La termometría de radiación estudia la temperatura de un cuerpo físico a distancia, es decir, sin contacto entre el instrumento que mide la temperatura y el objeto cuya temperatura desea ser medida. Los elementos que intervienen en la medida son: la fuente de radiación, el medio de propagación de la radiación y el termómetro que mide la temperatura. La radiación térmica puede ser tratada en el espectro visible (de 0,4 mm a 0,7 mm) y en el infrarrojo (de 0,7 mm a 15 mm). La termometría de radiación es de gran importancia tanto desde el punto de vista científico, por su aportación a la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90), como industrial debido a sus diversas aplicaciones en diferentes campos.
Los Laboratorios de Termometría de Radiación realizan y mantienen la EIT-90 en el rango de termometría de radiación de 961,78 °C a 2500 °C. La realización está basada en un cuerpo negro en el punto del cobre (1084,62 °C) y en la ecuación de radiación de Planck mediante medidas de relaciones de radiancia.
Unidad y su realización
Para temperaturas superiores al punto de solidificación de la plata (961,78 °C) la EIT-90 define la temperatura a partir de la Ley de Radiación de Planck:
Donde T90(x) es cualquiera de los siguientes puntos fijos: de solidificación de la plata (1234,93 K), del oro (1337,33 K) o del cobre (1357,77 K). Ll(T90) y Ll(T90(x)) son las radiancias del cuerpo negro, para la longitud de onda l en el vacío, a las temperaturas T90 yT90(x), respectivamente; c2 es la segunda constante de Planck cuyo valor es 0,014 388 m·K.
Los únicos requisitos de la ecuación anterior son que el termómetro de radiación (TR) utilizado sea monocromático y lineal, y que la fuente de la temperatura de referencia T90(x) sea un cuerpo negro. En cuanto a la determinación experimental de la relación de radiancias, la EIT-90 no recomienda ningún método especial ni restringe la longitud de onda utilizada.
Los valores T90 de los puntos de solidificación de la plata, del oro y del cobre son suficientemente concordantes, para que al sustituir uno de ellos por cualquiera de los otros dos como temperatura de referencia T90 (x) no suponga una diferencia significativa entre los valores de la temperatura T90.
Un termómetro de radiación monocromático consta de un sistema óptico que incluye un dispositivo que limita la longitud de onda (filtros interferenciales habitualmente) y enfoca la imagen de la fuente de radiación sobre un fotodetector.
Un cuerpo negro es el que emite toda la radiación posible para una temperatura dada. Experimentalmente la condición de cuerpo negro es inalcanzable, pero la diferencia entre el cuerpo negro perfecto ideal y el del cuerpo negro real puede llegar a ser despreciable. Físicamente, la fuente de radiación es una cavidad a temperatura constante, la cual se consigue rodeando la cavidad con un punto fijo.
La ecuación (1) es una expresión idealizada de la relación de radiancias espectrales. En la práctica debido a que el termómetro supuestamente monocromático tiene un cierto ancho de banda finito se tiene:
Donde R es la relación medida experimentalmente de las señales del detector, ti(l) es la transmitancia espectral del filtro interferencial, tc(l) es la transmitancia espectral de los otros componentes ópticos del termómetro de radiación, b(l) es la respuesta espectral del detector y B(l) la respuesta espectral del termómetro como un todo. Los límites de integración están definidos por el paso de banda en longitud de onda, principalmente del filtro interferencial.
La realización de la escala de acuerdo con la ecuación (2) requiere la calibración del termómetro en un punto fijo, la determinación de su respuesta espectral y la realización de una escala de relaciones de radiancia que requiere la medida de la no linealidad del detector.
La longitud de onda utilizada en la EIT-90 se encuentra entre 600 nm y 1000 nm debido al uso de fotomultiplicadores sensibles al rojo y a detectores de silicio cuya zona de trabajo óptima está en ese rango de longitudes de onda. No obstante, las longitudes de onda más utilizadas están en el entorno de 650 nm por ser una ventana del espectro donde la absorción atmosférica es menor y los detectores son más sensibles.
Para la realización de la escala de radiación en el CEM se dispone de termómetros de radiación monocromática (651 nm y 958 nm) con detector de silicio en recinto termostatizado, cuerpo negro del cobre (CN), monocromador con rango espectral 0 nm a 1500 nm, esfera integradora para medida del efecto del tamaño de la fuente (EFT) y un conjunto de lámparas de filamento de wolframio de alta estabilidad de vacío y gas.
También se dispone de un CN en el punto fijo de la plata para el estudio de la comparación de las escalas referidas a ambos puntos fijos y dar más robustez a las medidas realizadas en los laboratorios.
Asimismo se ha puesto en marcha un nuevo equipamiento que permite la calibración de termómetros de radiación en puntos fijos de mezclas eutécticas de metal-carbono hasta 2500 ºC.
Uno de los últimos desarrollos en termometría de radiación del CEM permite la calibración de la respuesta espectral absoluta de termómetros de radiación en longitudes de onda del visible que espera extenderse al infrarrojo.
Mantenimiento
El mantenimiento de la escala consiste en la referenciación periódica del TR patrón en el punto fijo (caracterizado en respuesta espectral, linealidad y ETF). También se realiza la transferencia de los valores de temperatura a patrones secundarios en un intervalo de temperaturas haciendo corresponder una cierta señal a cada temperatura. Esto se consigue mediante lámparas de alta estabilidad muy estables en el tiempo. Estas lámparas pueden ser de vacío, cubriendo el intervalo entre 700 ºC y 1600 ºC, y de gas entre 1500 ºC y 2100 ºC para una longitud de onda de 650 nm.
Las lámparas están constituidas por un filamento de wolframio, que se hace incandescente al ser atravesado por una corriente eléctrica, produciendo una determinada radiación. Como las lámparas no son cuerpos negros, es decir, su emisividad no es 1, la temperatura del filamento será diferente a la temperatura de radiación T90 que detecta el termómetro utilizado en la medición. Esta temperatura T90 sería la temperatura de un cuerpo negro que radiase igual que la lámpara, a una longitud de onda determinada, con lo que la ecuación de relación de radiancias quedaría:
Donde T es la temperatura del filamento de la lámpara, e(l,T) la emisividad espectral del filamento de la lámpara (< 1) y tw(l) la transmitancia espectral de la lámpara. De esta forma, la corriente de la lámpara queda relacionada con la correspondiente temperatura de radiación T90, obteniéndose de esta forma una materialización de la Escala de Radiación.
Las lámparas de gas son menos estables que las de vacío, obteniéndose mayores incertidumbres debidas a la propia falta de estabilidad y al proceso de asignación de temperaturas.
Trazabilidad
El CEM obtiene su trazabilidad gracias a su participación en comparaciones internacionales con otros Institutos Nacionales de Metrología, lo que garantiza la equivelencia de las medidas (puede consultarse información de las últimas comparaciones en www.kcdb.bipm.org).
Por otro lado, la trazabilidad ofrecida por el CEM en termometría de radiación abarca tres tipos de instrumentos:
TR con detectores en las bandas cercanas a 650 nm y 900 nm: monocromáticos patrón y pirómetros de desaparición de filamento. También es posible dar trazabilidad a lámparas de filamento de wolframio de alta estabilidad. La trazabilidad cubre el margen de temperaturas de 700 °C a 2500 °C.
- TR con detectores en las bandas infrarrojas, en el margen de temperaturas de -40 °C a 1600 °C.
- Termopares por encima de 1100 ºC, calibrados por comparación a termómetros de radiación.
Principales actividades y objetivos
La principal actividad de los laboratorios es la realización y el mantenimiento de la escala de radiación con el objetivo de dar trazabilidad a otros laboratorios y a la industria a temperaturas hasta 2500 °C. También se realiza la calibración de termómetros de radiación de infrarrojo, ampliamente utilizados en la industria, para medidas de temperatura sin contacto y de termopares hasta 1600 ºC.
Otra actividad importante en los laboratorios es su participación en proyectos internacionales de investigación relacionados con la alta temperatura; por un lado relacionados con la implementación de la nueva definición del kelvin y por otro, con una orientación más aplicada se trabaja en proyectos de interés industrial.
Servicios
- Calibraciones:
- Calibración de TR patrón (700 °C a 2500 °C) en las bandas de 650 nm y 900 nm.
- Calibración de lámparas de filamento de wolframio de alta estabilidad (700 °C a 2200 °C).
- Calibración de pirómetros de desaparición de filamento (700 °C a 2500 °C).
- Calibración de TR de infrarrojo de -40 °C a 1600 °C para blancos inferiores a 15 mm de diámetro.
- Calibración de termopares de metal noble por comparación a termómetros de radiación entre 1100 ºC y 1600 ºC.
- Asesorias a instituciones y empresas sobre implantación de sistemas de calidad en laboratorios de calibración o elaboración de procedimientos.
- Cursos generales y cursos a medida basados en las necesidades particulares del solicitante.
Última actualización: 12/04/2021