Definición e influencia de la emisividad en la medición de temperatura sin contacto

En la medición de la temperatura sin contacto, la radiación infrarroja o térmica emitida por el objeto que se mide es detectada por un pirómetro. El pirómetro calcula la temperatura a partir de la radiación recibida según la ecuación de radiación de Planck. El nivel de radiación depende en gran medida de la emisividad del objeto medido. Pero, ¿qué significa realmente la emisividad y cómo afecta a las mediciones prácticas? ¿Cómo puede determinarse la emisividad y de qué depende? ¿Qué errores pueden producirse con una emisividad mal ajustada y cómo pueden minimizarse los errores de medición? Estas y otras cuestiones se abordan en el siguiente artículo.

El nivel de radiación infrarroja/de calor no sólo depende de la temperatura, sino también del propio objeto de medición. La capacidad de un objeto de medición para emitir la radiación térmica que ha absorbido (absorbe) se describe mediante la emisividad. Un radiador ideal o denominado "radiador de cuerpo negro" emite toda la radiación que absorbe. Un radiador real emite menos radiación que un "radiador de cuerpo negro" a la misma temperatura. La emisividad ε es la relación entre la radiación infrarroja de un objeto de medición real Φr y la radiación de un "radiador de cuerpo negro" Φs.

ε = Φr / Φs

La emisividad es, por tanto, una magnitud física adimensional comprendida entre 0 y 1 o entre 0 y 100 %.

La radiación que incide sobre un objeto de medición procedente del entorno se refleja en mayor o menor medida en función del grado de reflexión del objeto de medición. La radiación térmica sigue las mismas leyes de radiación que la luz visible. En el caso de objetos transparentes (vidrio, láminas), la radiación térmica también puede proceder del interior del objeto de medición y del fondo. La transmitancia indica el porcentaje de radiación que atraviesa un objeto. La radiación total ΦΣ detectada por un pirómetro se compone de la siguiente manera.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = Emisividad
ρ = Reflectividad
τ = Transmitancia
ΦO = Radiación del objeto
ΦU = Radiación ambiente
ΦH = Radiación de fondo

Los coeficientes de radiación se relacionan mediante la fórmula:

1 = ε + ρ + τ

La componente de transmisión se omite para los objetos no transparentes.

1 = ε + ρ

La emisividad de un objeto de medición depende en gran medida del material o de la superficie del material. Los objetos no metálicos y no transparentes suelen ser buenos emisores de calor, con una emisividad > 80 %. En el caso de los metales, la emisividad puede variar entre el 5 y el 90 %. Cuanto más brillante es un metal, menor es la emisividad.

Además, la emisividad puede cambiar en función de la longitud de onda. Esta propiedad es especialmente pronunciada en los metales. La potencia radiante de los metales aumenta a medida que la longitud de onda se acorta. Por ello, se recomienda utilizar un pirómetro de onda corta.

Los objetos transparentes, como el vidrio, el plástico o los gases, tienen rangos específicos de longitud de onda en los que presentan buenas propiedades de radiación. Para medir la temperatura de estos materiales, deben seleccionarse pirómetros con sensores y filtros especiales que sean sensibles a esta longitud de onda.

El comportamiento de radiación de los metales y el vidrio también cambia en función de la temperatura. La oxidación de la superficie de los metales y el paso de sólido a líquido hacen que la emisividad cambie considerablemente.

La emisividad de los metales aumenta a medida que sube la temperatura. En el caso del vidrio, la profundidad de visión del pirómetro aumenta con la temperatura y, por tanto, la proporción de radiación procedente de la zona interior.

En la práctica, pueden producirse radiaciones externas procedentes del entorno. Un ejemplo clásico es la medición de una chapa fría en el interior de un horno caliente. Además de la radiación del objeto, el pirómetro también detecta la radiación de la pared del horno reflejada en la chapa. Cuanto más se aproxime la temperatura del objeto a la del horno, menor será el error de medición.

Para medir la temperatura real del objeto se utilizan tubos visores refrigerados por agua. Se utilizan para sombrear la radiación de interferencia procedente de las paredes del horno. El diámetro del tubo debe ser al menos 6 veces la distancia de medición del objeto para crear una sombra suficientemente grande.

La información sobre la emisividad de diversas sustancias puede encontrarse en la literatura o en las instrucciones de funcionamiento. Sin embargo, esta información debe tratarse con precaución. Es importante saber para qué longitud de onda y temperatura es válido el valor especificado. Además, se trata de valores válidos en condiciones de medición ideales.

En condiciones reales, la radiación detectada por el pirómetro también puede proceder de la radiación ambiental reflejada o transmitida por el objeto. Si el pirómetro se ajustara al valor bibliográfico idealizado, mostraría una temperatura demasiado alta.

Para mostrar la temperatura correcta, la emisividad del pirómetro debe ajustarse a un valor más alto. Esto se conoce como aumentar artificialmente la emisividad. La emisividad real que debe ajustarse puede determinarse mediante una medición comparativa con un termómetro de contacto. Por supuesto, el error de medición también depende entonces de la precisión de la medición de contacto.

Como alternativa, se puede pegar una pegatina con una emisividad definida en el objeto medido a temperaturas de hasta 250 °C aproximadamente.

En primer lugar, se determina la temperatura real en el adhesivo (Fig. 2). A continuación, se realiza una medición comparativa directamente junto a la pegatina y se ajusta la emisividad en el pirómetro para que vuelva a aparecer el valor medido anteriormente. Dado que la influencia de la emisividad aumenta con la temperatura, esta medición comparativa debería realizarse a temperaturas más elevadas.

En caso de temperaturas elevadas del objeto u objetos de medición inaccesibles, por ejemplo en un horno de vacío, se recomienda realizar una medición comparativa con un pirómetro de onda muy corta, ya que por razones físicas el error de medición disminuye con una longitud de onda de medición más corta.

Un pirómetro de comparación de intensidad es ideal para este fin (Fig. 3). El principio de medición de estos aparatos se basa en una comparación óptica de colores a una longitud de onda de 0,67 μm. Además, el principio de medición funciona independientemente del tamaño del objeto medido.

Los efectos de los cambios en la emisividad o de un ajuste incorrecto del pirómetro se muestran en el diagrama de la figura 4.

Hace unos años salieron al mercado pirómetros que miden la radiación en dos longitudes de onda simultáneamente. El cociente de estas dos radiaciones es proporcional a la temperatura. Si la radiación recibida por los dos canales de medición varía debido a un cambio en la emisividad, el cociente y, por tanto, la temperatura permanecen constantes. Sin embargo, esto sólo es válido si el cambio de emisividad es idéntico para los dos canales. En la práctica, un cambio en los metales no es constante. Entonces, los pirómetros de cociente pueden incluso producir errores de medición considerablemente mayores que los pirómetros monocanal. Por lo tanto, advertimos contra la medición "independiente de la emisividad" que se cita a menudo con los pirómetros de relación.

Un pirómetro de relación tiene ventajas metrológicas si, por ejemplo, la energía radiante de ambos canales se debilita en la misma medida por visores sucios o polvo en el campo de visión. La temperatura se sigue mostrando correctamente.

En condiciones de medición críticas, se recomienda analizar en paralelo los dos valores espectrales de temperatura y la temperatura de cociente. En función del resultado, el pirómetro puede ajustarse al mejor método de medición.

Al seleccionar un pirómetro, se presta gran atención a la incertidumbre de medición especificada en el folleto. Sin embargo, en la medición de temperatura sin contacto, el error de medición que se produce depende esencialmente de las propiedades metrológicas del objeto de medición y de las condiciones ambientales. El error de medición específico del dispositivo sólo tiene un efecto menor. Por lo tanto, las correlaciones descritas anteriormente deben tenerse en cuenta tanto al seleccionar el pirómetro como al determinar el punto de medición.