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DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MEDICION DE EMISIVIDAD ESPECTRAL
Dr. Saúl Javier Luyo Alvarado, CENAM, sluyo@cenam.mx, y @
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
INDICE
1.INTRODUCCION
2. FUNDAMENTOS TEORICOS
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4. AVANCES , RESULTADOS
5. CONCLUSIONES
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OBJETIVO
Desarrollar sistema referencia de medición de emisividad de fuentes de
radiación, materiales industriales
Intervalo temperaturas: 20°C a 1000°C
intervalo de longitudes de onda: 2 a 20 micrómetros (µm)
mediciones de la radiancia espectral y de reflectancia difusa en función
de la temperatura y de la longitud de ondade la temperatura y de la longitud de onda.
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EIT-90
Para temperaturas > 962°C (punto de solidificación de Ag)
medición de T a través ley de Planck
Puntos fijos de plata 962°C , Oro 1064°C, y cobre 1085°C
T > 1100°C, transferencia a lámparas tungsteno filamento de cinta
Para temperaturas < 962°CPara temperaturas < 962 C
calibración termómetros de radiación (TR) con cavidades de cuerpos negros,cuya T se mide con un termómetro de resistencia de platino patrón (TRP) o, paraobtener una mejor exactitud se pueden usar cuerpos negros con puntos desolidificación de Al( 660°C), Zn(420°C) y Sn (232C).
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Fundamentos teóricos
Un objeto a una temperatura T > 0 emite radiación electromagnética
Cuerpo negro, superficie ideal, absorbe toda radiación incidente
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Ley de Planck:Ley de Planck:
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Emisividad
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PRINCIPIOS FISICOS
La emisividad espectral hemisférica esta definida como la razón de lapotencia emisiva de un cuerpo a la de un cuerpo negro a la mismat ttemperatura
Esta cantidad también puede ser calculada por integración de la emisividadespectral direccional sobre todas las direcciones de una envoltura hemisféricaque cubre la superficie :
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Interaccion radiacion y materia
La radiación térmica de una superficie, naturaleza electromagnéticaLas relaciones, propiedades de un material y parámetros ópticos y eléctricos,i t ió l t éti t i i MAXWELLinteracción campo electromagnético con materia, ecuaciones MAXWELLfunciones ópticas
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Procedimiento experimental: 1 etapa
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1.0
(d) acero oxidado termicamente T = 23 °C
0 7
0.8
0.9 (c) grafito
0.5
0.6
0.7
EM
ISIV
IDAD
(b) lamina oxidada
0.3
0.4
E
(a) aluminio oxidado
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 11000.1
0.2
LONGITUD DE ONDA (nm)
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LONGITUD DE ONDA (nm)
Procedimiento experimental: etapa 2
Metodo directo
El método experimental propuesto para medir la emisividad consiste en
comparar las radiancias espectrales emitidas por las fuentes con la radiancia
t l d d f i i t t tespectral de un cuerpo negro de referencia a una cierta temperatura.
Para la comparación se usará un espectrómetro de Transformada de Fourierp p
(FTIR). El cual utiliza un interferómetro de Michelson y el espectro se
obtiene mediante la Transformada de Fourier del interferograma.
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Procedimiento experimental: etapa 2
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Esquema modelo matematico
Respuesta espectral espectrómetro FTIR
Radiancia objeto
transmitancia optica electronica
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El modelo matemático que describe el espectro de radiancia medido por el espectrómetro FTIR que recibe radiación de un objeto a una temperatura T, esta dado por la ecuación :
(1)
S ( ) = espectro obtenido por el FTIR
R ( ) = respuesta espectral del FTIR
G ( ) = radiancia espectral del FTIR (Ti)G ( ) radiancia espectral del FTIR (Ti)
L ( ) = radiancia espectral emitida por el objeto
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Para obtener la radiancia espectral emitida por el objeto, las funciones R y G del instrumento deben ser conocidas De la ecuación (1) despejamos L yG del instrumento deben ser conocidas. De la ecuación (1) despejamos L y tenemos la ecuación :
(2)
Debido a que el espectrómetro FTIR, proporciona un espectro discreto, hay valores de L para cierto números de onda νi el procedimiento devalores de L para cierto números de onda νi , el procedimiento de calibración debe determinar dos parámetros para cada numero de onda νi la respuesta espectral R (νi ) y la radiancia espectral del espectrómetro G (νi ). Entonces si las temperatura pueden ser medidas, y el espectrómetro esta
S Slibre de ruido, uno debería tomar los espectros S1 y S2 de dos cavidades de cuerpos negros (ccn) a diferentes temperaturas y solucionar entonces para los parámetros no conocidos:
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PRINCIPIOS FISICOS
Entonces:
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Las ecuaciones anteriores describen el llamado procedimiento de
calibracion convencional : Dos espectros S1 (ν) y S2 (ν) de cavidades de
cuerpos negros con diferentes temperaturas T1 y T2 son medidos y lascuerpos negros con diferentes temperaturas T1 y T2 son medidos y las
funciones del instrumento son calculadas. Los errores en los valores de las
funciones del instrumento resultan de las incertidumbres ∆T1 y ∆T2 de las
temperaturas medidas.
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Resultados
1.00 RADIADOR PLANO COMERCIAL, EMISIVIDAD NOMINAL 0.95
0.95 T= 500°C
0.90
Em
isiv
idad
0.85
3 4 5 6 7 8 90.80
Longitud de onda (10-6 m)
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1.00 RADIADOR PLANO COMERCIAL, EMISIVIDAD NOMINAL 0.95
0.95
d
0.90
Em
isiv
ida
0.85
T= 500°C
5 10 15 20 250.80
Longitud de onda (10-6 m)
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Longitud de onda (10 )
I f d S t l E i i i Ch t i ti t NISTInfrared Spectral Emissiviy Chacterization at NIST,Hanssen et al.,Thermosense XXVI, 2004.
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Películas ZnO/Si, Zn0/vidrio (Sputerring)
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Recomendaciones
PELICULAS ZnO/Si
10
A % sustrato
R5
..\
SMIT
AN
CI R5
R4 R3 R2
5
TRA
NS
. 0
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5 10 15 20 25
LONGITUD DE ONDA (10-6 m)
conclusiones
Los resultados obtenidos para la emisividad de aluminio oxidado, acero
oxidado, lamina galvanizada son similares a los reportados en la literatura lo
cual indica que el sistema de reflectancia modulada es una alternativa viablecual indica que el sistema de reflectancia modulada es una alternativa viable
para la caracterización de emisividad
se ha caracterizado la emisividad de un radiador comercial (plato) y los
resultados son similares a los reportados por el NIST
Las caracterización de las peliculas de ZnO, indican que podría ser un
did t t i l d f i d i i id dcandidato para material de referencia de emisividad
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