeto como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Configuración del Pirómetro Óptico.

El operario varía la corriente del filamento de referencia girando una perilla que se encuentra sobre la cubierta del instrumento, ajustando ésta hasta que la brillantez del filamento iguale a la del blanco. Cuando esto suceda, se pierde el filamento, confundido con el color del blanco (el objeto al que se mide la temperatura), en la figura 5 se ilustra un ejemplo. La temperatura del blanco se determina leyendo el valor de la perilla que tiene una escala para leer directamente en grados Farenheith o en grados Celsius, y que corresponde a la corriente que se le aplica al filamento.

Pirómetros de banda ancha (Pirómetro de Radiación) Su operación se basa en la relación entre la radiación total emitida y la temperatura. Teóricamente puede responder a todas las longitudes de onda emitidas por un objeto, pero debido a que la mayor parte de la radiación se encuentra en las porciones visible e infrarroja del espectro, los pirómetros de banda amplia sólo miden prácticamente la radiación de estas longitudes de onda, para obtener una aproximación razonable de la radiación total emitida. Estos pirómetros son también llamados pirómetros de radiación y pirómetros infrarrojos. Un diagrama de un pirómetro de este tipo se muestra en la figura 6. Obsérvese que el pirómetro consiste de: •  Un sistema óptico (unos lentes) para enfocar la

energía irradiada por el blanco sobre un elemento detector. • Un detector (una termopila, fotocelda u otro

dispositivo), cuya salida sea una señal eléctrica que varía con la temperatura. •  Un

indicador, registrador o controlador de temperatura que responde a la señal del detector.

Figura 6. Pirómetro de radiación típico y termopila.

Figura 5. Visualización para una correcta medición.

Cuando el objeto sea muy brillante y se requiera amortiguar la brillantez, se coloca un filtro entre el observador y el filamento de referencia como se muestra en la figura 4, el filtro limitará en gran medida la porción del espectro electromagnético que sea capaz de ver. Esto asegura que tanto el filamento como el blanco (objeto) parezcan del mismo color. Adicionalmente el filtro permite que solamente la luz de la longitud de onda seleccionada pase, mejorando grandemente la exactitud del pirómetro.

Cuando la energía total irradiada por un cuerpo entra al pirómetro, es enfocada con los lentes por el detector. El detector o elemento térmico puede ser uno de varios dispositivos: una termopila, celda, termistor o termómetro de resistencia. Una termopila consiste de varios termopares conectados en serie, el detector mostrado en la figura 6, es una termopila. El instrumento mostrado en la 7 es un pirómetro de radiación. El detector en este pirómetro puede ser una termopila, ésta absorbería energía cuando el pirómetro es enfocado sobre un objeto caliente y su temperatura se eleva. La termopila genera un voltaje que es relacionado directamente con la temperatura.

Aplicaciones del plano de vista o ventana. Si se requiere medir temperatura en cámaras de vacío, atmósferas especiales, u otro proceso a través de ventanas o vasos, se debe tener cuidado, asegurándose que por la ventana por donde pasa la señal, no se restrinja la longitud de onda. Recuerde que por ese vidrio sólo pasan longitudes de onda de 3 μ o menores, en el cuarzo entre 0.5 y 4.5 μ, en el selenio zinc 2 a 15 μ y en el germanio de 4 a 14 μ.

Procesamiento de la señal. Los dispositivos de procesamiento de la señal se encuentran integrados y producen salidas estándar que se pueden conectar son indicadores,registradores, controladores, adquisidores de datos (data logres). Los indicadores (displays), alarmas, puntos de ajuste y controladores son por lo general parte integral del instrumento Figura 7. Pirómetro de Radiación.

La operación del pirómetro por radiación térmica puede ser simplificada como sigue: • La energía térmica total (calor) radiada por un objeto

Bibliografía [1] Villalobos, G. et al. Medición y control de procesos industriales. Instituto Politécnico Nacional. 2006.

se incrementa a medida que la temperatura se incrementa.

[2] Creus, A. Instrumentación Industrial. Alfaomega: Marcombo. 1998.

• Cuando el incremento de la energía radiada por el

[3] Medrano, S. & Aranda, V. Pirometría de Radiación. MetAs & Metrólogos Asociados. 2004.

blanco incide en el detector del pirómetro, causará un aumento del detector. • Un cambio de la temperatura en el detector de un

pirómetro indica un cambio en la temperatura del blanco.

Aplicaciones y características de los Pirómetros Además de ciertas consideraciones como son: ópticas, respuesta al espectro, emisividad, rango de temperatura, montaje (fijo o portátil), se deben considerar los siguientes puntos: Tiempo de respuesta. Esto nos indica qué tan rápido debe responder el instrumento a los cambios en el proceso, para controlar adecuadamente la temperatura. Medio ambiente. El instrumento deberá funcionar adecuadamente a cualquier temperatura ambiente a la que sea expuesto. Debiéndose proteger del polvo, suciedad, flamas o vapores que puedan afectar su funcionamiento. En ambientes explosivos se deberán considerar equipos a prueba de explosión o intrínsecamente seguros.

[4] Shuebert, M. Introduction to Infrared Pyrometers. One Omega Drive. 2005.