El término «pirómetro» deriva de la raíz griega pyro, que significa «fuego». Originalmente, el término pirómetro se utilizaba para referirse a un dispositivo capaz de medir la temperatura de objetos incandescentes, es decir, objetos que brillan a la vista humana. Los pirómetros de infrarrojos originales eran dispositivos ópticos sin contacto que interceptaban y evaluaban la radiación visible emitida por objetos incandescentes.
Una definición moderna y más correcta sería cualquier dispositivo sin contacto que intercepta y mide la radiación térmica emitida por un objeto para determinar la temperatura de la superficie. El termómetro, también de raíz griega thermos, que significa caliente, se utiliza para describir una amplia variedad de dispositivos utilizados para medir la temperatura. Por lo tanto, un pirómetro es un tipo de termómetro infrarrojo. La designación termómetro de radiación ha evolucionado durante la última década como alternativa al pirómetro óptico. Por lo tanto, los términos pirómetro infrarrojo y termómetro de radiación se utilizan indistintamente en muchas referencias.
Un termómetro de radiación, en términos muy sencillos, consta de un sistema óptico y un detector. El sistema óptico enfoca la energía emitida por un objeto hacia el detector, que es sensible a la radiación. La salida del detector es proporcional a la cantidad de energía irradiada por el objeto objetivo (menos la cantidad absorbida por el sistema óptico) y a la respuesta del detector a las longitudes de onda específicas de la radiación. Esta salida se puede utilizar para inferir la temperatura de los objetos. La emisividad, o emitancia, del objeto es una variable importante para convertir la salida del detector en una señal de temperatura precisa.
Los pirómetros de infrarrojos, al medir específicamente la energía irradiada por un objeto en el rango de longitudes de onda de 0,7 a 20 micras, son un subconjunto de los termómetros de radiación. Estos dispositivos pueden medir esta radiación a distancia. No es necesario que haya contacto directo entre el termómetro de radiación y el objeto, como ocurre con los termopares y los detectores de temperatura resistivos (RTD). Los pirómetros de radiación son especialmente adecuados para la medición de objetos en movimiento o cualquier superficie que no se pueda alcanzar o tocar.
Pero las ventajas de la termometría por radiación tienen un precio. Incluso los dispositivos más simples son más caros que un termopar estándar o un detector de temperatura por resistencia (RTD), y el coste de la instalación puede superar al de un pozo termométrico estándar. Los dispositivos son resistentes, pero requieren un mantenimiento rutinario para mantener despejada la trayectoria de visión y limpios los elementos ópticos. Los sistemas de pirómetros utilizados para aplicaciones más difíciles pueden tener ópticas más complicadas, posiblemente con piezas giratorias o móviles, y electrónica basada en microprocesadores. No existen curvas de calibración aceptadas por la industria para los termómetros de radiación, como las hay para los termopares y los RTD. Además, es posible que el usuario tenga que investigar a fondo la aplicación para seleccionar la tecnología óptima, el método de instalación y la compensación necesaria para la señal medida, a fin de lograr el rendimiento deseado.
¿Qué son la emisividad, la emisancia y el factor N?
En un capítulo anterior, se identificó la emisividad como un parámetro crítico para convertir con precisión la salida del detector utilizado en un termómetro de radiación en un valor que represente la temperatura del objeto. V (T) = e K TN
Los términos emisividad y emisividad se utilizan a menudo de forma intercambiable. Sin embargo, existe una distinción técnica. La emisividad se refiere a las propiedades de un material, mientras que la emisividad se refiere a las propiedades de un objeto concreto. En este último sentido, la emisividad es solo uno de los componentes que determinan la emisividad. Hay que tener en cuenta otros factores, como la forma del objeto, la oxidación y el acabado de la superficie.
La emisividad aparente de un material también depende de la temperatura a la que se determina y de la longitud de onda a la que se realiza la medición. El estado de la superficie afecta al valor de la emisividad de un objeto, con valores más bajos para las superficies pulidas y valores más altos para las superficies rugosas o mates. Además, a medida que los materiales se oxidan, la emisividad tiende a aumentar y la dependencia del estado de la superficie disminuye. En las tablas que comienzan en la página 72 se indican los valores de emisividad representativos de una serie de metales y no metales comunes a diversas temperaturas.
LA ECUACIÓN BÁSICA UTILIZADA PARA DESCRIBIR LA SALIDA DE UN TERMÓMETRO DE RADIACIÓN ES:
Donde:
Se debe seleccionar un termómetro de radiación con el valor más alto de N (longitud de onda equivalente más corta posible) para obtener la menor dependencia posible de los cambios en la emisividad del objetivo. Las ventajas de un dispositivo con un valor alto de N se extienden a cualquier parámetro que afecte a la salida V. Un sistema óptico contaminado o la absorción de energía por los gases en la trayectoria de visión tienen menos efecto sobre la temperatura indicada si N tiene un valor alto.
Los valores de emisividad superficial de casi todas las sustancias se conocen y se publican en la bibliografía de referencia.
Sin embargo, la emisividad determinada en condiciones de laboratorio rara vez coincide con la emisividad real de un objeto en condiciones de funcionamiento reales. Por esta razón, es probable que se utilicen los datos de emisividad publicados cuando los valores son altos.
Como regla general, la mayoría de los materiales no metálicos opacos tienen una emisividad alta y estable (0,85 a 0,90). La mayoría de los materiales metálicos no oxidados tienen un valor de emisividad bajo a medio (0,2 a 0,5). El oro, la plata y el aluminio son excepciones, con valores de emisividad en el rango de 0,02 a 0,04. La temperatura de estos metales es muy difícil de medir con un termómetro de radiación.
Una forma de determinar experimentalmente la emisividad de la superficie es comparar la medición del termómetro de radiación de un objetivo con la medición simultánea obtenida con un termopar o un RTD. La diferencia en las lecturas se debe a la emisividad, que, por supuesto, es inferior a uno. Para temperaturas de hasta 500 °F (260 °C), los valores de emisividad pueden determinarse experimentalmente colocando un trozo de cinta adhesiva negra sobre la superficie del objetivo. Utilizando un pirómetro de radiación ajustado para una emisividad de 0,95, mida la temperatura de la superficie de la cinta (dejando tiempo para que alcance el equilibrio térmico). A continuación, mida la temperatura de la superficie del objetivo sin la cinta. La diferencia entre las lecturas determina el valor real de la emisividad del objetivo.
Muchos instrumentos disponen ahora de ajustes de emisividad calibrados. El ajuste puede establecerse en un valor de emisividad determinado a partir de tablas o experimentalmente, como se describe en el párrafo anterior. Para obtener la máxima precisión, puede ser necesario determinar de forma independiente la emisividad en un laboratorio a la longitud de onda a la que mide el termómetro y, si es posible, a la temperatura prevista del objetivo.
Los valores de emisividad de las tablas se han determinado con un pirómetro situado perpendicularmente al objetivo. Si el ángulo de visión real es superior a 30 o 40 grados con respecto a la normal al objetivo, puede ser requerido realizar mediciones de laboratorio de la emisividad.
Además, si el pirómetro de radiación apunta a través de una ventana, se debe proporcionar una corrección de la emisividad para la energía perdida por reflexión en las dos superficies de la ventana, así como por absorción en la ventana. Por ejemplo, alrededor del 4 % de la radiación se refleja en las superficies de vidrio en los rangos infrarrojos, por lo que la transmitancia efectiva es de 0,92. La pérdida a través de otros materiales se puede determinar a partir del índice de refracción del material en la longitud de onda de la medición.
Las incertidumbres relativas a la emisividad pueden reducirse utilizando termómetros de radiación de longitud de onda corta o de relación. Las longitudes de onda cortas, de alrededor de 0,7 micras, son útiles porque la ganancia de la señal es alta en esta región. La mayor respuesta de salida en longitudes de onda cortas tiende a anular los efectos de las variaciones de emisividad. La alta ganancia de la energía radiada también tiende a anular los efectos de absorción del vapor, el polvo o el vapor de agua en la trayectoria de visión hacia el objetivo. Por ejemplo, al ajustar la longitud de onda en dicha banda, el sensor leerá entre +/-5 y +/-10 grados de temperatura absoluta al tener el material una emisividad de 0,9 (+/-0,05). Esto representa una precisión de entre el 1 % y el 2 %.
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