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Problemas a nivel industrial en la mediciónProblemas a nivel industrial en la medición de temperatura usando pirómetros
D S úl J i L Al dDr. Saúl Javier Luyo Alvarado, CENAM, sluyo@cenam.mx
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
INDICE
1.INTRODUCCION
2. PRINCIPIOS FISICOS
3 PROBLEMAS TAMAÑO DE FUENTE DISTANCIA EMISIVIDAD3. PROBLEMAS : TAMAÑO DE FUENTE, DISTANCIA, EMISIVIDAD
4. DISCUSION
4. RECOMENDACIONES
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INTRODUCCION
La temperatura es una de las magnitudes de medición de mayor impactop g y pen la calidad de una variedad amplia de productos.
La confiabilidad metrológica de los pirómetros tiene una importancia muyalta en procesos productivos industriales
Un gran sector industrial nacional realiza mediciones de temperatura cont ó t d di ió I t l li d d t t dtermómetros de radiación. Intervalo amplio: desde temperaturas derefrigeración, algunos grados por debajo de 0 ºC, hasta temperaturascercanas a 2000°C.
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Termometría
alimentos congelados vidrio acero almacenaje criogénico alimentos procesados semiconductores crio-ingeniería ambiental metal-mecánica refractarios
biomédica petroquímica combustión
-270ºC -195ºC 0ºC 157ºC 420ºC 962ºC 1200ºC
superconductividad papel plásticos cerámicos
Líquido en Vidrio
Termopares
Pirometría
Resistencia de Platino
Ar Hg H 2O Ga In Sn Zn Al AgPuntos Fijos
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industria de vidrio
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EIT-90
Para temperaturas > 962°C (punto de solidificación de Ag)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 cintaT 1100 C, transferencia a lámparas tungsteno filamento de cinta
Para 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 dej p p g psolidificación de Al( 660°C), Zn(420°C) y Sn (232C).
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PRINCIPIOS FISICOS
Un objeto a una temperatura T > 0 emite radiación electromagnéticaUn objeto a una temperatura T 0 emite radiación electromagnéticaCuerpo negro, superficie ideal, absorbe toda radiación incidente
Ley de Planck:
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PRINCIPIOS FISICOS
lente
Distancia focal
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PRINCIPIOS FISICOS
Distancia objeto Distancia imagen
Lente Distancia imagen
Distancia focal f
imagen
Distancia focal f
Ecuación lentes delgadas :
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Tamaño de la fuente y campo visual , FOV
Aperturadetector
f
fuente
D
f
θ rr
d
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PRINCIPIOS FISICOS
Emisividad
Definición:
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3. Problemas
Efecto tamaño de fuente:Fuentes de igual temperatura, pero diferentes tamaños se ven a
temperaturas aparentemente “diferentes”
Origen :
Interacción de radiación con aperturas, superficies lentes , partículas en el medio :
a) difracción
b) reflexiones y aberraciones sistema óptico
) di i ( t i )c) dispersion (scaterring) \videos-enme2009\practica 11 nov_0001.wmv.\videos-enme2009\practica 11 nov_0002.wmv
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Efecto de distancia (ED) ( )
Cambio en la señal de salida del termómetro de radiación debido al cambioCambio en la señal de salida del termómetro de radiación debido al cambio
en la distancia entre el termómetro y la fuente
Origen:
Absorción atmosférica
Alineamiento, focalización sistema óptico
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.
Emisividad
La radiación emitida por una superficie depende de su emisividad y de suLa radiación emitida por una superficie depende de su emisividad y de su
temperatura
..\videos-enme2009\practica (temperatura corporal) 11 nov.wmv
.
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DISCUSION
Corrección por emisividad para una longitud de onda λ
Por conservación de energía:
usando ley de Wien :
Tenemos que:
Reemplazando datos: λ= 10 µm, ε= 0.95 ,
.
T = 37. 4 °C
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Efectos de variaciones de emisividad
Pirómetro monocromático lineal
Usando ley de Planck :
Derivando :
.
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dλ
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1.00 RADIADOR PLANO COMERCIAL, EMISIVIDAD NOMINAL 0.95
0.95
0.90sivi
dad
Em
is
0.85
T= 500°C
5 10 15 20 250.80
Longitud de onda (10-6 m)
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g ( )
Infrared Spectral Emissiviy Chacterization at NIST,Hanssen et al.,
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,Thermosense XXVI, 2004.
REFLECTANCIA MODULADA
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1 0
(d) acero oxidado termicamenteT = 23 °C
0 8
0.9
1.0(c)
(d)
grafito
acero oxidado termicamente
.
0.6
0.7
0.8VI
DAD
(b) lamina oxidada
0.4
0.5
EMIS
I V
0.2
0.3 (a) aluminio oxidado
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 11000.1
LONGITUD DE ONDA (nm)
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discusion
0,99
1,00de
la
400,25 °C
0 97
0,98
el ta
mañ
o fu
ente 500,25 °C
600 25 °C
0 95
0,96
0,97
Efe
cto
def 600,25 °C
699,75 °C
. 0,9510 20 30 40 50 60
Diámetro de la abertura del diafragma / mm
E
(Ing. Hugo Rodríguez)
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discusion
C
10
-50
el IB
C /
°C50,2°C
125 1°C
-20-15-10
edic
ión
de 125,1°C
199,1°C
225,1°C
-35-30
-25
ror d
e m
e ,
300,0°C
400,1°C. 35
0 10 20 30 40 50 60 70
Distancia a la abertura de la fuente / cm
Err
(H. Rodríguez, E. Méndez, Tempmeko-2007)
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2
-2
0
2
l IB
C /
°C
50.2°C100.2°C150.1°C200 0°C
-6
-4
med
iciò
n de
l 200.0 C250.0°C299.9°C349.9°C
12
-10
-8
Erro
r de
m 400.0°C450.1°C500.2°C550 4°C. -12
40 60 80 100 120
Distancia a la abertura de la fuente / cm
550.4 C
(H. Rodríguez, E. Méndez, Tempmeko-2007)
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Recomendaciones
La medición de temperatura con pirómetros es afectada por la emisividadLa medición de temperatura con pirómetros es afectada por la emisividad
de la superficie del objeto. Es necesario investigar , realizar una
estimación adecuada, el problema es critico en metalesestimación adecuada, el problema es critico en metales
El cuando usar termómetros de radiación depende de la “fisica” de los p
procesos térmicos involucrados
La elección de pirómetros de banda angosta o ancha, depende de las
propiedades de los materiales y procesos en línea, ejemplos: acero,
aluminio, vidrio, plásticos
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Recomendaciones
Verificar siempre que el área de la superficie a medir sea dos veces el
área del spotárea del spot
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