Funcionamiento del termómetro de radiación ambiental del NIST, que es de aproximadamente 60 cm (24 pulg. de largo (1) luz infrarroja (IR) de una fuente calibrada de temperatura fija (a la derecha, no se muestra) entra en la caja del termómetro a través de esta lente, que enfoca la radiación en una "parada de campo, ”Análoga a la apertura f-stop en la fotografía. (2) Un helicóptero circular de metal corta el haz de infrarrojos en una secuencia de pulsos. (3) La primera lente dentro del cilindro central convierte la luz del tope de campo en un haz paralelo. (4) La luz pasa a través de este cilindro aislado de unos 30 cm (12 pulgadas) de largo, cuya temperatura se controla mediante un sistema de retroalimentación. La radiación parásita es bloqueada por otra parada. (5) Una segunda lente enfoca la luz hacia un detector piroeléctrico. (6) La salida del detector se enruta a un amplificador que aumenta la señal a niveles fácilmente legibles. Crédito:NIST
Ordinariamente, no encontrará un termómetro de radiación hasta que alguien le ponga uno en la oreja en el consultorio del médico o usted le apunte uno a la frente cuando tenga fiebre. Pero más sofisticado y altamente calibrado, Los termómetros "sin contacto" de grado de investigación, que miden la radiación infrarroja (calor) emitida por los objetos sin tocarlos, son de importancia crítica para muchas actividades además de la atención médica.
Sin embargo, Incluso los termómetros de radiación convencionales de alta gama han producido lecturas con incertidumbres preocupantemente grandes. Pero ahora los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han inventado un portátil, Termómetro de radiación de calidad estándar notablemente estable de unos 60 cm (24 pulgadas) de largo que es capaz de medir temperaturas con una precisión de unas milésimas de grado Celsius.
El NIST tiene una larga trayectoria en el estudio de los termómetros de radiación. El nuevo instrumento prototipo, que se basa en ese trabajo, puede medir temperaturas entre -50 ˚C (-58 ˚F) y 150 ˚C (302 ˚F). Las longitudes de onda infrarrojas correspondientes son de 8 a 14 micrómetros (millonésimas de metro), que es una especie de punto dulce termodinámico.
"Todas las temperaturas son iguales, pero algunos son más iguales que otros, "dijo el físico del NIST Howard Yoon, quien creó el diseño del termómetro y dirigió el proyecto, descrito en la revista Óptica Express . "Ese lapso de 200 grados cubre casi todas las temperaturas que ocurren naturalmente en la Tierra. Si logras un gran impacto al medir objetos en ese rango, realmente importa ".
Además de la medicina clínica, Las temperaturas en esa región son de importancia urgente en aplicaciones donde el contacto no es apropiado o factible. Por ejemplo, los cirujanos deben medir la temperatura de los órganos antes del trasplante. Los agricultores modernos necesitan temperaturas precisas al manipular, almacenamiento y procesamiento de alimentos. Los satélites requieren termómetros sin contacto para medir temperaturas en tierra y la superficie del mar.
Los termómetros de radiación convencionales a menudo contienen poco más que una lente para enfocar la radiación infrarroja y un sensor piroeléctrico. un dispositivo que convierte la energía térmica en una señal eléctrica. Sus mediciones pueden verse afectadas por las diferencias de temperatura a lo largo del termómetro y por la temperatura fuera del instrumento.
Lámpara de infrarrojos. Crédito:Bernd Marczak de Berlín de Pixabay
El diseño NIST, llamado termómetro de radiación ambiental (ART) está equipado con un conjunto de termómetros interiores que miden constantemente las temperaturas en diferentes puntos del instrumento. Esas lecturas se envían a un sistema de circuito de retroalimentación que mantiene el cilindro de 30 cm (12 pulgadas) que contiene el conjunto del detector a una temperatura constante de 23 ˚C (72 ˚F).
También presenta otras mejoras de diseño, incluyendo un método para reducir errores de lo que se llama efecto de tamaño de fuente, que resulta cuando la radiación ingresa al instrumento desde áreas fuera de su campo de visión especificado.
La principal ventaja de ART es su estabilidad sin precedentes. Una vez calibrado con termómetros de contacto de calidad estándar, el instrumento puede permanecer estable en unas pocas milésimas de grado durante meses en funcionamiento continuo. Eso hace que el sistema sea muy prometedor para aplicaciones que involucran sensores remotos durante largos períodos.
"Imagine poder llevar el diseño del NIST al campo como termómetros de radiación viajera para medir con precisión variables como las temperaturas de la superficie terrestre y marina, ", Dijo Yoon." Podría servir como un método confiable para calibrar los sensores de infrarrojos de los satélites y validar los enormes programas de ciencia meteorológica que se utilizan para predecir, por ejemplo, las trayectorias y la fuerza de los huracanes ". Su rango más bajo de -50 ˚C (-58 ˚F) lo hace adecuado para monitorear la temperatura del hielo en las regiones polares, típicamente en el rango de -40 ˚C (-40 ˚F) a -10 ˚C (14 ˚F).
Existen varios métodos para realizar mediciones de temperatura de muy alta precisión, pero pocos se adaptan bien al trabajo de campo. Los termómetros de resistencia de platino son frágiles y necesitan una recalibración frecuente. La fuente de temperatura estándar para transferir esa calibración al ART implica una cavidad de fuente de calor dentro de unos 42 litros (11 galones) de líquido.
"Esas son las mejores fuentes que tenemos, "Dijo Yoon." Pero no es práctico medir la temperatura del agua poniendo un termómetro en el océano a intervalos, y no desea calibrar constantemente su termómetro de radiación utilizando una fuente de calibración como la que se encuentra a bordo de un barco ".
Gerald Fraser, jefe de la División de Ciencia de Sensores del NIST, dijo que "la innovación de Yoon hace que la termometría sin contacto sea competitiva con los mejores termómetros de contacto comerciales en precisión y estabilidad en un rango de temperatura que los humanos experimentan a diario. Esto permite muchas oportunidades nuevas en la inspección de productos y el control de calidad y en la defensa y la seguridad donde los métodos de contacto convencionales son poco prácticos o demasiado costosos ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.
