Los termómetros infrarrojos para la medición de temperatura sin contacto son sensores muy avanzados que tienen una amplia aplicación en la investigación y los procesos industriales. Este artículo describe, en términos no matemáticos, la teoría en la que se basa la tecnología de medición y cómo se utiliza para tratar los diversos parámetros de aplicación a los que se enfrenta el usuario potencial.
Introducción
Los diseños de termómetros infrarrojos (IRT) existen desde al menos finales del siglo XIX, y Charles A. Darling (1) presentó varios conceptos destacados en su libro «Pyrometry», publicado en 1911. Sin embargo, no fue hasta la década de 1930 cuando la tecnología fue disponible para convertir estos conceptos en instrumentos de medición prácticos. Desde entonces, el diseño ha evolucionado considerablemente y se ha acumulado una gran cantidad de conocimientos sobre medición y aplicaciones. En la actualidad, la técnica está bien aceptada y se utiliza ampliamente en la industria y la investigación.
Principios de medición
Como se ha indicado anteriormente, todos los materiales por encima de 0 °K emiten energía IR. La radiación infrarroja forma parte del espectro electromagnético y ocupa frecuencias entre la luz visible y las ondas de radio. La parte IR del espectro abarca longitudes de onda de 0,7 micrómetros a 1000 micrómetros (micras). Figura 1. Dentro de esta banda de ondas, solo se utilizan frecuencias de 0,7 micras a 20 micras para la medición práctica y cotidiana de la temperatura. Esto se debe a que los detectores de infrarrojos disponibles actualmente en la industria no son lo suficientemente sensibles como para detectar las cantidades muy pequeñas de energía disponibles en longitudes de onda superiores a 20 micras.
ESPECTRO INFRARROJO DE 0,7 A 1000 MICRÓMETROS (MICRONES) Espectro electromagnético Aunque la radiación IR no es visible para el ojo humano, resulta útil imaginarla como visible cuando se tratan los principios de medición y se consideran las Aplicaciones, ya que en muchos aspectos se comporta de la misma manera que la luz visible. La energía IR viaja en línea recta desde la fuente y puede ser reflejada y absorbida por las superficies de los materiales que se encuentran en su trayectoria. En el caso de la mayoría de los objetos sólidos que son opacos al ojo humano, parte de la energía IR que incide en la superficie del objeto será absorbida y parte será reflejada. De la energía absorbida por el objeto, una parte será reemitida y otra será reflejada internamente. Esto también se aplica a los materiales que son transparentes al ojo, como el vidrio, los gases y los plásticos finos y transparentes, pero además, parte de la energía IR también atravesará el objeto. Lo anterior se ilustra en la imagen 2. Estos fenómenos contribuyen colectivamente a lo que se denomina Emisividad del objeto o material.
INTERCAMBIO DE CALOR POR RADIACIÓN Los materiales que no reflejan ni transmiten energía infrarroja se conocen como cuerpos negros y no se sabe que existan en la naturaleza. Sin embargo, a efectos de cálculo teórico, a un cuerpo negro verdadero se le asigna un valor de 1,0. La aproximación más cercana a una emisividad de cuerpo negro de 1,0 que se puede alcanzar en la vida real es una cavidad esférica opaca a los infrarrojos con una pequeña entrada tubular, como se muestra en la figura 3. La superficie interior de dicha esfera tendrá una emisividad de 0,998.
EMISIVIDAD Los diferentes tipos de materiales y gases tienen diferentes emisividades y, por lo tanto, emitirán IR con diferentes intensidades para una temperatura determinada. La emisividad de un material o gas es una función de su estructura molecular y las características de su superficie. Por lo general, no es una función del color, a menos que la fuente del color sea una sustancia radicalmente diferente al cuerpo principal del material. Un ejemplo práctico de esto son las pinturas metálicas que incorporan cantidades significativas de aluminio. La mayoría de las pinturas tienen la misma emisividad independientemente del color, pero el aluminio tiene una emisividad muy diferente que, por lo tanto, modificará la emisividad de las pinturas metalizadas.
Al igual que ocurre con la luz visible, cuanto más pulidas estén algunas superficies, más energía IR reflejará la superficie. Por lo tanto, las características superficiales de un material también influirán en su emisividad. En la medición de la temperatura, esto es más significativo en el caso de los materiales opacos al infrarrojo, que tienen una emisividad intrínsecamente baja. Así, una pieza de acero inoxidable muy pulida tendrá una emisividad mucho menor que la misma pieza con una superficie rugosa y mecanizada. Esto se debe a que las ranuras creadas por el mecanizado impiden que se refleje gran parte de la energía IR. Además de la estructura molecular y el estado de la superficie, un tercer factor que afecta a la emisividad aparente de un material o gas es la sensibilidad a la longitud de onda del sensor, conocida como respuesta espectral del sensor. Como se ha indicado anteriormente, solo se utilizan longitudes de onda IR entre 0,7 micras y 20 micras para la medición práctica de la temperatura. Dentro de esta banda general, los sensores individuales pueden funcionar solo en una parte estrecha de la banda, como por ejemplo de 0,78 a 1,06, o de 4,8 a 5,2 micras, por razones que se explicarán más adelante.
Fundamentos teóricos de la medición de temperatura por infrarrojos
Las fórmulas en las que se basa la medición de temperatura por infrarrojos son antiguas, están consolidadas y han demostrado su eficacia. Es poco probable que la mayoría de los usuarios de IRT necesiten utilizar estas fórmulas, pero conocerlas les permitirá apreciar la interdependencia de ciertas variables y les ayudará a comprender mejor el texto anterior. Las fórmulas importantes son las siguientes:
- Ley de Kirchoff: al estar un objeto en equilibrio térmico, la cantidad de absorción será igual a la cantidad de emisión.
- Ley de Stephan-Boltzmann: cuanto más caliente está un objeto, más energía infrarroja emite.
- Ley del desplazamiento de Wien: la longitud de onda a la que se emite la máxima cantidad de energía se acorta a medida que aumenta la temperatura.
- Ecuación de Planck: describe la relación entre la emisividad espectral, la temperatura y la energía radiante.
Diseño y construcción de termómetros infrarrojos
El diseño básico de un termómetro infrarrojo (IRT) comprende una lente para recoger la energía emitida por el objetivo; un detector para convertir la energía en una señal eléctrica; un ajuste de emisividad para adaptar la calibración del IRT a las características de emisión del objeto que se mide; y un circuito de compensación de la temperatura ambiente para garantizar que las variaciones de temperatura dentro del IRT, debidas a los cambios ambientales, no se transfieran a la salida final. Durante muchos años, la mayoría de los IRT disponibles en el mercado seguían este concepto. Tenían una aplicación muy limitada y, en retrospectiva, no realizaban mediciones satisfactorias en la mayoría de las circunstancias, aunque eran muy duraderos y adecuados para los estándares de la época. Este concepto se ilustra en la figura 4.
Medición de temperatura por infrarrojos El IRT moderno se basa en este concepto, pero es más sofisticado tecnológicamente para ampliar el alcance de su aplicación. Las principales diferencias se encuentran en el uso de una mayor variedad de detectores; el filtrado selectivo de la señal IR; la linealización y amplificación de la salida del detector; y la provisión de salidas finales estándar, como 4-20 mA, 0-10 V CC, etc. La figura 5 muestra una representación esquemática de un IRT contemporáneo típico. Probablemente, el avance más importante en la termometría infrarroja ha sido la introducción del filtrado selectivo de la señal IR entrante, lo que ha sido posible gracias a la disponibilidad de detectores más sensibles y amplificadores de señal más estables. Mientras que los primeros IRT requerían una banda espectral amplia de IR para obtener una salida del detector viable, los IRT modernos suelen tener respuestas espectrales de solo 1 micra. La necesidad de tener respuestas espectrales seleccionadas y estrechas surge porque a menudo es necesario ver a través de algún tipo de interferencia atmosférica o de otro tipo en la trayectoria de la vista, o de hecho obtener una medición de un gas u otra sustancia que sea transparente a una banda ancha de energía IR.
TERMÓMETRO INFRARROJO MODERNO Algunos ejemplos comunes de respuestas espectrales selectivas son 8-14 micras, que evita la interferencia de la humedad atmosférica en mediciones de largo recorrido; 7,9 micras, que se utiliza para la medición de algunos plásticos de película fina; y 3,86 micras, que evita la interferencia del CO2 y el vapor de H2O en llamas y gases de combustión. La elección entre una respuesta espectral de longitud de onda más corta o más larga también viene dictada por el rango de temperatura, ya que, como muestra la ecuación de Planck, la energía máxima se desplaza hacia longitudes de onda más cortas a medida que aumenta la temperatura. El gráfico de la figura 6 ilustra este fenómeno. Las aplicaciones que no requieren un filtrado selectivo por las razones mencionadas anteriormente pueden beneficiarse a menudo de una respuesta espectral estrecha lo más cercana posible a 0,7 micras. Esto se debe a que la emisividad efectiva de un material es mayor en longitudes de onda más cortas y la precisión de los sensores con respuestas espectrales estrechas se ve menos afectada por los cambios en la emisividad de la superficie del objetivo.
De la información anterior se desprende que la emisividad es un factor muy importante en la medición de la temperatura por infrarrojos. A menos que se conozca la emisividad del material que se está midiendo y se incorpore a la medición, es poco probable que se obtengan datos precisos. Existen dos métodos para obtener la emisividad de un material:
a) consultando tablas publicadas y b) comparando la medición del IRT con una medición simultánea obtenida mediante un Termopar o un termómetro de resistencia y ajustando la configuración de la emisividad hasta que el IRT muestre el mismo valor. Afortunadamente, los datos publicados disponibles de los fabricantes de IRT y algunas organizaciones de investigación son muy completos, por lo que rara vez es necesario experimentar. Como regla general, la mayoría de los materiales opacos y no metálicos tienen una emisividad alta y estable en el rango de 0,85 a 9,0; y la mayoría de los materiales metálicos no oxidados tienen una emisividad baja a media, de 0,2 a 0,5, con la excepción del oro, la plata y el aluminio, que tienen emisividades del orden de 0,02 a 0,04 y, por lo tanto, son muy difíciles de medir con un IRT. Si bien casi siempre es posible establecer la emisividad del material básico que se está midiendo, surge una complicación en el caso de los materiales cuya emisividad cambia con la temperatura, como la mayoría de los metales y otros materiales como el silicio y las cerámicas monocristalinas de alta pureza. Algunas aplicaciones que presentan este fenómeno pueden resolverse utilizando el método de la relación de dos colores. Esta técnica no es muy diferente de los termómetros infrarrojos descritos hasta ahora, pero mide la relación entre la energía infrarroja emitida por el material en dos longitudes de onda, en lugar de la energía absoluta en una longitud de onda o banda de onda. El uso de la palabra «color» en este contexto está algo desfasado, pero aún no ha sido sustituido. Tiene su origen en la antigua práctica de relacionar el color visible con la temperatura, de ahí el término «temperatura de color».
Two Color-Ratio Thermometry
Given that emissivity plays such a vital role in obtaining accurate temperature data from infrared thermometers, it is not surprising that attempts have been made to design sensors which would measure independently of this variable. The best known and most commonly applied of these designs is the Two Color-Ratio Thermometer. This technique is not dissimilar to the infrared thermometers described so far, but measures the ratio of infrared energy emitted from the material at two wavelengths, rather than the absolute energy at one wavelength or wave band. The use of the word "color" in this context is somewhat outdated, but nevertheless has not been superseded. It originates in the old practice of relating visible color to temperature, hence "color temperature."
La base de la eficacia de la termometría de dos colores es que cualquier cambio en la propiedad emisora de la superficie del material que se mide, o en la trayectoria visual entre el sensor y el material, será «visto» de forma idéntica por los dos detectores, por lo que la relación y, por lo tanto, la salida del sensor no cambiarán como resultado. La imagen 7 muestra una representación esquemática de un termómetro de dos colores simplificado.
TERMOMETRÍA DE DOS COLORES (Termometría de relación) Dado que el método de relación, en determinadas circunstancias, evita las imprecisiones derivadas de cambios o desconocimiento de la emisividad, la oscurecimiento de la línea de visión y la medición de objetos que no llenan el Campo de visión, resulta muy útil para resolver algunos problemas de aplicación difíciles. Entre ellos se encuentran el calentamiento rápido por inducción de metales, la temperatura de la zona de combustión de hornos de cemento y las mediciones a través de ventanas que se oscurecen progresivamente, como la fusión al vacío de metales. Sin embargo, cabe señalar que estos cambios dinámicos deben ser «vistos» de forma idéntica por el sensor en las dos longitudes de onda utilizadas para la relación, y esto no siempre es así. La emisividad de todos los materiales no cambia por igual en dos longitudes de onda diferentes. Los materiales que lo hacen se denominan «cuerpos grises». Los que no lo hacen se denominan «cuerpos no grises». Tampoco todas las formas de oscurecimiento de la trayectoria visual atenúan las longitudes de onda de la relación por igual. El predominio de partículas en la trayectoria visual que tienen el mismo tamaño en micras que una de las longitudes de onda utilizadas desequilibrará obviamente la relación. Los fenómenos que no son de naturaleza dinámica, como los materiales «no grises», pueden tratarse sesgando la relación, un ajuste denominado «pendiente». Sin embargo, el ajuste adecuado de la pendiente debe determinarse generalmente de forma experimental. A pesar de estas limitaciones, el método de la relación funciona bien en una serie de aplicaciones bien establecidas y, en otras, es la mejor solución, si no la más preferida.
Resumen
La termometría por infrarrojos es una tecnología madura pero dinámica que se ha ganado el respeto de muchas industrias e instituciones. Es una técnica indispensable para muchas aplicaciones de medición de temperatura y el método preferido para otras. Cuando el usuario comprende adecuadamente la tecnología y se tienen en cuenta todos los parámetros de aplicación relevantes, el resultado suele ser una aplicación satisfactoria, siempre que el equipo se instale con cuidado. Una instalación cuidadosa significa garantizar que el sensor funcione dentro de los límites ambientales especificados y que se tomen las medidas adecuadas para mantener la óptica limpia y libre de obstrucciones. Un factor a tener en cuenta en el proceso de selección, a la hora de elegir un fabricante, debe ser la disponibilidad de accesorios de protección e instalación, así como la facilidad con la que estos accesorios permiten retirar y sustituir rápidamente el sensor para su mantenimiento. Si se siguen estas directrices, el termómetro infrarrojo moderno funcionará de forma más fiable que los termopares o los termómetros de resistencia en muchos casos.
Referencias
Darling, Charles R.; «Pyrometry. A Practical Treatise on the Medición de Altas Temperaturas» (Pirómetro. Tratado práctico sobre la Medición de Altas Temperaturas). Publicado por E.&F.N. Spon Ltd. Londres. 1911.
Autor y presentador: John Merchant, director de ventas, Mikron Instrument Company Inc.
¿Qué es un calentador de inmersión? Tipo de elementos calefactores de inmersión ¿Qué es un calentador de inmersión?
¿Qué es un calentador eléctrico industrial? ¿Qué es un calentador industrial?