Pirometros Infrarrojos en Tratamiento Termico

 Pirómetros Infrarrojos y su Importancia en la Industria de
Tratamiento Térmico L.
Oviedo Global Thermal Solutions
January 2015
Abstracto
Los pirómetros Infrarrojos son usados en diversos procesos en la industria automotriz. Sus aplicaciones
varían dependiendo de rangos de temperatura, distancia del objetivo y el ambiente donde se realice el
proceso a medir. Deben elegirse acorde a su aplicación, ser sometidos a mantenimiento y calibrarse
acorde a las especificaciones. Sus características y aplicaciones se muestran en este artículo al igual que
los requerimientos de CQI-9 Rev 3.
Palabras Clave: pirómetro, infrarrojo, tratamiento térmico, CQI-9, forja, inducción, temperatura 1.- Introducción
Existen termómetros infrarrojos para
diferentes tipos de soluciones a nivel
industria. En general, fijas y portátiles
para realizar mediciones puntuales o por
área, esto dependerá del tipo de
aplicación y la información que se
requiera obtener del proceso al que se
aplique.
El pirómetro infrarrojo tiene la capacidad
de medir temperatura sin necesidad de
tener un contacto físico con el objeto
que medirá. Esta habilidad se basa en el
hecho de que todos los objetos emiten
radiación y la intensidad de ésta es una
función de su temperatura. Un
termómetro infrarrojo mide la intensidad
de la radiación y de éste modo mide la
temperatura del objeto.
2- Conceptos
Infrarroja
de
Teoría
La diferencia entre la radiación infrarroja
y la radiación visible es su longitud de
onda. La infrarroja tiene una longitud de
onda mayor como muestra la imagen 1,
y todos los objetos arriba del cero
absoluto (0ºK) emiten este tipo de
radiación. Todo puede considerarse que
está
compuesto
de
paquetes
elementales de energía llamados
fotones. La energía de un fotón es
Un pirómetro infrarrojo es usado cuando
el objetivo a medir esta en movimiento,
en lugares de difícil acceso o donde se
requiere éste tipo de medición debido a
contaminantes o razones de peligro.
También donde las distancias son muy
grandes o las temperaturas muy altas
para termopares u otros sensores de
contacto.
1 Básicos
inversamente proporcional a su longitud
de onda.
•
cambiará sin importar los factores
externos.
Cuerpo no gris: Es un cuerpo
que tiene cambios de emisividad
con la longitud de onda en la que
esté, la mayoría de los objetos
entran en esta categoría.
Imagen 1
La intensidad de la radiación (W*m2)
emitida desde un objeto es determinada
por la ecuación de Stefan-Boltzmann. La
radiación es proporcional a la cuarta
potencia de la temperatura absoluta de
la fuente y a su emisividad como
muestra la imagen 2.
Imagen 3
La emisividad se define como la
cantidad de energía irradiada por un
objeto a determinada temperatura en
relación a la energía emitida por un
cuerpo negro perfecto. Todos los
valores de emisividad caen entre el
rango de 0.0 a 1.0.
Imagen 2
Relacionado con la emisividad, se
encuentra la reflectividad (R), la
habilidad que tiene un objeto para
reflejar
energía
infrarroja
y
la
Transmisividad (T), la habilidad que
tiene un objeto para que la energía
infrarroja pase a través de él. Toda la
energía de radiación debe ser emitida
(E) debido a la temperatura del cuerpo,
ya sea transimitida o reflejada como
muestra la imagen 4.
En la teoría de la radiación infrarroja, se
manejan términos base para clasificar
los tipos de objetos que existen y sus
características de emisividad. Su
comportamiento se muestra en la
imagen
3.
Existe
la
siguiente
clasificación:
•
•
Cuerpo negro: Es un cuerpo
teórico cuya emisividad siempre
es igual a 1.
Cuerpo gris: Es un cuerpo cuyo
factor de emisividad se mantiene
constante, es decir, nunca
La energía total es:
E + T + R= 1.0
2 •
Imagen 4
3.- El Pirómetro Infrarrojo y sus
Componentes
Un pirómetro infrarrojo se compone de
su detector de radiación, un sistema
óptico y un indicador o un sistema
donde se observe la señal obtenida
como muestra la imagen 5.
y la energía disipada provoca que
su temperatura cambie a una
propiedad
física
medible.
Dependiendo de su incremento
de temperatura, en general tiene
una respuesta lenta.
Detector Cuántico: Éste detector
percibe la radiación de una forma
distinta consistiendo de un cristal
semi conductor. El fotón que
incide interactúa con un electrón
ligado dentro de la red cristalina,
si
su
energía
es
lo
suficientemente grande, ésta se
transfiere
al
electrón
para
liberarlo
de
su
estado
estacionario
y
permitirle
movimiento a través del cristal.
Durante éste tiempo, el electrón
puede producir una señal de
voltaje en el detector. El tiempo
de respuesta es mucho mayor
que el detector térmico.
Sistema Óptico
La óptica de un termómetro infrarrojo es
sumamente importante ya que captura
la energía infrarroja emitida y la
concentra sobre el detector. El material
usado para los lentes del sistema óptico
estará restringido a la región donde este
mantenga buenas propiedades de
transmisión. El material se escogerá de
acuerdo al tipo de longitud de onda que
se utilice y estará de acuerdo al rango
de temperatura en el que medirá el
pirómetro.
Imagen 5
Detector de Radiación
Un detector tiene el propósito de
convertir el flujo de fotones incidentes
en una señal eléctrica. Existen dos tipos
principales de detectores, el térmico y el
cuántico.
•
Detector Térmico: Éste tipo de
detector absorbe el flujo incidente
3 Los materiales más comunes y sus
aplicaciones se muestran en la tabla 1 a
continuación.
Material
AMTIR y Sulfuro
de Zinc
Fluoruro
de
Calcio
Vidrio y Cuarzo
Zafiro
requisitos resultará en lecturas erróneas
y poco confiables.
Aplicación
Bajas Temperaturas
5 y 7.9µm
Altas Temperaturas
Entornos Caústicos
Tabla 1
Imagen 6
Respuesta Espectral
La respuesta spectral es el ancho del
espectro infrarrojo que cubrirá nuestro
instrumento. Los pirómetros de uso
general (Temperaturas debajo de
500°C) usan un filtro de banda ancha
entre 8 y 14 micrones. Algunas
unidades usan filtros más anchos entre
8 y 20 micrones, pero todo esto
depende en la aplicación para la que
serán usados al igual que el rango de
temperatura
del
proceso.
Para
propósitos especiales, se pueden elegir
bandas muy angostas, todo depende del
objeto a medir.
4.- Aplicaciones
Automotriz
la
Industria
En la industria automotriz se pueden
tener diferentes tipos de aplicaciones
con pirómetros infrarrojos. Estas pueden
variar en rangos de temperatura o el tipo
de medición que se requiera (puntual,
lineal o por área) y el equipo deberá
diseñarse acorde a las necesidades del
proceso.
Es vital conocer los requerimientos del
proceso que se tiene o en que se planea
utilizar un termómetro infrarrojo para
medición. Algunos de los puntos
cruciales a conocer son: la temperatura
de operación, el tamaño del objetivo, la
distancia de medición, el material del
objeto a medir, el tipo de ambiente y si
existe algún tipo de obstrucción entre el
objeto a medir y donde se colocará el
instrumento. En la tabla 2 se muestra en
general el tipo de aplicación, los rangos
de temperatura y el tipo de respuesta
espectral a la que corresponden.
Para asegurar una lectura correcta con
el termómetro infrarrojo, es importante
que el objeto a medir y el área de
medición del sensor concuerden como
muestra la imagen 6. La distancia y el
ángulo de colocación del pirómetro
también tienen una gran importancia, y
esta se deberá verificar según el equipo
que se tenga, ya que deberá cumplir
con ciertos requerimientos específicos
para su operación. No cumplir con estos
4 en
Respuesta
Espectral
0.85
–
1.1µm
Rango
de
Temperatura
450 – 3000°C
1.64µm
250 – 2000°C
2 – 2.6µm
50 – 800°C
3.4µm
0 – 800°C
3.9 – 4.0µm
250 – 1300°C
4.8 – 5.2µm
50 – 2250°C
Aplicaciones
Acero, Hierro,
Forja,
Semiconductor
es,
Hornos
Rotatorios,
Calentamiento
Metales
no
ferrosos
Procesamiento
de metales y
acero con baja
temperatura
Plásticos
delgados
(Film),
pinturas,
aceites, ceras
Paredes de los
hornos,
temperaturas
de crisoles
Temperatura
del vidrio
Imágen 7
5.- Requerimientos CQI-9 Rev. 3
CQI-9 hace referencia al uso de
pirómetros infrarrojos como se muestra
en los siguientes puntos:
•
Tabla 2
Específicamente
los
pirómetros
infrarrojos tienen gran capacidad de
medición en las siguientes aplicaciones:
•
Engranes: Forja, calentamiento por
inducción, baño de sales, horno de
vacío.
Flechas y ejes: Calentamiento
inducción, escáner inductivo.
por
Árbol de levas: Forja, tratamiento
térmico por flama, calentamiento por
inducción.
6.- Calibración y Mantenimiento de
Pirómetros Infrarrojos
Bujías: Fusión con cerámica.
Pistones: Tratamiento térmico.
Es fundamental que estos instrumentos
siempre se mantengan en condiciones
apropiadas según lo especifique el
proveedor del equipo. Es de suma
Muelles: Calentamiento por inducción,
formado o doblado de muelle, forja.
5 3.12 En los hornos continuos
deberá existir un termómetro
infrarrojo al final del proceso para
medir y detectar cualquier
material que esté debajo del
límite inferior permitido por el
proceso.
En la tabla de procesos D,
sección D2.1 indica que todos los
pirómetros infrarrojos deberán
calibrarse anualmente y usando
un
método
apropiado
de
calibración o uno aprobado por el
procedimiento del proveedor.
7.- Bibliografía
importancia darles mantenimiento y
calibrarlos una vez al año como es el
requerimiento de CQI-9 rev 3.
IRCON. “Introduction to Infrared Thermometry”,
TS-104 rev B. 2004.
Se deben cuidar sobretodo la óptica del
equipo, ya que es crucial para detectar
correctamente la radiación infrarroja.
Para éste propósito se recomienda
cubrir con mirillas especiales y evitar
tener contacto directo con el sistema
óptico.
AIAG. “CQI-9 Special Process:Heat
System Assessment”. Version 3. 2011.
Treat
J.G.
Webster.
“Mechanical
Variables
Measurement: Solid, Fluid and Thermal”, CRC
Press LLC, 2000. Pg. 13-87 to 13-109.
P.R.N.
Childs.
“Practical
Temperature
Measurement”, Butterworth-Heinemann, 2001.
Pg. 238-261.
Para la calibración de un termómetro
infrarrojo se debe usar un cuerpo negro
o un sensor de transferencia certificado
ante NIST o cualquier otro estándar
nacional dentro de los rangos de
temperatura para la aplicación de los
pirómetros a calibrar.
B.G. Liptak. “Temperature Measurement”,
Chilton Book Company, 1993. Pg. 11, 59-71.
Imágenes cortesía de IRCON/RAYTEK
B Measurement”, Chilton Book Company, 1993.
Pg. 11, 59-71.
Imágen 8
ASTM. “Manual on the Use of Thermocouples in
Temperature Measurement”. Fourth Edition. MNL-12.
Philadelphia. 1993.
R.P. Benedict. “Fundamentals of Temperature
rd
Pressure and Flow Measurements”. 3 Edition. John
Wiley
&
Sons
Inc.
1984
6