Sistema de radiometría fototérmica infrarroja (RFI) al vacío

Resumen

En este trabajo se plantea un experimento al vacío para  eliminar el aporte de las pérdidas por convección. El experimento consiste en calentar una de las superficies de la muestra a diferentes frecuencias, utilizando un haz de láser modulado, donde la temperatura en la superficie trasera se controla como una función del tiempo usando un sensor IR.

Introducción 

Los autores de algunos  trabajos (1-4) mencionan la importancia que pueden tener las pérdidas de convección y radiación al realizarse en experimentos con frecuencias muy bajas de modulación, en particular en aquellos donde se mide la difusividad térmica. Las pérdidas de convección se pueden eliminar al trabajar en vacío. De acuerdo a esto, se realizará un montaje en vacío y se analizará la importancia de éstas pérdidas en los resultados.

Teoría

Las variaciones de temperatura en la muestra son gobernadas por la ecuación de difusión de calor que tiene una solución de la forma:[pic 1]

[pic 2]

Despreciando los efectos de la frontera y para la modulación sinusoidal de calor, la temperatura está dada por:

[pic 3][pic 4]

En la ecuación, t es el tiempo, α es la difusividad térmica del material, f es la frecuencia de modulación y µ=(α/πf)1/2 es la longitud de difusión térmica.

Teniendo en cuenta las pérdidas por convección y radiación la condición de frontera quedaría:

[pic 5][pic 6]

Que tiene por solución:[pic 7]

[pic 8]

[pic 9]

(5)

Donde H es el coeficiente de transferencia de calor para la radiación y convección.

Marco Experimental

El diagrama del montaje experimental se observa en la Fig. (1).

[pic 10][pic 11]

Fig. 1 Diagrama esquemático y real del sistema experimental.

En la figura 1b se observa el sistema experimental, el cual está dentro de una “campana” que permite realizar pruebas en vacío. El sistema de vacío (fig. 2) está compuesto por una bomba mecánica (DS102) y una bomba turbo-molecular (Turbo-V 81-AG) que trabajan juntas permitiendo llegar a un vacío de 5 x 10-10 mbar (o 3.8 x 10-10 Torr). Las dos bombas son controladas por medio de un panel de control (Turbo-V 81-AG Rack Controller) en el cual se puede variar el vacío necesario para cada medición.

[pic 12][pic 13]

Fig. 2 Sistema de vacío.

En la figura 3 se muestran mediciones con y sin vacío para una muestra de madera. Se observa que para el caso en donde hay vacío se percibe un comportamiento lineal en todos sus puntos. Las pendientes son muy parecidas indicando que la difusividad no se ve afectada. La señal que se genera al estar en vacío tiene menos amplitud debido a que el láser disminuye un poco su intensidad ya que pasa por el vidrio de la campana.

[pic 14]

Figura 3. Comparación de resultados con y sin vacío para una muestra de madera. Las líneas son solamente para visualización.

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Figura 4. Ajuste a la ecuación 2.8 para mediciones con y sin vacío.

Para comprobar que hay una disminución de H, se realizó un ajuste (fig. 4) con el modelo que considera las CRHL Donde,

[pic 17]

Los cuales son parámetros de ajuste de la Ec. (4). Del parámetro P2 se puede obtener la difusividad térmica. Si mantenemos éste parámetro fijo para un valor de difusividad, se observa disminución en el ajuste con las mediciones en vacío (figura 4b)  tanto en el parámetro P1 que relaciona el coeficiente de H/C como en el parámetro P3 que incluye la intensidad de la señal. En la tabla 4 se muestran los parámetros de ajuste para las condiciones dadas, donde se observa que el porcentaje de la disminución del P2 es de aproximadamente un 60%.  Por ejemplo, si H tiene un valor de 10, de acuerdo al porcentaje en vacío podría tener  un valor de 6, muy cercano a los cálculos que realizamos en el capítulo 2 (10,11).

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