Pirómetros infrarrojos de banda ancha
Los pirómetros de banda ancha son, en general, los dispositivos más sencillos y económicos; y pueden tener una respuesta de longitud de onda desde 0,3 micrómetros hasta un límite superior de entre 2,5 y 20 micrómetros.
Los topes inferior y superior del pirómetros de banda ancha son una función del sistema óptico específico que se utilice. Se denominan de banda ancha porque miden una fracción significativa de la radiación térmica emitida por el objeto en los rangos de temperatura de uso normal.
Los pirómetros laser de banda ancha dependen de la emitancia total de la superficie que se va a medir. Un control de emisividad permite al usuario compensar los errores, siempre que la emitancia no cambie.
La trayectoria hacia el objeto no debe estar obstruida. El vapor de agua, el polvo, el humo, el vapor y los gases de absorción de radiación presentes en la atmósfera pueden atenuar la radiación emitida por el objeto y provocar que el pirómetro dé una lectura baja.
El sistema óptico debe mantenerse limpio y la ventana de observación protegida frente a los agentes corrosivos del medio ambiente.
Los rangos estándares comprenden desde 0 a 1000 °C, y desde 500 900 °C. La precisión típica es de 0,5 hasta 1 % de la escala completa.
Pirómetros de banda estrecha
Los pirómetros de banda estrecha o monocromáticos funcionan sobre un rango estrecho de longitudes de onda.
El
sensor de temperatura específico utilizado determina la respuesta espectral del dispositivo concreto. Por ejemplo, un termómetro sin contacto que utilice un detector de célula de silicio tendrá una respuesta que alcanza el punto máximo en torno a 0,9 micrómetros, con un límite superior de utilidad alrededor de 1,1 micrómetros.
Este tipo de pirómetros resulta útil para medir temperaturas por encima de 600 °C. Los pirómetros de banda estrecha suelen tener una respuesta espectral inferior a 1 micrómetro.
Estós sensores infrarrojos utilizan filtros para restringir la respuesta a una longitud de onda seleccionada. Es probable que el avance más importante en la pirometría haya sido la introducción del filtrado selectivo de la radiación entrante, que permite que un instrumento se ajuste a una aplicación concreta para lograr una mayor precisión de medición. Esto ha sido posible gracias a la disponibilidad de detectores más sensibles y a los avances en los amplificadores de señal.
Los ejemplos más frecuentes de respuestas espectrales selectivas son: de 8 a 14 micrómetros, que evita la interferencia procedente de la humedad atmosférica sobre trayectorias largas; 7,9 micrómetros, utilizado para medir algunos plásticos de película fina; 5 micrómetros, utilizado para medir superficies de vidrio; y 3,86 micrómetros, que evita las interferencias del dióxido de carbono y del vapor de agua en llamas y gases de combustión.
Los pirómetros IR de banda estrecha con longitudes de onda cortas se utilizan para medir temperaturas altas, superiores a 932 °F (500 °C), ya que el contenido de energía de radiación aumenta a medida que las longitudes de onda se acortan. Las longitudes de onda largas se utilizan para medir temperaturas bajas de -50 °F (-45,5 °C).
Los rangos estándares de temperatura varían de un fabricante a otro, pero algunos ejemplos son: de -37.78 a 600 °C, de 0 a 1000 °C, de 600 a 3000 °C y de 500 a 2000 °C. La precisión típica es de 0,25 hasta 2 % de la escala completa.
Pirómetros de dos colores
También llamados
termómetros de infrarrojos de dos colores, estos dispositivos miden la energía radiada de un objeto entre dos bandas estrechas de longitud de onda y calculan la relación de las dos energías, que depende de la temperatura del objeto.
Originalmente se llamaron pirómetros de dos colores porque las dos longitudes de onda se correspondían con colores distintos en el espectro visible (por ejemplo, rojo y verde). En la actualidad, mucha gente sigue usando el término «pirómetro de dos colores», cuyo significado se amplía para incluir longitudes de onda en los infrarrojos.
La medición de temperatura sin contacto depende únicamente de la relación de las dos energías medidas y no de sus valores absolutos. Cualquier parámetro, como el tamaño del objeto, que afecte a la cantidad de energía en cada banda en un porcentaje igual no tiene efecto sobre la indicación de temperatura. Esto hace que un termómetro de 2 colores sea inherentemente más preciso.
La técnica de relación puede eliminar, o reducir, errores en la medición de temperatura provocados por cambios en la emisividad, el acabado de la superficie y los materiales que absorben energía, como el vapor de agua, entre el termómetro y el objeto. Estos cambios dinámicos deben ser vistos de forma idéntica por el detector en las dos longitudes de onda que se utilicen.
La emisividad de todos los materiales no cambia por igual a distintas longitudes de onda. Los materiales para los que la emisividad cambia por igual a distintas longitudes de onda se llaman cuerpos grises. Los materiales a los que esto no les afecta se llaman cuerpos no grises. Además, no todas las formas de obstrucción de la trayectoria visual atenúan la relación de las longitudes de onda por igual. Por ejemplo, si hay partículas en la trayectoria visual que tengan el mismo tamaño que una de las longitudes de onda, la relación puede desequilibrarse.
Los fenómenos que no sean de naturaleza dinámica, tales como la corporeidad no gris de los materiales, pueden abordarse alterando la relación de las longitudes de onda en consecuencia. Este ajuste se llama pendiente. El ajuste de pendiente adecuado debe determinarse experimentalmente.
Algunos pirómetros de relación utilizan más de dos longitudes de onda. Estos dispositivos emplean un análisis detallado de las características de la superficie del objeto relativas a la emisividad en lo concerniente a longitud de onda, temperatura y química de la superficie. Con estos datos, un ordenador puede utilizar algoritmos complejos para relacionar y compensar los cambios de emisividad en diversas condiciones.
Los termómetros de dos colores o de múltiples longitudes de onda deben tenerse muy en cuenta para aquellas aplicaciones en las que la precisión, y no solo la repetibilidad, sea crucial o si el objeto está experimentando un cambio físico o químico.
Los pirómetros infrarrojos de relación cubren amplios rangos de temperatura. Los rangos típicos que se suelen comercializar son de 1652 a 5432 °F (de 900 a 3000 °C) y de 120 a 6692 °F (de 50 a 3700 °C). La precisión típica es de 0,5 % de lectura en tramos estrechos, hasta 2 % de la escala completa.
Pirómetros ópticos
Los pirómetros ópticos miden la radiación desde el objeto en una banda estrecha de longitudes de onda del espectro térmico. Los dispositivos más antiguos utilizan el principio de claridad óptica en el espectro rojo visible en torno a 0,65 micrómetros. Esos instrumentos se llaman también pirómetros monocromáticos.
En la actualidad, los pirómetros ópticos se encuentran disponibles para medir sin contacto las longitudes de onda de energía que se extienden en la región infrarroja.
Algunos diseños ópticos se manejan de forma manual. El usuario apunta el pirómetro hacia el objeto. Al mismo tiempo, puede ver la imagen de un filamento de lámpara interna en el ocular. En un diseño, el usuario ajusta la potencia al filamento, cambiando su color, hasta que se corresponde con el color del objeto.
La temperatura del objeto se mide en función de la potencia que utiliza el filamento interno. Otro diseño mantiene una corriente constante con respecto al filamento y cambia el brillo del objeto por medio de una cuña óptica rotativa que absorbe energía. La temperatura del objeto se relaciona con la cantidad de energía absorbida por la cuña, que es una función de su posición anular.
También existen los pirómetros ópticos automáticos, con sensibilidad para medir en la región infrarroja. Ese dispositivo funciona mediante la comparación de la cantidad de radiación emitida por el objeto con la emitida por una fuente de referencia controlada internamente. La salida del instrumento es proporcional a la diferencia de la radiación entre el objeto y la referencia.
Se utiliza un seccionador, accionado por un motor, para exponer el detector de forma alternativa a la radiación entrante y a la radiación de referencia.
El instrumento puede tener un campo de visión ancho o estrecho. Todos los componentes pueden integrarse en un instrumento de mano con forma de pistola. Al accionar el gatillo, se activa el estándar de referencia y el indicador de lectura.
Los pirómetros sin contacto tienen una precisión típica en el rango del 1 % al 2 % de la escala completa.
Radiación de fibra óptica
Estos dispositivos utilizan una guía de luz, como por ejemplo una fibra transparente flexible, para dirigir la radiación hacia el detector.
En este otro artículo se estudian los
termómetros de fibra óptica se ven con más detalle
La respuesta espectral de estas fibras se extiende hasta cerca de los 2 micrómetros y puede resultar útil para medir temperaturas de objetos a partir de 100 °C.
Es evidente que estos dispositivos son especialmente útiles cuando resulta difícil o imposible obtener una trayectoria visual clara hacia el objeto, como ocurre en una cámara de presión.
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