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Medición de temperatura sin contacto por infrarrojo

Medición de temperatura sin contacto en superficies metálicas a través de infrarrojos

Medición de temperatura sin contacto en superficies metálicas a través de infrarrojos

Cumplir con las temperaturas dadas es un factor que define el proceso y la calidad durante casi todas las etapas de producción industrial. Los termómetros infrarrojos de medición sin contacto son bien conocidos para mediciones de temperatura. Esto también se aplica a la medición de metales. Un adecuado seguimiento y control de las temperaturas de proceso requiere una muy buena orientación por parte del productor o conocimientos básicos sobre las técnicas de medición por parte del cliente. Los parámetros importantes, como la emisividad y la reflexión, así como las causas resultantes de los errores de medición, se explicarán en el siguiente artículo. También se mostrará la influencia en la medición de metales y se presentará por qué es posible una medición confiable y reproducible.
Después del tiempo, la temperatura es la propiedad física que se mide con más frecuencia. Los dispositivos de medición de temperatura por infrarrojos definen las temperaturas a través de la radiación infrarroja emitida por el objeto, sin contacto con el objeto. Pero, ¿cómo funciona la medición de temperatura sin contacto? ¿Cuáles son los desafíos de medir superficies metálicas?


La matriz de radiación infrarroja
Cada cuerpo, con una temperatura superior al cero absoluto de 0 K (-273,15°C) emite una radiación electromagnética desde su superficie que es proporcional a su temperatura intrínseca. La matriz de radiación infrarroja cubre solo una parte limitada dentro de la matriz de radiación electromagnética total. Comienza en el rango visible de aproximadamente 0,78 μm y termina en longitudes de onda de aproximadamente 1000 μm. Las longitudes de onda que oscilan entre 0,7 y 14 μm son importantes para la medición de temperatura por infrarrojos. Por encima de estas longitudes de onda, el nivel de energía es tan bajo que los detectores no son lo suficientemente sensibles para detectarlos, como puede ver en la siguiente ilustración.


La radiación del cuerpo penetra en la atmósfera y puede enfocarse en un elemento detector con la ayuda de una lente. El elemento detector genera una señal eléctrica proporcional a la radiación. Esta señal se amplifica y, mediante procesamientos de señales digitales sucesivos, se transforma en una señal de salida proporcional a la temperatura del objeto. El valor de medición puede mostrarse en una pantalla o emitirse como una señal.
Las salidas estandarizadas para transmitir los resultados de la medición a los sistemas de control están disponibles en forma de 0/4-20 mA lineal, 0-10 V y como señal de termopar. Además, la mayoría de los termómetros de infrarrojos utilizados actualmente ofrecen interfaces digitales (USB, RS232, RS485) para un procesamiento posterior de la señal digital y poder acceder a los parámetros del dispositivo.


El comportamiento de la radiación infrarroja sobre superficies metálicas se examina con más detalle en los siguientes párrafos. Previamente, se presentará el detector y la conversión de la señal en un objeto de temperatura.


Cálculo de la temperatura mediante radiación infrarroja

El detector como captador de radiación identifica el elemento más importante de cada termómetro infrarrojo. Una señal se origina a través de una radiación electromagnética que aparece y que es completamente evaluable. La señal del detector U está conectada con la temperatura del objeto T Objeto de la siguiente manera:

Fórmula de Stefan Boltzmann

La señal del detector que resulta de la radiación emitida por un objeto dentro de la matriz de radiación total, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del objeto. Esto significa: si la temperatura del objeto de medición se duplica, la señal del detector aumentará en un factor de 16.

La fórmula cambia, ya que también se debe tener en cuenta la emisividad ε del objeto y la radiación ambiental reflejada de la superficie del objeto T Ambiente , así como la propia radiación del termómetro infrarrojo T Pyro

Fórmula de Stefan Boltzmann

: Además, los termómetros infrarrojos no funcionan dentro de toda la matriz de radiación. El exponente depende de la longitud de onda. N representa la longitud de onda de 1 a 14 μm en el rango de 17…2, para dispositivos de medición de onda corta para la definición de temperatura del metal (1,0 a 2,3 μm) el rango es de 15…17:

Fórmula de Stefan Boltzmann

La temperatura del objeto surge debido a un cambio de la última fórmula mencionada. Los resultados de estos cálculos se guardan como una serie de curvas dentro de la EEPROM del termómetro infrarrojo para todas las temperaturas que se producen:

Fórmula de Stefan Boltzmann 

Por lo tanto, los termómetros infrarrojos reciben suficiente señal para medir la temperatura. A partir de la fórmula, se puede ver que, además del rango de longitud de onda (matriz de radiación), la radiación ambiental reflejada, así como la emisividad, son fundamentales para una medición precisa de la temperatura. La importancia de estos parámetros se deducirá y explicará a continuación.


El cuerpo negro como referente de importancia
Ya alrededor de 1900 Planck, Stefan, Boltzmann, Wien y Kirchhoff definieron con más detalle el espectro electromagnético y establecieron coherencias cualitativas y cuantitativas para la descripción de la energía infrarroja. El cuerpo negro forma la base para la comprensión de los fundamentos físicos de la tecnología de medición de temperatura sin contacto y para la calibración de termómetros infrarrojos.
Por un lado, el cuerpo negro es un cuerpo que absorbe toda la radiación que se produce. Ni la reflexión (ρ = 0) ni la transmisión (τ = 0) aparecen en el cuerpo. Por otro lado, el cuerpo negro emite un máximo de la energía posible para cada longitud de onda, en función de su propia temperatura. La construcción de un cuerpo negro es simple. Un cuerpo hueco térmico tiene un pequeño orificio en un extremo. Si el cuerpo se calienta y alcanza cierta temperatura, dentro de la habitación hueca se extiende una temperatura equilibrada.
La ley de radiación de Planck muestra la correlación básica para mediciones de temperatura sin contacto: describe la radiación específica espectral Mλs del cuerpo negro en el medio espacio dependiendo de su temperatura T y la longitud de onda λ (c: velocidad de la luz, h: constante de Plank ):

fórmula de Planck 

El diagrama muestra para cada ejemplo de temperatura logarítmicamente la emisión espectral Mλs de un cuerpo negro sobre la longitud de onda.
Se pueden derivar varias coherencias, pero a continuación sólo se nombrarán dos. Al integrar la intensidad de la radiación espectral para todas las longitudes de onda desde 0 hasta el infinito, puede obtener el valor de la radiación emitida por el cuerpo como un todo. Esta correlación se llama Ley de Stefan-Boltzmann. La importancia práctica de la medición de temperatura sin contacto ya se explicó en el párrafo sobre el cálculo de la temperatura.

La segunda coherencia, que es obvia a partir del esquema gráfico, es que la longitud de onda que consiste en el máximo de radiación se mueve hacia el área de onda corta durante el aumento de las temperaturas. Este comportamiento es la base de la ley de desplazamiento de Wien y se puede derivar de la ecuación de Plank a través de la diferenciación.
Por lo tanto, la alta radiación es una razón, pero no la más importante, por la cual las superficies metálicas se pueden medir con longitudes de onda cortas a altas temperaturas. El rango de onda largo consiste también en una alta intensidad. La emisividad, la reflexión y su influencia en los errores de medición tienen un impacto mucho mayor ya que los metales son emisores selectivos.


Superficies metálicas como emisores selectivos
En realidad, pocos cuerpos cumplen el ideal del cuerpo negro. En la práctica, para la calibración del sensor se utilizan superficies de radiación que alcanzan emisividades de hasta 0,99 dentro del área de longitud de onda solicitada. La temperatura del objeto se puede definir a través de la medida de la radiación de la emisividad ε (Epsilon) que establece la relación del valor de radiación real del objeto y el del cuerpo negro para la misma temperatura. Por tanto, la emisividad siempre está entre cero y uno; la parte de radiación que falta se compensa mediante la indicación de la emisividad.


Muchas superficies a medir consisten en una emisividad constante a lo largo de las longitudes de onda, pero emiten menos radiación en comparación con el cuerpo negro. Se llaman cuerpo gris. Varios sólidos no metálicos muestran una emisividad alta y relativamente constante en el rango espectral de onda larga, independientemente de la condición de su superficie.


Los objetos, por ejemplo, superficies metálicas, cuya emisividad depende, entre otros, de la temperatura y la longitud de onda se denominan emisores selectivos. Hay una serie de razones importantes por las que la medición en metales solo debe realizarse dentro del rango de onda corta. En primer lugar, las superficies metálicas a altas temperaturas y longitudes de onda cortas (2,3 μm; 1,6 μm; 1,0 μm) no solo consisten en la radiación más alta sino también en la emisividad más alta. En segundo lugar, se ajustan a la emisividad de los óxidos metálicos para minimizar las diferencias de temperatura provocadas por el cambio de emisividad (tinte térmico).

Otra influencia importante en la elección de un termómetro infrarrojo de onda corta es que los metales, en comparación con otros materiales, pueden tener emisividades desconocidas. Los dispositivos de onda corta están reduciendo sustancialmente los errores de medición en emisividades mal ajustadas.


Mediciones reproducibles a pesar de la reflexión
Cuanto menor sea la emisividad de una superficie, más radiación reflejada recibe el termómetro infrarrojo del entorno. Como la mayoría de los cuerpos, como los metales, no consisten en una transmisión dentro del rango infrarrojo, se aplica la siguiente fórmula:
ε + p = 1
En este caso, ε es la emisividad y ρ la reflexión. La radiación infrarroja, que es evaluada por el dispositivo y convertida en temperaturas, no solo está influenciada por la emisividad de la superficie metálica (y la proporción de radiación compensada), sino que también es crucial a través de objetos calientes en el entorno (T Ambiente ), como componentes y hornos


El parámetro T Ambiente debe ser considerado con más cuidado cuanto menor sea la temperatura de la superficie metálica a medir y mayor sea la temperatura reflejada del entorno. La cantidad de reflexión está normalmente dirigida de facto y, por lo tanto, es fácil de determinar.
La cantidad de reflexión se puede distinguir como un tamaño y asegura resultados de medición reproducibles.


Termómetros infrarrojos en la práctica: procesos de inducción y endurecimiento inductivos
Un ejemplo para la medición de superficies metálicas es el tratamiento térmico sobre endurecimiento por inducción. Durante este proceso, un componente se coloca en un fuerte campo alterno y se calienta y congela en la estructura solicitada. Es posible ajustar localmente la penetración del calor en el material mediante el control de la frecuencia; sólo se tratan partes del componente. La estructura deseada del metal depende de un proceso ideal de temperatura-tiempo. Por lo tanto, es vital monitorear la temperatura permanentemente.

Los parámetros importantes de un termómetro infrarrojo son :

  • El cabezal sensor está separado de la caja electrónica; por lo tanto, no hay influencia del campo electromagnético en los resultados de la medición

  • Longitud de onda (1,0 μm / 1,6 μm / 2,3 μm) especialmente para superficies metálicas

  • Compensación de la temperatura ambiente (T Ambiente ), p. ej., a través de la temperatura de referencia

  • Medición fiable de la temperatura de metales desde 50 °C hasta 1800 °C

  • Control rápido de la temperatura a través de mediciones en 1 ms

  • Medición de pequeños componentes a través de altas resoluciones ópticas (tamaños de medición a partir de 0,7 mm) y marcado de tamaño de punto a través de doble mira láser


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