Pirómetro

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, un 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 denotar un dispositivo capaz de medir la temperatura de un objeto por 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 sobre 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:${\displaystyle j^{\estrella}}$

${\displaystyle j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}.}$

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, que suelen solucionarse mediante el uso de pirometría de filamento fino o pirometría de hollín . Ambas técnicas implican el contacto de sólidos pequeños con gases calientes. ^{[ cita requerida ]}

El término "pirómetro" fue acuñado en la década de 1730 por Pieter van Musschenbroek , más conocido como el inventor de la botella de Leyden . Su dispositivo, del que no se conocen ejemplares supervivientes, puede llamarse ahora 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 comparaba el color de la arcilla cocida a temperaturas conocidas, pero finalmente se actualizó para medir la contracción de piezas de arcilla, que dependía de la temperatura del horno (ver la escala de Wedgwood para más detalles). ^[6] Los 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 adaptado para medir temperaturas en metalurgia de hasta 1000 °C, por lo que mereció el nombre de pirómetro.

Alrededor de 1890, Henry Louis Le Chatelier desarrolló el pirómetro termoeléctrico . ^[8]

El primer pirómetro de filamento que desaparece fue construido por L. Holborn y F. Kurlbaum en 1901. ^[9] Este dispositivo tenía un filamento eléctrico delgado entre el ojo de un observador y un objeto incandescente. La corriente a través del filamento se ajustaba hasta que tuviera el mismo color (y por lo tanto la temperatura) que el objeto y ya no fuera visible; se calibraba para permitir que se pudiera inferir la temperatura a partir de la corriente. ^[10]

La temperatura que devuelven los pirómetros de filamento evanescente y otros de su tipo, llamados pirómetros de brillo, depende de la emisividad del objeto. Con el mayor uso de los pirómetros de brillo, se hizo evidente que existían problemas al confiar en el conocimiento del valor de la emisividad. Se descubrió que la emisividad cambiaba, a menudo drásticamente, con la rugosidad de la superficie, el volumen y la composición de la superficie e incluso con la temperatura misma. ^[11]

Para superar estas dificultades, se desarrolló el pirómetro de razón o de dos colores . 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 el enunciado de Planck de las intensidades en dos longitudes de onda diferentes. Esta solución supone que la emisividad es la misma en ambas longitudes de onda ^[10] y se cancela en la división. Esto se conoce como la suposición del cuerpo gris . Los pirómetros de razón son esencialmente dos pirómetros de brillo en un solo instrumento. Los principios operativos de los pirómetros de razón se desarrollaron en las décadas de 1920 y 1930, y estuvieron disponibles comercialmente en 1939. ^[9]

A medida que el pirómetro de relación se hizo popular, se determinó que muchos materiales, de los cuales los metales son un ejemplo, no tienen la misma emisividad en dos longitudes de onda. ^[12] Para estos materiales, la emisividad no se cancela y la medición de temperatura es errónea. La cantidad de error depende de las emisividades y las longitudes de onda donde se toman las mediciones. ^[10] 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 los EE. UU. concibió pirómetros de longitud de onda múltiple y los describió en 1992. ^[9] Los pirómetros de longitud de onda múltiple utilizan tres o más longitudes de onda y manipulación matemática de los resultados para intentar lograr una medición precisa de la temperatura incluso cuando la emisividad es desconocida, cambia o difiere según la longitud de onda de la medición. ^{[10] [11] [12]}

Los pirómetros son especialmente adecuados para la medición de objetos en movimiento o superficies que no se pueden alcanzar o tocar. Los pirómetros multiespectrales actuales son adecuados para medir altas temperaturas dentro de las cámaras de combustión de los motores de turbina de gas con gran precisión. ^[13]

La temperatura es un parámetro fundamental en las operaciones de los hornos metalúrgicos . La medición continua y fiable de la temperatura del metal es esencial para un control eficaz de la operación. Se pueden maximizar las tasas de fundición, se puede producir escoria a la temperatura óptima, se minimiza el consumo de combustible y también se puede alargar la vida 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 el tratamiento térmico . A temperaturas de trabajo muy altas con una 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 se deben a la escoria en la superficie, que es más fría que el baño de sal. ^[14]

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 para evitar el sobrecalentamiento de la tela.

Se pueden instalar pirómetros en motores de turbinas de gas experimentales para medir la temperatura de la superficie de los álabes de la turbina. Estos pirómetros se pueden combinar con un tacómetro para vincular la salida del pirómetro con la posición de un álabes de turbina individual . La sincronización combinada con un codificador de posición radial permite a los ingenieros determinar la temperatura en puntos exactos de los álabes que pasan por la sonda.

• Etrioscopio
• Tasímetro
• Termografía

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Pirómetros.

• La patente del pirómetro de tobera
• Pirómetros de infrarrojos y de radiación
• Patente de un pirómetro de longitud de onda múltiple
• Pirómetro óptico