Piròmetre de radiació: Un sensor de temperatura sense contacte

Un piroòmetre de radiació és un dispositiu que mesura la temperatura d'un objecte distant detectant la radiació tèrmica que emet. Aquest tipus de sensor de temperatura no necessita tocar l'objecte ni estar en contacte tèrmic amb ell, a diferència d'altres termòmetres com els termopars i els detectores de temperatura per resistència (RTDs). Els piroòmetres de radiació s'utilitzen principalment per mesurar temperatures altes superiors als 750°C, on el contacte físic amb l'objecte calent no és possible o desitjable.

Què és un piroòmetre de radiació

Un piroòmetre de radiació es defineix com un sensor de temperatura sense contacte que infereix la temperatura d'un objecte detectant la seva radiació tèrmica emissió natural. La radiació tèrmica o irradiància d'un objecte depèn de la seva temperatura i emissivitat, que és una mesura de com de bé irradia calor comparada amb un cos negre perfecte. Segons la llei de Stefan-Boltzmann, la radiació tèrmica total emesa per un cos es pot calcular per:

On,

• Q és la radiació tèrmica en W/m$^2$

• ϵ és l'emissivitat del cos (0 < ϵ < 1)

• σ és la constant de Stefan-Boltzmann en W/m$2$K$4$

• T és la temperatura absoluta en Kelvin

Un piroòmetre de radiació consta de tres components principals:

• Una llent o un mirall recullen i focalitzen la radiació tèrmica de l'objecte en un element receptor.

• Un element receptor que converteix la radiació tèrmica en un senyal elèctric. Això pot ser un termòmetre de resistència, un termopar o un fotodetector.

• Un instrument de registre que mostra o registra la lectura de la temperatura basant-se en el senyal elèctric. Això pot ser un mil·liviòmetre, un galvanòmetre o una pantalla digital.

Tips de piroòmetres de radiació

Hi ha principalment dos tipus de piroòmetres de radiació: de focus fix i de focus variable.

Piroòmetre de radiació de focus fix

Un piroòmetre de radiació de focus fix té un tub llarg amb una apertura estreta a l'extrem frontal i un mirall còncau a l'extrem posterior.

Es col·loca un termopar sensible davant del mirall còncau a una distància adequada, de manera que la radiació tèrmica de l'objecte es reflecteix pel mirall i es focalitza en la junta calenta del termopar. L'emf generat en el termopar es mesura llavors amb un mil·liviòmetre o un galvanòmetre, que es pot calibrar directament amb la temperatura. L'avantatge d'aquest tipus de piroòmetre és que no cal ajustar-lo per a diferents distàncies entre l'objecte i l'instrument, ja que el mirall sempre focalitza la radiació en el termopar. No obstant això, aquest tipus de piroòmetre té un rang de mesura limitat i pot veure's afectat per polsim o suïc sobre el mirall o la llent.

Piroòmetre de radiació de focus variable

Un piroòmetre de radiació de focus variable té un mirall còncau ajustable fet d'acer molt polírit.

La radiació tèrmica de l'objecte es rebrà primer pel mirall i després es reflectirà en una juntura tèrmica negrejada que consisteix en un disc petit de cobre o plata al qual es solden els fils que formen la juntura. La imatge visible de l'objecte es pot veure en el disc a través d'un ocular i un forat central al mirall principal. La posició del mirall principal s'ajusta fins que el focus coincideixi amb el disc. El calentament de la juntura tèrmica degut a la imatge tèrmica en el disc produeix un emf que es mesura amb un mil·liviòmetre o un galvanòmetre. L'avantatge d'aquest tipus de piroòmetre és que pot mesurar temperatures en un ampli rang i també pot mesurar raigs invisibles de radiació. No obstant això, aquest tipus de piroòmetre requereix un ajust i alineació cuidadosos per a lectures precises.

Avantatges i desavantatges dels piroòmetres de radiació

Els piroòmetres de radiació tenen alguns avantatges i desavantatges en comparació amb altres tipus de sensors de temperatura.

Alguns avantatges són:

• Poden mesurar temperatures altes superiors als 600°C, on altres sensors podrien fondre o endegar.

• No necessiten contacte físic amb l'objecte, el que evita la contaminació, la corrosió o la interferència.

• Tenen una velocitat de resposta ràpida i una sortida elevada.

• Estan menys afectats per atmosferes corrosives o camps electromagnètics.

Alguns desavantatges són:

• Tenen escales no lineals i possibles errors deguts a variacions de l'emissivitat, gasos o vapors intermedis, canvis de temperatura ambiental o polsim en els components òptics.

• Requereixen calibratge i manteniment per a lectures precises.

• Poden ser caros i complexos d'operar.

Aplicacions dels piroòmetres de radiació

Els piroòmetres de radiació s'utilitzen àmpliament en aplicacions industrials on hi ha temperatures altes implicades o on el contacte físic amb l'objecte no és factible o desitjable.

Algunes exemples són:

• Mesurar la temperatura de fornals, calderes, forns, estufes, etc.

• Mesurar la temperatura de metalls fonits, vidre, ceràmica, etc.

• Mesurar la temperatura de flammes, plasmes, lasers, etc.

• Mesurar la temperatura d'objectes en moviment com rodetes, cintes transportadores, cables, etc.

• Mesurar la temperatura mitjana de superfícies grans com parets, teulades, tubs, etc.

Conclusió