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DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MEDICION DE EMISIVIDAD ESPECTRAL

Dr. Saúl Javier Luyo Alvarado, CENAM, [email protected], y @

CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009

INDICE

1.INTRODUCCION

2. FUNDAMENTOS TEORICOS

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4. AVANCES , RESULTADOS

5. CONCLUSIONES


OBJETIVO

Desarrollar sistema referencia de medición de emisividad de fuentes de

radiación, materiales industriales

Intervalo temperaturas: 20°C a 1000°C

intervalo de longitudes de onda: 2 a 20 micrómetros (µm)

mediciones de la radiancia espectral y de reflectancia difusa en función

de la temperatura y de la longitud de ondade la temperatura y de la longitud de onda.


EIT-90

Para temperaturas > 962°C (punto de solidificación de Ag)

medición de T a través ley de Planck

Puntos fijos de plata 962°C , Oro 1064°C, y cobre 1085°C

T > 1100°C, transferencia a lámparas tungsteno filamento de cinta

Para temperaturas < 962°CPara temperaturas < 962 C

calibración termómetros de radiación (TR) con cavidades de cuerpos negros,cuya T se mide con un termómetro de resistencia de platino patrón (TRP) o, paraobtener una mejor exactitud se pueden usar cuerpos negros con puntos desolidificación de Al( 660°C), Zn(420°C) y Sn (232C).


Fundamentos teóricos

Un objeto a una temperatura T > 0 emite radiación electromagnética

Cuerpo negro, superficie ideal, absorbe toda radiación incidente


Ley de Planck:Ley de Planck:


Emisividad


PRINCIPIOS FISICOS

La emisividad espectral hemisférica esta definida como la razón de lapotencia emisiva de un cuerpo a la de un cuerpo negro a la mismat ttemperatura

Esta cantidad también puede ser calculada por integración de la emisividadespectral direccional sobre todas las direcciones de una envoltura hemisféricaque cubre la superficie :


Interaccion radiacion y materia

La radiación térmica de una superficie, naturaleza electromagnéticaLas relaciones, propiedades de un material y parámetros ópticos y eléctricos,i t ió l t éti t i i MAXWELLinteracción campo electromagnético con materia, ecuaciones MAXWELLfunciones ópticas


Procedimiento experimental: 1 etapa


1.0

(d) acero oxidado termicamente T = 23 °C

0 7

0.8

0.9 (c) grafito

0.5

0.6

0.7

EM

ISIV

IDAD

(b) lamina oxidada

0.3

0.4

E

(a) aluminio oxidado

650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 11000.1

0.2

LONGITUD DE ONDA (nm)


LONGITUD DE ONDA (nm)

Procedimiento experimental: etapa 2

Metodo directo

El método experimental propuesto para medir la emisividad consiste en

comparar las radiancias espectrales emitidas por las fuentes con la radiancia

t l d d f i i t t tespectral de un cuerpo negro de referencia a una cierta temperatura.

Para la comparación se usará un espectrómetro de Transformada de Fourierp p

(FTIR). El cual utiliza un interferómetro de Michelson y el espectro se

obtiene mediante la Transformada de Fourier del interferograma.


Procedimiento experimental: etapa 2


Esquema modelo matematico

Respuesta espectral espectrómetro FTIR

Radiancia objeto

transmitancia optica electronica


El modelo matemático que describe el espectro de radiancia medido por el espectrómetro FTIR que recibe radiación de un objeto a una temperatura T, esta dado por la ecuación :

(1)

S ( ) = espectro obtenido por el FTIR

R ( ) = respuesta espectral del FTIR

G ( ) = radiancia espectral del FTIR (Ti)G ( ) radiancia espectral del FTIR (Ti)

L ( ) = radiancia espectral emitida por el objeto


Para obtener la radiancia espectral emitida por el objeto, las funciones R y G del instrumento deben ser conocidas De la ecuación (1) despejamos L yG del instrumento deben ser conocidas. De la ecuación (1) despejamos L y tenemos la ecuación :

(2)

Debido a que el espectrómetro FTIR, proporciona un espectro discreto, hay valores de L para cierto números de onda νi el procedimiento devalores de L para cierto números de onda νi , el procedimiento de calibración debe determinar dos parámetros para cada numero de onda νi la respuesta espectral R (νi ) y la radiancia espectral del espectrómetro G (νi ). Entonces si las temperatura pueden ser medidas, y el espectrómetro esta

S Slibre de ruido, uno debería tomar los espectros S1 y S2 de dos cavidades de cuerpos negros (ccn) a diferentes temperaturas y solucionar entonces para los parámetros no conocidos:


PRINCIPIOS FISICOS

Entonces:


Las ecuaciones anteriores describen el llamado procedimiento de

calibracion convencional : Dos espectros S1 (ν) y S2 (ν) de cavidades de

cuerpos negros con diferentes temperaturas T1 y T2 son medidos y lascuerpos negros con diferentes temperaturas T1 y T2 son medidos y las

funciones del instrumento son calculadas. Los errores en los valores de las

funciones del instrumento resultan de las incertidumbres ∆T1 y ∆T2 de las

temperaturas medidas.


Resultados

1.00 RADIADOR PLANO COMERCIAL, EMISIVIDAD NOMINAL 0.95

0.95 T= 500°C

0.90

Em

isiv

idad

0.85

3 4 5 6 7 8 90.80

Longitud de onda (10-6 m)


1.00 RADIADOR PLANO COMERCIAL, EMISIVIDAD NOMINAL 0.95

0.95

d

0.90

Em

isiv

ida

0.85

T= 500°C

5 10 15 20 250.80

Longitud de onda (10-6 m)


Longitud de onda (10 )

I f d S t l E i i i Ch t i ti t NISTInfrared Spectral Emissiviy Chacterization at NIST,Hanssen et al.,Thermosense XXVI, 2004.


Películas ZnO/Si, Zn0/vidrio (Sputerring)


Recomendaciones

PELICULAS ZnO/Si

10

A % sustrato

R5

..\

SMIT

AN

CI R5

R4 R3 R2

5

TRA

NS

. 0


5 10 15 20 25

LONGITUD DE ONDA (10-6 m)

conclusiones

Los resultados obtenidos para la emisividad de aluminio oxidado, acero

oxidado, lamina galvanizada son similares a los reportados en la literatura lo

cual indica que el sistema de reflectancia modulada es una alternativa viablecual indica que el sistema de reflectancia modulada es una alternativa viable

para la caracterización de emisividad

se ha caracterizado la emisividad de un radiador comercial (plato) y los

resultados son similares a los reportados por el NIST

Las caracterización de las peliculas de ZnO, indican que podría ser un

did t t i l d f i d i i id dcandidato para material de referencia de emisividad


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