Cálculo de la emisividad efectiva en cavidades de cuerpo negro cilíndricas, cónicas y cilindro-cónicasmodelos y aplicaciones a la termometría de radiación

Resumen

La emisividad efectiva es la principal figura de mérito para la caracterización de las cavidades de cuerpo negro que constituyen las fuentes patrones de radiación en los campos de la radiometría y termometría de radiación. Su valor puede ser determinado de forma experimental por diversos procedimientos, pero estos tienen una aplicación limitada en cuanto a geometrías, rango espectral, temperatura, etc. Para su cálculo, los métodos numéricos (computacionales) son hoy en día ampliamente utilizados para el diseño y caracterización de cuerpos negros y se considera que el método de Montecarlo el más potente y flexible. En este trabajo se desarrollan modelos geométricos para la descripción del proceso de reflexión de la radiación en el interior de cavidades de cuerpo negro de forma cilíndrica, cónica y cilindro-cónica. La emisividad efectiva de estas cavidades es calculada aplicando el método de Montecarlo y la técnica del trazado inverso de rayos, en base a dichos modelos geométricos. Por hipótesis las cavidades analizadas son de superficie difusa y los gradientes de temperatura tienen simetría axial. Se considera que estas condiciones describen de forma satisfactoria los cuerpos negros que se utilizan generalmente para calibración de termómetros de radiación. La estructura geométrica es suficientemente flexible como para permitir la generalización a reflexión especular-difusa, cavidades con otras geometrías (fundamentalmente doble cónica y cilindro-cónica interior) y gradientes con dependencia angular. La validación se lleva a cabo comparando los resultados obtenidos con los de otros modelos tomados de la bibliografía y en algunos casos también mediante pruebas de consistencia interna. Especial atención se presta al cálculo de la emisividad efectiva integrada cuando en la cavidad existen zonas de penumbra (efecto de viñeteado) debido a la presencia de diafragmas. Igualmente es importante el cálculo de la incertidumbre de la emisividad efectiva por efecto de sus variables de influencia naturales: emisividad intrínseca, geometría y gradiente de temperatura. Este cálculo se realiza en el contexto del método de Montecarlo. Como complemento al cálculo de la emisividad efectiva se describe un procedimiento experimental (basado en el método radiométrico) para la determinación del gradiente de temperatura en una cavidad no isoterma y se evalúa en un cuerpo negro comercial, que por su diseño permite la medida parcial del gradiente por el método termométrico. Los modelos se aplican a cavidades existentes en el Laboratorio de Temperatura y Humedad del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, que constituyen las referencias para la calibración acreditada (por la Entidad Nacional de Acreditación) de termómetros de radiación, cuerpos negros y cámaras termográficas. Finalmente se proponen varias líneas de acción para la mejora de la capacidad de medida y calibración de este aboratorio en el campo de la termometría de radiación.