Pirómetro de relación

Los pirómetros de cociente se han vuelto indispensables en las aplicaciones actuales de los termómetros de infrarrojos. En el siguiente artículo se explican los principios físicos, las ventajas, las posibilidades funcionales y analíticas, así como los límites de la pirometría de cociente. A partir de aplicaciones prácticas, se presentan campos de aplicación típicos.

Un pirómetro de relación detecta la radiación térmica de un objeto de medición en dos rangos de longitud de onda diferentes. El cociente de las dos radiancias espectrales φ cambia de forma aproximadamente proporcional a la temperatura. Asociada a la radiancia espectral está la respectiva emisividad ε de la superficie de medición para las dos longitudes de onda (figura 1).

Para minimizar la influencia de la emisividad de la superficie de medición en función de la longitud de onda, se seleccionan rangos de longitud de onda próximos entre sí. Por otra parte, esto significa que las dos densidades de radiación apenas difieren. El cociente de dos valores casi idénticos varía muy poco en función de la temperatura del objeto. Por lo tanto, la temperatura mínima medible de un pirómetro de cociente se limita a unos 300 °C. Para poder analizar en absoluto estos pequeños cambios de señal, se requiere una gran amplificación. Por tanto, la calidad de los sensores, amplificadores electrónicos y convertidores A/D debe cumplir las normas más estrictas para conseguir una elevada relación señal/ruido o una pequeña NETD (diferencia de temperatura equivalente al ruido) y, por tanto, la elevada resolución de temperatura necesaria para una medición precisa. Para comprobar la NETD, haga funcionar el aparato al principio del rango de medición con el tiempo de respuesta más corto y compruebe la estabilidad de la señal de medición.

La gran ventaja del método de medición del cociente es que la temperatura correcta se determina con una atenuación de la señal que es independiente de la longitud de onda. Si, por ejemplo, una mirilla sucia o vapor, humo y polvo en el campo de visión del pirómetro provocan una reducción de la señal, el cociente y, por tanto, la temperatura visualizada permanecen constantes.

Si las emisividades ε1 = ε2 (radiador gris) son iguales para ambas longitudes de onda, el término de la emisividad en la ecuación se reduce y el pirómetro de cociente muestra la temperatura verdadera independientemente de la emisividad del objeto medido. Incluso si la emisividad del objeto de medición cambia en la misma medida para ambos rangos de longitud de onda, esto no influye en el resultado de la medición. Las desviaciones de la temperatura real debidas a diferencias constantes entre las dos emisividades pueden corregirse ajustando la relación de emisividad en el pirómetro.

Sin embargo, ¿cómo se comporta un pirómetro de cociente si la emisividad cambia de forma diferente para las dos longitudes de onda durante la medición en un denominado radiador coloreado debido a la superficie o en función de la temperatura?

El mismo efecto selectivo se produce si la transmisión del visor cambia en función de la longitud de onda debido a depósitos de capas finas (por ejemplo, películas de aceite o depósitos de vapor). El método del cociente tampoco es completamente independiente de las propiedades de radiación del objeto de medición, como a veces puede leerse en la bibliografía.

Los tres ejemplos de la tabla 1 muestran claramente la diferente influencia de la atenuación dependiente de la emisividad para los métodos de medición espectral y del cociente. En relación con una temperatura de 800 °C de un "cuerpo negro" con una emisividad de ε = 1, la ley de radiación de Planck da como resultado los siguientes valores de temperatura para un pirómetro de cociente con λ1 = 0,95 μm y λ2 = 1,05 μm con un cambio diferente en las emisividades relacionadas con la longitud de onda (véase la Tabla 1).

Se aprecia claramente la reducción de las temperaturas espectrales del cristal protector (1). En cambio, el valor del cociente permanece casi constante. En el caso del vidrio laminado de calidad inferior (2), los valores espectrales descienden aún más bruscamente y en distintos grados. Esto también da lugar a una desviación considerable de la medición del cociente.

Por lo tanto, con los pirómetros de cociente es esencial, cuando se mide a través de visores, asegurarse de que los vidrios tienen una curva de transmisión neutra en la gama de longitudes de onda del pirómetro. Esto se puede comprobar muy fácilmente sosteniendo un disco delante del pirómetro durante la medición. La temperatura del cociente no debe variar significativamente.

Otra gran ventaja de la pirometría de relación es que los objetos de medición también pueden ser más pequeños que el campo de medición. Con un pirómetro espectral, el objeto de medición siempre debe ser mayor que el campo de medición, ya que un pirómetro espectral registra el valor medio de la radiación dentro de todo el campo de medición. De lo contrario, un objeto de medición pequeño frente a un fondo frío siempre medirá una temperatura demasiado baja.

Si el campo de medición de un pirómetro de relación no está totalmente iluminado por el objeto que se está midiendo (efecto de iluminación parcial), esto actúa como una atenuación neutra de la radiación infrarroja. Por este motivo, un pirómetro de relación proporciona valores de medición correctos aunque el objeto sea hasta un 80 % más pequeño que el campo de medición del pirómetro. El grado de iluminación parcial mínima depende de la emisividad y de la temperatura del objeto a medir. Lo ideal es que la posición del objeto en el campo de medición sea arbitraria y no afecte al valor de temperatura indicado. Sin embargo, existen grandes diferencias de calidad entre los dispositivos disponibles en el mercado a este respecto. Los pirómetros con un diseño óptico sencillo, una menor corrección de la aberración óptica de la lente del objetivo y sensores con una distribución de sensibilidad no homogénea pueden aumentar el valor medido hasta en 20 - 30 °C a una temperatura constante del objeto si, por ejemplo, un cable caliente se encuentra en el borde del campo de medición (Fig. 5).

Otra ventaja a la hora de medir objetos pequeños es que un pirómetro de relación reacciona de forma mucho menos sensible a la alineación óptica y al enfoque correcto. Por el contrario, un pirómetro espectral debe alinearse y enfocarse con gran precisión sobre el objeto de medición para evitar errores de medición si el objeto de medición es apenas mayor que el campo de medición.

La siguiente curva de medición (Fig. 6) se registró utilizando un pirómetro de relación con un campo de medición de Ø8 mm en un objeto de Ø8 mm de diámetro. Al mismo tiempo se registró una temperatura espectral. La distancia de enfoque fija fue de 500 mm (punto de medición 1). A continuación, la distancia de medición se redujo a 250 mm (punto de medición 2). El desenfoque sólo influye mínimamente en la temperatura del cociente, mientras que la temperatura espectral se desvía unos 20 °C. A continuación, la distancia de medición se fijó en 1000 mm (punto de medición 3). El campo de medición del pirómetro es el doble de grande que el objeto medido. De nuevo, la temperatura cociente se mantiene prácticamente al mismo nivel. Por el contrario, el valor espectral desciende bruscamente debido al desenfoque y a la iluminación parcial.

A la hora de medir la temperatura de chapas y planchas en el soporte de rodillos, la cuestión de qué método de medición recomendar -espectral o de cociente- se plantea una y otra vez debido a las condiciones extremas (Fig. 7).

Por razones de diseño y térmicas, los dispositivos se montan a una gran distancia de medición de varios metros. Utilizando una óptica estándar con una resolución óptica de 100:1, por ejemplo, se obtiene un diámetro del campo de medición de 200 mm a una distancia de 20 metros. La distribución de la temperatura en la losa es extremadamente inhomogénea debido a la escala. Con un pirómetro espectral, la temperatura se determina a partir del valor medio de la radiación total recibida en el campo de medición. Por tanto, el valor medido depende de la distribución de la temperatura y de la escala. Como la placa se mueve en la mesa de rodillos, el valor medido fluctuaría si no se filtrara la señal. Por ello, los fabricantes de pirómetros recomiendan utilizar en estas condiciones un pirómetro con una resolución óptica muy alta, > 200 : 1, para conseguir un campo de medición lo más pequeño posible. La memoria de valores máximos se utiliza para registrar la temperatura más alta en los puntos libres de escala.

Pero, ¿cómo reacciona un pirómetro de relación ante una distribución no homogénea de la temperatura en el campo de medición? El comportamiento de un pirómetro de relación es más complejo con una distribución no homogénea de la temperatura. Depende de la superficie total de los "puntos calientes" y de las diferencias de temperatura entre los puntos calientes y fríos del campo de medición. Debido al efecto de iluminación parcial descrito anteriormente, un pirómetro de relación determina la temperatura del punto más caliente del campo de medición siempre que exista una diferencia de temperatura significativa de > 200 °C entre las zonas caliente y fría.

Al medir en una losa, pueden producirse varios puntos calientes en el campo de medición debido a la escala. Si la diferencia de temperatura es pequeña, el pirómetro de relación también determina la temperatura a partir del valor medio de la radiación recibida. Por lo tanto, también se recomienda utilizar dispositivos con alta resolución óptica y buena calidad de imagen para un pirómetro de relación, a fin de minimizar la influencia de las inhomogeneidades mediante la detección del valor máximo.

Si durante el proceso de laminación en caliente cabe esperar vapor de agua y contaminación, se utilizará preferentemente un pirómetro de relación. La fiabilidad operativa de la adquisición del valor medido también puede aumentarse utilizando el control de contaminación del pirómetro de relación.

A menudo se discute la cuestión de la medición de la temperatura de objetos más fríos dentro de un horno caliente. Las piezas forjadas frías se introducen en hornos calientes para su calentamiento o los desbastes fríos pasan por las distintas zonas de calentamiento de un horno de empuje. Debido a la elevada radiación de fondo de la pared caliente del horno, que se refleja en el objeto medido y, por tanto, también es detectada por el pirómetro, éste siempre indica una temperatura demasiado elevada. Cuanto más se acerque la temperatura de la pieza a la del horno, menor será el efecto de interferencia. La solución más eficaz para eliminar la radiación de fondo es el uso de tubos visores refrigerados por agua. Sin embargo, esto conlleva una inversión elevada y costes de funcionamiento permanentes. Además, la instalación de un tubo en el interior de un horno que se extienda casi hasta la pieza de trabajo puede resultar difícil o imposible por motivos estructurales.

Por este motivo, los dispositivos se utilizan a menudo sin tubo de mira, sabiendo perfectamente que la medición será más o menos incorrecta. La influencia de la radiación de fondo puede reducirse si la temperatura de la radiación de fondo se mide por separado mediante un termopar o un segundo pirómetro y la radiación de interferencia reflejada en el pirómetro se corrige mediante cálculo. Esta corrección puede estar sujeta a incertidumbre, especialmente si la emisividad del objeto es pequeña, fluctúa o no se conoce con precisión.

Si la regla empírica "Mida la radiación de onda más corta posible" se aplica a los objetos metálicos por razones físicas para minimizar la influencia de la emisividad, esta consideración es exactamente la contraria cuando se miden objetos más fríos en una atmósfera caliente.

La radiación de fondo tiene menos efecto en un dispositivo que mide longitudes de onda más largas. Por otra parte, con una sensibilidad espectral de longitud de onda más larga, la emisividad ε de los metales es menor y, por tanto, la reflectividad σ es mayor (ε + σ = 1). Esto a su vez conduce a una mayor dependencia de la influencia de interferencia de la radiación del horno caliente con emisividades cambiantes. Por lo tanto, los fabricantes recomiendan utilizar dispositivos con una sensibilidad espectral en el rango de 1 - 2 μm para lograr el mejor compromiso en este caso.

Esto también plantea la cuestión de cómo se comporta un pirómetro de relación cuando mide objetos más fríos en una atmósfera caliente. Básicamente, un pirómetro de relación se comporta de forma similar a un pirómetro espectral. Detecta tanto el objeto como la radiación reflejada de la pared del horno. Un pirómetro de cociente reacciona de forma menos sensible si la mirilla está sucia o si hay polvo y humo en el campo de visión del pirómetro. La reacción a los cambios en los niveles de emisión depende en gran medida de las condiciones locales y, por lo tanto, es difícil de estimar. Es aconsejable registrar y evaluar tanto la temperatura cociente como la espectral en paralelo durante la puesta en servicio o de forma permanente para poder realizar cualquier análisis. Los pirómetros de cociente modernos ofrecen para ello dos salidas analógicas, de modo que los valores medidos del cociente y de una temperatura espectral pueden ser registrados directamente por el controlador. Otra ventaja del pirómetro de cociente es la posibilidad de analizar la intensidad de la señal como indicación de las propiedades de radiación del objeto medido (Fig. 8).

Debido a las condiciones de medición extremas provocadas por el polvo, el vapor y el humo, los pirómetros de relación son ventajosos para su uso en centrales eléctricas y plantas de combustión en términos de tecnología de medición y seguridad. Un pirómetro detecta la radiación de los objetos en el campo de medición. En una instalación de combustión, la energía recibida es irradiada tanto por las partículas calientes del flujo de aire como por la pared opuesta. El valor medido depende de la densidad de las partículas, de la falta de homogeneidad de la distribución de la temperatura y de la temperatura de la pared opuesta. Si la pared está significativamente más fría que las partículas del flujo de aire debido a los tubos del intercambiador de calor, un pirómetro espectral registra una temperatura demasiado baja y fluctuante en función del estado de carga debido a la promediación. Aquí es donde vuelve a entrar en juego la ventaja del pirómetro de relación en cuanto al efecto de iluminación parcial y la detección del valor máximo. En comparación con los termopares utilizados habitualmente, los pirómetros de cociente son, por tanto, una alternativa real, ya que no están sujetos al desgaste ni a la deriva por envejecimiento. Sin embargo, los pirómetros de cociente son muy sensibles a las llamas en el campo de visión. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el lugar de instalación.

La fiabilidad de la medición puede comprobarse visualizando la intensidad de la señal. Debido a las aberturas de los hornos, a menudo pequeñas, con diámetros de 20 a 30 mm y espesores de pared de 200 a 400 mm, deben utilizarse dispositivos ópticos de alta resolución con buenas propiedades de imagen para evitar la constricción del campo de medición. Los ejes geométrico y óptico también deben ser idénticos y, por tanto, el dispositivo debe estar libre de paralaje para evitar que el dispositivo "entrecierre los ojos". En función del equipamiento necesario y de la accesibilidad del lugar de instalación, se utilizan dispositivos compactos o pirómetros con una ayuda para la visión en forma de lente transparente o cámara de vídeo para poder comprobar fácil y rápidamente la alineación y la abertura de visión libre durante la puesta en servicio y el funcionamiento.

Desde el punto de vista de la seguridad, también se recomienda aquí el uso de la supervisión de la contaminación de los pirómetros de relación para generar automáticamente una alarma en caso de contaminación excesiva o crecimiento excesivo de la abertura del horno.

Los pernos pasan por un horno de calentamiento antes de ser prensados en accesorios. Para conseguir una calidad constante, es necesario controlar la temperatura. En los sistemas de calentamiento por inducción, se suelen utilizar pirómetros para medir la temperatura de la pieza que pasa directamente detrás del horno de inducción en milisegundos y desde una distancia segura. La temperatura se utiliza como variable de control para la regulación del proceso y para clasificar los tochos cuya temperatura esté fuera del rango admisible (Fig. 9).

Para medir la temperatura se utilizan pirómetros espectrales y de relación. Los dispositivos se montan a distancias mayores de 600 - 1200 mm. Es obligatorio disponer de una ayuda de puntería en forma de óptica a través de la lente o de una luz piloto. Sólo así se puede ajustar la distancia de enfoque correcta y la alineación exacta para reducir al mínimo los errores de medición causados por influencias ópticas.

Especialmente en el caso de los dispositivos con una distancia de enfoque fija, ésta no siempre se puede mantener con exactitud debido al diseño de la máquina. Si los dispositivos están montados de forma fija y el diámetro del perno varía, la distancia de medición cambia de todos modos, por lo que los dispositivos a veces no funcionan a la distancia de enfoque.

En el caso de los dispositivos con óptica enfocable, la distancia de medición a menudo no se ajusta correctamente, como demuestra la práctica. El reajuste al cambiar el diámetro de los pernos apenas se realiza, por lo que estos dispositivos también se utilizan repetidamente fuera del punto focal.

Un pirómetro de relación reacciona de forma mucho menos sensible a los cambios en la distancia de medición, el diámetro del perno o cuando los dispositivos funcionan fuera del rango focal, como se ha descrito al principio, hasta ciertos límites, por lo que resulta ventajoso para este tipo de aplicaciones en comparación con un pirómetro espectral.

Por tanto, aquí se recomienda el uso de pirómetros de relación compactos con luz piloto (Fig. 10) para cumplir de forma óptima los dos requisitos esenciales de la tarea de medición para a) una medición en gran medida independiente de la distancia y fiable y b) una comprobación sencilla de la alineación.

Para procesos de producción con temperaturas superiores a 300 °C, los pirómetros de relación con las ventajas descritas son más que una alternativa para conseguir valores de medición fiables y estables debido al entorno y al diseño. El precio adicional de alrededor del 30 % en comparación con un pirómetro espectral de características comparables es dinero bien invertido y se recupera rápidamente gracias al menor esfuerzo de inspección manual y a la reducción de la producción de piezas defectuosas. En condiciones de medición extremas provocadas por la presencia de vapores pesados, suciedad y polvo, las ventajas metrológicas del pirómetro de relación son claramente evidentes. Para aplicaciones en las que la emisividad de los objetos medidos puede cambiar, es aconsejable comprobar la fiabilidad de la medición cuando se utiliza el método de medición del cociente.

Los fabricantes de dispositivos sólo pueden recomendar la utilización de las opciones adicionales de protección y análisis del pirómetro de cociente para aumentar la fiabilidad del proceso y obtener información de la temperatura adicional.