La medición de la temperatura se puede dividir en dos categorías: con contacto y sin contacto. En la práctica, los termopares y los sensores Pt 100 son los representantes más utilizados del primer grupo. Deben estar en contacto con el objeto de medición y, en principio, miden su propia temperatura, que se adapta a la del objeto. Esto da lugar a una respuesta relativamente lenta. Los sensores sin contacto miden la energía infrarroja (IR) emitida por un objeto, tienen tiempos de respuesta rápidos y se utilizan a menudo para medir objetos en movimiento, así como objetos que se encuentran en el vacío o que son inaccesibles por otras razones.
Los termómetros infrarrojos o pirómetros son sensores muy sofisticados que se utilizan ampliamente en la investigación y la industria. Este artículo describe de forma comprensible la teoría en la que se basa este principio de medición y cómo esta teoría puede ayudar a manejar los diferentes parámetros específicos de la aplicación a los que se enfrentan los usuarios potenciales.
Fundamentos de la medición de temperatura por infrarrojos
Introducción
Abb. 1 Espectro electromagnético
Teoría y fundamentos
La radiación infrarroja fue descubierta en 1666 por Sir Isaac Newton cuando hizo pasar la luz solar a través de un prisma y la separó en los colores del arco iris. En 1880, Sir William Herschel dio un paso más al determinar la energía relativa de cada color. También descubrió la energía más allá del espectro visible. A principios del siglo XX, Planck, Stefan, Boltzmann, Wien y Kirchhoff definieron con mayor precisión las actividades del espectro electromagnético y establecieron datos cuantitativos y ecuaciones para describir la energía infrarroja.
Los termómetros de infrarrojos miden la temperatura midiendo la radiación infrarroja emitida por todos los materiales y objetos con una temperatura superior al cero absoluto (0° Kelvin). En el diseño más sencillo, una lente enfoca la energía IR hacia el detector, que convierte la energía en una señal eléctrica. Tras compensar la temperatura ambiente, esta señal puede visualizarse. Esta configuración permite medir la temperatura a cierta distancia y sin contacto con el objeto medido. Esto hace que el termómetro de infrarrojos sea adecuado para tareas de medición en las que no se pueden utilizar termopares u otros sensores o proporcionan resultados imprecisos. Algunos ejemplos típicos son la medición de objetos en movimiento o muy pequeños, piezas activas o productos químicos agresivos, mediciones en campos electromagnéticos intensos, medición de objetos en el vacío u otros entornos cerrados y aplicaciones en las que se requiere un tiempo de respuesta rápido.
Los primeros diseños de termómetros de infrarrojos existen desde el siglo XIX. Algunos conceptos fueron introducidos por Charles A. Darling en su libro "Pyrometry", publicado en 1911.
Hubo que esperar hasta 1930 para disponer de la tecnología necesaria para poner en práctica estos conceptos. Desde entonces, estos instrumentos han experimentado un desarrollo continuo, en el transcurso del cual se han adquirido amplios conocimientos y experiencia de aplicación. Hoy en día, este concepto se ha establecido como método de medición estándar y se utiliza en la industria y la investigación.
Los termómetros de infrarrojos miden la temperatura midiendo la radiación infrarroja emitida por todos los materiales y objetos con una temperatura superior al cero absoluto (0° Kelvin). En el diseño más sencillo, una lente enfoca la energía IR hacia el detector, que convierte la energía en una señal eléctrica. Tras compensar la temperatura ambiente, esta señal puede visualizarse. Esta configuración permite medir la temperatura a cierta distancia y sin contacto con el objeto medido. Esto hace que el termómetro de infrarrojos sea adecuado para tareas de medición en las que no se pueden utilizar termopares u otros sensores o proporcionan resultados imprecisos. Algunos ejemplos típicos son la medición de objetos en movimiento o muy pequeños, piezas activas o productos químicos agresivos, mediciones en campos electromagnéticos intensos, medición de objetos en el vacío u otros entornos cerrados y aplicaciones en las que se requiere un tiempo de respuesta rápido.
Los primeros diseños de termómetros de infrarrojos existen desde el siglo XIX. Algunos conceptos fueron introducidos por Charles A. Darling en su libro "Pyrometry", publicado en 1911.
Hubo que esperar hasta 1930 para disponer de la tecnología necesaria para poner en práctica estos conceptos. Desde entonces, estos instrumentos han experimentado un desarrollo continuo, en el transcurso del cual se han adquirido amplios conocimientos y experiencia de aplicación. Hoy en día, este concepto se ha establecido como método de medición estándar y se utiliza en la industria y la investigación.
Principio de medición
Como ya se ha mencionado, todos los cuerpos con una temperatura superior a 0°K emiten energía infrarroja. La radiación infrarroja es la parte del espectro electromagnético que se sitúa entre la luz visible y las ondas de radio. La longitud de onda de la radiación IR oscila entre 0,7 µm y 1000 µm, como muestra la figura 1. En la práctica, sin embargo, sólo las longitudes de onda de 0,7 a 20 µm de esta gama de frecuencias son adecuadas para medir la temperatura. Actualmente no se dispone de detectores suficientemente sensibles para medir las pequeñas cantidades de energía que se emiten por encima de una longitud de onda de 20 µm. La energía aumenta en proporción a la cuarta potencia de la temperatura.
La curva (Figura 2) representa la energía emitida por un cuerpo negro en un intervalo de temperatura de 700 K a 1300 K. Como puede observarse, la mayor parte se encuentra más allá del rango visible La radiación IR no es perceptible para el ojo humano, pero sigue siendo útil considerar esta radiación como luz visible para comprender el principio de funcionamiento y los problemas que surgen en las aplicaciones.
En muchos aspectos, la radiación IR se comporta en realidad como la luz visible. La radiación IR viaja en línea recta alejándose de la fuente de radiación y puede ser reflejada o absorbida por los objetos en la trayectoria del haz. En la mayoría de los objetos que no son transparentes al ojo humano, la radiación IR es parcialmente reflejada y parcialmente absorbida por el objeto. Parte de la energía absorbida se refleja internamente y otra parte se emite de nuevo. Esto también se aplica a los objetos que son transparentes al ojo humano, como el cristal, los gases y las películas finas de plástico transparente. Sin embargo, una parte de la radiación también penetra a través del objeto. La figura 3 ilustra estos procesos. En conjunto, estos procesos contribuyen a lo que denominamos factor de emisión de un objeto o material.
La curva (Figura 2) representa la energía emitida por un cuerpo negro en un intervalo de temperatura de 700 K a 1300 K. Como puede observarse, la mayor parte se encuentra más allá del rango visible La radiación IR no es perceptible para el ojo humano, pero sigue siendo útil considerar esta radiación como luz visible para comprender el principio de funcionamiento y los problemas que surgen en las aplicaciones.
En muchos aspectos, la radiación IR se comporta en realidad como la luz visible. La radiación IR viaja en línea recta alejándose de la fuente de radiación y puede ser reflejada o absorbida por los objetos en la trayectoria del haz. En la mayoría de los objetos que no son transparentes al ojo humano, la radiación IR es parcialmente reflejada y parcialmente absorbida por el objeto. Parte de la energía absorbida se refleja internamente y otra parte se emite de nuevo. Esto también se aplica a los objetos que son transparentes al ojo humano, como el cristal, los gases y las películas finas de plástico transparente. Sin embargo, una parte de la radiación también penetra a través del objeto. La figura 3 ilustra estos procesos. En conjunto, estos procesos contribuyen a lo que denominamos factor de emisión de un objeto o material.
Abb. 2 Propiedades de radiación de los cuerpos negros
Abb. 3 Intercambio de calor y radiación
Al igual que ocurre con la luz visible, cuanto más pulida es una superficie, más energía refleja. Por tanto, el acabado de la superficie también influye en el factor de emisión. Cuando se mide la temperatura, esto es especialmente importante para los objetos que son impermeables a los infrarrojos y tienen un factor de emisión bajo. Un objeto de acero inoxidable pulido tiene un factor de emisión significativamente menor que el mismo objeto con una superficie rugosa. Después del mecanizado, por ejemplo, después del torneado, el objeto rugoso tiene muchas pequeñas ranuras e irregularidades que reducen significativamente la reflectividad de la pieza.
La ley de conservación de la energía establece que la suma de los coeficientes de energía IR transmitida, reflejada y emitida (absorbida) debe ser igual a 1. Por lo tanto, el coeficiente de emisión debe ser igual a
σλ + αλ + τλ = 1
Además, el factor de emisión es igual al factor de absorción:
ελ = αλ
se aplica lo siguiente:
ελ = 1 - σλ+ τλ
La ley de conservación de la energía establece que la suma de los coeficientes de energía IR transmitida, reflejada y emitida (absorbida) debe ser igual a 1. Por lo tanto, el coeficiente de emisión debe ser igual a
σλ + αλ + τλ = 1
Además, el factor de emisión es igual al factor de absorción:
ελ = αλ
se aplica lo siguiente:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Abb. 4 Comparación entre el cuerpo negro, el cuerpo gris y los focos de colores
El coeficiente puede utilizarse en la ecuación de Planck como una variable que describe las propiedades de una superficie en relación con la longitud de onda. Para los objetos opacos, la ecuación puede simplificarse del siguiente modo:
ελ = 1 - σλ
Los objetos que no reflejan ni transmiten radiación infrarroja se denominan cuerpos negros. No se conoce un cuerpo negro natural. A efectos teóricos y para calcular otros objetos, un cuerpo negro tiene un factor de emisión de 1,0. En la práctica, la mejor aproximación a un verdadero cuerpo negro se obtiene utilizando una esfera impermeable a los infrarrojos con una pequeña abertura de entrada cilíndrica. La superficie interior de un objeto de este tipo tiene un factor de emisión de 0,998.
El factor de emisión es una medida de la relación entre la radiación térmica emitida por un cuerpo gris y un cuerpo negro a la misma temperatura. Un cuerpo gris es un objeto que tiene el mismo factor de emisión en todas las longitudes de onda y emite menos radiación infrarroja que un cuerpo negro. Un radiador Bund es un objeto cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, como es el caso de los metales, por ejemplo.
ελ = 1 - σλ
Los objetos que no reflejan ni transmiten radiación infrarroja se denominan cuerpos negros. No se conoce un cuerpo negro natural. A efectos teóricos y para calcular otros objetos, un cuerpo negro tiene un factor de emisión de 1,0. En la práctica, la mejor aproximación a un verdadero cuerpo negro se obtiene utilizando una esfera impermeable a los infrarrojos con una pequeña abertura de entrada cilíndrica. La superficie interior de un objeto de este tipo tiene un factor de emisión de 0,998.
El factor de emisión es una medida de la relación entre la radiación térmica emitida por un cuerpo gris y un cuerpo negro a la misma temperatura. Un cuerpo gris es un objeto que tiene el mismo factor de emisión en todas las longitudes de onda y emite menos radiación infrarroja que un cuerpo negro. Un radiador Bund es un objeto cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, como es el caso de los metales, por ejemplo.
Los distintos materiales también tienen factores de emisión diferentes y, por tanto, emiten radiación IR con una intensidad diferente a una temperatura dada. Por lo general, esto no depende del color, a menos que el material de la pintura sea claramente distinto del material del objeto. Un ejemplo de un caso en el que esto es cierto es la pintura de efecto metálico, que contiene grandes cantidades de partículas de aluminio. La mayoría de las pinturas tienen el mismo factor de emisión, independientemente del tono de color. En cambio, el aluminio tiene un factor de emisión muy diferente, lo que se traduce en un factor de emisión distinto para la pintura de efecto metálico.
Además de la composición y la estructura de la superficie de un objeto, hay un tercer factor que tiene un efecto indirecto sobre el factor de emisión: la gama espectral del sensor. No influye directamente en el objeto, sino en cómo percibe el sensor el espectro emitido por el objeto.
Los materiales que son parcialmente transparentes, como el vidrio, los plásticos o la silicona, pueden medirse en un rango junto con los filtros selectivos correspondientes.
Además de la composición y la estructura de la superficie de un objeto, hay un tercer factor que tiene un efecto indirecto sobre el factor de emisión: la gama espectral del sensor. No influye directamente en el objeto, sino en cómo percibe el sensor el espectro emitido por el objeto.
Los materiales que son parcialmente transparentes, como el vidrio, los plásticos o la silicona, pueden medirse en un rango junto con los filtros selectivos correspondientes.
Abb. 5 Factor de emisión de distintos materiales en función de las longitudes de onda
De los párrafos anteriores se desprende claramente que el factor de emisión es un parámetro especialmente importante en la medición de la temperatura por infrarrojos. Mientras el factor de emisión del objeto medido no se conozca con precisión y no se tenga en cuenta en la medición, es muy poco probable que los valores medidos obtenidos sean exactos. Existen básicamente dos formas de determinar el factor de emisión. El factor de emisión puede extraerse de tablas o determinarse mediante una medición comparativa. Sin embargo, como los datos de las tablas suelen determinarse en condiciones de laboratorio idealizadas, no se tienen en cuenta las influencias ambientales, que provocan una enorme desviación, sobre todo en los factores bajos. Las tablas tampoco especifican la temperatura de medición subyacente ni la longitud de onda de medición. Como primera aproximación, el valor de la tabla es ciertamente muy útil. Para la medición comparativa, el objeto de medición se mide con un termopar u otro sensor de temperatura para, posteriormente, ajustar el factor de emisión en el termómetro IR de forma que muestre la misma temperatura. Como regla general, la mayoría de los materiales opacos no metálicos tienen un factor de emisión elevado y relativamente estable de 0,85 a 0,95. En la mayoría de los materiales metálicos no oxidados, el factor de emisión oscila entre 0,2 y 0,5, con la excepción del oro, la plata y el aluminio, que tienen un factor de emisión aún más bajo. Por lo tanto, la temperatura de estos metales es difícil de medir con termómetros infrarrojos, ya que el componente de reflexión de la radiación ambiental es del mismo orden de magnitud o superior a la radiación del objeto.
Aunque casi siempre es posible determinar el factor de emisión del material, surgen problemas cuando el material no tiene un factor de emisión constante, sino que cambia con la temperatura. Esto se aplica a la mayoría de los metales, pero también a algunos otros materiales, como el silicio o la cerámica monocristalina de gran pureza. En estos casos, la medición comparativa y el ajuste deben realizarse a la temperatura crítica del proceso.
Las ecuaciones y fórmulas en las que se basa la medición de la temperatura se conocen y han sido probadas desde hace tiempo. Es poco probable que el usuario necesite utilizar las fórmulas en su trabajo diario con termómetros IR. Sin embargo, el conocimiento de estos fundamentos permite comprender mejor cómo influyen entre sí determinadas variables y parámetros. Las fórmulas más importantes resumidas son:
1. Ley de radiación de Kirchhoff
A una temperatura T y una longitud de onda l dadas, la emisividad e es igual a la absortividad
e = α
De ello se deduce que el flujo radiante øλ de un objeto real es igual al del cuerpo negro øs a la misma temperatura multiplicado por la emisividad del objeto
øλ = ε * øs
2. Ley de Stefan-Boltzmann 2. Ley de Stefan-Boltzmann
Cuanto mayor es la temperatura T de un objeto, mayor es la potencia radiante P emitida para una emisividad ε y una superficie radiante A dadas (k = constante)
P = k*ε*A*T4
3. Ley de desplazamiento de Wien Ley de desplazamiento de Wien
La longitud de onda en la que se localiza el máximo de la radiación energética se desplaza hacia el rango de onda corta con el aumento de la temperatura.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Ecuación de Planck Ecuación de Planck
Esta ecuación describe la relación entre la longitud de onda, la temperatura T y la potencia radiante
Aunque casi siempre es posible determinar el factor de emisión del material, surgen problemas cuando el material no tiene un factor de emisión constante, sino que cambia con la temperatura. Esto se aplica a la mayoría de los metales, pero también a algunos otros materiales, como el silicio o la cerámica monocristalina de gran pureza. En estos casos, la medición comparativa y el ajuste deben realizarse a la temperatura crítica del proceso.
Las ecuaciones y fórmulas en las que se basa la medición de la temperatura se conocen y han sido probadas desde hace tiempo. Es poco probable que el usuario necesite utilizar las fórmulas en su trabajo diario con termómetros IR. Sin embargo, el conocimiento de estos fundamentos permite comprender mejor cómo influyen entre sí determinadas variables y parámetros. Las fórmulas más importantes resumidas son:
1. Ley de radiación de Kirchhoff
A una temperatura T y una longitud de onda l dadas, la emisividad e es igual a la absortividad
e = α
De ello se deduce que el flujo radiante øλ de un objeto real es igual al del cuerpo negro øs a la misma temperatura multiplicado por la emisividad del objeto
øλ = ε * øs
2. Ley de Stefan-Boltzmann 2. Ley de Stefan-Boltzmann
Cuanto mayor es la temperatura T de un objeto, mayor es la potencia radiante P emitida para una emisividad ε y una superficie radiante A dadas (k = constante)
P = k*ε*A*T4
3. Ley de desplazamiento de Wien Ley de desplazamiento de Wien
La longitud de onda en la que se localiza el máximo de la radiación energética se desplaza hacia el rango de onda corta con el aumento de la temperatura.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Ecuación de Planck Ecuación de Planck
Esta ecuación describe la relación entre la longitud de onda, la temperatura T y la potencia radiante
Concepción de los termómetros de infrarrojos
Un termómetro de infrarrojos consta básicamente de los siguientes bloques funcionales:
1. Una lente que enfoca la energía emitida por el objeto.
2. Un detector que convierte la energía radiante en una señal eléctrica.
3. Un ajuste del factor de emisión para adaptar el termómetro a las propiedades del objeto que se está midiendo.
4Una compensación de la temperatura ambiente que evita que la temperatura del termómetro se incluya en la señal de salida.
Durante muchos años, la mayoría de los termómetros IR disponibles en el mercado siguieron este concepto. Sus aplicaciones eran limitadas y, en retrospectiva, no proporcionaban resultados de medición satisfactorios. Sin embargo, para los estándares de la época, eran perfectamente adecuados y muy robustos.
1. Una lente que enfoca la energía emitida por el objeto.
2. Un detector que convierte la energía radiante en una señal eléctrica.
3. Un ajuste del factor de emisión para adaptar el termómetro a las propiedades del objeto que se está midiendo.
4Una compensación de la temperatura ambiente que evita que la temperatura del termómetro se incluya en la señal de salida.
Durante muchos años, la mayoría de los termómetros IR disponibles en el mercado siguieron este concepto. Sus aplicaciones eran limitadas y, en retrospectiva, no proporcionaban resultados de medición satisfactorios. Sin embargo, para los estándares de la época, eran perfectamente adecuados y muy robustos.
Abb. 6 Diagrama de bloques de un termómetro IR
Los termómetros IR modernos se basan en este concepto básico, pero se han perfeccionado considerablemente con el tiempo. Las diferencias más importantes son el uso de distintos tipos de detectores, el filtrado selectivo de la señal IR, la linealización y amplificación de la señal del detector y las señales de salida de temperatura normalizadas, como 4-20 mA o 0-10 V CC. La figura 6 muestra un diagrama de bloques de un pirómetro de infrarrojos moderno.
Probablemente, el avance más significativo en la medición de la temperatura por infrarrojos se consiguió con la introducción de filtros selectivos para la radiación IR. Esto permitió utilizar detectores más sensibles y amplificadores de señal más estables. Mientras que los primeros termómetros IR dependían de un amplio espectro IR para obtener una señal de salida del detector utilizable, un ancho de banda de 1 μm o más es completamente suficiente para los detectores modernos. La necesidad de estrechar el espectro y seleccionar determinadas longitudes de onda surge del hecho de que a menudo hay que realizar mediciones a través de un medio cuya temperatura no debe incluirse en la medición debido al contenido de carbono o hidrógeno. Además, a veces es necesario medir la temperatura de objetos o gases que son permeables en una amplia gama del espectro IR. Algunos ejemplos de limitación selectiva del espectro son:
- 8 - 14 μm: También se excluyen las influencias de la humedad del aire en distancias mayores.
- 7,9 μm: Permite la medición de películas plásticas finas que son permeables al IR en rangos amplios.
- 3,86 μm: Se suprimen eficazmente las interferencias con CO2 y vapor de agua en llamas y gases de escape de combustión.
Probablemente, el avance más significativo en la medición de la temperatura por infrarrojos se consiguió con la introducción de filtros selectivos para la radiación IR. Esto permitió utilizar detectores más sensibles y amplificadores de señal más estables. Mientras que los primeros termómetros IR dependían de un amplio espectro IR para obtener una señal de salida del detector utilizable, un ancho de banda de 1 μm o más es completamente suficiente para los detectores modernos. La necesidad de estrechar el espectro y seleccionar determinadas longitudes de onda surge del hecho de que a menudo hay que realizar mediciones a través de un medio cuya temperatura no debe incluirse en la medición debido al contenido de carbono o hidrógeno. Además, a veces es necesario medir la temperatura de objetos o gases que son permeables en una amplia gama del espectro IR. Algunos ejemplos de limitación selectiva del espectro son:
- 8 - 14 μm: También se excluyen las influencias de la humedad del aire en distancias mayores.
- 7,9 μm: Permite la medición de películas plásticas finas que son permeables al IR en rangos amplios.
- 3,86 μm: Se suprimen eficazmente las interferencias con CO2 y vapor de agua en llamas y gases de escape de combustión.
La gama de temperaturas desempeña un papel importante en la selección de la longitud de onda más adecuada para la medición. La ecuación de Planck muestra, como muestra la figura 2 para un cuerpo negro, que el máximo de la curva de radiación se desplaza hacia la gama de onda corta con el aumento de la temperatura. Incluso en aplicaciones en las que no se requiere una elección selectiva de un rango espectral, puede ser ventajoso restringir el rango espectral a una sección tan estrecha como sea posible de onda corta. Una ventaja es que el factor de emisión efectivo de muchos objetos es mayor en los metales con longitudes de onda más cortas. Además, esta limitación tiene un efecto favorable sobre la precisión, ya que los sensores con un rango espectral estrecho se ven menos influidos por los cambios en el factor de emisión del objeto medido, como puede verse en la figura 7.
Abb. 7 Abhängigkeit des fehlingestellten Emissionsgrades bei unterschiedlichen Wellenlu00e4ngen
Diseño constructivo
Los termómetros IR se fabrican en una gran variedad de configuraciones que difieren en cuanto a óptica, electrónica, tecnología, tamaño y carcasa. Sin embargo, lo que sí es común es la cadena de procesamiento de la señal, que comienza con una señal IR y termina con una señal electrónica de salida. Esta cadena de medición general comienza con un sistema óptico compuesto por lentes y/o fibras ópticas, filtros y el detector.
Desde el punto de vista de la aplicación, el campo de visión es la característica esencial de la óptica, es decir, cuán grande es el punto de medición a una distancia determinada. La relación entre la distancia de medición y el diámetro del punto de medición se describe mediante la relación de distancia. En la práctica, se puede elegir entre pirómetros con distancia focal fija y ópticas enfocables. Los aparatos con óptica fija sólo enfocan el objeto situado en el punto focal. A otras distancias de medición, el diámetro del punto de medición aumenta de forma desproporcionada con respecto a la relación de distancia calculada. Estas ópticas son adecuadas sobre todo para objetos grandes. El uso de ópticas enfocables se recomienda para objetos pequeños o distancias de medición mayores. Gracias a la posibilidad de ajustar la distancia de medición, los pirómetros con ópticas enfocables pueden utilizarse de forma mucho más flexible.
Al especificar y comparar el diámetro del punto de medición, es importante saber a qué porcentaje de la potencia radiante se refiere la especificación. Por ejemplo, un punto de medición basado en el 98 % de la energía es el doble de grande que un diámetro basado en el 90 % de la potencia. Esto puede dar lugar a errores de medición considerables, especialmente con objetivos pequeños del mismo tamaño que el punto de medición del pirómetro.
Otro aspecto de la óptica es la puntería del objetivo. En los dispositivos sin dispositivo de puntería, el objetivo se fija a la superficie y mide la temperatura superficial. Esto se aplica sobre todo a sensores estacionarios que se alinean con objetos suficientemente grandes y en los que no se requiere una medición precisa. Para objetos más pequeños o instrumentos que miden a distancias mayores, es indispensable un dispositivo de puntería en forma de óptica a través de la lente, un punto luminoso o un rayo láser.
La sensibilidad del pirómetro viene determinada por el uso de una serie de detectores y filtros diferentes. Como puede verse en la figura 8, los detectores de sulfuro de plomo ofrecen la mayor sensibilidad y los termopilas la menor. La mayoría de los detectores funcionan según el principio fotoeléctrico (la radiación IR incidente provoca una señal de tensión) o se basan en la fotoconductividad (la radiación IR incidente modifica la resistencia).
Debido a la baja energía de radiación, a bajas temperaturas se requieren rangos espectrales de banda ancha y, por tanto, longitudes de onda de medición más largas. A temperaturas más altas, la sensibilidad se reduce considerablemente mediante filtros de banda estrecha. De este modo se minimizan las interferencias dependientes de la longitud de onda.
Desde el punto de vista de la aplicación, el campo de visión es la característica esencial de la óptica, es decir, cuán grande es el punto de medición a una distancia determinada. La relación entre la distancia de medición y el diámetro del punto de medición se describe mediante la relación de distancia. En la práctica, se puede elegir entre pirómetros con distancia focal fija y ópticas enfocables. Los aparatos con óptica fija sólo enfocan el objeto situado en el punto focal. A otras distancias de medición, el diámetro del punto de medición aumenta de forma desproporcionada con respecto a la relación de distancia calculada. Estas ópticas son adecuadas sobre todo para objetos grandes. El uso de ópticas enfocables se recomienda para objetos pequeños o distancias de medición mayores. Gracias a la posibilidad de ajustar la distancia de medición, los pirómetros con ópticas enfocables pueden utilizarse de forma mucho más flexible.
Al especificar y comparar el diámetro del punto de medición, es importante saber a qué porcentaje de la potencia radiante se refiere la especificación. Por ejemplo, un punto de medición basado en el 98 % de la energía es el doble de grande que un diámetro basado en el 90 % de la potencia. Esto puede dar lugar a errores de medición considerables, especialmente con objetivos pequeños del mismo tamaño que el punto de medición del pirómetro.
Otro aspecto de la óptica es la puntería del objetivo. En los dispositivos sin dispositivo de puntería, el objetivo se fija a la superficie y mide la temperatura superficial. Esto se aplica sobre todo a sensores estacionarios que se alinean con objetos suficientemente grandes y en los que no se requiere una medición precisa. Para objetos más pequeños o instrumentos que miden a distancias mayores, es indispensable un dispositivo de puntería en forma de óptica a través de la lente, un punto luminoso o un rayo láser.
La sensibilidad del pirómetro viene determinada por el uso de una serie de detectores y filtros diferentes. Como puede verse en la figura 8, los detectores de sulfuro de plomo ofrecen la mayor sensibilidad y los termopilas la menor. La mayoría de los detectores funcionan según el principio fotoeléctrico (la radiación IR incidente provoca una señal de tensión) o se basan en la fotoconductividad (la radiación IR incidente modifica la resistencia).
Debido a la baja energía de radiación, a bajas temperaturas se requieren rangos espectrales de banda ancha y, por tanto, longitudes de onda de medición más largas. A temperaturas más altas, la sensibilidad se reduce considerablemente mediante filtros de banda estrecha. De este modo se minimizan las interferencias dependientes de la longitud de onda.
Para optimizar el comportamiento de respuesta de los sistemas de sensores IR, hay que tener en cuenta la curva espectral del detector y sus características.
La electrónica del termómetro IR linealiza la señal de salida del detector para generar finalmente una corriente lineal 0 (4) - 20 mA o una señal de tensión 0(2)-10 V. En la actualidad, la linealización se realiza a menudo mediante software utilizando un microprocesador.
Esto permite lograr una mayor precisión con mayores intervalos de medición en comparación con la linealización analógica.
La señal también puede digitalizarse y emitirse a una interfaz o alimentarse a un controlador, indicador o registrador. Dependiendo de la configuración, los termómetros IR disponen de funciones adicionales como alarmas, memoria mín./máx. ajustable para mediciones intermitentes, intervalos de medición y tiempos de respuesta ajustables, así como funciones de muestreo y retención.
Como se ha mencionado al principio, la ventaja de la medición de temperatura sin contacto es el corto tiempo de respuesta. Los detectores termoeléctricos para dispositivos de baja temperatura alcanzan tiempos de respuesta de 30 ms. Los detectores fotoeléctricos de alta temperatura tienen tiempos de respuesta de 2 ms.
Si en una aplicación se utiliza un sensor con tiempos de respuesta rápidos, los demás componentes del bucle de control también deben permitir las velocidades de procesamiento o accionamiento correspondientes.
La electrónica del termómetro IR linealiza la señal de salida del detector para generar finalmente una corriente lineal 0 (4) - 20 mA o una señal de tensión 0(2)-10 V. En la actualidad, la linealización se realiza a menudo mediante software utilizando un microprocesador.
Esto permite lograr una mayor precisión con mayores intervalos de medición en comparación con la linealización analógica.
La señal también puede digitalizarse y emitirse a una interfaz o alimentarse a un controlador, indicador o registrador. Dependiendo de la configuración, los termómetros IR disponen de funciones adicionales como alarmas, memoria mín./máx. ajustable para mediciones intermitentes, intervalos de medición y tiempos de respuesta ajustables, así como funciones de muestreo y retención.
Como se ha mencionado al principio, la ventaja de la medición de temperatura sin contacto es el corto tiempo de respuesta. Los detectores termoeléctricos para dispositivos de baja temperatura alcanzan tiempos de respuesta de 30 ms. Los detectores fotoeléctricos de alta temperatura tienen tiempos de respuesta de 2 ms.
Si en una aplicación se utiliza un sensor con tiempos de respuesta rápidos, los demás componentes del bucle de control también deben permitir las velocidades de procesamiento o accionamiento correspondientes.
Abb. 8 Curva espectral de distintos sensores
Medición monocromática: medición de la temperatura a una longitud de onda
La medición de la temperatura por una sola longitud de onda mide la energía emitida por una superficie a una longitud de onda determinada. Los diseños de estos instrumentos van desde sondas portátiles con una simple pantalla externa hasta sofisticados instrumentos portátiles en los que la temperatura se muestra en una ventana de visualización a través de la cual se enfoca el objeto. También se dispone de funciones de memoria e impresión. La gama de sensores estacionarios en línea abarca desde pequeños detectores sencillos con electrónica externa hasta conjuntos robustos y complejos con controladores PID integrados. La fibra óptica, la óptica transparente, los dispositivos de puntería láser, la refrigeración por agua y los sistemas de escáner son opciones que se utilizan en la supervisión y el control de procesos. Recientemente, se ofrecen incluso pirómetros con cámaras de vídeo integradas, de modo que, además de la medición, es posible realizar una inspección visual del punto de medición desde la sala de control. Existen grandes diferencias en cuanto a tamaño, rendimiento, robustez, flexibilidad y procesamiento de la señal.
A la hora de planificar y diseñar aplicaciones, la configuración del sensor, los filtros, el rango de temperatura, la óptica, el tiempo de respuesta y el factor de emisión son criterios importantes que deben considerarse en detalle.
La selección del rango espectral IR y del rango de temperatura debe considerarse siempre en conjunción con la aplicación específica. De las curvas espectrales de la figura 2 se desprende que las longitudes de onda cortas son más adecuadas para temperaturas altas, mientras que las temperaturas bajas deben medirse en la gama de longitudes de onda más largas. Si se van a medir objetos transparentes, como vidrio o películas de plástico, se requiere un filtro selectivo de banda estrecha. La película de polietileno, por ejemplo, tiene un rango de absorción CH de 3,43 μm, punto en el que es impermeable a la radiación IR. Del mismo modo, muchos materiales similares al vidrio tienen un rango opaco en torno a los 5 μm. Por el contrario, un sensor con un filtro en el rango de hasta 2 μm permite medir a través de una ventana de cristal, por ejemplo para cámaras de vacío o presión. Otra opción para medir en cámaras con puntos de medición confinados o temperaturas ambiente elevadas es el uso de cables de fibra óptica.
La medición de la temperatura por infrarrojos con una sola longitud de onda es, por tanto, una tecnología versátil y sencilla que basta para muchas aplicaciones en las que el control de la temperatura del producto es esencial para una calidad constante del mismo.
A la hora de planificar y diseñar aplicaciones, la configuración del sensor, los filtros, el rango de temperatura, la óptica, el tiempo de respuesta y el factor de emisión son criterios importantes que deben considerarse en detalle.
La selección del rango espectral IR y del rango de temperatura debe considerarse siempre en conjunción con la aplicación específica. De las curvas espectrales de la figura 2 se desprende que las longitudes de onda cortas son más adecuadas para temperaturas altas, mientras que las temperaturas bajas deben medirse en la gama de longitudes de onda más largas. Si se van a medir objetos transparentes, como vidrio o películas de plástico, se requiere un filtro selectivo de banda estrecha. La película de polietileno, por ejemplo, tiene un rango de absorción CH de 3,43 μm, punto en el que es impermeable a la radiación IR. Del mismo modo, muchos materiales similares al vidrio tienen un rango opaco en torno a los 5 μm. Por el contrario, un sensor con un filtro en el rango de hasta 2 μm permite medir a través de una ventana de cristal, por ejemplo para cámaras de vacío o presión. Otra opción para medir en cámaras con puntos de medición confinados o temperaturas ambiente elevadas es el uso de cables de fibra óptica.
La medición de la temperatura por infrarrojos con una sola longitud de onda es, por tanto, una tecnología versátil y sencilla que basta para muchas aplicaciones en las que el control de la temperatura del producto es esencial para una calidad constante del mismo.
Medición de la relación: medición de la temperatura en dos o más longitudes de onda
Dado que el factor de emisión desempeña un papel fundamental en la medición precisa de la temperatura con termómetros infrarrojos o que existen medios intermedios en la trayectoria del haz, no es de extrañar que los investigadores se esfuercen por desarrollar sensores que puedan medir la temperatura independientemente de estas interferencias. Un método común y probado para ello es la medición de la relación o multicolor. Este método mide la relación de la energía en dos longitudes de onda diferentes en lugar de la cantidad absoluta de energía en una longitud de onda. La palabra "medición multicolor" procede de la antigua idea de combinar los colores visibles con la temperatura. Esta idea -y, por tanto, también el término- está ahora algo desfasada, pero se sigue utilizando habitualmente.
La eficacia de este concepto se basa en el hecho de que los cambios en las propiedades de la superficie del objeto de medición o los obstáculos situados en el cono de visión hacia el objeto de medición son percibidos de la misma forma por ambos detectores. Por lo tanto, la relación entre las señales de salida de los sensores sigue siendo la misma, al igual que la temperatura medida. La figura 9 muestra una ilustración simplificada de un pirómetro que funciona según este principio.
La eficacia de este concepto se basa en el hecho de que los cambios en las propiedades de la superficie del objeto de medición o los obstáculos situados en el cono de visión hacia el objeto de medición son percibidos de la misma forma por ambos detectores. Por lo tanto, la relación entre las señales de salida de los sensores sigue siendo la misma, al igual que la temperatura medida. La figura 9 muestra una ilustración simplificada de un pirómetro que funciona según este principio.
Abb. 9 medição proporcional
Al medir la relación en lugar del valor absoluto, pueden evitarse las imprecisiones causadas por un factor de emisión desconocido o cambiante en las condiciones descritas anteriormente. La temperatura también se mide correctamente si parte del campo de visión está oscurecido por materiales más fríos como polvo, vapor, accesorios o ventanas.
Mientras el medio entre el objeto y el sensor no atenúe selectivamente determinadas longitudes de onda, la relación permanece constante y, por tanto, la temperatura medida por el termómetro también permanece constante.
Por lo tanto, este método es adecuado para aplicaciones que serían difíciles o imposibles de resolver con otras técnicas de medición, por ejemplo, la medición de la temperatura en hornos de cemento o la medición a través de una ventana que se empaña durante el proceso, como es el caso de la fusión de metales al vacío. Sin embargo, hay que tener en cuenta que estos cambios dinámicos deben ser percibidos por igual por ambos sensores, es decir, los cambios deben afectar a todas las longitudes de onda por igual.
Por supuesto, este método también tiene límites que deben tenerse en cuenta. La medición de la relación no es adecuada para emisores coloreados como el aluminio. Tampoco se puede utilizar para medir a través de ventanas con transmisión cambiante o Pyrex caliente. Además, este método tiende a registrar y medir temperaturas de fondo si éstas son superiores a la temperatura del objeto que se está midiendo.
Mientras el medio entre el objeto y el sensor no atenúe selectivamente determinadas longitudes de onda, la relación permanece constante y, por tanto, la temperatura medida por el termómetro también permanece constante.
Por lo tanto, este método es adecuado para aplicaciones que serían difíciles o imposibles de resolver con otras técnicas de medición, por ejemplo, la medición de la temperatura en hornos de cemento o la medición a través de una ventana que se empaña durante el proceso, como es el caso de la fusión de metales al vacío. Sin embargo, hay que tener en cuenta que estos cambios dinámicos deben ser percibidos por igual por ambos sensores, es decir, los cambios deben afectar a todas las longitudes de onda por igual.
Por supuesto, este método también tiene límites que deben tenerse en cuenta. La medición de la relación no es adecuada para emisores coloreados como el aluminio. Tampoco se puede utilizar para medir a través de ventanas con transmisión cambiante o Pyrex caliente. Además, este método tiende a registrar y medir temperaturas de fondo si éstas son superiores a la temperatura del objeto que se está midiendo.
La figura 10 muestra un ejemplo de varios productos cuyo factor de emisión cambia con la temperatura. Por ejemplo, a menudo se supone espontáneamente que el grafito tiene un factor de emisión elevado y constante. Lo cierto es lo contrario: el factor de emisión aumenta de 0,4 a 0,65 en un intervalo de 20°C a 1100°C.
Para los emisores coloreados cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, existen termómetros multicolor que miden la energía de toda una gama de longitudes de onda. Estas aplicaciones van precedidas de un análisis detallado de las propiedades superficiales del producto en cuestión. Debe analizarse la relación entre el factor de emisión, la temperatura, la longitud de onda y la química de la superficie. Estos datos pueden utilizarse para establecer algoritmos que relacionen la emisión a diferentes longitudes de onda con la temperatura de forma significativa.
Si hay un medio en el campo de visión cuyo tamaño de partícula corresponde a una de las longitudes de onda utilizadas para la medición, la relación también se distorsiona.
A pesar de estas limitaciones, la medición de la relación funciona muy bien en numerosas aplicaciones. En algunas aplicaciones, este método es la mejor solución, si no la única, para medir la temperatura.
Para los emisores coloreados cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, existen termómetros multicolor que miden la energía de toda una gama de longitudes de onda. Estas aplicaciones van precedidas de un análisis detallado de las propiedades superficiales del producto en cuestión. Debe analizarse la relación entre el factor de emisión, la temperatura, la longitud de onda y la química de la superficie. Estos datos pueden utilizarse para establecer algoritmos que relacionen la emisión a diferentes longitudes de onda con la temperatura de forma significativa.
Si hay un medio en el campo de visión cuyo tamaño de partícula corresponde a una de las longitudes de onda utilizadas para la medición, la relación también se distorsiona.
A pesar de estas limitaciones, la medición de la relación funciona muy bien en numerosas aplicaciones. En algunas aplicaciones, este método es la mejor solución, si no la única, para medir la temperatura.
Abb. 10 Para muchos materiales, el factor de emisión cambia con la temperatura. Esta figura muestra algunos materiales comunes.
Resumen
La figura 11 muestra una vez más los elementos esenciales de una aplicación. El aspecto más importante en este caso es la superficie del objeto que se va a medir. A la hora de seleccionar un instrumento adecuado, hay que tener en cuenta el tamaño del objeto que se va a medir, el rango de temperatura, el factor de emisión, la sensibilidad espectral y el tiempo de respuesta.
Además, también hay que tener en cuenta las condiciones ambientales a la hora de seleccionar el instrumento más adecuado, por ejemplo, la presencia de llamas, calentadores radiantes IR, hornos de inducción y la naturaleza de la atmósfera (polvo, ventanas contaminadas, humo, calor, etc.).
Además, también hay que tener en cuenta las condiciones ambientales a la hora de seleccionar el instrumento más adecuado, por ejemplo, la presencia de llamas, calentadores radiantes IR, hornos de inducción y la naturaleza de la atmósfera (polvo, ventanas contaminadas, humo, calor, etc.).
Abb. 11 interferências
La medición de temperatura por infrarrojos es una tecnología madura que se optimiza y adapta continuamente a nuevas aplicaciones. Demuestra su valía cada día en una amplia gama de industrias, así como en la investigación. Si se comprende correctamente la tecnología subyacente y se tienen en cuenta todos los parámetros relevantes de la aplicación, este método de medición suele producir los resultados deseados, siempre que el instrumento se haya instalado con cuidado. En este contexto, "cuidadosa" significa que el sensor funciona dentro de sus especificaciones y que se han tomado las precauciones suficientes para mantener la óptica libre de contaminación y depósitos.
Por lo tanto, un criterio a la hora de seleccionar un fabricante de termómetros debería ser la disponibilidad de accesorios de protección e instalación. También debe tenerse en cuenta en qué medida estos accesorios permiten desmontar rápidamente el sensor y sustituirlo en caso necesario. Si se respetan estas directrices, los termómetros de infrarrojos modernos suelen funcionar de forma más fiable que los sensores de termopar o Pt100.
Por lo tanto, un criterio a la hora de seleccionar un fabricante de termómetros debería ser la disponibilidad de accesorios de protección e instalación. También debe tenerse en cuenta en qué medida estos accesorios permiten desmontar rápidamente el sensor y sustituirlo en caso necesario. Si se respetan estas directrices, los termómetros de infrarrojos modernos suelen funcionar de forma más fiable que los sensores de termopar o Pt100.