Pirómetros Infrarrojos y su Importancia en la Industria de Tratamiento Térmico L. Oviedo Global Thermal Solutions January 2015 Abstracto Los pirómetros Infrarrojos son usados en diversos procesos en la industria automotriz. Sus aplicaciones varían dependiendo de rangos de temperatura, distancia del objetivo y el ambiente donde se realice el proceso a medir. Deben elegirse acorde a su aplicación, ser sometidos a mantenimiento y calibrarse acorde a las especificaciones. Sus características y aplicaciones se muestran en este artículo al igual que los requerimientos de CQI-9 Rev 3. Palabras Clave: pirómetro, infrarrojo, tratamiento térmico, CQI-9, forja, inducción, temperatura 1.- Introducción Existen termómetros infrarrojos para diferentes tipos de soluciones a nivel industria. En general, fijas y portátiles para realizar mediciones puntuales o por área, esto dependerá del tipo de aplicación y la información que se requiera obtener del proceso al que se aplique. El pirómetro infrarrojo tiene la capacidad de medir temperatura sin necesidad de tener un contacto físico con el objeto que medirá. Esta habilidad se basa en el hecho de que todos los objetos emiten radiación y la intensidad de ésta es una función de su temperatura. Un termómetro infrarrojo mide la intensidad de la radiación y de éste modo mide la temperatura del objeto. 2- Conceptos Infrarroja de Teoría La diferencia entre la radiación infrarroja y la radiación visible es su longitud de onda. La infrarroja tiene una longitud de onda mayor como muestra la imagen 1, y todos los objetos arriba del cero absoluto (0ºK) emiten este tipo de radiación. Todo puede considerarse que está compuesto de paquetes elementales de energía llamados fotones. La energía de un fotón es Un pirómetro infrarrojo es usado cuando el objetivo a medir esta en movimiento, en lugares de difícil acceso o donde se requiere éste tipo de medición debido a contaminantes o razones de peligro. También donde las distancias son muy grandes o las temperaturas muy altas para termopares u otros sensores de contacto. 1 Básicos inversamente proporcional a su longitud de onda. • cambiará sin importar los factores externos. Cuerpo no gris: Es un cuerpo que tiene cambios de emisividad con la longitud de onda en la que esté, la mayoría de los objetos entran en esta categoría. Imagen 1 La intensidad de la radiación (W*m2) emitida desde un objeto es determinada por la ecuación de Stefan-Boltzmann. La radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta de la fuente y a su emisividad como muestra la imagen 2. Imagen 3 La emisividad se define como la cantidad de energía irradiada por un objeto a determinada temperatura en relación a la energía emitida por un cuerpo negro perfecto. Todos los valores de emisividad caen entre el rango de 0.0 a 1.0. Imagen 2 Relacionado con la emisividad, se encuentra la reflectividad (R), la habilidad que tiene un objeto para reflejar energía infrarroja y la Transmisividad (T), la habilidad que tiene un objeto para que la energía infrarroja pase a través de él. Toda la energía de radiación debe ser emitida (E) debido a la temperatura del cuerpo, ya sea transimitida o reflejada como muestra la imagen 4. En la teoría de la radiación infrarroja, se manejan términos base para clasificar los tipos de objetos que existen y sus características de emisividad. Su comportamiento se muestra en la imagen 3. Existe la siguiente clasificación: • • Cuerpo negro: Es un cuerpo teórico cuya emisividad siempre es igual a 1. Cuerpo gris: Es un cuerpo cuyo factor de emisividad se mantiene constante, es decir, nunca La energía total es: E + T + R= 1.0 2 • Imagen 4 3.- El Pirómetro Infrarrojo y sus Componentes Un pirómetro infrarrojo se compone de su detector de radiación, un sistema óptico y un indicador o un sistema donde se observe la señal obtenida como muestra la imagen 5. y la energía disipada provoca que su temperatura cambie a una propiedad física medible. Dependiendo de su incremento de temperatura, en general tiene una respuesta lenta. Detector Cuántico: Éste detector percibe la radiación de una forma distinta consistiendo de un cristal semi conductor. El fotón que incide interactúa con un electrón ligado dentro de la red cristalina, si su energía es lo suficientemente grande, ésta se transfiere al electrón para liberarlo de su estado estacionario y permitirle movimiento a través del cristal. Durante éste tiempo, el electrón puede producir una señal de voltaje en el detector. El tiempo de respuesta es mucho mayor que el detector térmico. Sistema Óptico La óptica de un termómetro infrarrojo es sumamente importante ya que captura la energía infrarroja emitida y la concentra sobre el detector. El material usado para los lentes del sistema óptico estará restringido a la región donde este mantenga buenas propiedades de transmisión. El material se escogerá de acuerdo al tipo de longitud de onda que se utilice y estará de acuerdo al rango de temperatura en el que medirá el pirómetro. Imagen 5 Detector de Radiación Un detector tiene el propósito de convertir el flujo de fotones incidentes en una señal eléctrica. Existen dos tipos principales de detectores, el térmico y el cuántico. • Detector Térmico: Éste tipo de detector absorbe el flujo incidente 3 Los materiales más comunes y sus aplicaciones se muestran en la tabla 1 a continuación. Material AMTIR y Sulfuro de Zinc Fluoruro de Calcio Vidrio y Cuarzo Zafiro requisitos resultará en lecturas erróneas y poco confiables. Aplicación Bajas Temperaturas 5 y 7.9µm Altas Temperaturas Entornos Caústicos Tabla 1 Imagen 6 Respuesta Espectral La respuesta spectral es el ancho del espectro infrarrojo que cubrirá nuestro instrumento. Los pirómetros de uso general (Temperaturas debajo de 500°C) usan un filtro de banda ancha entre 8 y 14 micrones. Algunas unidades usan filtros más anchos entre 8 y 20 micrones, pero todo esto depende en la aplicación para la que serán usados al igual que el rango de temperatura del proceso. Para propósitos especiales, se pueden elegir bandas muy angostas, todo depende del objeto a medir. 4.- Aplicaciones Automotriz la Industria En la industria automotriz se pueden tener diferentes tipos de aplicaciones con pirómetros infrarrojos. Estas pueden variar en rangos de temperatura o el tipo de medición que se requiera (puntual, lineal o por área) y el equipo deberá diseñarse acorde a las necesidades del proceso. Es vital conocer los requerimientos del proceso que se tiene o en que se planea utilizar un termómetro infrarrojo para medición. Algunos de los puntos cruciales a conocer son: la temperatura de operación, el tamaño del objetivo, la distancia de medición, el material del objeto a medir, el tipo de ambiente y si existe algún tipo de obstrucción entre el objeto a medir y donde se colocará el instrumento. En la tabla 2 se muestra en general el tipo de aplicación, los rangos de temperatura y el tipo de respuesta espectral a la que corresponden. Para asegurar una lectura correcta con el termómetro infrarrojo, es importante que el objeto a medir y el área de medición del sensor concuerden como muestra la imagen 6. La distancia y el ángulo de colocación del pirómetro también tienen una gran importancia, y esta se deberá verificar según el equipo que se tenga, ya que deberá cumplir con ciertos requerimientos específicos para su operación. No cumplir con estos 4 en Respuesta Espectral 0.85 – 1.1µm Rango de Temperatura 450 – 3000°C 1.64µm 250 – 2000°C 2 – 2.6µm 50 – 800°C 3.4µm 0 – 800°C 3.9 – 4.0µm 250 – 1300°C 4.8 – 5.2µm 50 – 2250°C Aplicaciones Acero, Hierro, Forja, Semiconductor es, Hornos Rotatorios, Calentamiento Metales no ferrosos Procesamiento de metales y acero con baja temperatura Plásticos delgados (Film), pinturas, aceites, ceras Paredes de los hornos, temperaturas de crisoles Temperatura del vidrio Imágen 7 5.- Requerimientos CQI-9 Rev. 3 CQI-9 hace referencia al uso de pirómetros infrarrojos como se muestra en los siguientes puntos: • Tabla 2 Específicamente los pirómetros infrarrojos tienen gran capacidad de medición en las siguientes aplicaciones: • Engranes: Forja, calentamiento por inducción, baño de sales, horno de vacío. Flechas y ejes: Calentamiento inducción, escáner inductivo. por Árbol de levas: Forja, tratamiento térmico por flama, calentamiento por inducción. 6.- Calibración y Mantenimiento de Pirómetros Infrarrojos Bujías: Fusión con cerámica. Pistones: Tratamiento térmico. Es fundamental que estos instrumentos siempre se mantengan en condiciones apropiadas según lo especifique el proveedor del equipo. Es de suma Muelles: Calentamiento por inducción, formado o doblado de muelle, forja. 5 3.12 En los hornos continuos deberá existir un termómetro infrarrojo al final del proceso para medir y detectar cualquier material que esté debajo del límite inferior permitido por el proceso. En la tabla de procesos D, sección D2.1 indica que todos los pirómetros infrarrojos deberán calibrarse anualmente y usando un método apropiado de calibración o uno aprobado por el procedimiento del proveedor. 7.- Bibliografía importancia darles mantenimiento y calibrarlos una vez al año como es el requerimiento de CQI-9 rev 3. IRCON. “Introduction to Infrared Thermometry”, TS-104 rev B. 2004. Se deben cuidar sobretodo la óptica del equipo, ya que es crucial para detectar correctamente la radiación infrarroja. Para éste propósito se recomienda cubrir con mirillas especiales y evitar tener contacto directo con el sistema óptico. AIAG. “CQI-9 Special Process:Heat System Assessment”. Version 3. 2011. Treat J.G. Webster. “Mechanical Variables Measurement: Solid, Fluid and Thermal”, CRC Press LLC, 2000. Pg. 13-87 to 13-109. P.R.N. Childs. “Practical Temperature Measurement”, Butterworth-Heinemann, 2001. Pg. 238-261. Para la calibración de un termómetro infrarrojo se debe usar un cuerpo negro o un sensor de transferencia certificado ante NIST o cualquier otro estándar nacional dentro de los rangos de temperatura para la aplicación de los pirómetros a calibrar. B.G. Liptak. “Temperature Measurement”, Chilton Book Company, 1993. Pg. 11, 59-71. Imágenes cortesía de IRCON/RAYTEK B Measurement”, Chilton Book Company, 1993. Pg. 11, 59-71. Imágen 8 ASTM. “Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement”. Fourth Edition. MNL-12. Philadelphia. 1993. R.P. Benedict. “Fundamentals of Temperature rd Pressure and Flow Measurements”. 3 Edition. John Wiley & Sons Inc. 1984 6