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Sensores de temperatura de fibra óptica

"El grupo de sensores conocidos como termómetros de fibra óptica se refiere generalmente a los dispositivos de medición de temperaturas más altas, en los que  utiliza la física de radiación del cuerpo negro"

Los termómetros de fibra óptica o sensores de temperatura de fibra óptica son básicamente tubos de luz que se emplean principalmente para la medición de la temperatura en situaciones complejas. Están construidos únicamente de finas fibras de vidrio. Estos hacen uso del mismo tipo de fibra que se utiliza en los sistemas de comunicación. Hay básicamente dos enfoques por medios de los cuales se puede medir fácilmente la temperatura. Ellos son:

Usando interferencia de fase: la medición de temperatura con fibra óptica usando esta técnica se muestra en la siguiente figura. En esta, el material utilizado para la detección de temperatura se aplica directamente sobre la parte escindida de la fibra óptica. Una capa transparente sensible a la temperatura también está presente ahí. Por lo tanto, la luz entrante se refleja de nuevo en dos partes. Mediante la medición de la diferencia de fase entre los dos haces reflejados de luz, se puede determinar fácilmente la temperatura.

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Mediante el uso de la deformación de la fibra: Otra manera es la de emplear un mecanismo convencional de detección de temperatura como una tira bimetálica como se muestra en la figura para la creación de la deformación de la fibra óptica. Esta deformación o flexión de la fibra deben ser adecuada para producir una diferencia considerable.

Dado que el costo de los sensores de temperatura de fibra óptica es muy alto, sólo se utilizan en situaciones en las que su uso es estrictamente necesario y valen su valor en dinero.

Características principales

Las fibras ópticas se emplean para la medición de la temperatura debido a sus características siguientes:

  • Estas exhiben efectos de micro flexión e interferométricos.
  • Se someten a cambios en el índice de refracción y de longitud de la fibra.
  • Demuestran cambios en la polarización y efectos de difracción de rejilla de fibra .
  • Experimentan también el efecto Sagnac  en la que la luz por lo general viaja alrededor de un bucle en diferentes direcciones que luego se pueden utilizar para detectar la rotación.
 

Ventajas de la fibra óptica :

  • Las fibras ópticas se emplean con frecuencia para las comunicaciones y las mediciones de temperatura industriales, debido a su capacidad para soportar condiciones ambientales duras y complejas. Algunos de los principales beneficios ofrecidos por ellas se mencionan a continuación:
  • Son inmunes a las interferencias electromagnéticas generadas por motores eléctricos, transformadores y soldadoras, etc.
  • Además, no se ven influidas por interferencias de radiofrecuencia causadas debido a la tecnología de comunicación inalámbrica y la acción del rayo.
  • Se pueden instalar fácilmente en áreas que son difíciles de alcanzar o inspeccionar.
  • Pueden ser aplicados para la medición de la temperatura en las zonas muy pequeñas y específicas.
  • Los cables de fibra óptica nunca conducen la electricidad por lo tanto se consideran apropiados para lugares que puedan explotar.
  • Las fibras ópticas pueden ser convenientemente colocadas en un conducto existente y bandejas de cables o atadas a las vigas, tuberías o conductos. Por lo tanto, se aplican ampliamente en áreas que requieren ampliaciones o modernizaciones
  • Además, son lo suficientemente capaces de hacer frente a temperaturas ambiente más allá de 300° C. Este rango de temperatura se puede aumentar aún más con la purga del aire o del agua.

Las ventajas de usar termómetros infrarrojos

La temperatura es la magnitud física medida con más frecuencia, sólo superada por el tiempo.  La temperatura juega un papel importante como un indicador de la condición de un producto o una pieza de maquinaria, tanto en la fabricación como en el control de calidad. Un control preciso de la temperatura mejora la calidad del producto y aumenta la productividad. Los tiempos de parada se reducen, ya que los procesos de fabricación pueden llevarse a cabo sin interrupción y en condiciones óptimas.

La tecnología infrarroja no es un fenómeno nuevo, ha sido utilizada con éxito en la industria y entornos de investigación durante décadas, pero las innovaciones han reducido los costos, el aumento de fiabilidad, y esto dio lugar a sensores infrarrojos sin contacto que ofrecen las unidades más pequeñas de medición.

Todos estos factores han llevado a la tecnología de infrarrojos a convertirse en un área de interés para los nuevos tipos de aplicaciones y usuarios.

¿Cuáles son las ventajas de la medición de temperatura sin contacto?

1. Es rápido (en el rango de ms) se ahorra tiempo, lo que permite más mediciones y la acumulación de datos (determinación del campo de temperatura).

2. Se facilita la medición de objetivos móviles (procesos con transportadoras).

3. Las medidas pueden ser tomadas de objetos peligrosos o físicamente inaccesibles (Partes de alta tensión, gran distancia de medición).

4. Las mediciones de altas temperaturas (superiores a 1300 °C) no presentan problemas. En casos similares, los termómetros de contacto no pueden ser utilizados, o tienen una vida limitada

5. No hay interferencias, no se pierde energía del objetivo. Por ejemplo, en el caso de un mal conductor del calor tal como plástico o madera, las mediciones son extremadamente precisas, sin distorsión de los valores medidos, en comparación con las mediciones con termómetros de contacto.

6. No hay riesgo de contaminación y sin efecto mecánico sobre la superficie del objeto, por lo tanto, libres de desgaste. Las superficies laqueadas, por ejemplo, no se rayan y las superficies suaves también pueden medirse.

Tras enumerar las ventajas, queda la cuestión de lo que hay que tener en cuenta cuando se utiliza un termómetro  IR

1. El objetivo debe ser ópticamente visible (ópticamente infrarrojo) al termómetro IR. Altos niveles de polvo o humo producen mediciones menos precisas. Obstáculos concretos, como un recipiente de reacción metálico cerrado, solo permiten la medición común, dentro del recipiente no se puede medir.

2. La óptica del sensor debe estar protegida contra el polvo y los líquidos de condensación. (Los fabricantes suministran los equipos necesarios para ello.)

3. Normalmente, sólo las temperaturas de la superficie se pueden medir, por lo que las diferentes emisividades de las diferentes superficies de materiales deben ser tenidas en cuenta

Resumen: Las principales ventajas de la termometría de infrarrojos sin contacto son la velocidad, la falta de interferencia, y la capacidad de medir en rangos de alta temperatura a 3000 ° C. Tenga en mente que sólo la temperatura de la superficie se puede medir.

El sistema de medición por infrarrojos

Un termómetro de IR puede ser comparado con el ojo humano. El cristalino del ojo representa la óptica a través del cual la radiación (flujo de fotones) desde el objeto llega a la capa fotosensible (retina) a través de la atmósfera. Esto se convierte en una señal que se envía al cerebro. La figura muestra un flujo de proceso del sistema de medición por infrarrojos

Figura 1. Sistema infrarrojo de medición

El objetivo

Cada forma de materia con una temperatura (T) sobre el cero absoluto emite radiación infrarroja en función de su temperatura. Esto se llama radiación característica. La causa de esto es el movimiento mecánico interno de las  moléculas. La intensidad de este movimiento depende de la temperatura del objeto. Puesto que el movimiento de moléculas representa el desplazamiento de carga, se emite radiación electromagnética (partículas de fotones). Estos fotones se mueven a la velocidad de la luz y se comportan de acuerdo con los principios ópticos conocidos. Estos pueden ser desviados, centrados con una lente, o se pueden reflejar de las superficies reflectantes. El espectro de esta radiación oscila entre 0,7 a 1000 µm de longitud de onda. Por esta razón, esta radiación no puede normalmente ser vista con a simple vista. Esta zona se encuentra dentro de la zona roja de la luz visible, por lo que se ha llamado "infra" roja. (Ver fig. 2)

Figura 2: El espectro electromagnético, con la gama de alrededor de 0,7 a 14 µm útiles para propósitos de medición

Figura 3: Características de radiación de un cuerpo negro en relación con su temperatura

La figura 3 muestra la radiación típica de un cuerpo a diferentes temperaturas. Como se ha indicado, los cuerpos a altas temperaturas aún emiten una pequeña cantidad de radiación visible. Por eso todo el mundo puede ver objetos a temperaturas muy altas (por encima de 600 ° C) que brillan intensamente en algún lugar del rojo al blanco.

Los trabajadores siderúrgicos experimentados puede incluso estimar con bastante precisión la temperatura según el color. El clásico pirómetro de filamento en desaparición fue utilizado en las industrias del acero y del hierro de 1930 en adelante. La parte invisible del espectro, sin embargo, contiene hasta 100.000 veces más energía. La tecnología de medición por infrarrojos se basa en esto. Asimismo se puede ver en la figura. 3 que la radiación máxima se mueve hacia longitudes de onda cada vez más cortas a medida que la temperatura del objetivo se eleva, y que las curvas de un cuerpo no se superponen a diferentes temperaturas. La energía radiante en todo el rango de longitud de onda (área debajo de cada curva) aumenta a la 4ª potencia de la temperatura. Estas relaciones fueron reconocidas por Stefan y Boltzmann en 1879 e ilustran que una temperatura inequívoca se puede medir a partir de la señal de radiación.

En cuanto a la figura. 3, entonces, el objetivo debería ser ajustar el termómetro IR para el rango más amplio posible a fin de obtener la mayor cantidad de energía (que corresponde a la zona por debajo de una curva) o la señal del objetivo. Hay, sin embargo, algunos casos en los que esto no es siempre ventajoso. Por ejemplo, en la figura. 3, la intensidad de la radiación aumenta a 2 µm mucho más cuando la temperatura aumenta a 10 µm. Cuanto mayor sea la diferencia de la radiación por diferencia de temperatura, mayor será la precisión de funcionamiento del termómetro IR. De acuerdo con el desplazamiento del máximo de radiación a longitudes de onda más pequeñas con el aumento de temperatura (ley del desplazamiento de Wien), el rango de longitud de onda se comporta de acuerdo con el intervalo de temperatura de medición del pirómetro. A bajas temperaturas, un termómetro de infrarrojos que trabaja a 2 µm se detendría a temperaturas inferiores a 600 °C, viendo poco o nada ya que hay muy poca energía de radiación. Otra razón para tener dispositivos para diferentes rangos de longitudes de onda es el patrón de emisividad de algunos materiales conocidos como cuerpos no grises (vidrio, metales, y láminas de plástico). La figura 3 muestra el así llamado "cuerpo negro" ideal. Muchos cuerpos, sin embargo, emiten menos radiación a la misma temperatura. 

La relación entre la verdadera potencia de emisión y la de un cuerpo negro se conoce como emisividad ε (épsilon) y puede haber un máximo de 1 (el cuerpo corresponde al cuerpo negro ideal) y un mínimo de 0. Los cuerpos con emisividad inferior a 1 se llaman cuerpos grises. Los cuerpos donde emisividad depende también de la temperatura y longitud de onda se llaman cuerpos no grises. Por otra parte, la suma de la emisión se compone de absorción (A), la reflexión (R) y la transmisión (T) y es igual a uno. (Véase la Ecuación 1 y la. Fig. 4).

A + R + T = 1          (1)

  • I = Radiación de impacto
  • R = Radiación reflejada
  • T = Radiación transmitida
  • E = Radiación emitida
  • A = Absorción

Figura 4: Además de la radiación emitida por el objetivo, el sensor también recibe radiación reflejada y  radiación transmitida a través del cuerpo.

Los cuerpos sólidos no tienen ninguna transmisión en el rango infrarrojo (T = 0). De acuerdo con Ley de Kirchhof, se supone que toda la radiación es absorbida por un cuerpo, y que esto ha dado lugar a un aumento de su temperatura, que después es emitida también por este cuerpo. El resultado, entonces, para la absorción y la emisión es:

A «» E = 1 - R

El cuerpo negro ideal también no tiene ninguna reflectancia (R = 0), de modo que E = 1.

Muchos materiales no metálicos tales como madera, plástico, caucho, materiales orgánicos, roca, u hormigón tienen superficies que reflejan muy poco, y por lo tanto tienen una alta emisividad de entre 0,8 y 0,95. Por el contrario los metales, especialmente aquellos con superficies pulidas o brillantes, tienen emisividad en torno a 0,1. Los termómetros infrarrojos tienen compensación para esto ofreciendo opciones variables para el ajuste del factor de emisividad. (Véase también la fig. 5)

Figura 5: Emisiones específicas para diferentes emisividades

 

 

 

 

 

 

 

 
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