Importancia y limitaciones de las mediciones espectrales

Para medir la emisividad existen muchos enfoques que podemos clasificar en dos categorías: los métodos directos miden la radiación energética de la superficie estudiada y los métodos indirectos deducen la emisividad a partir de otras propiedades ópticas de la superficie.

Entre los métodos directos, cabe citar el método calorimétrico, que consiste en medir la potencia eléctrica que se debe suministrar a una muestra (colocada en un criostato al vacío) para mantener su temperatura superficial igual a la temperatura a la que se desea conocer la emisividad. El Laboratorio Nacional de Metrología y Ensayos (LNE) dispone de un banco de medición de este tipo [3].

Otro método, denominado radiométrico, consiste en medir la radiación térmica procedente de la superficie del material. Esta medición puede realizarse en función del ángulo para obtener la emisividad direccional y en función de la longitud de onda (con un espectrómetro FTIR, por ejemplo) para obtener la emisividad espectral direccional. El dispositivo CEMHTI (Condiciones Extremas y Materiales y Radiación a Alta Temperatura) permite este tipo de medición a temperaturas muy elevadas [4].

Para medir la emisividad a temperatura ambiente, el nivel del flujo es demasiado bajo para poder medirlo con precisión: este es el ámbito privilegiado de los métodos indirectos. Estos utilizan la ley de Kirchhoff, que relaciona la emisividad ε con la reflectancia ρ y la transmitancia τ para una longitud de onda λ dada :

la emisividad es igual a la absorción. Por lo tanto, para un material opaco, la emisividad es igual a :

Para obtener la emisividad total, debemos sumar el factor de reflexión espectral (es la primera vez que veo esta palabra) ponderado por la distribución espectral de energía del cuerpo negro a la temperatura a la que se desea conocer la emisividad :

La otra solución consiste en medir el factor de reflexión global iluminando la superficie con una fuente de luz que tenga esta distribución de energía.

Varios dispositivos comerciales que miden la emisividad utilizan este método. Su principal cualidad es que miden la reflectancia en una banda espectral que va de 1 a 50 µm, lo que representa el 95 % de la energía irradiada por un cuerpo negro a temperatura ambiente (alrededor de 300 K). Sin embargo, integran el factor de reflexión para una distribución espectral diferente de la temperatura ambiente.

De hecho, utilizan cuerpos negros o grises como fuentes de infrarrojos a una temperatura superior a la temperatura ambiente. Estas fuentes tienen distribuciones espectrales diferentes a las de un cuerpo negro a 300 K. Esta diferencia en la distribución espectral da lugar a errores de medición de la emisividad de hasta un 5 % para los cuerpos que no son grises. Este defecto no es nada nuevo.

De hecho, la norma ASTM E408-71 (Método de ensayo estándar para la emisividad normal total de una superficie utilizando técnicas de medición por inspección) lo afirma. También podemos remitirnos a [5], donde se menciona brevemente este tipo de error.

Los emisómetros desarrollados en CERTES [1,2] utilizan fuentes infrarrojas moduladas en temperatura a temperaturas muy cercanas a la temperatura ambiente. El problema sigue sin resolverse porque la modulación afecta significativamente a la distribución espectral de la fuente (véase el recuadro 1).

Esto ocurre con frecuencia en este tipo de cerámica. Además, no se pueden utilizar datos bibliográficos. De hecho, dependiendo de la variedad alotrópica, el grado de cristalización, los diferentes tratamientos térmicos, etc., los valores de la emisividad espectral direccional de la alúmina son muy variables [6].

Cuando la temperatura de la superficie estudiada varía desde la temperatura ambiente hasta temperaturas más altas, la luminancia máxima de la función de Planck L ( λ, T) se desplaza 10 µm hacia longitudes de onda más cortas. La luminancia máxima se alcanza para una longitud de onda λmax(en µm) = 3000 /T, con T en K.

En el caso de la alúmina, esto tiene el efecto de aumentar la tensión en una región espectral mucho más emisiva. Por lo tanto, la emisividad aumenta con la temperatura. Podemos calcular la emisividad teniendo en cuenta únicamente la banda espectral de 1 a 20 µm. Estos datos se presentan en la tabla 1. Este cálculo descuida una parte importante del espectro útil. Por lo tanto, el valor de emisividad calculado es incorrecto.

Sin embargo, dada la monotonía de la función de Planck para longitudes de onda superiores a 20 µm para esta temperatura, las variaciones de la emisividad en función de la temperatura solo dependen, por lo tanto, de la banda espectral de 1 a 20 µm. Al no conocer el valor de la emisividad, podemos deducir con bastante precisión el coeficiente de variación de la emisividad en función de la temperatura. Si podemos medir por otros medios la emisividad para una temperatura superior a la temperatura ambiente, podemos deducir la emisividad a todas las temperaturas en torno a los 300 K.

Esto se puede observar en los gráficos de la figura 4. A partir de las mediciones espectrales (gráfico superior de la figura 4) podemos obtener las variaciones de la emisividad en función de la temperatura (gráfico inferior de la figura 4, línea azul). El emisímetro EM2 de CERTES [2] (figura 5) permite obtener un valor no sesgado de la emisividad, pero solo a 360 K. A partir de estos dos datos, volvemos a la emisividad no sesgada en función de la temperatura (gráfico inferior de la figura 4, línea roja).