Termómetros con energía de radiación.

Pirómetros

Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir por medios eléctricos, elevadas temperaturas que se encuentran en lugares de difícil acceso y peligrosos, cuando un objeto está en movimiento o con una temperatura muy alta (por encima del alcance de los termómetros de mercurio). Su rango es mucho más amplio que un termómetro convencional ya que va de -50 grados Celsius a + 4000 grados Celsius. Cuando se habla de pirómetros nos referimos a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos.

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Termómetros con energía de radiación

Este pirómetro está conformado por un sistema óptico que recopila la energía radiada y la concentra en un detector, el cual la convierte en una señal eléctrica y esto genera una señal proporcional a la temperatura.

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Los pirómetros de radiación para uso industrial fueron introducidos en 1902, desde entonces ha ido evolucionando su apariencia y tecnología.  

“El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser un lente o un espejo cóncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoeléctrico en aire o en bulbo de vacío o una pila termoeléctrica de unión múltiple en aire.” (Guaman, 2010).

La fuerza electromotriz se mide con un potenciómetro. “Los pirómetros se clasifican en dos tipos basándose en su principio de medición: el primer tipo es el de radiación parcial (pirómetros ópticos) y el segundo tipo son los de radiación total.” (Guaman, 2010)

Aplicaciones de los pirómetros de radiación

La temperatura a menudo es el primer indicador de problemas potenciales en aplicaciones eléctricas y mecánicas. Para ello este tipo de pirómetros nos ayudan a detectar fácilmente si un cuadro eléctrico tiene un punto caliente, o si un motor se está sobrecalentando.

Con un termómetro infrarrojo portátil y sin contacto, se pueden medir las temperaturas de los equipos de forma instantánea en zonas peligrosas o de difícil acceso. Y gracias a la detección de temperaturas anormales, se  podrán corregir los problemas de forma temprana.

También es utilizado comúnmente en los hornos de las fábricas, para medir la temperatura de objetos en movimiento, para la medida de temperaturas de superficies, cuando el objeto está rodeado de un campo electromagnético (como en calentamiento por inducción),  cuando el objeto está contenido en un vacío u otra atmósfera controlada  o en aplicaciones en las que se requiere una respuesta rápida.

Cuando se mide la temperatura usando un pirómetro hay que tener en cuenta que la medición final puede verse afectada por las reflexiones de otros cuerpos que estén alrededor; para poder calcular correctamente la temperatura de un cuerpo existe el coeficiente de emisión o emisividad, este es la relación entre la radiación de la superficie y la radiación de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura.

Normalmente se debe conocer la emisividad del cuerpo que se quiere medir. Entre los diferentes ajustes que tiene un pirómetro, tienen acoplado un pequeño reóstato de ajuste que permite calibrar directamente la lectura exacta del cuerpo.

Reóstato: Es el dispositivo de un circuito eléctrico en el cual se puede modificar su resistencia, esto sucede a través del movimiento de un eje o cursor. El reóstato hace que pueda variar el nivel de corriente.

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Termómetros o Pirómetros infrarrojos

La radiación infrarroja es una parte de la luz solar y puede descomponerse reflejándose a través de un prisma (esta radiación posee energía). Los objetos con una temperatura por encima del punto cero absoluto irradia energía como el resultado de la agitación atómica con su temperatura.

Los orígenes de la medición de las radiaciones infrarrojas se remontan al prisma ideado por Newton para la descomposición de la luz solar en los distintos colores del espectro visible y en energía electromagnética.

“Los pirómetros de radiación se fundamentan con la ley de Stefan–Boltzman, que fue establecida primeramente en forma experimental por Stefan en 1879, posteriormente Boltzman proporcionó su demostración termodinámica en 1884. Esta establece que “la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo” (Castillo, 2008), es decir:

W = s T4

Donde:                   

• W es el flujo radiante por unidad de área (potencia emitida)
• s Es la constante de Stefan - Boltzman (5.67x10-8 W / m2 K4) y
• T es la temperatura en Kelvin

“Desde el punto de vista de la medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta las 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta, hasta las 0.70 micras para el rojo.” (Bordons Alba, 2000)[pic 4]

Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos que superan los 700 oC. A estas temperaturas los objetos irradian suficiente energía en la zona óptica visible para permitir la medición óptica a partir del fenómeno del calor de la incandescencia.

“Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien, lm = A / T, donde A = 0.2897 si lm viene en cm.” (Bordons Alba, 2000). La longitud de onda correspondiente al máximo de potencia que irradia en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda que es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro.

Con los pirómetros ópticos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas. La ley de Wien explica cómo cambia el color de la radiación cuando varía la temperatura de la fuente emisora, y a su vez como varían los colores aparentes de los cuerpos negros. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800 °C.

En la medición de temperaturas con estos pirómetros se hace uso de una característica de la radiación térmica: el brillo. “El brillo de la radiación en una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por una fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente con el brillo en la misma banda, de una fuente calibrada.” (Universidad de Antoquia, 2013)[pic 5]

La temperatura del color de la luz emitida

Debemos tener en cuenta que el color se encuentra relacionado con la luz y la forma en que esta se refleja. El término temperatura de color se refiere “a la expresión de la distribución espectral de la energía de una fuente luminosa y por lo tanto de su calidad de color. Se expresa en grados Kelvin (K), que se obtienen sumando 273 a los grados centígrados.” (Universidad de Palermo).

A cada temperatura a la que se calienta un cuerpo teórico emitirá una determinada longitud de onda (color) que tendrá una energía máxima. Esa sería la temperatura de color. Lo más parecido a dicho cuerpo son las estrellas, aunque éstas absorben una cierta cantidad de luz de diversos colores según sea su composición. De hecho, analizando el espectro de colores de la luz emitida por una estrella, se puede averiguar su temperatura y su composición.

Cuando se dice que una fuente luminosa tiene una determinada temperatura de color, 5000K por ejemplo, significa que hay que calentar un cuerpo negro a cierta temperatura para que esta emita una radiación luminosa del mismo color que la fuente.

Existen tres tipos de fuentes lumínicas:

Fuentes lumínicas cálidas a aquellas que, debido a su temperatura de color, tienen tonos cercanos al rojo, y frías las que tienen tonos próximos al azul. Las fuentes lumínicas situadas en el medio de ambas se consideran neutras.

Un caso interesante es la luz que percibimos del sol, que varía su temperatura de color dependiendo de la hora del día o la presencia o ausencia de nubes.

“Cuando se calienta un cuerpo negro se pone primero rojo, luego naranja, etc. por tanto, la luz del extremo rojo del espectro se dice que tiene una temperatura de color baja, que va subiendo conforme se pasa hacia la región azul del mismo.” (Universidad de Palermo).

Casi todas las fuentes de luz artificial tienen una temperatura de color entre 2000 y 6000 K. La del cielo azul con el sol es de 6000K aproximadamente, y llega a unos 10000K cuando se nubla.[pic 6]

Definición de cuerpo negro

“Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico que ayuda para el estudio de la radiación electromagnética.” (García Barreto).

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