Un pirómetro , o termómetro de radiación , es un tipo de termómetro de detección remota que se utiliza para medir la temperatura de objetos distantes. Históricamente han existido varias formas de pirómetros. En el uso moderno, es un dispositivo que a distancia determina la temperatura de una superficie a partir de la cantidad de radiación térmica que emite, proceso conocido como pirometría , un tipo de radiometría .
La palabra pirómetro proviene de la palabra griega para fuego, "πῦρ" ( pyr ), y metro , que significa medir. La palabra pirómetro fue acuñada originalmente para designar un dispositivo capaz de medir la temperatura de un objeto mediante su incandescencia , luz visible emitida por un cuerpo que está al menos al rojo vivo. [1] Los termómetros infrarrojos también pueden medir la temperatura de objetos más fríos, hasta la temperatura ambiente, detectando su flujo de radiación infrarroja. Los pirómetros modernos están disponibles para una amplia gama de longitudes de onda y generalmente se denominan termómetros de radiación . [2]
Se basa en el principio de que la intensidad de la luz recibida por el observador depende de la distancia del observador a la fuente y de la temperatura de la fuente distante. Un pirómetro moderno tiene un sistema óptico y un detector. El sistema óptico enfoca la radiación térmica hacia el detector. La señal de salida del detector (temperatura T ) está relacionada con la radiación térmica o irradiancia del objeto objetivo a través de la ley de Stefan-Boltzmann , la constante de proporcionalidad σ, llamada constante de Stefan-Boltzmann y la emisividad ε del objeto:
Esta salida se utiliza para inferir la temperatura del objeto a distancia, sin necesidad de que el pirómetro esté en contacto térmico con el objeto; la mayoría de los demás termómetros (por ejemplo, termopares y detectores de temperatura de resistencia (RTD)) se colocan en contacto térmico con el objeto y se les permite alcanzar el equilibrio térmico .
La pirometría de gases presenta dificultades. Estos problemas se solucionan más comúnmente mediante el uso de pirometría de filamento fino o pirometría de hollín . Ambas técnicas involucran pequeños sólidos en contacto con gases calientes. [ cita necesaria ]
El término "pirómetro" fue acuñado en la década de 1730 por Pieter van Musschenbroek , más conocido como el inventor de la jarra de Leyden . Su dispositivo, del que no se conocen ejemplares supervivientes, ahora puede denominarse dilatómetro porque medía la dilatación de una varilla de metal. [3]
El ejemplo más antiguo de pirómetro que se cree que existe es el pirómetro Hindley que se conserva en el Museo de Ciencias de Londres , que data de 1752 y fue producido para la colección Real. El pirómetro era un instrumento tan conocido que fue descrito con cierto detalle por el matemático Euler en 1760. [4]
Alrededor de 1782, el alfarero Josiah Wedgwood inventó un tipo diferente de pirómetro (o más bien un dispositivo pirométrico ) para medir la temperatura en sus hornos, [5] que primero comparó el color de la arcilla cocida a temperaturas conocidas, pero finalmente se actualizó para medir la contracción de piezas de arcilla, que dependían de la temperatura del horno (ver escala de Wedgwood para más detalles). [6] Ejemplos posteriores utilizaron la expansión de una barra de metal. [7]
En las décadas de 1860 y 1870, los hermanos William y Werner Siemens desarrollaron un termómetro de resistencia de platino , inicialmente para medir la temperatura en cables submarinos, pero luego se adaptó para medir temperaturas en metalurgia hasta 1000 °C, por lo que mereció el nombre de pirómetro.
El primer pirómetro de filamento desaparecido fue construido por L. Holborn y F. Kurlbaum en 1901. [8] Este dispositivo tenía un fino filamento eléctrico entre el ojo del observador y un objeto incandescente. La corriente a través del filamento se ajustó hasta que fuera del mismo color (y por tanto temperatura) que el objeto y ya no fuera visible; fue calibrado para permitir inferir la temperatura a partir de la corriente. [9]
La temperatura devuelta por el pirómetro de filamento fugaz y otros de su tipo, llamados pirómetros de brillo, depende de la emisividad del objeto. Con un mayor uso de pirómetros de brillo, se hizo evidente que existían problemas al confiar en el conocimiento del valor de la emisividad. Se descubrió que la emisividad cambia, a menudo drásticamente, con la rugosidad de la superficie, el volumen y la composición de la superficie, e incluso con la temperatura misma. [10]
Para sortear estas dificultades se desarrolló el pirómetro de proporción o bicolor . Se basan en el hecho de que la ley de Planck , que relaciona la temperatura con la intensidad de la radiación emitida en longitudes de onda individuales, se puede resolver para la temperatura si se divide la declaración de Planck sobre las intensidades en dos longitudes de onda diferentes. Esta solución supone que la emisividad es la misma en ambas longitudes de onda [9] y se cancela en la división. Esto se conoce como el supuesto del cuerpo gris . Los pirómetros de relación son esencialmente dos pirómetros de brillo en un solo instrumento. Los principios operativos de los pirómetros de relación se desarrollaron en las décadas de 1920 y 1930, y estuvieron disponibles comercialmente en 1939. [8]
A medida que el pirómetro de relación se volvió de uso popular, se determinó que muchos materiales, de los cuales los metales son un ejemplo, no tienen la misma emisividad en dos longitudes de onda. [11] Para estos materiales, la emisividad no se cancela y la medición de la temperatura es errónea. La cantidad de error depende de las emisividades y las longitudes de onda donde se toman las mediciones. [9] Los pirómetros de relación de dos colores no pueden medir si la emisividad de un material depende de la longitud de onda.
Para medir con mayor precisión la temperatura de objetos reales con emisividades desconocidas o cambiantes, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. ideó pirómetros de múltiples longitudes de onda y los describió en 1992. [8] Los pirómetros de múltiples longitudes de onda utilizan tres o más longitudes de onda y manipulación matemática de los resultados para Intente lograr una medición de temperatura precisa incluso cuando la emisividad sea desconocida, cambie o difiera según la longitud de onda de la medición. [9] [10] [11]
Los pirómetros son adecuados especialmente para medir objetos en movimiento o cualquier superficie que no se pueda alcanzar o tocar. Los pirómetros multiespectrales contemporáneos son adecuados para medir altas temperaturas dentro de las cámaras de combustión de motores de turbina de gas con alta precisión. [12]
La temperatura es un parámetro fundamental en las operaciones de hornos metalúrgicos . La medición confiable y continua de la temperatura del metal es esencial para un control efectivo de la operación. Se pueden maximizar las velocidades de fundición, se puede producir escoria a la temperatura óptima, se minimiza el consumo de combustible y también se puede alargar la vida útil del refractario. Los termopares eran los dispositivos tradicionales utilizados para este fin, pero no son adecuados para la medición continua porque se funden y se degradan.
Los hornos de baño de sal funcionan a temperaturas de hasta 1300 °C y se utilizan para tratamientos térmicos . A temperaturas de trabajo muy altas con intensa transferencia de calor entre la sal fundida y el acero que se está tratando, la precisión se mantiene midiendo la temperatura de la sal fundida. La mayoría de los errores son causados por la escoria en la superficie, que está más fría que el baño de sal. [13]
El pirómetro de tobera es un instrumento óptico para medir la temperatura a través de las toberas , que normalmente se utilizan para alimentar aire o reactivos al baño del horno.
Una caldera de vapor puede estar equipada con un pirómetro para medir la temperatura del vapor en el sobrecalentador .
Un globo aerostático está equipado con un pirómetro para medir la temperatura en la parte superior de la envoltura con el fin de evitar el sobrecalentamiento del tejido.
Se pueden instalar pirómetros en motores de turbina de gas experimentales para medir la temperatura de la superficie de las palas de la turbina. Estos pirómetros se pueden combinar con un tacómetro para vincular la salida del pirómetro con la posición de un álabe de turbina individual . La sincronización combinada con un codificador de posición radial permite a los ingenieros determinar la temperatura en puntos exactos de las palas que pasan por la sonda.
Históricamente el término "pirómetro" ha sido ampliamente utilizado. Actualmente se prefiere en general el término "termómetro de radiación".
draper, john william.
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