¿CÓMO CLASIFICAR LOS TERMÓMETROS SIN CONTACTO?
- Termómetros/pirómetros de radiación de banda ancha
- Termómetros/pirómetros de radiación de banda estrecha
- Termómetros/pirómetros de radiación de relación
- Pirómetros de Óptica
- Termómetros/pirómetros de radiación de fibra óptica
These classifications are not rigid. For example, optical pyrometers can be considered a subset of narrow band devices. Fiber optic radiation thermometers, to be discussed in detail in another section, can be classified as wide band, narrow band, or ratio devices. Likewise, infrared radiation thermometers can be considered subsets of several of these classes. Historically a radiation non-contact thermometer consisted of an optical system to collect the energy emitted by the target; a detector to convert this energy to an electrical signal; an emittivity adjustment to match the thermometer calibration to the specific emitting characteristics of the target, and an ambient temperature compensation circuit, to ensure that temperature variations inside the thermometer due to ambient conditions did not affect accuracy.
Estas clasificaciones no son rígidas. Por ejemplo, los pirómetros ópticos pueden considerarse un subconjunto de los dispositivos de banda estrecha. Los termómetros de radiación de fibra óptica, que se tratarán de manera detallada en otra sección, pueden clasificarse como dispositivos de banda ancha, banda estrecha o relación. Del mismo modo, los termómetros de radiación infrarroja pueden considerarse subconjuntos de varias de estas clases. Históricamente, un termómetro de radiación sin contacto consistía en un sistema óptico para recoger la energía emitida por el objetivo; un detector para convertir esta energía en una señal eléctrica; un ajuste de la emisividad para adaptar la calibración del termómetro a las características específicas de emisión del objetivo, y un circuito de compensación de la temperatura ambiente, para garantizar que las variaciones de temperatura dentro del termómetro debidas a las condiciones ambientales no afectaran a la precisión. El termómetro infrarrojo moderno sigue basándose en este concepto. Sin embargo, la tecnología se ha sofisticado para ampliar el ámbito de las Aplicaciones que puede manejar. Por ejemplo, el número de detectores de infrarrojos disponibles ha aumentado considerablemente y, gracias a las capacidades de filtrado selectivo, estos detectores pueden adaptarse de manera más eficiente a aplicaciones específicas, mejorando el rendimiento de la medición.
La medición de temperatura sin contacto es la técnica preferida para objetos pequeños, en movimiento o inaccesibles; procesos dinámicos que requieren una respuesta rápida; y temperaturas de 1000 °C (1832 °F). Para seleccionar el mejor dispositivo de medición de temperatura sin contacto para una aplicación concreta, es esencial comprender los fundamentos de la tecnología de medición de temperatura, los parámetros de medición de temperatura y las funciones que ofrecen los distintos sistemas de medición disponibles en la actualidad.
Sensores de temperatura de radiación de banda ancha Los termómetros sin contacto de banda ancha suelen ser los dispositivos más sencillos, los más económicos y pueden tener una respuesta desde una longitud de onda de 0,3 micras hasta un límite superior de 2,5 a 20 micras. Los límites inferior y superior del termómetro de banda ancha dependen del sistema óptico específico que se utilice. Se denominan de banda ancha porque miden una fracción significativa de la radiación térmica emitida por el objeto, en los rangos de temperatura de uso normal.
Los termómetros infrarrojos de banda ancha dependen de la emisividad total de la superficie que se mide. La figura 3-2 muestra el error en la lectura para diversas emisividades y temperaturas cuando se realiza la calibración de un dispositivo de banda ancha para un cuerpo negro. Un control de emisividad permite al usuario compensar estos errores, siempre y cuando la emisividad no cambie.
La trayectoria hacia el objetivo debe estar libre de obstáculos. El vapor de agua, el polvo, el humo, el vapor y los gases que absorben la radiación presentes en la atmósfera pueden atenuar la radiación emitida por el objetivo y hacer que el termómetro lea valores bajos. 
Título de la leyenda de la imagen El sistema óptico debe mantenerse limpio y la ventana de visión debe protegerse contra cualquier sustancia corrosiva del Medio Ambiente.
Los rangos estándar incluyen de 32 a 1832 °F (0 a 1000 °C) y de 932 a 1652 °F (500 a 900 °C). La precisión típica es del 0,5 al 1 % de la escala completa.
Radiación de banda estrecha Como su nombre indica, los termómetros IR de radiación de banda estrecha funcionan en un rango reducido de longitudes de onda. Los dispositivos de banda estrecha también se denominan pirómetros de un solo color. El detector específico utilizado determina la respuesta espectral del dispositivo en particular. Por ejemplo, un termómetro sin contacto que utiliza un detector de célula de silicio tendrá una respuesta que alcanza su máximo en aproximadamente 0,9 micras, con un límite superior de utilidad de alrededor de 1,1 micras. Este tipo de dispositivo es útil para medir temperaturas superiores a 1102 °F (600 °C). Los termómetros de banda estrecha suelen tener una respuesta espectral inferior a 1 micra.
Los termómetros sin contacto de banda estrecha utilizan filtros para restringir la respuesta a una longitud de onda seleccionada. Probablemente, el avance más importante en la termometría por radiación ha sido la introducción del filtrado selectivo de la radiación entrante, lo que permite adaptar un instrumento a una aplicación concreta para lograr una mayor precisión en la medición. Esto ha sido posible gracias a la disponibilidad de detectores más sensibles y a los avances en los amplificadores de señal.
Algunos ejemplos comunes de respuestas espectrales selectivas son 8 a 14 micras, que evita la interferencia de la humedad atmosférica en trayectos largos; 7,9 micras, utilizada para la medición de algunos plásticos de película fina; 5 micras, utilizada para la medición de superficies de vidrio; y 3,86 micras, que evita la interferencia del dióxido de carbono y el vapor de agua en las llamas y los gases de combustión.
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Los rangos de temperatura estándar varían de un fabricante a otro, pero algunos ejemplos incluyen: -36 a 1112 °F (-37,78 a 600 °C), 32 a 1832 °F (0 a 1000 °C), de 1112 a 5432 °F (de 600 a 3000 °C) y de 932 a 3632 °F (de 500 a 2000 °C). La precisión típica es del 0,25 % al 2 % de la escala completa.
Dispositivos IR de radiación de relación También llamados termómetros infrarrojos sin contacto de dos colores, estos dispositivos miden la energía radiada de un objeto entre dos bandas estrechas de longitud de onda y calculan la relación entre las dos energías, que es una función de la temperatura del objeto. Originalmente, se denominaban pirómetros de dos colores, porque las dos longitudes de onda correspondían a diferentes colores del espectro visible (por ejemplo, rojo y verde). Muchas personas siguen utilizando hoy en día el término pirómetros de dos colores, ampliando el término para incluir las longitudes de onda en el infrarrojo.
Los termómetros sin contacto dependen únicamente de la relación entre las dos energías medidas, y no de sus valores absolutos, como se muestra en la figura 3-4. Cualquier parámetro, como el tamaño del objetivo, que afecte a la cantidad de energía en cada banda en un porcentaje igual, no tiene ningún efecto en la indicación de la temperatura. Esto hace que un termómetro de relación sea intrínsecamente más preciso. (Sin embargo, se pierde cierta precisión cuando se miden pequeñas diferencias en señales grandes).
La técnica de relación puede eliminar o reducir los errores en la medición de la temperatura causados por cambios en la Emisividad, el acabado de la superficie y los materiales que absorben energía, como el vapor de agua, entre el termómetro y el objetivo. Estos cambios dinámicos deben ser vistos de forma idéntica por el detector en las dos longitudes de onda utilizadas.
La emisividad de todos los materiales no cambia por igual en diferentes longitudes de onda. Los materiales cuya emisividad cambia por igual en diferentes longitudes de onda se denominan cuerpos grises. Los materiales para los que esto no es cierto se denominan cuerpos no grises. Además, no todas las formas de obstrucción de la trayectoria visual atenúan las longitudes de onda de la relación por igual. Por ejemplo, si hay partículas en la trayectoria visual que tienen el mismo tamaño que una de las longitudes de onda, la relación puede desequilibrarse.
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Se debe considerar seriamente el uso de termómetros sin contacto de dos colores para aplicaciones en las que la precisión, y no solo la repetibilidad, es fundamental, o si el objeto objetivo está sufriendo un cambio físico o químico.
Los termómetros de relación cubren amplios rangos de temperatura. Los rangos típicos disponibles en el mercado son de 1652 a 5432* F (900 a 3000 °C) y de 120 a 6692 °F (50 a 3700 °C). La precisión típica es del 0,5 % de la lectura en intervalos estrechos, hasta el 2 % de la escala completa.
Pirómetros ópticos Los pirómetros ópticos miden la radiación del objetivo en una banda estrecha de longitudes de onda del espectro térmico. Los dispositivos más antiguos utilizan el principio del brillo óptico en el espectro rojo visible alrededor de 0,65 micras. Estos instrumentos también se denominan pirómetros monocromáticos. Actualmente son disponibles pirómetros ópticos que permiten realizar mediciones sin contacto en longitudes de onda que se extienden hasta la región infrarroja. Algunos autores han ampliado el término «pirómetros monocromáticos» para incluir también los termómetros de radiación de banda estrecha.
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Algunos diseños ópticos se manejan manualmente, como se muestra en la figura 3-8. El operador apunta el pirómetro hacia el objetivo. Al mismo tiempo, puede ver la imagen del filamento de una lámpara interna en el ocular. En un diseño, el operador ajusta la potencia del filamento, cambiando su color, hasta que coincide con el color del objetivo. La temperatura del objetivo se mide en función de la potencia utilizada por el filamento interno. Otro diseño mantiene una corriente constante en el filamento y cambia el brillo del objetivo mediante una cuña óptica giratoria que absorbe energía. La temperatura del objeto está relacionada con la cantidad de energía absorbida por la cuña, que es una función de su posición anular.
También hay disponibles pirómetros ópticos automáticos, sensibilizados para medir en la región infrarroja. Estos instrumentos utilizan un detector de radiación eléctrica, en lugar del ojo humano. Este dispositivo funciona comparando la cantidad de radiación emitida por el objetivo con la emitida por una fuente de referencia controlada internamente. La salida del instrumento es proporcional a la diferencia de radiación entre el objetivo y la referencia.
Radiación de fibra óptica
Aunque no constituyen estrictamente una clase en sí mismos, estos dispositivos utilizan una guía de luz, como una fibra transparente flexible, para dirigir la radiación hacia el detector, y se tratan de manera más detallada en el capítulo que comienza en la página 43. La respuesta espectral de estas fibras se extiende hasta aproximadamente 2 micras y puede ser útil para medir temperaturas de objetos de hasta 210 °F (100 °C). Obviamente, estos dispositivos son especialmente útiles al ser difícil o imposible obtener una línea de visión clara hacia el objetivo, como en una cámara de presión.
Definición de los términos
Glosario general para termómetros sin contacto Radiación IR. El infrarrojo es la parte del espectro electromagnético más allá de la respuesta visible (azul a rojo, 0,4-0,75 µm) del ojo humano. Las longitudes de onda IR se extienden desde 0,75 µm hasta 1000 µm, donde comienzan las microondas más cortas (radar). Dado que la radiación IR se genera principalmente por el calor, se denomina radiación térmica.
Para los termómetros sin contacto, solo son importantes algunas partes del espectro IR. El espectro se divide con frecuencia en «ventanas atmosféricas» que proporcionan una transmisión máxima sin pérdidas a través del vapor de agua en el aire: 0,7-1,3 µm; 1,4-1,8 µm; 2,0-2,5 µm; 3,2-4,3 µm; 4,8-5,3 µm; 8-14 µm.
Emisividad. Esta cualidad define la fracción de radiación emitida por un objeto en comparación con la emitida por un radiador perfecto (cuerpo negro) a la misma temperatura. La emisividad viene determinada en parte por el tipo de material y el estado de su superficie, y puede variar desde cerca de cero (para un espejo altamente reflectante) hasta casi 1 (para un simulador de cuerpo negro). La emisividad se utiliza para calcular la temperatura real de un objeto a partir del brillo medido o la radiancia espectral. Dado que la emisividad de un objeto también puede variar con la longitud de onda, se debe seleccionar un termómetro de radiación con una respuesta espectral que se ajuste a las regiones de alta emisividad para una aplicación específica. Los valores de emisividad se enumeran en la bibliografía para una variedad de materiales y bandas espectrales, o bien se pueden determinar empíricamente.
Brillo/pirómetro monocromático. Estos dispositivos miden y evalúan la intensidad, o brillo, de la radiación térmica interceptada. La intensidad, o, más generalmente, la radiancia espectral, se mide en una banda estrecha de longitud de onda del espectro térmico. La selección de la banda viene dictada por el rango de temperatura y el tipo de material que se va a medir.
Pirómetro de relación/dos colores. Este termómetro sin contacto mide las temperaturas basándose en dos (o más) longitudes de onda discretas. La relación entre los brillos en longitudes de onda separadas corresponde al color en el espectro visible. El uso de dos colores visibles distintos, normalmente el rojo y el verde, ha sido muy popular durante mucho tiempo para inferir las temperaturas de color.
Detección de radiación
Ajuste de la Emisividad. La precisión de la lectura de la temperatura depende del ajuste correcto del instrumento a la Emisividad del objetivo. Los valores de emisividad predefinidos se pueden utilizar para sensores en línea para monitorizar objetivos de emisividad constante. Las mediciones en aquellos materiales con emisividades variables requieren un ajuste de la emisividad preciso y reproducible.
Temperatura del área circundante. La radiación térmica del objetivo siempre contiene radiación dispersa emitida por el entorno que rodea el área del objetivo y reflejada por la superficie del objetivo. En la práctica, se suele suponer que la temperatura ambiente es la misma que la temperatura del sensor. Si el objetivo está expuesto a un entorno térmico diferente, por ejemplo, dentro de un horno calentado, dentro de una cámara refrigerada o al aire libre frente al cielo abierto, es necesario realizar ajustes para obtener una medición precisa. Se pueden utilizar sensores separados para el área que rodea al objetivo para el cálculo automático de la temperatura.
Título de la leyenda de la imagen Oscurecimiento de la trayectoria de visión. Los gases, el vapor de agua, el polvo y otros aerosoles presentes en la trayectoria de visión de un sensor pueden afectar a la lectura de la temperatura. El uso de una de las «ventanas atmosféricas» en la región IR reduce considerablemente los errores de medición.
Deriva de la temperatura ambiente. Por la naturaleza de su diseño, los termómetros sin contacto se ven muy afectados por los cambios de temperatura ambiente. Para mantener una alta precisión de medición, se requiere una compensación precisa de esta deriva de temperatura. Sistemas ópticos Óptica. En los termómetros sin contacto se utilizan ópticas reflectantes (espejos) y refractivas (lentes) para aislar y definir la radiación del objetivo medido.
Campo de visualización (FOV). El campo de visualización (FOV) se expresa en grados de ángulo sólido o en radianes. El FOV permite calcular fácilmente el tamaño mínimo del objetivo para cada distancia de trabajo. Una medida conveniente es la relación distancia-objetivo, por ejemplo, 20:1, que indica un objetivo mínimo de 1 pulgada a una distancia de medición de 20 pulgadas.
Enfoque en el objetivo. La óptica de los sensores de temperatura sin contacto es generalmente de tipo de enfoque fijo. No es requerido enfocar a distancias de medición más largas si el área del objetivo es más pequeña que la apertura de entrada (diámetro de la lente) del instrumento.
Fibra óptica. La fibra óptica permite separar físicamente el conjunto de lentes del detector y los componentes de Procesamiento de señales en espacios restringidos o entornos hostiles. El rango de medición útil de la fibra óptica comienza a partir de 400 °C (750 °F). Las áreas mínimas del objetivo son las definidas anteriormente.
Apuntar al objetivo. Se utilizan diversas técnicas de apuntado óptico con los termómetros sin contacto:
- Miras simples de perla y ranura
- Visores de óptica integrados o desmontables
- Visor a través de la lente
- Marcadores de haz de luz integrados o desmontables
Título de la leyenda de la imagen Procesamiento de señales Salida directa. Los termómetros sin contacto convierten la radiación térmica interceptada en una señal eléctrica proporcional a la radiación espectral emitida por la superficie objetivo.
Salida linealizada. Una red de electrónica convierte la señal de radiación térmica en una corriente/tensión eléctrica proporcional a la temperatura.
Muestreo y retención. La lectura de temperatura momentánea, seleccionada por un disparador externo, se mantiene (congelada) hasta que es sustituida por un nuevo valor en el siguiente ciclo de muestreo.
Valor máximo o retención de pico. Se muestra la lectura de temperatura más alta durante el periodo de medición específico. El reinicio se activa mediante una señal externa.
Mantenimiento del valor mínimo o valle. Se muestra la temperatura mínima durante un período de medición específico. El reinicio se activa mediante una señal externa.
Pico a pico. Se muestra la diferencia entre las lecturas de temperatura máxima y mínima durante un período de medición específico.
Velocidad de respuesta. Se necesita un tiempo de respuesta corto para seguir los procesos de temperatura dinámicos que cambian rápidamente. Un tiempo de respuesta largo integra todas las variaciones de la señal durante un periodo de medición específico y mejora la resolución de la temperatura con el fin de promediar los valores cambiantes o mejorar la precisión de la medición.
Activación automática (función de onda). Se detecta y se muestra la lectura de temperatura más alta. Se restaura automáticamente el estado cuando la señal alcanza un umbral ajustable, pero el último valor pico se mantiene en la pantalla hasta que es sustituido por el siguiente valor pico. Esta técnica es adecuada para el muestreo y análisis rápidos de valores objetivo intermitentes, sin necesidad de utilizar señales de disparo externas.
Alarmas. Se activa una señal de salida (relé) cuando la señal alcanza un valor de temperatura predefinido. Por lo general, se proporcionan dos puntos de ajuste independientes: HI/LO.
Accesorios para termómetros sin contacto Camisas refrigerables por agua. La refrigeración por agua amplía el rango de temperatura ambiente del sensor hasta 400 °C (752 °F) o más.
Accesorios de purga de aire. Los barriles de lente o los accesorios con conexiones para aire comprimido están diseñados para dirigir un flujo de aire limpio a través de la superficie de la lente. Mantienen las vías ópticas libres de vapores, humos y polvo.
Calibradores para termómetros sin contacto Las cavidades profundas controladas a una temperatura distribuida de manera homogénea sirven como simuladores de cuerpo negro para la calibración de termómetros de radiación. Para adaptarse a la variedad de instrumentos, proporcionan una apertura efectiva de ~ 1 pulgada (25 mm) y están optimizados para su rango de temperatura de funcionamiento:
- Baño de agua agitado: 30-100 °C (86-212 °F)
- Núcleo de aluminio: 50-400 °C (122-752 °F)
- Núcleo de acero inoxidable: 350-1000 °C (662-1832 °F )
- Calibrador de campo portátil que funciona con batería: opciones de temperatura fija de 40 °C a 100 °C (104-212 °F)
Instrumentos en línea. Estos dispositivos se utilizan generalmente para la supervisión y el control continuos de procesos. Están disponibles en modelos de baja y alta temperatura, cada uno con sus propias especificaciones de funcionamiento (véase la tabla 1).
Instrumentos portátiles. Los portátiles suelen ser los preferidos para comprobaciones de procesos, mantenimiento preventivo/predictivo, estudios térmicos, I+D y supervisión temporal de la temperatura. Las versiones de baja y alta temperatura difieren en su rendimiento, como se muestra en la tabla 2.
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