PIRMETROS DE RADIACIN Un pirmetro en un instrumento utilizado para medir, por medios elctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termmetros de mercurio. Este trmino abarca a los pirmetros pticos, de radiacin, de resistencia y termoelctricos.

Los pirmetros de radiacin se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 C mientras que los pirmetros pticos se fundan en la ley de distribucin de la radiacin trmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 C en la Escala Internacional de Temperaturas.

Las medidas piromtricas, exactas y cmodas, se amplan cada vez ms, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 C).

Desde el punto de vista de la medicin de temperaturas industriales, las longitudes de onda trmicas abarcan desde las 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta las 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiacin 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.

ESTRUCTURA DE LOS PIRMETROS DE RADIACIN

Los pirmetros de radiacin para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiacin que le llega puede ser una lente o un espejo cncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoelctrico en aire o en bulbo de vaco o una pila termoelctrica de unin mltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltmetro o con un potencimetro, con carcter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador.

El espejo cncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones:

La imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberracin cromtica, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.

Las lentes de vidrio o de slice vtrea absorben completamente una parte considerable de la radiacin de largas longitudes de onda. La radiacin reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en l incide.TIPO ESPEJO

En la FIGURA siguiente se presenta esquemticamente los rangos pticos de un pirmetro de radiacin moderno del tipo de espejo. La radiacin entra, desde una fuente, a travs de una ventana A de slice vtrea, es reflejada por el espejo esfrico B y llevada a un foco sobre el diafragma J, en el centro del cual hay una abertura C.

La radiacin que pasa a travs de C es reflejada por el espejo esfrico D hacia el receptor E, donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con xido de magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente cuando se mira a travs de una lente H colocada detrs de B. El instrumento es orientado por el observador de manera que la imagen de la porcin de la fuente que ha de ser mirada, cubra la abertura C. Dado que B no produce ninguna aberracin cromtica y muy poca aberracin esfrica, la imagen de la fuente, colocada a la distancia para la cual est enfocado el espejo, es muy neta y puede hacerse que una porcin muy definida de la imagen cubra C.

La relacin de la distancia de la fuente al dimetro requerido por la fuente (factor distancia) es aproximadamente de 24 a 1 para distancias mayores de 24 pulgadas. En 24 pulgadas, el dimetro de la fuente debe ser por lo menos de 1 pulgada; en 48 pulgadas, de 2 pulgadas, etc.

Para distancias ms cortas de la fuente, el factor distancia es ms largo.

Para distancias mayores de 20 pulgadas, el instrumento puede emplearse como de "foco universal" si est debidamente enfocado y graduado para una distancia de 24 pulgadas.

Un obturador F ajustable delante de la ventana A sirve para regular el tamao de la abertura que deja osar la radiacin de manera que la fuerza electromotriz utilizada de la pila termoelctrica se ajuste estrechamente a una temperatura de la tabla de temperaturas y f.e.m.

Diafragmas de entrada fijos proporcionan el ajuste del intervalo del pirmetro en anchos lmites. El extremo superior del intervalo puede ser de 1000 a 1800 C, e incluso superior a 1800 C, si se necesita, para un mximo de f.e.m. de 20 milivoltios.

La escala no es lineal y sigue aproximadamente la ley de la cuarta potencia en la relacin entre la temperatura y la f.e.m.Dado que el extremo inferior de la escala est comprimido, una f.e.m. menor de 1 milivoltio en una amplitud de 20 milivoltios no es til en la medida de temperaturas. La escala que termina en 1000 C comienza en 450 C y la que termina en 1800 C comienza en 825 C.

En la mitad superior de la amplitud se descubren fcilmente cambios de temperatura de la fuente del orden de 0.1 % del valor medido.

El tiempo requerido para conseguir el equilibrio despus de un cambio grande y rpido de temperatura de la fuente depende de la capacidad calorfica del receptor y de la rapidez con la que disipa el calor. Este tiempo de respuesta en el instrumento que hemos descrito es de 1 a 10 segundos, segn el tamao del receptor.

El pirmetro de radiacin se puede recomendar en lugar del termoelctrico en los casos siguientes:

Donde un par termoelctrico sera envenenado por la atmsfera de horno. Para la medida de temperaturas de superficies. Para medir temperaturas de objetos que se muevan. Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoelctricos formados por metales comunes. Donde las condiciones mecnicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoelctrico caliente. Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.Teora de los PirmetrosLa palabra pirmetro se deriva de la palabra griega Pyros, que significa Fuego y Metron que significa Medida. La teora de los pirmetros se basa en el hecho de que todos los cuerpos arriba del cero absoluto de temperatura irradian energa, de lo cual parten para medir la temperatura de los cuerpos. La radiacin es un modo de propagacin de la energa a travs del vaco, de forma anloga a la luz. Cuando hablamos de la radiacin de los cuerpos nos referimos a la emisin continua de energa desde la superficie de dichos cuerpos, esta energa es radiante y es transportada por las ondas electromagnticas que viajan en el vaco a una velocidad de 3x108 m/s. La radiacin electromagntica se extiende a travs un ancho rango de frecuencias, como se ilustra en la siguiente figura:

Fig. 1. Espectro de radiacin electromagnticaLos cuerpos no solo irradian o emiten energa, sino que tambin reciben y absorben de otras fuentes. Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energa radiante, tanto desde el interior como desde el exterior, la que incide desde el exterior procede de los objetos que rodean al cuerpo. Cuando la energa radiante incide sobre la superficie una parte se refleja y la otra parte se transmite. Si la superficie es como la de un espejo, la mayor parte de la energa incidente se refleja, el resto atraviesa la superficie del cuerpo y es absorbido por sus tomos o molculas. La proporcin de energa que incide es igual a la suma de la reflejada y la absorbida. Asimismo, la misma proporcin de la energa radiante que incide desde el interior se refleja hacia dentro, y se transmite cierta proporcin que se propaga hacia fuera, lo que se denomina energa radiante emitida por la superficie. Dependiendo de las caractersticas de la superficie del cuerpo, es la cantidad de energa que se refleja y absorbe, por ejemplo en las siguientes imgenes se muestra una superficie que refleja la mayor parte de la energa que incide y por lo tanto absorbe una mnima cantidad de ella, y otra que refleja una pequea cantidad de energa incidente pero absorbe en su mayora la cantidad restante.

Comparando ambas figuras, vemos que un buen absorbedor de radiacin es un buen emisor, y un mal absorbedor es un mal emisor. Tambin podemos decir, que un buen reflector es un mal emisor, y un mal reflector es un buen emisor.La superficie de un cuerpo negro es un caso lmite, en el que toda la energa incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energa incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energa incidente. Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximacin por una cavidad con una pequea abertura. La energa radiante incidente a travs de la abertura, es absorbida por las paredes en mltiples reflexiones y solamente una mnima proporcin escapa (se refleja) a travs de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energa incidente es absorbida. Pirmetros de radiacinLos pirmetros de radiacin se emplean para medir temperaturas mayores de 550C hasta un poco ms de 1600C captando toda o gran parte de la radiacin emitida por el cuerpo a analizar. Este tipo de pirmetros se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energa radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT4, donde W (potencia emitida)= Flujo radiante por unidad de rea.K =Constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4).T =Temperatura en Kelvin La figura 5 muestra, de forma simplificada, la forma de operacin de un pirmetro de radiacin. La parte esencial del dispositivo consiste en una especie de lente de pirex slice o fluoruro de calcio que concentra la radiacin del objeto caliente en un termopila formada por varios termopares de pequeas dimensiones y montadas en serie. La radiacin est enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensibles a pequeas variaciones de energa radiante y adems muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiacin est ennegrecida para comportarse como un cuerpo negro, aumentando as sus propiedades de absorcin de energa y propiciando la fuerza electromotriz mxima.

Fig. 5. Esquema simplificado de un pirmetro de radiacinLa f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unin caliente (radiacin procedente del objeto enfocado) y la unin fra. Esta ltima coincide con la de la caja del pirmetro, es decir, con la temperatura del ambiente. La compensacin de esta se lleva a cabo mediante una resistencia de nquel conectada en paralelo con los bornes de conexin del pirmetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de ste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de nquel, lo que compensa la prdida de f.e.m. de la termopila que acompaa el calentamiento del cuerpo del instrumento. Esta compensacin se utiliza en temperaturas ambientes mnimas a 120C, a mayor temperatura se emplean dispositivos de refrigeracin.El medio de enfocar la radiacin que le llega puede ser una lente o un espejo cncavo. El espejo cncavo es a veces preferido como medidor para enfocar por dos razones: La imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberracin cromtica, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda. Las lentes de vidrio o de slice vtrea absorben completamente una parte considerable de la radiacin de largas longitudes de onda. La radiacin reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en l incide.

PIRMETRO PTICO El pirmetro ptico usa el ojo humano como el medio de deteccin estimando el cambio en el ancho de banda de radiacin visual con temperatura.Los pirmetros pticos se emplean para medir temperaturas de objetos solidos que superan los 700C. A esas temperaturas los objetos slidos irradian suficiente energa en la zona visible para permitir la medicin ptica a partir del llamado fenmeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente vara con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi a blanco a unos 1300C.Este tipo de pirmetros utilizan un mtodo de comparacin como base de operacin. En general, una temperatura de referencia es proporcionada en forma de un filamento de lmpara elctricamente calentada, y la medicin de temperatura es obtenida comparando de manera ptica la radiacin del filamento contra la de la fuente de calor a medir. Existen dos mtodos 1. La corriente a travs del filamento es controlada elctricamente mediante un ajuste de resistencia 2. La radiacin aceptada por el pirmetro de la fuente desconocida es ajustada pticamente mediante algn aparato absorbente (filtro polarizante).

En uso, el pirmetro es puesto en direccin de la fuente u objeto a analizar a una distancia adecuada para que la lente del pirmetro enfoque la fuente en el plano del filamento. La ventanilla de enfoque es ajustada de tal forma que el filamento y la fuente aparezcan uno puesto sobre otro. En general, el filamento aparecer ms caliente que la fuente o ms fro que ella, ajustando la corriente en la batera. La corriente medida en el indicador conectado a la lmpara y a la batera es usado para asignar la temperatura de la fuente.Un filtro rojo es generalmente usado para obtener aproximadamente condiciones monocromticas, y el filtro de absorcin es utilizado para que el filamento opere a una intensidad reducida y as prolongar su vida.Cuando el brillo del objeto es igual al del filamento, el filamento desaparece contra el fondo de la imagen de la fuente. El filamento aparece como linea oscura o brillante, segn que sea menos brillante o ms brillante que la imagen de la fuente. El ojo es muy sensible a la diferencia en brillo, y dado que la brillantez de un objeto aumenta proporcionalmente al mltiplo 10-20 de su temperatura absoluta, un error de 1% en la confrontacin del brillo supone solamente un error de 0.05 a O.1% en la temperatura.

PRINCIPIO EN EL QUE SE BASAN Se basan en la ley de distribucin de la radiacin trmica Wien. lm = A / T, donde A = 0.2897 si lm viene en cm. La longitud de onda correspondiente al mximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeo de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro. En la medicin de temperaturas con el pirmetro ptico, hacemos uso de una caracterstica de la radiacin trmica: el brillo. El brillo de la radiacin 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. Si la fuente es un radiador perfecto, un llamado cuerpo negro, existe una relacin entre el brillo JlT de la fuente en esta banda estrecha, la longitud landa de la onda efectiva media de esta banda y la temperatura absoluta T de la fuente, la cual se expresa muy aproximadamente por la ley de distribucin de la radiacin trmica de Wien: JlT = C1l-5 exp [C2/ l T]La modificacin de Planck de esta ley es exacta.JlT = C1 l-5 exp [(C2/ l T) - 1]En estas expresiones C1 y C2 son constantes fsicas que pueden ser determinadas experimentalmente por varios mtodos. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800C y es matemticamente de manejo ms cmodo que la ley de Planck. Este pirmetro es de uso manual, pero existen los pirmetros pticos automticos, los cuales son parecidos a los de radiacin infrarrojos y consisten esencialmente en un disco rotatorio que modula desfasadas la radiacin del objeto y la de una lmpara estndar que inciden en un fototubo multiplicador. ste enva una seal de salida en forma de onda cuadrad de impulsos de corriente continua que convencionalmente acondicionada modifica la corriente de alimentacin de la lmpara estndar hasta que coinciden en brillo la radiacin del objeto y la lmpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lmpara es funcin de la temperatura.AplicacionesPirmetros son adecuados especialmente para la medicin de objetos en movimiento o cualquier superficie que no se puede llegar o no pueden ser tocados.Los pirmetros de radiacin tienen una gran aplicacin en las mediciones de temperatura sin contacto en las empresas de: Agricultura, Automvil, Cemento, Qumicas y Petroqumicas, Electrnicas, Alimentos, Aluminio, Siderurgias, Metalrgicas, Vidrio, Minera, Pulpa y Papel Acero entre otras.Se recomienda usar: Donde un par termoelctrico sera contaminado por la atmsfera de horno Para la medida de temperatura de superficies Para medir temperaturas de objetos que se muevan Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura Donde las condiciones mecnicas acorten la vida de un par termoelctrico caliente Industria de la Fundicin La temperatura es un parmetro fundamental en las operaciones de horno metalrgico. La medicin fiable y continua de la temperatura de fusin es esencial para el control efectivo de la operacin. Las tasas de fundicin pueden ser maximizados, escoria puede ser producido a la temperatura ptima, el consumo de combustible se reduce al mnimo y la vida refractaria tambin puede ser alargado. Los termopares fueron los dispositivos tradicionales que se utilizan para este propsito, pero no son adecuados para la medicin continua, ya que se disuelven rpidamente. Generadores de vapor Una caldera de vapor puede estar equipado con un pirmetro para medir la temperatura del vapor en el sobrecalentador. Globos aerostticos Un globo de aire caliente est equipado con un pirmetro para medir la temperatura en la parte superior de la envoltura con el fin de evitar el sobrecalentamiento de la tela. Pirometra de los gases Pirometra de los gases presenta dificultades. Estos son los ms comnmente superar mediante el uso de pirometra filamento delgado o pirometra holln. Ambas tcnicas implican pequeos slidos en contacto con los gases calientes.