Variables ópticas de influencia

La medición de la temperatura sin contacto se basa en un método de medición óptico. Las propiedades ópticas de un pirómetro tienen una gran influencia, a menudo subestimada, en la precisión de la medición. En muchos casos, al comprobar la incertidumbre de la medición sólo se comparan los parámetros especificados en la hoja de datos. Sin embargo, una simple óptica mal seleccionada o mal ajustada puede dar lugar a errores de medición muy graves. El siguiente informe explica los principios y efectos de los errores de imagen óptica y la especificación de los parámetros ópticos de los pirómetros. Presenta una forma en la que el propio usuario puede controlar la calidad de la óptica del pirómetro.

Aberración esférica (error de apertura)
Los rayos de luz que entran cerca del borde de un objetivo se enfocan a una distancia diferente que los rayos de luz que entran desde el centro. El resultado es una imagen ligeramente borrosa. La aberración esférica puede reducirse en sistemas ópticos formados por varias lentes combinando varias superficies de lentes de forma adecuada.

Aberración cromática (aberración cromática longitudinal)
La distancia focal de las lentes depende de la longitud de onda. La luz o la radiación de diferentes longitudes de onda se enfoca en diferentes puntos. La imagen de un objeto aparece entonces con bordes coloreados alrededor de la imagen. La aberración cromática puede reducirse considerablemente utilizando ópticas corregidas para dos (acromáticas) o tres (apocromáticas) longitudes de onda (Fig. 2). Los materiales de las lentes se seleccionan de forma que sus aberraciones se compensen entre sí para dos o tres longitudes de onda.

Para especificar la óptica, se especifica el tamaño del punto de medición para una distancia determinada o la relación de distancia, es decir, la relación entre la distancia de medición y el diámetro del campo de medición.

El tamaño del punto de medición de los pirómetros se basa en un porcentaje fijo de la energía máxima que puede recibirse en un semiespacio. El 100 % corresponde a un objeto de medición infinitamente grande. El tamaño del punto de medición suele estar relacionado con el 90, 95 o 98 % de la energía máxima que se puede recibir (Fig. 3).

Si el componente de radiación se relaciona con el 95 % en lugar del 90 %, se obtiene un campo de medición mayor. Por lo tanto, la información sobre el tamaño del campo de medición sólo es comparable si se refiere al mismo porcentaje. Algunos fabricantes no especifican el porcentaje de radiación o lo definen como un porcentaje bajo. Como resultado, estos fabricantes fingen un campo de medición muy pequeño en las fichas técnicas, sabiendo perfectamente que tendrían que indicar un valor significativamente mayor si lo hubieran definido de otro modo. Además, algunos fabricantes especifican el tamaño del campo de medición sin tener en cuenta las tolerancias de las lentes.

En los pirómetros se distingue entre aparatos con óptica enfocable y con óptica de enfoque fijo. El campo de medición sólo está enfocado a la distancia focal. Si el pirómetro se utiliza fuera de la distancia focal, ya no se garantiza una distribución uniforme de la radiación infrarroja en el sensor (Fig. 4).

La radiación recibida a través de la superficie de medición se detecta entonces en distintos grados. Los cambios de temperatura en el centro tienen un efecto mayor que en la zona periférica del campo de medición.

Esto repercute especialmente en la calibración del pirómetro frente a un "cuerpo negro". La abertura del horno debe ser varias veces mayor que el campo de medición del pirómetro. En el caso de los dispositivos con una óptica sencilla y un campo de medición grande, deben utilizarse radiadores extremadamente grandes como fuente de calibración para reducir los errores de medición que pueden producirse durante la calibración. Esta es una de las principales fuentes de error de la elevada incertidumbre de medición de los dispositivos de bajo coste.

Especialmente en el caso de objetos de medición pequeños que sólo superan ligeramente el área de medición del pirómetro, un ajuste incorrecto del enfoque puede provocar errores de medición importantes. Sin embargo, aunque el pirómetro mire el objeto a medir a través de aberturas, mirillas, paredes del horno o tubos visores, una óptica mal ajustada o un enfoque incorrecto pueden provocar rápidamente un estrechamiento del cono de visión y, por tanto, mediciones incorrectas. Si las mediciones se realizan en objetos que son significativamente más grandes que el campo de medición del pirómetro, la temperatura mostrada cambiará con una óptica simple si cambia el tamaño del objeto de medición o la distancia de medición. La fig. 5 muestra una comparación de la visualización reducida del valor medido para una óptica de alta calidad y una óptica simple en relación con el diámetro del objeto de medición. Con una óptica simple, el valor medido disminuye considerablemente cuando cambia el tamaño del objeto de medición. Un cambio en la distancia de medición tiene el mismo efecto con un tamaño de objeto constante. Esto significa que los aparatos con óptica simple muestran valores de medición diferentes a distancias de medición diferentes. Esta fuente de error debe tenerse en cuenta, especialmente cuando se utilizan dispositivos manuales sencillos, que sin duda se utilizan a diferentes distancias. Este efecto se denomina efecto del tamaño de la fuente (SSE) y es una fuente de error más o menos importante en todos los pirómetros. Las causas son los errores de imagen en 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. El efecto del tamaño de la fuente disminuye a medida que se acorta la longitud de onda de medición. Esta influencia puede minimizarse corrigiendo cuidadosamente los errores de imagen óptica, utilizando componentes ópticos antirreflectantes y evitando la luz parásita y los reflejos en el dispositivo. El usuario puede minimizar este error en la práctica centrándose con precisión en la distancia de medición.

Dependiendo de la temperatura, la radiación infrarroja emitida por un objeto de medición se encuentra en la gama de longitudes de onda comprendida entre 0,6 y 20 µm, es decir, normalmente por encima de la luz visible. En primer lugar, esto significa que la óptica debe corregirse para el rango de longitud de onda utilizado por el pirómetro. Si el usuario desea enfocar visualmente o los dispositivos están equipados con una cámara de vídeo como ayuda para la observación, la óptica debe diseñarse de forma que los errores de imagen óptica se corrijan por igual para los rangos de longitud de onda visible e infrarroja. En dispositivos sencillos, se utilizan lentes sin corrección cromática o que sólo están corregidas para una longitud de onda. En este caso, los puntos focales de la radiación infrarroja y visible no coinciden (Fig. 2). Si el pirómetro se enfoca a través del dispositivo de puntería, no se enfoca de forma óptima para la radiación infrarroja.

Especialmente cuando se utilizan láseres para visualizar el punto de medición, el punto láser no coincide con la distancia de medición con lentes simples.

Estos errores sólo pueden eliminarse en la medida de lo posible con sistemas de dos lentes ópticamente complejos o sistemas de tres lentes. Los pirómetros de la serie CellaTemp PA, por ejemplo, disponen de una óptica de precisión de alta calidad con un sistema de lentes antirreflectantes de banda ancha.

Esto significa que incluso los alambres con un diámetro de 0,3 mm pueden medirse correctamente en términos de temperatura.

El usuario puede comprobar fácilmente las propiedades de imagen de un pirómetro. Para ello, se alinea el pirómetro con una fuente de radiación definida.

El tamaño del área de radiación debe ser varias veces mayor que el campo de medición del pirómetro. A continuación se coloca un diafragma de iris abierto a la distancia focal (a) del pirómetro delante de la fuente de radiación y se determina con el pirómetro la temperatura con un ajuste de emisividad de ε = 1 (Fig. 6). Es aconsejable realizar la medición al final del rango de medición del pirómetro, ya que los errores ópticos de medición se hacen más visibles a temperaturas más elevadas. La emisividad del pirómetro debe ajustarse entonces a 0,98, lo que conduce a un aumento de la indicación de temperatura.

A continuación, debe reducirse el diámetro del diafragma iris hasta que la temperatura indicada vuelva a coincidir con el valor original. El diámetro de la abertura del diafragma iris corresponde entonces al tamaño del campo de medición en relación con el 98 % de la energía de radiación. La relación con la distancia de medición a da como resultado la relación de distancia D = . A continuación, esta medición debe repetirse para un tamaño de campo de medición del 95 % y del 90 % y el resultado debe compararse con las especificaciones del folleto del fabricante.

De este modo, es muy fácil comprobar y comparar las propiedades ópticas de imagen reales, incluidos los efectos de los errores de lente, de diferentes dispositivos.

La figura 7 muestra, por ejemplo, los diámetros de los objetos de medición para el 90 % y el 95 % de la energía radiante. En relación con el 90 %, las diferencias en los tamaños de los campos de medición siguen siendo relativamente pequeñas, con Ø 14 mm para la óptica simple y Ø 10,2 mm para la óptica de alta calidad. Sin embargo, al 95 % (Ø 24 mm para la óptica simple y Ø 11,5 mm para la óptica de alta calidad) las cifras ya son muy diferentes. Por ello, para poder especificar un valor mejor (más pequeño) del diámetro del campo de medición, algunos fabricantes prefieren especificar el valor para un valor de referencia más pequeño de la radiación (por ejemplo, 90 %). Esto hace que un sistema óptico sencillo parezca mucho mejor de lo que es en realidad.

En el caso de los pirómetros con luz piloto, cámara de vídeo o mira a través de la lente, la prueba también puede utilizarse para determinar si la distancia del punto focal del campo de medición y el campo de visión son idénticos y si la marca del campo de medición corresponde realmente a la posición y el tamaño de la superficie de medición del pirómetro.

A la hora de seleccionar pirómetros, además de comparar los parámetros metrológicos, también deben compararse cuidadosamente las propiedades ópticas. Dado que, lamentablemente, la información facilitada por algunos fabricantes en sus folletos suele ser insuficiente, conviene preguntar detalladamente cómo se ha determinado el campo de medición especificado y si en la especificación se han tenido en cuenta los errores de las lentes y las tolerancias de alineación. La comparación de diferentes pirómetros sólo es posible si las especificaciones ópticas y los valores de referencia son idénticos. En casos críticos, debería comprobar usted mismo la calidad y especificación de la información del folleto, tal y como se ha descrito anteriormente, para estar seguro. Después de todo, ¿de qué sirve un pirómetro que se especifica con una incertidumbre de medición eléctrica significativamente inferior al 1 %, pero que, por otro lado, el uso de lentes y configuraciones ópticas sencillas da lugar a errores de medición significativamente mayores?