Pirómetro

Un pirómetro óptico

Un marinero que controla la temperatura de un sistema de ventilación.

Un pirómetro 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 y, a veces, radiometría.

La palabra pirómetro proviene de la palabra griega para fuego, "πῦρ" (pir) y metro, que significa medir. La palabra pirómetro se acuñó 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. Los pirómetros o termómetros infrarrojos modernos también miden la temperatura de los objetos más fríos, hasta la temperatura ambiente, detectando su flujo de radiación infrarroja.

Principio

Se basa en el principio de que la intensidad de la luz recibida por el observador depende de la distancia de observador de la fuente y la temperatura de la fuente distante. Un pirómetro moderno tiene un sistema óptico y un detector. El sistema óptico centra la radiación térmica en el detector. La señal de salida del detector (temperatura) T) está relacionado con la radiación térmica o la radiación j⋆ ⋆ {displaystyle j^{star } del objeto objetivo a través de la ley Stefan-Boltzmann, la constante de proporcionalidad σ, llamada la constante Stefan-Boltzmann y el ε de emisividad del objeto.

j⋆ ⋆ =ε ε σ σ T4{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. Estos se superan más comúnmente mediante el uso de pirometría de filamento delgado o pirometría de hollín. Ambas técnicas involucran pequeños sólidos en contacto con gases calientes.

Historia

Un pirómetro de 1852. Calentar la barra metálica (a) presiona contra una palanca (b), que mueve un puntero (c) a lo largo de una escala que sirve como índice de medición. (e) es un propulsor inamovible que sostiene la barra en su lugar. Un resorte en (c) empuja contra (b), causando que el índice retroceda una vez que la barra se enfría.

El ejemplo más antiguo de un pirómetro que se cree que existe es el pirómetro Hindley del Museo de Ciencias de Londres, que data de 1752 y se produjo para la colección real. El pirómetro era un instrumento tan conocido que fue descrito con cierto detalle por el matemático Euler en 1760.

El alfarero Josiah Wedgwood inventó un tipo diferente de pirómetro para medir la temperatura en sus hornos, 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 del horno. temperatura. Los ejemplos posteriores utilizaron la expansión de una barra de metal.

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 la metalurgia hasta 1000 C, por lo que mereció el nombre de pirómetro.

Técnico midiendo la temperatura del silicio fundido a 2,650 °F (1,450 °C) con un pirómetro desaparecido en el equipo de cultivo de cristal de Czochralski en la planta de transistor Raytheon en 1956.

L. Holborn y F. Kurlbaum construyeron el primer pirómetro de filamento que desaparece en 1901. Este dispositivo tenía un delgado filamento eléctrico entre el ojo del observador y un objeto incandescente. La corriente a través del filamento se ajustó hasta que tenía el mismo color (y por lo tanto la temperatura) que el objeto y ya no era visible; se calibró para permitir inferir la temperatura a partir de la corriente.

La temperatura devuelta por el pirómetro de filamento evanescente 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 encontró 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.

Para sortear estas dificultades, se desarrolló el pirómetro de relación 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, puede resolverse para la temperatura si se divide la afirmación de Planck de las intensidades en dos longitudes de onda diferentes. Esta solución asume que la emisividad es la misma en ambas longitudes de onda y se cancela en la división. Esto se conoce como la suposición 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.

A medida que el pirómetro de relación se popularizó, se determinó que muchos materiales, de los cuales los metales son un ejemplo, no tienen la misma emisividad en dos longitudes de onda. 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 medidas. 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, los pirómetros de longitud de onda múltiple fueron ideados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. y se describieron en 1992. Los pirómetros de longitud de onda múltiple usan tres o más longitudes de onda y manipulación matemática de los resultados para intente lograr una medición precisa de la temperatura incluso cuando la emisividad sea desconocida, cambie o difiera según la longitud de onda de la medición.

Aplicaciones

Un pirómetro tuyère. (1) Pantalla. (2) Optical. (3) Cable óptico de fibra y periscopio. (4) Adaptador de pirómetro de tuyère con: i. Conexión de tubo de carga. ii. Tuyère clamp. iii. Arandela de pinza. iv. Clamp stud c/w y hardware de fijación. v. Gasket. vi. Noranda tuyère silencer. vii. Asiento de válvula. viii. Bola. (5) Cilindro neumático: i. montaje de cilindro inteligente con interruptor de proximidad interna. ii. Montaje de placas de guardia. iii. Placa de cubierta de brida temporal, utilizada para cubrir agujero de entrada periscopio en el adaptador de tuyère cuando no hay cilindro instalado en el tuyère. 6) Panel de estación de operador. (7) estación de luz de pirómetro. 8) Interruptores de límite. (9) 4 neumático de taxi conductor. (10) Válvula de bolas. 11) Interruptor de presión de aire periscopio. (12) Interruptor de presión de aire de tuberías. (13) Filtro/regulador de líneas aéreas. (14) Válvula de control direccional, subplato, silenciador y silenciadores de control de velocidad. 15) manguera de aire de baja presión, longitud de 40m.

Los pirómetros son especialmente adecuados para la medición de 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 los motores de turbinas de gas con alta precisión.

La temperatura es un parámetro fundamental en las operaciones de los hornos metalúrgicos. La medición confiable y continua de la temperatura del metal es esencial para un control efectivo de la operación. Las tasas de fundición se pueden maximizar, la escoria se puede producir a la temperatura óptima, el consumo de combustible se minimiza y la vida útil del refractario también se puede alargar. Los termopares eran los dispositivos tradicionales que se usaban para este propósito, pero no son adecuados para la medición continua porque se derriten y se degradan.

Medindo la temperatura de combustión de la coca en el horno de explosión utilizando un pirómetro óptico, Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijado, 1930.

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 son causados por escoria en la superficie que está más fría que el baño de sal.

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 del sobre para evitar el sobrecalentamiento de la tela.

Se pueden instalar pirómetros en motores de turbina de gas experimentales para medir la temperatura superficial de los álabes de la turbina. Dichos pirómetros se pueden combinar con un tacómetro para vincular la salida del pirómetro con la posición de una pala 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.