Medición Por Radiación Infrarroja

AADECA 2007
Medición de Temperatura
Medición por Radiación
Capitulo I
Ing. Eduardo N. Alvarez
Radiación
Isaac Newton 1666 descomposición de la luz
William Herschel energía relativa de las
distintas longitudes de onda y mas allá del
visible.
Plank , Stefan, Boltzmann, Wien, Kirchhoff ya
en el siglo pasado terminaron de caracterizar el
espectro electromagnético y dieron las leyes que
permiten justificar los métodos de medición que
explicaremos.
Pirómetros de Radiación y Ópticos
Aplicación a Mediciones
Sin contacto, incluyendo a cierta distancia.
de temperaturas
otros sensores.
mas altas que las de los
en condiciones ambientales no soportables
por otros métodos (pues se puede medir a
distancia).
en localizaciones inaccesible
Pirómetros de Radiación y Ópticos
Aplicación a Mediciones
de objetos en movimiento ya que no se
necesita el contacto.
de objetos a los que no se les puede aplicar un
elemento primario de otro tipo.
temperaturas medias de areas abarcadas por
el campo del pirómetro.
Radiación
Kirchhoff
Cuando un cuerpo está en
equilibrio térmico la cantidad
de energía que absorbe es igual
a la que emite.
Conservación de la energía
En el equilibrio la energía que
absorbe es igual a la que
entrega
La suma de los coeficientes de
transmisión, reflexión, y
absorción da la unidad.
El coeficiente de absorción es
igual al de emisión.
1
+
+
=
t λ r λ aλ
Cuerpo Opaco
El cuerpo opaco no transmite nada pues la
radiación no lo atraviesa. Un vidrio común es
opaco al infrarrojo.
El coeficiente de emisión es igual al de
absorción.
Si el cuerpo es opaco y teniendo en cuenta
esto último se debe cumplir
1− rλ =
e
λ
Cuerpo Negro
Cuerpo negro es un cuerpo ideal que absorbe
toda la energía radiante que le llega.
No refleja
nada de la energía que le llega.
No transmite
nada de la energía que le llega
Emite energía y en el equilibrio será igual a la que
le llega.
Ley de Stefan – Boltzmann
Relaciona la energía emitida por un cuerpo y su
temperatura.
W = H.
4
V.T
W : energía emitida
H: constante de emisividad del cuerpo.
V: constante de Stefan
V = 0,567x10-7 Joule/m2 ºK seg.
Emisividad
La emisividad es un coeficiente dado por la
relación entre la energía emitida por un
cuerpo gris y la emitida por el cuerpo negro a
la misma Temperatura.
H O = WOCG / WOCN
HO : Emisividad
WOCG : Dens. Pot. Cuerpo Gris a O
Densidad de
dotencia
espectral.
Cuerpo
negro
Densidad de
dotencia
espectral.
Cuerpo
negro
Ley de desplazamiento deWein
La longitud de onda correspondiente al
máximo de la densidad de potencia emitida
por la temperatura del cuerpo da una
constante.
Omáx . T = 2,898
3
.10 P.ºK
Ecuación de Planck
WO = H O .8.S.c.h.O-5. (ech/ OkT-1)-1
WO :energía emitida a la long de onda O
HO : emisividad de la superficie a O
c : velocidad de la luz en el vacío.
O : longitud de onda
h : cte de Planck 6,6252.10-34 J.seg
k : cte Boltzmann 1,3804. 10-23 J/ºK
Cuerpo Gris
Un cuerpo gris es aquel que tiene una
misma emisividad para toda longitud de
onda respecto del cuerpo negro.
Un cuerpo no gris tiene variaciones de la
emisividad con la longitud de onda.
Ejemplo el aluminio
Mediciones en el Infrarrojo
1. En los objetos cuya superficie refleja parte de
la energía, la medición no solo detectará la
energía emitida por los mismos, sino que
también captará la reflejada.
2. Las mediciones se realizan dentro de la banda
que va de 0,7 a 20 P, mayores no pues el
nivel de energía emitida por los cuerpos
es muy baja.
Aspectos de las Mediciones.
Lentes de vidrio entre 0,7 y 3,8 P
Germanio entre 0,5 hasta 5 P
Es muy importante el Campo de Visión (FOV).
Un círculo de 1” a una distancia de 15”
El área que se abarca en definitiva depende de
la distancia del objeto. (Ángulo Sólido).
La óptica debe cubrir la zona cuya temperatura
se desea obtener , no debe haber zonas de otros
objetos
Materiales de Sensores
Sulfuro de Plomo
Germanio
Silicio
Antimoniuro de Indio
Termopilas
Los sensores menos sensibles son las
Termopilas
Refrigeración de Sensores
Los sensores mas sensibles trabajan a baja
temperatura y deben ser refrigerados
para mantener su temperatura y por ende
la estabilidad de su salida.
Respuesta promedio 300 mseg.
Con silicio se puede llegar a 10mseg.
Emisividad
No hay problema con muchas
superficies eligiendo medir entre 0,7 y
3,8 micrones.
Hay tablas de emisividades. Los
materiales no metálicos tiene
alrededor de 0,9.
Emisividad
Oro , Plata , Aluminio
Las superficies metálicas pulidas son las más
difíciles de medir con pirómetros IR, y pueden
tener emisividades tan chicas como 0,2 a 0,4.
Los medidores de longitud de onda
tratan de compensar el problema de la
incertidumbre en la emisividad.
dual
Medición de doble long. Onda
La expresión de Planck para dos longitudes de
onda. Si se puede despreciar el (-1) y las
emisividades a ambas longitudes de onda son
iguales se despeja la temperatura tomando
logaritmos.
ch
−5 
ε λ1 • 8 • π • c • λ1 •  −1+ e λ1kT
−1


W


λ
=
R=
ch
Wλ


ε λ • 8 • π • c • λ •  −1+ e λ 2kT 


1
−1
−5
2
2
2
Que es cada cosa?
WO :energía emitida a la long de onda O
HO : emisividad de la superficie a O
c : velocidad de la luz en el vacío.
O : longitud de onda
h : cte de Planck 6,6252.10-34 J.seg
k : cte Boltzmann 1,3804. 10-23 J/ºK
Despejando la Anterior queda:
Las potencias a cada long. De onda se miden.
Las long de ondas son prefijadas , se han
simplificado las emisividades.
NO VALE PARA EL ALUMINO (NO GRIS)
 1

1


•
−
T=
5
  λ 1 λ 2 

W


λ
λ
1
1


•
k • Ln



W
λ
λ
2 

2

ch
Radiación
A la derecha pirómetro de radiación con
instalación de refrigeración.
Pirómetro
Portátil
Pirómetro Portátil
- Punto láser extra claro
- Fácil manejo
- Alta precisión
- Sólida carcasa
- Alta resolución óptica
- Relación 50:1
- Alto rango de
medición hasta + 1000 °C
Pirómetro Portátil
- Pantalla con iluminación de
fondo
- Data Hold para memoria rápida
de los
valores de medición
- Fija el valor mínimo, máximo,
medio y
diferencial de una serie de
medición
- Mantiene el valor límite de
alarma ("superior"
e "inferior" / "high" y "low")
- Posibilidad de calibración ISO
opcional
Pirómetro para Fijar
Portátil
foto tomada
de la web
Precisión
± 1,5 % de la lectura
o ± 2 °C (el valor peor es
el válido)
Pirometro Óptico
Espejo parabólico , sistema de enfoque.
Óptico de variación de intensidad de filamento
El ojo ve simultáneamente en foco el horno y el
filamento se varía la corriente hasta que
coinciden
Óptico de variación de intensidad de filamento
El ojo ve simultáneamente en foco el horno y el
filamento se varía la corriente hasta que
coinciden
Pirómetro de radiación
Una posible ubicación del detector y a su vez la posibilidad
de ver el campo, el campo debe ser abarcado totalmente
por el objeto a medir
Swich
La optica puede ser un lente de fresnel, hay un
filtro para las longitudes de onda deseadas , un
detector , amplificador y la elaboración de la
salida
Lentes de Fresnel y Detectores
Ejemplos tomados de la web
Sensores
fotoconductivos
Sensores Fotovoltaicos
Los rasgos innovadores sensores datos comerciales
Ejemplo tomado de la web
•Detectores piroelectricos de Litio Tantalio que
utilizan el método de la radiación cortada
•Motor de corte Propio con 9 años MTBF (mean
time before failure)
•Filtros de interferencia Dieléctrica para 20
bandas espectrales diferentes
•Lentes de germanio con cubiertas cristalinas
duras para la alta definición del blanco
•Lentes de ZnSe o CaF2 para la visión a través
de los lentes
•Lentes intercambiables y 3 tamaños
diferentes del detector
Bibliografia 01
Referencia Bibliográfica 1
Measurement Systems Application and Design
Ernest O. Doebelin
Department of Mechanical Engineering The Ohio State University
Mc Graw Hill Isbn 0-07- 017336-2
Referencia Bibliográfica 2
Instrumentación Industrial
5ª Edición
Dr. Ing. Industrial Antonio Creus Solé
Marcombo Boixareu Editores
Isbn 84-267- 0911-7
Barcelona
Referencia Bibliográfica 3
Instrumentación de Procesos Industriales
Héctor P. Polenta
Tomo II
Bibliografia 02
Referencia Bibliográfica 04
Elementos Primarios de Medición : Sensores
Ing. Héctor O. Acosta
División Mantenimiento de Sistemas de Control
Serie Técnico Informativa Nº 90 Julio 1978
Sociedad Mixta Siderurgia Argentina
Planta General Savio
Departamento de Personal.
Serie Técnico- Informativa Nº 90
Julio 1978
Referencia Bibliográfica 05
¿Cómo seleccionar sensores de temperatura?
Telemeter
Ing. Rolando A. Navesnik
Bibliografia 03
Referencia Bibliográfica 06
Mediciones Industriales Temperatura
Ing. Zoltan Barkatz
Curso Aadeca 2001
Referencia Bibliográfica 07
Industrial Temperature Measurement
Thomas W. Kerlin & Robert L. Shepard
Apuntes Página web fiuba ingeniería Química.
Link que recomiendo.