Pirómetro

Un pirómetro , o termómetro de radiación , es un tipo de termómetro de detección remota que se utiliza para medir la temperatura de objetos distantes. Históricamente, han existido diversas formas de pirómetros. En su 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 , un tipo de radiometría .

La palabra pirómetro proviene del griego «πῦρ» ( pyr ), que significa fuego, y « meter », que significa medir. Originalmente, el término pirómetro se acuñó para designar un dispositivo capaz de medir la temperatura de un objeto mediante su incandescencia , luz visible emitida por un cuerpo que se encuentra al menos al rojo vivo. ^{[ 1 ]} Los termómetros infrarrojos también pueden medir la temperatura de objetos más fríos, incluso a temperatura ambiente, detectando su flujo de radiación infrarroja. Los pirómetros modernos están disponibles para una amplia gama de longitudes de onda y generalmente se denominan termómetros de radiación . ^{[ 2 ]}

Un pirómetro se basa en el principio de que la intensidad de la luz recibida por el observador depende de la distancia del observador a la fuente y de la temperatura de dicha fuente. Un pirómetro moderno consta de un sistema óptico y un detector. El sistema óptico enfoca la radiación térmica sobre el detector. La señal de salida del detector (temperatura T ) está relacionada con la radiación térmica o irradiancia.${\displaystyle j^{\star }}$del objeto objetivo a través de la ley de Stefan-Boltzmann , la constante de proporcionalidad σ, llamada constante de Stefan-Boltzmann, y la emisividad ε del objeto:

${\displaystyle j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}.}$

Esta señal 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 por resistencia (RTD)) se colocan en contacto térmico con el objeto y se les permite alcanzar el equilibrio térmico .

La pirometría de gases presenta dificultades. Estas se superan comúnmente mediante la pirometría de filamento delgado o la pirometría de hollín . Ambas técnicas implican el contacto de pequeñas partículas sólidas con gases calientes.

El término pirómetro fue acuñado en la década de 1730 por Pieter van Musschenbroek , más conocido como el inventor de la botella de Leyden . Su dispositivo, del que no se conserva ningún ejemplar, puede denominarse ahora dilatómetro porque medía la dilatación de una varilla metálica. ^{[ 3 ]}

El ejemplo más antiguo de pirómetro que se cree que existe es el pirómetro de Hindley , conservado en el Museo de Ciencias de Londres, que data de 1752 y fue fabricado para la colección real. El pirómetro era un instrumento lo suficientemente conocido como para que el matemático Euler lo describiera con cierto detalle en 1760. ^{[ 4 ]}

Alrededor de 1782, el alfarero Josiah Wedgwood inventó un tipo diferente de pirómetro (o más bien un dispositivo pirométrico ) para medir la temperatura en sus hornos, ^{[ 5 ]} que inicialmente comparaba el color de la arcilla cocida a temperaturas conocidas, pero que posteriormente se mejoró para medir la contracción de piezas de arcilla, la cual dependía de la temperatura del horno (véase la escala de Wedgwood para más detalles). ^{[ 6 ]} Ejemplos posteriores utilizaron la expansión de una barra de metal. ^{[ 7 ]}

Entre 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 que luego se adaptó para medir temperaturas en metalurgia de hasta 1000  °C, por lo que mereció el nombre de pirómetro .

Alrededor de 1890, Henry Louis Le Chatelier desarrolló el pirómetro termoeléctrico . ^{[ 8 ]}

El primer pirómetro de filamento evanescente fue construido por L.  Holborn y F.  Kurlbaum en 1901. ^{[ 9 ]} Este dispositivo tenía un delgado filamento eléctrico entre el ojo del observador y un objeto incandescente. La corriente que circulaba por el filamento se ajustaba hasta que este adquiría el mismo color (y, por lo tanto, la misma temperatura) que el objeto, y dejaba de ser visible; estaba calibrado para permitir inferir la temperatura a partir de la corriente. ^{[ 10 ]}

La temperatura que devuelve el pirómetro de filamento evanescente y otros de su tipo, llamados pirómetros de brillo, depende de la emisividad del objeto. Con el uso cada vez mayor de los pirómetros de brillo, se hizo evidente que existían problemas al basarse únicamente en el conocimiento del valor de la emisividad. Se descubrió que la emisividad cambiaba, a menudo drásticamente, con la rugosidad de la superficie, la composición volumétrica y superficial, e incluso con la propia temperatura. ^{[ 11 ]}

Para sortear estas dificultades, se desarrolló el pirómetro de relación o de dos colores . Este se basa 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 expresión de Planck sobre las intensidades en dos longitudes de onda diferentes. Esta solución supone que la emisividad es la misma en ambas longitudes de onda ^{[ 10 ]} y se cancela en la división. Esto se conoce como la suposición del cuerpo gris . Un pirómetro de relación es esencialmente dos pirómetros de brillo en un solo instrumento. Los principios de funcionamiento del pirómetro de relación se desarrollaron en las décadas de 1920 y 1930, y estos instrumentos estuvieron disponibles comercialmente en 1939. ^{[ 9 ]}

Con la popularización del pirómetro de relación, se determinó que muchos materiales, entre ellos los metales, no presentan la misma emisividad en dos longitudes de onda. ^{[ 12 ]} En estos materiales, la emisividad no se anula y la medición de la temperatura resulta errónea. La magnitud del error depende de las emisividades y las longitudes de onda a las que se realizan las mediciones. ^{[ 10 ]} Los pirómetros de relación de dos colores no permiten determinar 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 variables, se concibieron pirómetros multilongitud de onda en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. y se describieron en 1992. ^{[ 9 ]} Los pirómetros multilongitud de onda utilizan tres o más longitudes de onda y manipulación matemática de los resultados para intentar lograr una medición precisa de la temperatura incluso cuando la emisividad es desconocida, variable o difiere según la longitud de onda de medición. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Los pirómetros son especialmente adecuados para la medición de objetos en movimiento o superficies inaccesibles o que no se pueden tocar. Los pirómetros multiespectrales modernos son idóneos para medir altas temperaturas dentro de las cámaras de combustión de los motores de turbina de gas con gran precisión. ^{[ 13 ]}

La temperatura es un parámetro fundamental en el funcionamiento de los hornos metalúrgicos . La medición fiable y continua de la temperatura del metal es esencial para un control eficaz del proceso. De esta forma, se pueden maximizar las tasas de fusión, producir escoria a la temperatura óptima, minimizar el consumo de combustible y prolongar la vida útil de los refractarios. Tradicionalmente, se utilizaban termopares para este fin, pero no son adecuados para la medición continua, ya que se funden y se degradan.

Los hornos de baño de sales operan a temperaturas de hasta 1300  °C y se utilizan para el tratamiento térmico . A temperaturas de trabajo muy elevadas, 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 se deben a la escoria en la superficie, que está más fría que el baño de sales. ^{[ 14 ]}

El pirómetro de tobera es un instrumento óptico para medir la temperatura a través de las toberas , que normalmente se utilizan para introducir aire o reactivos en el 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 de la envoltura y así evitar el sobrecalentamiento del tejido.

Los pirómetros pueden instalarse en motores de turbina de gas experimentales para medir la temperatura superficial de los álabes. Estos pirómetros pueden combinarse con un tacómetro para correlacionar la señal de salida del pirómetro con la posición de cada álabe . La sincronización, junto con un codificador de posición radial, permite a los ingenieros determinar la temperatura en puntos precisos de los álabes que pasan por la sonda.

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• Termómetro infrarrojo
• Tasímetro
• Termografía

• Patente del pirómetro de tobera
• Pirómetros infrarrojos y de radiación
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