Principio, ventajas y posibles aplicaciones de los pirómetros panorámicos innovadores

Los pirómetros detectan la radiación térmica en la superficie de un objeto de medición en un campo de medición definido y la utilizan para determinar la temperatura. El tamaño y la forma del campo de medición vienen determinados por las lentes, la estructura óptica y la tecnología del sensor. Debido a la geometría de las lentes, el sistema de apertura y la tecnología del sensor, los dispositivos disponibles actualmente en el mercado suelen tener una superficie de medición redonda. Gracias a un nuevo tipo de diseño óptico y a lentes de alta calidad, recientemente se dispone de dispositivos con un campo de medición rectangular. En el siguiente artículo se explica el diseño, la funcionalidad, las ventajas y las posibles aplicaciones de los pirómetros con campo de medición rectangular.

La idea de desarrollar un pirómetro con un campo de medición rectangular surgió hace más de 30 años, ya que existen aplicaciones en la tecnología de medición de temperatura sin contacto que pueden resolverse de forma más sencilla y, sobre todo, más fiable. Una ventaja significativa de la medición pirométrica de la temperatura frente a la medición por contacto es que los pirómetros son idóneos para medir objetos en movimiento. El requisito previo es, por supuesto, que el objeto a medir se encuentre en el campo de medición del pirómetro. Como muestra el ejemplo de la producción de alambre, resulta problemático cuando el objeto que se va a medir oscila en ángulo recto con respecto a la dirección de producción y no siempre llena el campo de medición (Fig. 1).

Hasta ahora, los pirómetros monocanales con un campo de medición muy pequeño se han utilizado junto con un espejo giratorio montado delante del pirómetro para resolver estos problemas de medición relacionados con la aplicación. El espejo giratorio desvía periódicamente el punto de medición. Al almacenar el valor máximo en el pirómetro, la temperatura se registra en el momento en que el objeto llena por completo el punto de medición. Además de la desventaja de un mecanismo móvil susceptible de fallos, el tiempo de detección es limitado. Debido al movimiento de exploración, la temperatura del objeto no se registra de forma continua, sino sólo cíclicamente.

Por este motivo, hace muchos años se intentó utilizar dispositivos que generaban un campo de medición rectangular puramente óptico. Una lente cilíndrica especial extendía el campo de medición en la dirección de un eje, como se conoce en un armario de espejos. En principio, esto ofrecía una solución. Sin embargo, la desigual distribución de la sensibilidad en la superficie de medición del sensor resultó ser un problema. Otro inconveniente era el elevado coste de esta lente especial. Además, los dispositivos sólo podían utilizarse para una distancia de medición fija. Otra dificultad era que la imagen óptica en la mira a través de la lente se distorsionaba, lo que dificultaba la alineación del dispositivo.

La utilización de un campo de medición rectangular resulta especialmente interesante en combinación con un pirómetro de relación. Un pirómetro de relación registra la radiación térmica de un objeto de medición en dos rangos de longitud de onda diferentes. El cociente de las dos radiaciones espectrales cambia proporcionalmente a la temperatura. Este principio de medición permite que el objeto de medición sea más pequeño que el campo de medición. A diferencia de un pirómetro monocanal, la temperatura correcta se sigue determinando para un objeto de medición caliente frente a un fondo frío.

A diferencia de la solución descrita anteriormente con una lente cilíndrica, el campo de medición rectangular del nuevo pirómetro panorámico se realiza mediante una abertura de alta precisión situada en la rama de medición del detector, entre la abertura (3) y el espejo deflector con sensor (4) (Fig. 2). Esto resuelve dos problemas fundamentales. El dispositivo no requiere una lente de forma especial y el objeto a medir se visualiza enfocado como es habitual en la mira a través del objetivo o en la imagen del monitor en los dispositivos con cámara de vídeo integrada.

Otra ventaja de este innovador diseño óptico es que las marcas del campo de medición en el visor o en el monitor se muestran correctamente tanto en la posición exacta como en el tamaño real del campo de medición rectangular. Sólo así es posible comprobar y garantizar la correcta alineación de los dispositivos.

Durante el desarrollo del pirómetro panorámico hubo que resolver otro reto óptico. Debido a los errores de imagen óptica y a una distribución no homogénea de la sensibilidad en la superficie de medición, los pirómetros de relación suelen tener la característica de que la posición del objeto de medición en el campo de medición influye notablemente en la temperatura medida. En el borde del campo de medición, la indicación puede aumentar en más de 30 °C con una temperatura del objeto de 1000 °C (Fig. 3).

En los pirómetros de relación convencionales también pueden producirse fluctuaciones en la indicación de la temperatura si el diámetro del objeto de medición cambia por motivos de producción y, por tanto, el campo de medición se rellena de forma diferente.

Para minimizar este efecto físico, se desarrollaron lentes de precisión para la óptica que tienen propiedades de imagen consistentemente buenas en toda la superficie de la abertura de entrada (aberración esférica mínima). Además, las lentes tienen un error de color longitudinal mínimo (aberración cromática) para conseguir una imagen igualmente nítida para ambas longitudes de onda de medición y para el rango visible. Además, la realización del pirómetro panorámico requirió el desarrollo de una configuración óptica compuesta por aberturas de precisión y sensores de alta calidad. Como resultado, el nuevo pirómetro panorámico proporciona un valor de medición constante independientemente de la posición y el diámetro de un alambre en el campo de medición, por ejemplo.

Gracias al diseño modular de los componentes ópticos y eléctricos, el pirómetro panorámico también puede equiparse con varias lentes intercambiables enfocables. Además, en la rosca frontal del objetivo correspondiente pueden enroscarse diversas lentes de fijación para reducir el campo de medición. De este modo se obtienen numerosas variantes ópticas de imagen en lo que respecta tanto a la distancia de medición deseada como al tamaño del campo de medición requerido (Fig. 4). Por ejemplo, pueden detectarse incluso cables con un diámetro de 0,1 mm.

La alineación óptica de un pirómetro en un objeto de medición pequeño o a una distancia de medición grande requiere una mecánica de alta calidad para el ajuste. Es evidente que un dispositivo con un punto de medición rectangular es mucho más fácil de alinear en estas condiciones (Fig. 5). Esta ventaja se aprecia especialmente en un pirómetro portátil si el operario sujeta el aparato con la mano al apuntar, ya que la anchura del campo de medición rectangular es de 2 a 3 veces mayor que la de un aparato comparable con un campo de medición redondo. Esto garantiza un manejo y una detección de la temperatura más seguros.

En procesos de producción en los que la posición y el tamaño del objeto caliente pueden cambiar o en sistemas de tratamiento térmico en los que la zona de calentamiento de la pieza fluctúa, el pirómetro panorámico ofrece una mayor fiabilidad operativa y es mucho más fácil de alinear. Como un campo de medición rectangular es más ancho que un campo de medición redondo con la misma superficie, el riesgo de que el punto caliente se desplace fuera del campo de medición es significativamente menor.

Un ejemplo típico es la producción de tubos sin fin en los que el material se dobla y se suelda. El material se calienta mediante una bobina de inducción. La posición del pequeño punto de soldadura puede fluctuar, de modo que con los dispositivos convencionales el cordón de soldadura puede quedar a veces fuera del campo de medición y entonces la medición ya no es posible (Fig. 6).

En la producción de botellas de vidrio, la posición y la forma de la gota de vidrio en la cizalla cambian. También en este caso, un pirómetro panorámico proporciona una mayor fiabilidad de medición. También influyen la temperatura del material y el color del vidrio parcialmente transparente. Esta influencia se reduce considerablemente con el método de medición del cociente del pirómetro panorámico.

En los sistemas de trefilado, el alambre se somete a continuación a un tratamiento térmico. El alambre pasa por una bobina de inducción a gran velocidad. La oscilación del alambre entre los rodillos guía es inevitable. En el caso de alambres finos, la oscilación puede ser varias veces superior al diámetro del alambre. En estas condiciones, es casi imposible realizar una medición precisa.

La medición manual sin contacto de la temperatura del metal fundido durante el vertido en el molde se realiza desde una distancia segura. Con un dispositivo convencional con un campo de medición redondo, es difícil alinear el pirómetro con el chorro de vertido, sobre todo porque la posición del chorro puede cambiar en función del ángulo de inclinación de la cuchara. Un dispositivo con un campo de medición rectangular es mucho más fácil de manejar (figura 7).

La medición de la temperatura de los objetos más pequeños, como un filamento o un elemento calefactor en un tubo de rayos X, plantea las mayores exigencias ópticas a los dispositivos. En su mayor parte, este tipo de aplicaciones sólo podían resolverse anteriormente con los llamados pirómetros de comparación de intensidad. Con estos dispositivos, la temperatura es medida manualmente por el operador comparando visualmente la irradiancia de un radiador de referencia interno y el objeto a medir.

La dificultad de utilizar dispositivos de medición electrónica residía en la alineación mecánica de los dispositivos con objetos extremadamente pequeños a medir. Estas tareas de medición pueden resolverse mucho más fácilmente con el pirómetro panorámico.

Debido al principio de medición del cociente, el campo de aplicación se limita a aplicaciones con temperaturas superiores a 600 °C. Otro límite es el grado de iluminación parcial hasta el cual el pirómetro de cociente sigue siendo capaz de formar un valor de medición reproducible. Otro límite es el grado de iluminación parcial hasta el cual el pirómetro de cociente todavía es capaz de formar un valor de medición reproducible.

Este valor depende, entre otras cosas, de la emisividad del objeto de medición y de la temperatura absoluta. Al principio del rango de medición, un pirómetro de relación ya puede proporcionar un valor medido fiable si la energía radiante es el 10 % de la irradiancia de un radiador de cuerpo negro a la misma temperatura. A medida que aumenta la temperatura de medición, se admite una atenuación aún mayor de la señal. En la atenuación influyen la emisividad, el grado de iluminación parcial, la forma del objeto a medir y las obstrucciones visuales como vapor, polvo y humo en el campo de medición. Se toma como ejemplo un hilo de acero con una emisividad de 0,6. En el caso de un objeto de medición redondo, también hay que tener en cuenta que la radiación detectada por el pirómetro se emite en parte con un ángulo muy plano. En este caso, también se incluye el factor de seguridad de 1,5 como aproximación. El grado de iluminación parcial, la anchura del campo de medición y la distancia máxima de medición pueden calcularse a partir de las fórmulas siguientes.

Grado de iluminación parcial = (intensidad mínima de la señal analizable ÷ emisividad) × factor de seguridad

En relación con el ejemplo anterior, el campo de medición debe estar lleno al menos un 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % para que el pirómetro pueda determinar un valor medido. La intensidad de la señal como indicación de la fiabilidad del valor medido puede mostrarse en la pantalla del pirómetro.

Para un diámetro de cable de 5 mm, esto da como resultado una anchura máxima del campo de medición de 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm para el inicio del campo de medición.

Con un pirómetro panorámico, la resolución óptica se especifica mediante la relación de distancias (distancia de medición ÷ tamaño del campo de medición) para la anchura DW (anchura) y para la altura DH (altura). Partiendo de una relación de distancias de, por ejemplo, DW = 40 : 1, se obtiene una distancia máxima de medición de 40 × 20 mm = 800 mm. O visto de otro modo, para una distancia de medición prevista de 500 mm, por ejemplo, debe utilizarse un objetivo con una relación de distancia de DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, es decir, ≥ 25 : 1, de modo que el campo de medición esté suficientemente iluminado por el objeto que se va a medir.

El pirómetro panorámico también puede funcionar de modo que el campo de medición esté alineado longitudinalmente con el objeto. Esto permite al pirómetro captar una mayor superficie del objeto a medir en comparación con un dispositivo con un campo de medición redondo, por lo que puede utilizarse para alambres con un diámetro a partir de 0,1 mm.

Los dispositivos con óptica panorámica están disponibles para la serie de dispositivos fijos CellaTemp PA y para la serie portátil CellaTemp PT. Ambas versiones disponen de un visor transparente para alinear y enfocar el aparato. El CellaTemp PA estacionario está disponible alternativamente con una cámara de vídeo en color. Esto permite controlar en todo momento la alineación y el campo de visión del objeto en el monitor del centro de control. Además del marcado del campo de medición, el valor medido y el número del punto de medición también se transmiten a través de la señal de vídeo y se muestran en la pantalla del monitor. Gracias a la función especial TBC (Target Brightness Control) de la cámara, la intensidad sólo se registra en el campo de medición para el control de la exposición y no en todo el campo de visión de la cámara, como suele ocurrir. Esto significa que un pequeño objetivo caliente frente a un fondo frío se muestra en la imagen del monitor con un brillo óptimo y sin sobrecargar el objetivo.

Ahora también están disponibles dos versiones de la serie de pirómetros compactos CellaTemp PKL con óptica panorámica (fig. 8). Los aparatos disponen de una luz piloto LED para comprobar la alineación. Dado que la luz no sólo ilumina la posición, sino también la anchura real del campo de medición, el dispositivo puede alinearse de forma muy sencilla y precisa con el objeto que se está midiendo.

Para procesos térmicos y temperaturas superiores a 600 °C, el nuevo pirómetro panorámico es claramente superior a los dispositivos anteriores con un campo de medición redondo si la alineación es difícil en objetos pequeños o a grandes distancias de medición o si el punto caliente, es decir, el punto caliente a detectar, no es fijo. Los costes adicionales de aproximadamente un 25 % son, sin duda, dinero bien invertido gracias a la mayor seguridad de funcionamiento.