Pirómetro

Termómetro por infravermellos, un tipo de pirómetro óptico

Mariñeiro medindo a temperatura dun sistema de ventilación

O pirómetro é un tipo de termómetro. É un dispositivo que mide a radiación térmica da superficie dun obxecto e informa da temperatura. Diferentes tipos de pirómetros foron desenvolvidos ao longo do tempo: hoxe é un dispositivo que non require contacto, contrastando con outros medios para obter información sobre a temperatura dun obxecto, como un termopar e unha termorresistencia.

A orixe do nome é do grego pyro, que significa lume, e metros, que significa medida. O termo acuñouse para describir equipos capaces de medir temperaturas por encima da incandescencia, cun brillo perceptíbel para o ollo humano.

O impulso que motivou o desenvolvemento de pirómetros foi a necesidade de medir a temperatura de obxectos moi quentes, facendo imposíbel o contacto directo, como metais fundidos, cerámica e outros procesos industriais, estrelas e tamén a temperatura en cámaras como as de baleiro. Hoxe en día, os pirómetros son métodos eficaces (con erros próximos ao 2% e que diminúen a medida que aumenta a temperatura) para medir a temperatura, incluídos os negativos .

Historia do dispositivo

Un pirómetro de 1852. A barra metálica quéntase (a) presionando contra unha panca (b), que move un punteiro (c) ao longo dunha escala que serve como índice de medida. (e) é un soporte inmóbil que mantén a barra no seu lugar. Un resorte en (c) empuxa contra (b), facendo que o índice caia cara a atrás unha vez que a barra se arrefríe.

Técnico medindo a temperatura do silicio derretido a 1449ºC (2650°F) cun pirómetro de filamento desaparecido nun sistema de cultivo de cristais mediante o proceso de Czochralski, na planta de transistores de Raytheon, en 1956.

Fíxose posíbel desenvolver pirómetros modernos cando o primeiro pirómetro de filamentos que desapareceu foi desenvolvido en 1901 por Kurlbaum e Holborn - físicos alemáns. Antes apareceron outros modelos pero nunca co mesmo impacto e aplicabilidade que o método de filamentos que desaparecen.

O equipo era un filamento fino alimentado por unha fonte controlabel que tiña a temperatura controlada pola corrente. O brillo emitido polo filamento quente comparouse entón co brillo dun obxecto para o que se desexaba información de temperatura. Unha escala permitía controlar a corrente no filamento e a temperatura obtíñase cando o filamento alcanzaba a mesma cor que o obxecto, "desaparecendo" diante del. O método dependía claramente da agudeza visual do operador.

Exemplo de pirómetro de filamento que desaparece

Despois dun tempo de uso, os operadores e desenvolvedores de equipos déronse conta de que a temperatura proporcionada polo pirómetro era diferente da temperatura real do obxecto, o que non se entendía moi ben nese momento, pero hoxe sabemos a diferenza entre un corpo-negro ideal e un corpo-negro real, un obxecto cuxa temperatura queremos medir (tamén chamado corpo gris ou corpo-cinza), que é a emisividade. Co estudo da emisividade, foi posíbel descubrir que dependía de varios factores asociados á estrutura do material e principalmente das condicións superficiais e tamén da temperatura.

Empregouse un método para superar os problemas coa emisividade dos materiais e utilizouse a lei de Planck para relacionar a temperatura coa intensidade da radiación emitida por cada lonxitude de onda. Cando se supuxo que as emisividades son as mesmas para as dúas lonxitudes de onda escollidas, foi posíbel empregar unha manipulación matemática que cancelaba as emisividades na proporción das contribucións polas dúas lonxitudes - isto é o que deu o nome deste tipo de pirómetro, pirómetro de razón ou pirómetro de dúas cores. Esta tecnoloxía foi explorada comercialmente durante moito tempo até que se puido estudar mellor o comportamento dos materiais e descubrir que as emisividades tamén cambian segundo a lonxitude de onda escollida, é dicir, o método de razón proporcionaba información errónea con respecto á temperatura.

Hoxe en día, os pirómetros de múltiples cores funcionan con aproximacións que proporcionan resultados de temperatura moi precisos mesmo para materiais onde a emisividade non se coñece completamente e varía segundo as diferentes lonxitudes de onda.

Principio de funcionamento

Os pirómetros están compostos de dous mecanismos que funcionan xuntos para proporcionar información sobre a temperatura da superficie dun obxecto. Un sistema óptico e un sistema de detección. O papel do sistema óptico é focalizar a radiación térmica do obxecto nun detector, permitíndolle adquirir radiación dun xeito constante e eficiente e seleccionar diferentes lonxitudes de onda a través de filtros. O detector utiliza basicamente dous procesos para informar a temperatura: cuántico e térmico.

A física detrás do pirómetro de radiación está na relación entre radiación térmica e temperatura a través da lei Stefan-Boltzmann . Onde sigma é a constante de proporcionalidade e epsilon é a emisividade do material.

$j^{\star }=\sigma \varepsilon T^{4}$

$\sigma =5,6697\times 10^{-8}Wm^{-2}K^{-4}$

Un detector de tipo fotodiodo funciona coa interacción entre os fotóns emitidos pola fonte quente e o material do detector, o que resulta en electróns que se recollen e amplifican para xerar un sinal de corrente.

O tipo térmico ten a súa temperatura modificada pola radiación enfocada e, semellante a un termopar, xera unha tensión que se pode medir e calibrar a través da resistencia do detector, proporcionando valores de temperatura.

Os pirómetros máis antigos funcionaban con dilatación de metais e cuadrantes graduados. Un dos primeiros modelos foi desenvolvido para medir a temperatura de fornos cerámicos.

Dispositivos

Medición de temperatura para o control do ébola

Os pirómetros divídense en dous grandes grupos, os pirómetros ópticos e os pirómetros de radiación. Existen algúns tipos de pirómetros para aplicacións específicas como o efecto fotoeléctrico.

Pirómetro de radiación

Calquera obxecto emite radiación térmica a temperaturas superiores ao cero absoluto e a radiación emitida é función da temperatura. Na práctica, a enerxía irradiada é proporcional á emisividade a unha temperatura e lonxitude de onda dadas, polo que, para obter un valor de temperatura preciso e coherente para unha superficie, o operador necesita saber a emisividade do material que está a medir. O equipo está construído cunha lente que enfoca esta radiación emitida nun sensor que é sensible á luz e xera unha tensión proporcional á radiación enfocada.

É vantaxoso porque non depende da capacidade do operador para interpretar as cores e pódese usar para diversas aplicacións mediante a implementación de filtros permisivos só para a banda de espectro electromagnético desexada. Non obstante, é afectada por todas as radiacións procedentes do lugar que chega ao detector, radiación que pode ser moito máis intensa que a do obxecto a medir a temperatura, o que dificulta o proceso de medición.

Pirómetro óptico

O seu principio básico é usar o ollo do operador para comparar o brillo dun obxecto quente co brillo dun filamento ou dunha lámpada de incandescencia dentro do instrumento. Tamén se pode usar unha chama para a comparación. O operador modifica a corrente no filamento até que este teña o mesmo brillo do obxecto e despois usa unha escala graduada e calibrada para inferir a temperatura.

É o método máis barato que se pode usar, con todo, xa que o sistema funciona usando o ollo humano, o espectro de radiación que se pode comparar é bastante limitado, comprendendo só o rango do visíbel, polo que o corpo ten que estar o suficientemente quente como para emitir con lonxitudes de onda entre 400 e 700 nanómetros.

Características xerais

En xeral, os pirómetros son equipos vantaxosos para canto maior sexa a temperatura da aplicación desexada. Os erros para temperaturas superiores a 1200 °C son moi pequenos e, sempre que se coñeza ben a emisividade do material medido (o que é certo para a maioría das aplicacións) , a información de temperatura diferirá da real nun máximo do 1%. Teñen un tempo de resposta extremadamente rápido en comparación cos termómetros habituais, da orde dos microsegundos e nanosegundos con pirómetros de efecto fotoeléctrico.

As dificultades para implantar este tipo de contadores nunha industria débense á súa resposta insatisfactoria en ambientes con po, debido á perda de potencia de radiación até chegar ao detector, dependendo do operador para coñecer a emisividade do material para obter unha temperatura precisa e no seu custo en comparación con outros métodos de obtención de temperatura.

Calibración

O calibrado ou calibración dun pirómetro realízase cunha cavidade de corpo negro. É un forno especial construído para proporcionar resultados moi próximos a un emisor de radiación electromagnética perfecto. Este tipo de estrutura debe cumprir algúns requisitos:

• Temperatura uniforme e ben controlada na zona de foco do equipo.
• Estabilización rápida para calibración a diferentes temperaturas.
• Ten a máxima emisividade posible para calibrar as lonxitudes de onda.

Elíxese unha temperatura para a cámara e o pirómetro colócase diante da cavidade para que reciba toda a radiación emitida polo forno. Nos diversos países hai entidades acreditadas para realizar a calibración, por exemplo no Brasil a RBC (rede de calibración brasileira) supervisa a calibración de pirómetros para investigación ou uso industrial por organismos como INMETRO, USIMINAS e CST .

Aplicacións

Os pirómetros teñen un amplo campo de aplicacións, tanto para a industria como para a investigación, e son equipos indispensábeis cando se necesita medir altas temperaturas nun curto espazo de tempo e controlar sistemas automatizados que dependen do control de temperatura para supervisar o proceso. As aplicacións máis coñecidas son:

• industria metalúrxica e automatización en procesos de mecanizado e tratamento de metais
• meteoroloxía: medida da temperatura da auga, do solo, do ar, principalmente en globos ou balóns atmosféricos.
• mantemento de electrodomésticos
• industria alimentaria: produción, almacenamento e entrega
• termometría diagnóstica como alternativa a métodos invasivos de diagnose
• produción de imaxes térmicas e visores nocturnos en tecnoloxía militar
• monitorización da temperatura no crecemento de cristais semicondutores
• automodelismo: os pirómetros úsanse para medir instantaneamente a temperatura dos motores alimentados por nitrometano

Cabe destacar que o prezo do equipo para aplicacións específicas, especialmente cando se desexa obter radiación fóra do visíbel, é bastante elevado. Hoxe hai empresas realizando investigacións e desenvolvendo pirómetros para o ultravioleta.

Véxase tamén

Outros artigos

• Termístor
• Termómetro
• Termopar
• Termorresistencia
• Pirometría