DESARROLLO Y CARACTERIZACIÓN DE UN CUERPO NEGRO PARA CALIBRACION DE TERMOMETROS DE RADIACIÒN E. Escotoa, V. Martínezb a División de Temperatura. Centro De Ingeniería Y Desarrollo Industrial, Querétaro, Qro. eescoto@cidesi.mx b División de Termometría. Centro Nacional de Metrología. El Marqués, Qro. México vmartine@cenam.mx RESUMEN Con el aumento de la exactitud en la medición de temperatura con termómetros de radiación (pirómetros) se hace necesario el desarrollo de un cuerpo negro de alta emisividad para la calibración de este tipo de termómetros. En este trabajo se muestra el desarrollo de un cuerpo negro diseñado para cumplir con los requisitos del servicio de calibración de termómetros que proporciona el CIDESI. Se presentan los criterios que se utilizan para seleccionar la geometría y dimensiones de la cavidad, los materiales y el proceso de fabricación del cuerpo negro. Se analiza el intercambio de calor para conocer la potencia mínima necesaria para los calefactores. Para mantener uniforme la temperatura se propone el uso de un tubo de calor de alta temperatura. Finalmente, se presenta el trabajo a futuro necesario para optimizar el diseño y caracterizar el cuerpo negro. 1. INTRODUCCIÓN Es un hecho conocido que todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas, o radiación que depende de su temperatura. Durante la dispersión de la radiación se transporta energía, lo que significa que se puede utilizar la radiación para medir sin contacto la temperatura de un cuerpo. La energía radiada y sus longitudes de onda características dependen principalmente de la temperatura del cuerpo radiante. A diferencia de otras formas de la termometría (tal como líquido en vidrio, termopares, termometría de resistencia) la termometría de radiación es una técnica sin contacto lo que implica que no influye en la temperatura del objeto a medir por lo que pueden realizarse mediciones en superficies sensibles y productos estériles, además permite registrar la temperatura en forma simple incluso en procesos rápidos y dinámicos así como mediciones en productos peligrosos o en puntos de difícil acceso. La termometría de radiación se basa en la descripción de la mecánica cuántica del espectro de la radiación emitido por un cuerpo negro, fenómeno descubierto en 1900 por el físico alemán Max Planck y conocido como ley de la radiación de Planck. Un termómetro de la radiación mide la radiación de un objeto y utiliza la ley de Planck para relacionar la señal detectada con la temperatura termodinámica equivalente de un cuerpo negro. Las mediciones exactas de la termometría de radiación requieren de un buen conocimiento del objeto (blanco) a ser medido y del ambiente circundante. En general, los objetos reales no son cuerpos negros y por lo tanto emiten menos radiación que un cuerpo negro cuando están a la misma temperatura, su capacidad para emitir radiación se caracteriza por una cantidad llamada emisividad. Así, la emisividad de un cuerpo negro ideal corresponde a 1 y la de un reflector perfecto a 0. La emisividad de objetos reales se encuentra entre estos dos extremos. Sin embargo, la emisividad de las superficies generalmente no es bien conocida, y varía para un material dado según la rugosidad superficial, el grado de oxidación, etc. Además no existen datos para todos los tipos de materiales y para diferentes acabados superficiales o geometrías y para todas las longitudes de onda. Por lo anterior, la calibración de un termómetro de radiación requiere del uso de una fuente de referencia con emisividad conocida y estable y de un patrón de temperatura calibrado. Este patrón puede ser un termómetro de contacto calibrado que mida la temperatura de la cavidad ó un termómetro de radiación calibrado [1, 2]. Una buena fuente de referencia es un cuerpo negro con una cavidad con emisividad independiente de su superficie y con temperatura uniforme. En la actualidad existen varios sistemas comerciales de cuerpos negros para calibrar pirómetros, sin embargo algunas veces no cumplen con los requerimientos de emisividad de un cuerpo negro para todas las longitudes de onda o su exactitud está limitada al sensor y lector de temperatura inter-construído. Entonces es cuando el diseño y la construcción de un cuerpo negro empiezan a tener importancia si lo que se quiere es lograr una mayor exactitud en las calibraciones de los pirómetros. 2. CUERPO NEGRO Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que incide en él y no refleja ninguna; posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Se utilizan como mejor referencia para determinar cuantitativamente la energía irradiada por un objeto caliente. Se puede obtener un cuerpo negro con un material no negro sólo si se logra que la radiación encerrada dentro de una cavidad alcance el equilibrio con los átomos de las paredes y que la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo sea igual a la que absorben. Y da como resultado que la radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con las paredes y la densidad de energía del campo electromagnético es constante. Figura 1. Cavidad de cuerpo negro en que se observa la múltiple reflexión y extinción de una onda electromagnética La calibración de termómetros de radiación se puede hacer de cualquiera de las dos formas: usando una lámpara patrón calibrada o por medio de un cuerpo negro. Sin embargo, dadas las características de los termómetros de radiación industriales para los que se solicita el servicio de calibración, es preferible usar un cuerpo negro. Para cumplir con las necesidades de calibración de los clientes, se tomó una muestra de pirómetros típicos que tiene demanda de calibración. Todo lo anterior para especificar el cuerpo negro de acuerdo a su uso. En la tabla 1 se muestran las especificaciones de una muestra de pirómetros con demanda de calibración. Tabla 1. Intervalo de operación, ancho de banda y resolución óptica Pirómetro Marca RAYTEK (-30 °C a 900 °C ) Marca OMEGA (-18 °C a 538 °C ) Marca 3M (-18 °C a 870 °C ) Longitud de onda o banda espectral 8 a 14 m 8 a 14 m 8 a 14 m 2 Tamaño de blanco y distancia al blanco ( resolución óptica ( D:S) ) 60:1 10:1 8:1 En la tabla 1 se muestra que aunque los pirómetros tienen un intervalo de operación de temperaturas bajo cero, la mayor parte de ellos se utilizan para medición altas temperaturas en un intervalo de trabajo que va de 400 a 1000 °C. 3. CÁLCULOS PARA LA EMISIVIDAD A PARTIR DE LA GEOMETRÍA DEL CUERPO NEGRO. Con referencia al método de Gouffé y De Vos se obtiene una estimación de la emisividad basada en la geometría de la cavidad cilíndrica [3]. 0 ` s s 1 S S (1) emisividad del material que forma la superficie de cuerpo negro s= área de la apertura S= área de la superficie interior Figura 2. La figura de la derecha es una gráfica para calcular la emisividad de la cavidad de las formas geométricas mostradas en la parte inferior de la misma según Gouffé y De Vos (tomada de la referencia [3]). La gráfica a la izquierda se muestra un esquema del cuerpo negro dentro de un tubo de calor de alta temperatura y rodeado de aislante térmico. Tabla 2. Valores usados para el cálculo de la emisividad de una cavidad cilíndrica. Material De la cavidad Emisividad de material Longitud (mm) Ancho (mm) S Área interior Diámetro Apertura (mm) s área apertura longitud / diámetro apertura Grafito 0,9 436 60 85011,5 40 1256,6 21,8 `0 Emisividad en la cavidad 0,9978 El artefacto adecuado para ayudar a lograr una temperatura uniforme en la cavidad de cuerpo negro es un tubo de calor que se calienta por medio de calefactores con potencia requerida mencionada en la sección 4.. Ver tabla 3 para las características de este tubo de calor. 3 Tabla 3. Características físicas del tubo de calor tubo de calor Características y Dimensiones Sodio Inconel 600 500 to 1100 °C 102mm 141mm 457mm Fluido de trabajo – Material de construcción: Alcance de Operación: Diámetro interior: Diámetro exterior: Longitud: 4. EVALUACIÓN DE LA POTENCIA REQUERIDA. A partir de analogías de la transferencia de calor con circuitos eléctricos se realizaron estimaciones de transferencia de calor del sistema compuesto por el ensamble del cuerpo negro, el tubo de calor, los calefactores y el aislamiento térmico con los alrededores. La estimación de la transferencia de calor nos proporcionó valores de la potencia mínima requerida que se tiene que suministrar a los calefactores, así como las temperaturas que se alcanzan en los diferentes componentes. Esta analogía nos permite hacer equivalentes la resistencia térmica con la resistencia eléctrica, la diferencia de temperatura en dos puntos con la diferencia de potencial, y el flujo de calor con la intensidad de corriente. Las resistencias térmicas se conocen a partir de la conductividad térmica del material, el área perpendicular al flujo de calor y el coeficiente de película de convección natural. Este último se obtuvo de aproximaciones reportadas en referencia [4]. En la tabla 2 se muestra la potencia requerida para tres diferentes temperaturas de operación, el porcentaje de la potencia que se pierde por radiación a través del extremo abierto del horno que se usa para medir, y la temperatura que necesita tener el calefactor para lograr la temperatura del cuerpo negro dada. Tabla 4. Potencia requerida y temperatura del calefactor para lograr temperatura del cuerpo negro deseada. Temperatura cuerpo negro (°C) 500 750 1000 Potencia requerida (W) 329 762 1560 Porcentaje de la Temperatura del potencia disipada por calefactor radiación (%) (°C) 49 502 65 756 77 1016 Los valores mostrados en la tabla 2 se obtuvieron para condiciones de estado estacionario. La fuente de potencia y el control de temperatura se diseñan para manejar un porcentaje mayor de potencia que el requerido. 5. INCERTIDUMBRE El grupo de trabajo de termometría de radiación de Comité Consultivo de Temperatura del BIPM (CCTWG5) emitió un documento en el que se establecen los presupuestos de incertidumbre que se tienen que considerar en la termometría de radiación [5]. El conocer de antemano las principales fuentes de incertidumbre ayuda a mantener un control para minimizarlas, en lo posible, en el proceso de diseño. Las incertidumbres de un cuerpo negro son emisividad de la pared del cuerpo negro, caída de temperatura por pérdida de flujo radiante, factores geométricos e imperfecciones en el maquinado. En la tabla 3 se dan los valores típicos de incertidumbres. 4 Tabla 5 Valores típicos de incertidumbre considerados en la ref [5] Fuente de incertidumbre Emisividad de la pared del cuerpo negro (grafito) Caída de temperatura por pérdida de flujo radiante Factores geométricos (largo , diámetro cavidad, etc) Valores típicos incertidumbre 0,025 5 mK Observaciones Considerando especularidad por maquinado Teniendo un valor estimado de 10 mK de falta de uniformidad en temperatura Desde 0,25 a 1 mm 6. CONCLUSIONES Como el diseño y la construcción del cuerpo negro tienen mucha más importancia cuando lo que se quiere es lograr una mayor exactitud y reducir incertidumbres reportadas en las calibraciones de los termómetros. Este diseño se basó en los requisitos de servicio de calibración de termómetros que proporciona el CIDESI como las resoluciones ópticas (D:S), la temperatura a medir más alta de 1000°C y la exactitud para la gran variedad de termómetros industriales. También el conocer de antemano las principales fuentes de incertidumbre [5] ayudó a enfocarnos en el diseño y en el proceso de fabricación del cuerpo negro principalmente para minimizar y controlarlas en lo posible. 7. TRABAJO FUTURO Hasta ahora se tiene el diseño de un cuerpo negro basado en cálculos que suponen que las superficies de radiación del cuerpo negro son difusas. En años recientes, se ha propuesto considerar las superficies de los cuerpos negros como una combinación de superficies difusa-especular [6, 7]. Esta última aproximación permite considerar adicionalmente las reflexiones especulares que ocurren dentro de la cavidad. Se estudiará el uso de estos resultados o la realización de un algoritmo para optimizar la geometría que ya se tiene para lograr resultados más exactos. Aunque se utiliza un, el intercambio de calor por radiación con el medio que rodea al cuerpo negro produce un gradiente de temperatura dentro de la cavidad. Por lo anterior se considera realizar un estudio de estos gradientes por medio de métodos numéricos. REFERENCIAS 1 "Suplementary Information for the International Temperature Scale of 1990." BIPM, 2 Nicholas,J. V., White,D. R “Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurement and Calibration”; John Wiley and Sons: 2002; 3 La Rocca, A. J. In The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook; David L. Shumaker, Joseph S. Accetta, Ed.; SPIE-International Society for Optical Engine: 1999; Vol. 1, 4 Holman, J. P. "Transferencia de calor." Mexico: McGraw-Hill, 1989. 5 Fischer, J., Battuello, M., Sadli, M., Ballico, M., Park, S. M., Saunders, P., Zundong, Y., Johnson, B. C., van der Ham, E., Li, W., Sakuma, F., Graham, M., Fox, N., Ugur, S., Matveyev, M. "Uncertainty budgets for realisation of scales by radiation thermometry." CCT-WG5, 2003. 6 Prokhorov, A. V., Hanssen, L.M. (2004). “Effective emissivity of a cylindrical cavity with an inclined bottom: I. Isothermal cavity”. Metrologia, 41, 421-431. 7 Sapritsky, V. I., Khromchenko, V.B., Mekhntsev, S.N., Samoilov, M. L., Prokhorov, A.V., Ogarev, S. A. "Medium Background Blackbody BB1000." 2000 Conference on Characterization and Radiometric Calibration for Remote Sensing 2000. 5