Pirómetro
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Pirómetro. Es un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos.
Sumario
Definición
Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius.
El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.
Inventor
Es difícil establecer el inventor del pirómetro. Pieter van Musschenbroek y Josiah Wedgwood encontraron algo al respecto, que en su tiempo era llamado pirómetro. De todas formas ese aparato no tiene punto de comparación con los pirómetros actuales.
Principios básicos
Cualquier objeto con una temperatura superior a los 0 Kelvin emite radiación térmica. Esta radiación será captada y evaluada por el pirómetro. Cuando el objeto de medida tiene una temperatura inferior al pirómetro, es negativo el flujo de radiación. De todas formas se puede medir la temperatura.
Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorción-emisión, que se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir de la medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda.
Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala según el ajuste del color del filamento.
Pirómetros de radiación
Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 °C mientras que los pirómetros ópticos se fundan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas.
Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C). Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir W= s T4, donde W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área, s es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4) y T es la temperatura en Kelvin.
Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto cerrado que está a la temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo, por radiación está dada por: U = s A (T4 - To4) La ley de Stefan fue establecida primeramente en forma experimental por Stefan en 1879; Boltzman proporcionó su demostración termodinámica en 1884.
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.
Estructura de los pirómetros de radiación
Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una 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. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador.
El espejo cóncavo 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 aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.
- Las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.
Usos
El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos siguientes:
- Donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera 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 termoeléctricos formados por metales comunes
- Donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente
- Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.
Pirómetros ópticos
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.
La longitud de onda correspondiente al máximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro. En la medición de temperaturas con estos pirómetros hacemos 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.
Si la fuente es un radiador perfecto, un llamado cuerpo negro, existe una relación 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 distribución de la radiación térmica de Wien: JlT = C1l-5 exp [C2/ l T] La modificación de Planck de esta ley JlT = C1 l-5 exp [(C2/ l T) - 1] es exacta.
En estas expresiones C1 y C2 son constantes físicas que pueden ser determinadas experimentalmente por varios métodos. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800 °C y es matemáticamente de manejo más cómodo que la ley de Planck.
Estructura de los pirómetros ópticos
El pirómetro óptico empleado en la determinación de altas temperaturas tales como las temperaturas de fusión del platino, del molibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento cuya imagen desaparece.
Pirómetros fotoeléctricos
Junto a los pirómetros visuales clásicos, que trabajan en general con l = 0.65 mm, se construyen actualmente pirómetros fotoeléctricos que funcionan en el infrarrojo próximo y cuya precisión es muy superior (0.01 K a 1000 K y 0.1 K a 3000 K).
