Termómetros Infrarrojos
Medición de temperatura infrarroja.
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En aplicaciones industriales los Sensores de contacto como las
termocuplas y los detectores de temperaturas resistivos (RTDs), han
demostrado que pueden ser operados con precisión y tener una buena relación costo-uso.
Sin embargo, hay muchas aplicaciones y sitios
donde simplemente su uso no es práctico. En esos casos, los ingenieros pueden volverse
hacia aparatos de medición de temperatura sin contacto, muchos de los cuales se
basan en medición de radiación infrarroja (IR).
Los termómetros de IR pueden llevar a cabo rutinariamente
mediciones en situaciones en donde la lectura con termómetros de contacto es
virtualmente imposible.
Entre las situaciones en donde las mediciones
de temperaturas de IR deben considerarse están:
• Cuando se requieren lecturas rápidas y
frecuentes.
• Objetos que se mueven.
• Objetos que están situados dentro de un
fuerte campo electromagnético, tales como procesos que cuentan con inducción o
con calentamiento por microondas.
• Cuando se tienen rápidos cambios térmicos.
• Los Objetos cuya temperatura necesita ser
medida, están localizados en una cámara de proceso o detrás de una ventana.
• Cuando se requiere medir la temperatura superficial
de un objeto o un equipo.
• Sitios que son inaccesibles para medición con
termómetros de contacto.
• Si las áreas a ser medidas pueden dañarse o
contaminarse por medición a contacto.
• Cuando están presentes distribuciones de temperatura
superficiales variables.
• Los objetos están construidos de materiales
con baja capacidad calorífica y baja conductividad térmica.
• Los materiales a ser medidos son gaseosos, tales
como gases de la combustión y llamas.
En la Industria, la termometría infrarroja es
la más efectiva y la usada más frecuentemente en procesamiento de semiconductores,
de procesamiento de agua, de cemento, incineración de basuras, procesamiento de
vidrio, tratamientos térmicos, procesamiento de metales, y aplicaciones de
secado, entre otras.
Mientras los termómetros infrarrojos son generalmente
más costosos que los de contacto, usualmente tienen más larga vida y requieren
menos mantenimiento. Un conocimiento general de los aspectos claves de la
física de radiación térmica puede ayudar a los usuarios a aplicar y a operar
los equipos más efectivamente.
Ley de Stefan-Boltzmann
La energía radiada por un objeto por unidad de
superficie de área por unidad de tiempo está relacionado a su temperatura por
ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la irradiación (en J/s/m2) es proporcional
a la cuarta potencia de la temperatura de un objeto multiplicada por su
emisividad. Para cálculos se requiere una constante de
proporcionalidad (la constante de Stefan-Boltzmann). En un cuerpo negro radiador
perfecto la emisividad es igual a uno.
Operación
La mayoría de los termómetros IR operan de
acuerdo con el mismo principio básico de operación. (Figura1). Se usa un filtro
de ancho de banda y un lente óptico para enfocar la energía IR emitida por el
objeto hacia un detector, que convierte la radiación en una señal eléctrica.
Después de compensar por emisividad (mire abajo)
y temperatura ambiente, se genera una salida analógica para suministrar la temperatura
medida. La señal análoga puede convertirse a digital cuando se requieren altas
ratas de adquisición.
Emisividad
La emisión de radiación térmica es un fenómeno
superficial para la mayoría de los materiales. El término emisividad se refiere
a la habilidad de un objeto para emitir radiación térmica. La emisividad se define como el radio entre la
energía emitida por un objeto a una temperatura dada y un radiador perfecto o
cuerpo negro, a la misma temperatura. Los valores de emisividad van entre
valores de 0 a 1.
Los termómetros IR generalmente tienen la
habilidad de compensar por los diferentes valores de emisividad de los
materiales. Los materiales con los valores más altos de
emisividad son los más fáciles de medir con los termómetros infrarrojos, mientras
que aquellos con valores bajos de emisividad son más difíciles. Por ejemplo,
algunas superficies metálicas brillantes tales como el aluminio, son
reflectivas en el infrarrojo por lo que no siempre es posible obtener
mediciones de temperatura con precisión.
Se han publicado tablas con valores de emisividad
para varios materiales y están disponibles para referencia. (Tabla). Algunos
termómetros infrarrojos le permiten al usuario cambiar los valores de
emisividad de acuerdo con el material que va ser medido, mientras otros tienen
un valor de emisividad preestablecido.
Cuando se usa la termometría IR, es importante considerar
que los materiales pueden tener diferentes valores de emisividad en diferentes
valores de longitud de onda. Para determinar un valor de emisividad, se
puede calentar el material a una temperatura conocida, ajustar el valor en el
instrumento hasta que la temperatura en el instrumento Infrarrojo sea igual a
la temperatura conocida.
Campo De Visión (CDV)
El CDV es el ángulo de visión al cual el
instrumento opera y es determinado por la óptica del sistema. El sistema óptico
de un termómetro infrarrojo colecta la energía IR de un área circular en el
objeto a medir y enfoca la energía en el detector.
La resolución óptica del instrumento se determina
por el radio entre la distancia desde el instrumento al objeto y el tamaño del
sitio a ser medido. Altos radios significan mejor resolución. Idealmente, el blanco a ser medido debe llenar
el CDV del instrumento. Para un mejor desempeño, el área del blanco debe exceder
el CDV por un factor de cerca de 1.5 (Figura 2).
Calibración
Los termómetros de IR pueden ser calibrados
apuntando a un radiador de cuerpo negro designado específicamente para
calibración y pruebas. Variando la temperatura de la fuente en el
cuerpo negro, el calibrador puede sintonizar la señal de medida interna del
sensor a una temperatura conocida.
Preguntas por considerar en
la selección de un termómetro IR.
• ¿Cuál es la proximidad requerida al blanco?
• ¿Cuál es el tamaño del objeto a ser medido, y
si cabe en el CDV del instrumento?
• ¿Hay obstrucciones entre el objeto a ser
medido y el instrumento de medición?
• Hay humo, polvo u otro material particulado
en el área de medición?
• ¿Cuál es el requerimiento de la frecuencia de
medición de control?
• Tiene el objeto una superficie brillante?
• Cuales son los requerimientos de
Salida/Interfase?
Referencias
1.
Young, A., IR Thermometry Finds CPI Niches,
Chem.
Eng., Feb. 2002, pp. 56–60.
2.
Omega Engineering Inc. [Internet]. c2003–
2010.
Stamford (CT). [cited Feb. 2011].
VALORES DE EMISIVIDAD DE MATERIALES COMUNES*
|
|
Material
|
Emisividad
|
Plata (pulida)
|
0.01
|
Aluminio (sin oxido)
|
0.02
|
Oro (pulido)
|
0.02
|
Aluminio (altamente oxidado)
|
0.20
|
Zinc (brillante galvanisado)
|
0.23
|
Acero (316 pulido)
|
0.28
|
Tierra (Campo arado)
|
0.38
|
Hierro
(liquido)
|
0.43
|
Hierro (oxidado)
|
0.65
|
Agua
|
0.67
|
Arena
|
0.76
|
Acero (laminado en frio)
|
0.80
|
Madera (cedro cepillado)
|
0.91
|
Ladrillo (rojo, rugoso)
|
0.93
|
Carbon (Lampblack)
|
0.95
|
Hielo
|
0.98
|
*Suministrada para propósitos ilustrativos solamente.
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