Errores de medición en la práctica con la medición de temperatura sin contacto

La medición de temperatura sin contacto, también conocida como pirometría, es vista con escepticismo por muchos profesionales de la medición de temperatura. Los datos técnicos de los fabricantes documentan que los pirómetros son dispositivos de medición muy exactos y precisos. Además de la correcta selección de un pirómetro adecuado para la aplicación, es especialmente importante tener en cuenta las propiedades del material y las influencias ambientales in situ.

Los errores de medición pueden evitarse mediante un uso correcto. A continuación se explican las causas más comunes de los errores y las formas de reducirlos.

Los pirómetros miden la radiación térmica emitida por un objeto. La radiación infrarroja emitida por el objeto depende de las propiedades de su material y de su superficie. Esta propiedad de radiación se describe mediante la emisividad ε. La emisividad debe ajustarse en el aparato para que la medición de la temperatura sea exacta. Una emisividad mal ajustada puede provocar errores considerables. La figura 1 muestra la desviación de la temperatura (ΔT) para tres valores medidos en función de la longitud de onda si se ajusta en el aparato una emisividad del 80% en lugar de una emisividad del 90%. Este error aumenta con longitudes de onda de medición más largas o con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, debe seleccionarse el rango de longitud de onda más corto posible que esté disponible para el rango de medición deseado.

Especialmente cuando se miden superficies metálicas con emisividad desconocida o muy fluctuante, el error de medición se reduce considerablemente seleccionando una longitud de onda de medición más corta. La emisividad de los metales aumenta con longitudes de onda más cortas. Al mismo tiempo, se reduce la influencia del error si la emisividad se ajusta incorrectamente.

Las condiciones óptimas se aplican cuando el pirómetro tiene un campo de visión despejado del objeto. Si hay medios como polvo, gases, humo, cristales protectores o materiales opacos en la trayectoria del haz del pirómetro, éstos provocan una reducción de la radiación de temperatura del objeto.

Si se conocen las pérdidas por transmisión, p. ej. Si se conocen las pérdidas por transmisión, por ejemplo al medir a través de un cristal protector (τ=0,95), pueden compensarse ajustando la emisividad en el aparato.

_εdevice= _εobject- _τbeampath

_εdevice = emisividad a ajustar en el aparato
_εobject = emisividad del objeto
_τbeam path = transmitancia de los objetos en la trayectoria del haz

Resulta más problemático si con el tiempo se acumula polvo, aceite o materiales vaporizados en las lentes o los cristales de protección. En ese caso, el pirómetro mide una temperatura más baja a medida que aumenta la suciedad. Por lo tanto, es necesario limpiar regularmente las lentes. Los dispositivos de purga de aire prolongan el ciclo de limpieza. Recientemente, también se han comercializado pirómetros con un indicador de nivel de suciedad integrado. Se genera una señal de alarma cuando la lente se ensucia.

El factor decisivo para la temperatura indicada del objeto es la potencia radiante_ΦΣ que incide en el detector del pirómetro_.

Según la fórmula siguiente, además de la componente de emisión del objeto medido, incluye una componente de radiación de fondo formada por la componente de reflexión y transmisión de la radiación ambiente.

_ΦΣ = _Φε + _Φτ + _Φρ

ε = emisividad de la superficie de medición
τ = transmitancia del objeto de medición
ρ = reflectancia de la superficie de medición

La influencia de error de la radiación de fondo se reduce cuanto mayor es la emisividad del objeto y cuanto mayor es la temperatura del objeto en comparación con la temperatura ambiente. Esta influencia es problemática, por ejemplo, cuando se utilizan pirómetros a la salida de hornos continuos. El error de medición puede reducirse si la alineación de la óptica impide la reflexión de la radiación térmica del horno sobre la superficie del objeto que se va a medir. Las fuentes de radiación en la gama de infrarrojos, como las lámparas incandescentes, los calefactores radiantes o los láseres, provocan a veces una fuerte radiación infrarroja, que se subestima en la práctica.

Existen dispositivos con filtros de bloqueo, especialmente para aplicaciones láser, que evitan la influencia de la radiación láser de alta energía en la radiación infrarroja muy baja.

Los errores de imagen de la óptica, la luz dispersa y la reflexión de los componentes ópticos y las piezas de la carcasa, así como la difracción debida a la naturaleza ondulatoria de la luz, hacen que parte de la radiación detectada llegue al sensor fuera del campo de medición especificado. La óptica recibe parte de la radiación fuera del campo de medición. Esta influencia de la óptica se conoce como "efecto del tamaño de la fuente". El fabricante puede minimizar esta influencia corrigiendo cuidadosamente los errores ópticos de imagen, utilizando componentes ópticos antirreflectantes y evitando los reflejos en el dispositivo. Una óptica de alta calidad reduce los efectos de estos errores. El "efecto del tamaño de la fuente" es menor en el punto focal de la óptica. En los pirómetros con óptica enfocable, este efecto puede reducirse considerablemente si la distancia de medición se ajusta correctamente.

El error óptico aumenta con la longitud de onda por razones físicas. Por este motivo, se requiere un esfuerzo aún mayor para la corrección del error óptico en los dispositivos de medición de onda larga y, por tanto, en los dispositivos para rangos de medición bajos. Esto tiene un efecto negativo en los pirómetros más baratos que miden a partir de la temperatura ambiente, en el sentido de que el valor de medición mostrado depende mucho de la distancia de medición seleccionada.

Si el objeto es significativamente mayor que el punto de medición del pirómetro y el área se encuentra casi al mismo nivel de temperatura, este efecto puede prácticamente despreciarse. De lo contrario, el error puede reducirse utilizando un dispositivo con óptica enfocable y alineación exacta con el objeto. Para la alineación exacta del pirómetro se recomienda utilizar una luz piloto, una mira a través de la lente o una cámara de vídeo integrada.

Con un pirómetro de relación se analiza la relación de las densidades de radiación de dos gamas espectrales diferentes. Simplificada, la siguiente fórmula se aplica a la temperatura medida con las dos longitudes de onda centrales _λ1 y _λ2.

1 ÷_TM = (1 ÷_TW) + ((_λ1- _λ2) ÷ (_C2 - (_λ1- _λ2)) -(ln _{ε1 ÷_ε2})

_TM = Emisividad de la superficie de medición
_TW = Transmitancia del objeto de medición
_C2 = Reflectancia de la superficie de medición

Si las emisividades _ε1 y _ε2 son iguales para ambas longitudes de onda, la temperatura medida corresponde a la temperatura del objeto. Por tanto, un pirómetro cociente mide independientemente de la emisividad de la superficie, siempre que las emisividades _ε1 y _ε2 sean idénticas. En teoría, los pirómetros de cociente son recomendables si la emisividad del objeto de medición fluctúa. En la práctica, sin embargo, esto depende de la aplicación respectiva y rara vez se aplica. Debido a la formación de cociente, el error de medición de un pirómetro de cociente puede ser significativamente mayor que el de un pirómetro espectral si las emisividades de las dos longitudes de onda de medición fluctúan y difieren. Los metales en particular, y especialmente los metales no ferrosos, presentan un cambio de emisividad dependiente de la longitud de onda.

Por otro lado, las pérdidas por transmisión, como el polvo, el vapor o el humo, suelen provocar una atenuación homogénea de la intensidad de la radiación. En comparación con los pirómetros espectrales, el valor medido de los pirómetros de relación permanece constante en estas condiciones.

Los innovadores pirómetros de cociente permiten medir y calcular simultáneamente la temperatura en ambas longitudes de onda espectrales y la temperatura de cociente. Esto permite decidir durante la puesta en servicio si la medición con un pirómetro espectral o con un pirómetro de cociente proporciona valores medidos más reproducibles y precisos para todo el rango de medición.