Pirómetros ópticos. (Medición de temperatura, pirómetros, termometría infrarroja y emisividad.)

Selección de pirómetros y termómetros infrarrojos sin contacto

Figura : pirómetro o un termómetro infrarrojo

En muchos entornos de fabricación, la capacidad de medir la temperatura de la superficie sin contacto con el producto es fundamental para garantizar la calidad y el rendimiento. Las aplicaciones de medición de temperatura son tan variadas como los productos y las tecnologías disponibles. La medición y control de la temperatura es una tarea rutinaria pero esencial en casi todos los procesos de automatización industrial.

Las secuencias de temperatura/tiempo requeridas para obtener los resultados deseados en un proceso determinado suelen basarse en la experiencia de producción y en datos recopilados en laboratorios especializados o plantas piloto. Un control deficiente de la temperatura puede afectar el rendimiento del producto, su calidad, el consumo energético de la planta, los costos de mantenimiento y la vida útil del equipo. Evaluar estos factores permite cuantificar el equilibrio entre el costo de una medición precisa y los costos asociados a productos defectuosos, consumo energético elevado o fallos prematuros en los equipos.

Antes de elegir un dispositivo de medición de temperatura sin contacto, es recomendable analizar las diferentes tecnologías disponibles y su aplicación en cada caso. Esto puede ahorrar tiempo, dinero y complicaciones.

Fig. 1. Espectro electromagnético

La elección de un pirómetro o un termómetro infrarrojo depende principalmente de cuatro factores: la aplicación, la precisión del instrumento, su fiabilidad y el presupuesto disponible. Existen dos grandes grupos de dispositivos para medir temperatura sin contacto:

1. Pirómetros ópticos: También llamados pirómetros de brillo, miden la temperatura en el espectro de luz visible entre 0,4 y 0,7 micras, específicamente a 0,655 micras.
2. Termómetros infrarrojos: Miden la temperatura en el espectro de luz infrarroja entre 0,7 y 80 micras.

Ambos grupos utilizan tecnologías diferentes para la medición de temperatura. Dentro de los pirómetros ópticos, encontramos dos variantes: los de tipo cuña photoscreenic y los pirómetros de desaparición de filamento. En cuanto a los termómetros infrarrojos, pueden ser de longitud de onda única (también llamados de un solo color) o de longitud de onda múltiple (o multicolor). Algunos termómetros infrarrojos avanzados también incorporan tecnologías como fibra óptica y láser de pulso.

Para seleccionar la tecnología más adecuada, es esencial comprender la relación entre temperatura y emisividad.

Todos los objetos con una temperatura superior a -273°C (0°K) emiten energía radiante. Los instrumentos sin contacto miden esta energía en comparación con un cuerpo negro, que se define como un emisor perfecto de energía (100%). En la práctica, ningún objeto emite tanta energía como un cuerpo negro ideal, lo que introduce el concepto de emisividad.

La energía aplicada a un objeto puede ser:

• Absorbida (A)
• Reflejada (R)
• Transmitida (T)

La ecuación fundamental es:

A + R + T = 100% de la energía

Por ejemplo, si un objeto absorbe 90% de la energía, refleja 10% y no transmite energía, la ecuación se expresa como:

0,90 + 0,10 + 0,00 = 100% de la energía

Los pirómetros ópticos y los termómetros infrarrojos solo pueden detectar la radiación emitida por objetos opacos, lo que elimina la transmisión (T), simplificando la ecuación a:

A + R = 100%

Además, la ley de Kirchhoff establece que la cantidad de energía emitida por un objeto es igual a la cantidad de energía absorbida. Esto permite definir la emisividad (E) como la relación entre la energía emitida por un objeto (Qt) y la energía emitida por un cuerpo negro (Qb).

Emisividad (E) = Qt / Qb

Los instrumentos de medición sin contacto están influenciados por la emisividad del objeto. La mayoría de los termómetros infrarrojos incluyen ajustes de emisividad para corregir este factor. Sin embargo, en aplicaciones donde la emisividad cambia rápidamente con la temperatura, los errores pueden ser significativos. En estos casos, los termómetros infrarrojos con corrección automática de emisividad mediante pulso láser ofrecen mayor precisión.

Existen varias formas de calcular la emisividad de un material:

1. Consulta de tablas: Existen tablas con valores aproximados de emisividad para diferentes materiales. Sin embargo, en metales, la emisividad varía según el acabado superficial (pulido, oxidado, etc.).
2. Comparación con termómetros de contacto: Se calienta el material y se mide la temperatura con un termopar. Luego, se ajusta la emisividad del termómetro infrarrojo hasta obtener la misma lectura.
3. Uso de etiquetas de emisividad conocida: Se adhiere una etiqueta especial con emisividad conocida y se ajusta el termómetro infrarrojo para coincidir con su temperatura.
4. Creación de un cuerpo negro: Se perfora un orificio profundo en el material para que actúe como cuerpo negro. Se mide la temperatura en el orificio y luego en la superficie, ajustando la emisividad hasta obtener valores coincidentes.

Medición en diferentes materiales

Metales

Los metales suelen tener una emisividad baja y alta reflectancia, lo que puede generar errores en la medición. Para minimizar estos errores, se recomienda utilizar un pirómetro de relación o seleccionar una longitud de onda adecuada:

• Altas temperaturas: Longitudes de onda de 0,8 a 1,0 µm (en el límite del espectro visible).
• Opciones adicionales: 1,6 µm, 2,2 µm y 3,9 µm según el tipo de metal y temperatura.

Los plásticos tienen transmitancia variable según la longitud de onda y el espesor. Para obtener mediciones precisas, se deben usar longitudes de onda donde la transmitancia sea mínima:

• Polietileno, polipropileno, nylon y poliestireno: Medir a 3,43 µm.
• Poliéster, poliuretano, teflón FEP y poliamida: Medir a 7,9 µm.
• Plásticos gruesos y coloreados: Medir entre 8 y 14 µm.

El vidrio es semitransparente en algunas longitudes de onda, por lo que se debe elegir un sensor adecuado:

• Para medición superficial: 5 µm.
• Para medición interna: 1,0 µm, 2,2 µm o 3,9 µm.
• Para bajas temperaturas: 8 a 14 µm con emisividad ajustada a 0,85.

Los siguientes factores influyen en la elección del instrumento de medición adecuado:

• Rango de temperatura del objeto
• Material del objetivo
• Tamaño y distancia del objetivo
• Gases o interferencias en el entorno
• Temperatura ambiente

Además, factores como la integración en sistemas de control de procesos o el uso ocasional del dispositivo también deben considerarse.

La precisión de un pirómetro o termómetro infrarrojo es crucial para garantizar la calidad del producto. Antes de elegir un dispositivo, es importante considerar si la aplicación requiere alta precisión. Un instrumento con mayor precisión suele tener un costo más elevado, por lo que se debe evaluar su necesidad en función del proceso.

Términos destacados :

En conclusión, la selección de un pirómetro o termómetro infrarrojo adecuado depende de múltiples factores. La correcta compensación de la emisividad y la elección de la longitud de onda apropiada son claves para obtener mediciones confiables en distintos materiales y entornos.

Pirómetros Ópticos: Función y Operación

Los tradicionales pirómetros ópticos miden el brillo en el espectro visible. Utilizan la capacidad inherente del ojo humano para comparar la intensidad de la luz irradiada desde un objetivo caliente con el brillo de una lámpara interna calibrada. Dado que el ojo humano puede percibir el resplandor reflejado de la energía, estos dispositivos son más eficaces con objetivos no difusos o brillantes que los termómetros infrarrojos. Estos instrumentos, portátiles y livianos, son adecuados para aplicaciones específicas en las que se requiere precisión en la medición de temperatura.

Las mediciones obtenidas con un pirómetro óptico son precisas cuando se comparan con una fuente de temperatura de cuerpo negro. Sin embargo, al igual que los termómetros infrarrojos, estos dispositivos se ven afectados por la emisividad y requieren compensación para medir con exactitud la temperatura de objetivos que no sean cuerpos negros.

Los pirómetros ópticos de tipo cuña utilizan un sistema de lentes y prismas que amplían la vista del objetivo. Incorporan una cuña photoscreenic óptica giratoria que actúa como un filtro de densidad neutra. El brillo del objetivo caliente, visto a través del sistema óptico, se ajusta girando la cuña hasta que coincida con la intensidad de la lámpara interna calibrada. La escala de temperatura del instrumento está acoplada directamente a la cuña óptica, permitiendo una lectura precisa. Los rangos de temperatura típicos para estos dispositivos oscilan entre 1300 y 5800°F (700 a 3200°C).

Fig. Pirómetro tipo cuña óptica

Este tipo de pirómetro óptico utiliza un sistema óptico de ajuste visual tipo telescopio para observar objetivos pequeños. La temperatura se determina ajustando un reóstato de precisión, que varía la intensidad de una lámpara interna calibrada hasta que su color se funda con el del objetivo. La corriente que fluye a la lámpara se extrae a través de una salida analógica o digital para mostrar la temperatura medida.

Fig. : Lámpara de pirómetro de desaparición de filamento sobrepuesta sobre objetivo

Una de las ventajas clave de este método es que el objetivo no necesita llenar todo el campo de visión, lo que lo hace útil para medir objetos extremadamente pequeños, como alambres de 0,0005" de diámetro. Los rangos de temperatura de estos dispositivos varían entre 1300 y 5800°F (700 a 3200°C), pero con los filtros adecuados pueden extenderse hasta 18000°F (10000°C). Las versiones electrónicas de estos dispositivos permiten ingresar valores de emisividad para corregir automáticamente la temperatura medida.

Los pirómetros ópticos son eficaces para aplicaciones que requieren operación manual, pero los procesos automatizados que exigen altas velocidades de adquisición de datos se benefician más de la tecnología de infrarrojos. No obstante, en aplicaciones donde solo se requiere monitoreo ocasional, el pirómetro óptico sigue siendo una opción eficiente y confiable.

La medición de temperatura sin contacto mediante un termómetro infrarrojo se ha implementado ampliamente en sectores como la metalurgia, industria química, refinación de petróleo y cerámica. Estos dispositivos operan en el espectro de luz visible e infrarroja, dependiendo de la longitud de onda utilizada. Sin embargo, existen desafíos en la precisión de las mediciones debido a la emisividad variable de las superficies y la posible interferencia de la radiación de fondo reflejada por el entorno.

Para abordar estas limitaciones, se ha desarrollado una técnica basada en láser de impulsos, que permite la corrección automática de la emisividad. Si bien no es aplicable a todos los materiales, ha demostrado ser efectiva en la medición en línea de temperatura en procesos industriales y laboratorios avanzados.

Principios de Funcionamiento

Fig. Termómetro infrarrojo básico

Los termómetros infrarrojos están disponibles en un amplio rango de temperaturas, desde aproximadamente -4 a 7200°F (-20 a 4000°C). Pueden presentarse en modelos portátiles tipo pistola con puntero láser o integrados en sistemas avanzados de control de procesos para la medición de temperatura en tiempo real.

El funcionamiento básico de estos dispositivos sigue un principio común: un sistema óptico enfoca la radiación infrarroja del objetivo en un detector, que convierte la energía térmica en una señal eléctrica. Esta señal es compensada por emisividad, linealizada y amplificada antes de ser transmitida como una señal analógica o digital.

Los termómetros infrarrojos pueden operar en anchos de banda amplios o estrechos. Los dispositivos de banda ancha tienen un rango de temperatura más extenso, pero su precisión se ve afectada por la variabilidad de la emisividad en diferentes longitudes de onda. En cambio, los termómetros de banda estrecha ofrecen mediciones más precisas, ya que reducen la influencia de la emisividad variable.

La selección de la longitud de onda es crucial para obtener mediciones exactas. En muchos metales, por ejemplo, la emisividad varía significativamente con la temperatura, lo que requiere seleccionar una longitud de onda adecuada para minimizar errores. En materiales como plásticos y vidrio, es fundamental elegir un termómetro con la longitud de onda correcta para evitar errores debido a la transmisión parcial de la radiación.

Termómetros Infrarrojos de un Solo Color y Multicolor

Fig.:Intensidad de radiación versus diferentes bandas utilizando la Ley de Planck

Los termómetros infrarrojos de un solo color miden la temperatura en un único segmento del espectro infrarrojo. Son adecuados tanto para aplicaciones generales como especializadas, pero requieren un ajuste preciso de la emisividad para obtener resultados exactos.

Por otro lado, los termómetros multicolor miden la temperatura en dos o más longitudes de onda. En teoría, si el objeto mide lo mismo en diferentes longitudes de onda con la misma emisividad, esta puede eliminarse de la ecuación, permitiendo mediciones más precisas. Sin embargo, en aplicaciones donde la emisividad cambia dinámicamente, los errores pueden ser significativos.

A pesar de sus limitaciones, los termómetros multicolor tienen ventajas en aplicaciones donde solo una parte del objeto es visible, lo que los hace ideales para monitorear procesos donde el objetivo está parcialmente obstruido.

Los termómetros infrarrojos han evolucionado para incorporar tecnologías avanzadas, como:

• Sensores de fibra óptica, que permiten ubicar los controles del instrumento lejos del calor extremo.
• Sondas especializadas de zafiro, útiles para mediciones en entornos inaccesibles, como reactores o cámaras de vacío.
• Láser de pulso, que permite la corrección automática de emisividad, mejorando significativamente la precisión.

Los sistemas de control de procesos que utilizan múltiples sensores pueden medir en diferentes ubicaciones simultáneamente, compensando la radiación de fondo y proporcionando mediciones más precisas. Por ejemplo, en hornos industriales, esta tecnología permite ajustar automáticamente la temperatura del proceso para obtener un mejor control térmico.

Términos destacados :

Los pirómetros ópticos y los termómetros infrarrojos son herramientas esenciales para la medición sin contacto de temperatura en diversas industrias. Mientras que los pirómetros ópticos son adecuados para aplicaciones manuales y objetivos pequeños, los termómetros infrarrojos ofrecen mayor versatilidad en entornos industriales automatizados.

El desarrollo de tecnologías como la corrección automática de emisividad con láser de pulso y la integración de sensores de fibra óptica han mejorado la precisión y adaptabilidad de estos instrumentos, permitiendo un control térmico más eficiente en procesos industriales.

La elección del dispositivo adecuado dependerá de factores como la emisividad del objetivo, la temperatura del entorno y el tipo de material medido, asegurando así una medición precisa y confiable en cada aplicación.