Un termómetro infrarrojo (IR) es un sensor que determina la temperatura de un objeto detectando y cuantificando la radiación infrarroja emitida por el objetivo medido. Un termómetro IR puede ser comparado al ojo humano. El lente del ojo representa la óptica a través de la cual la radicación (flujo de fotones) del objeto alcanza la capa fotosensible (retina) por medio de la atmósfera. Esto se convierte en una señal que es enviada al cerebro. La Fig. 3 muestra cómo funciona un sistema de medición infrarrojo.
Fig. 3: Un sistema de medición infrarrojo.
Toda forma de materia con una temperatura por encima del cero absoluto (-273.15°C / -459.8°F) emite radiación infrarroja de acuerdo a su temperatura. Esta se conoce como radicación característica. Lo que causa ésta es el movimiento mecánico de las moléculas. La intensidad de este movimiento depende de la temperatura del objeto. Ya que el movimiento molecular representa el desplazamiento de una carga, se emite (partículas fotones) radiación electromagnética. Estos fotones se mueven a la velocidad de la luz y se comportan de acuerdo a los principios ópticos conocidos. Pueden ser desviados, enfocados con un lente o reflejados por superficies reflejantes. El espectro de esta radiación va desde longitudes de onda desde 0.7 a 1000 µm. Por esta razón, esta radiación usualmente no puede ser vista por el ojo desnudo, vea la Fig. 4.
Fig. 4: El espectro electromagnético, con un rango de alrededor de 1 hasta 20 μm útiles para medición de temperatura
La parte invisible del espectro, sin embargo, contiene hasta 100,000 veces más energía. La tecnología de medición por infrarrojo se basa en esto. Puede verse en la Fig. 5 que el máximo de la radiación se mueve hacia longitudes de onda aún más pequeñas a medida que la temperatura del objetivo se eleva, y que las curvas de un cuerpo no se traslapan a diferentes temperaturas. La energía radiante en el rango total de la longitud de onda (el área por debajo de cada curva) se incrementa a la potencia de 4 de la temperatura. Estas relaciones fueron reconocidas por Stefan y Boltzmann en 1879 e ilustran que se puede medir una temperatura no ambigua de la radiación de la señal.
La Fig. 5 muestra la radiación típica de un cuerpo a diferentes temperaturas. Como se indicó, cuerpos a altas temperaturas aún emiten una pequeña cantidad de radicación visible. Por lo tanto, cualquiera puede ver objetos a temperaturas muy altas (por arriba de 600°C) brillando en algún lugar entre el rojo y el blanco. Los trabajadores en la industria del acero hasta pueden estimar con precisión la temperatura del color. El pirómetro clásico de filamento evanescente fue utilizado en las industrias del hierro y el acero de 1930 en adelante.
Fig. 5: Características de radiación de un cuerpo negro en relación con su temperatura
Mirando la Fig. 5, por consiguiente, la meta debería ser ajustar el pirómetro IR al más amplio rango posible de modo que se ganara la mayor energía (correspondiendo al área debajo de la curva) o señal proveniente del objetivo. Existen, sin embargo, algunas instancias en las cuales esto no es siempre ventajoso. Por ejemplo, en la Fig. 5, la intensidad de la radicación se incrementa a 2 µm – mucho más que cuando la temperatura se incrementa a 10 µm. A mayor diferencia de brillantez por diferencia de temperatura, se consigue más precisión a la que el pirómetro IR trabaja. De acuerdo con el desplazamiento del máximo de la radiación a pequeñas longitudes de onda con el incremento de la temperatura (Ley de Desplazamiento de Wien), el rango de la longitud de onda se comporta de acuerdo con el rango de medición de temperatura del pirómetro. A bajas temperaturas, un termómetro IR trabajando a 2 µm debería detenerse a temperaturas por debajo de 600°C, mirando de poco a nada ya que existe muy poca radiación de energía. Una razón más para tener dispositivos para diferentes rangos de longitud de onda es el patrón de emisividad de algunos materiales conocidos como cuerpos no grises (vidrio, metales y películas plásticas). La Fig. 5 muestra el ideal – conocido como “cuerpo negro”. Muchos cuerpos, sin embargo emiten menos radicación a la misma temperatura. La relación entre la potencia emisiva real y aquella de un cuerpo negro es conocida como emisividad (ε) y puede tener un máximo de 1 (el cuerpo corresponde al cuerpo negro ideal) y un mínimo de 0. Cuerpos con una emisividad de menos de 1 son llamados cuerpos grises. Cuerpos donde la emisividad es también dependiente de la temperatura y longitud de onda son conocidos como cuerpos no grises. Más aún, la suma de la emisión se compone de absorción (A), reflexión (R) y transmisión (T) y es igual a 1. (Vea la ecuación abajo y la Fig. 6)
A + R + T = 1 (1)
Los cuerpos sólidos no tienen transmisión en el rango infrarrojo (T=0). De acuerdo con la Ley de Kirchhof, se asume que toda la radiación es absorbida por un cuerpo, lo que lleva a un incremento de temperatura, y es entonces también emitida por este cuerpo. El resultado, entonces, para absorción y emisión es:
A ↔ E = 1 – R (2)
Fig. 6: Además de la radiación emitida por el objetivo, el el sensor también recibe radiación reflejada y también puede dejar que la radiación mediante.
El cuerpo negro ideal tampoco tiene reflectancia (R=0), de modo que E = 1.
Muchos materiales no metálicos tales como madera, plástico, hule, materiales orgánicos, roca o concreto tienen superficies que reflejan muy poco, y por lo tanto, tienen altas emisividades entre 0.8 y 0.95 (vea valores de emisividad para los materiales más comunes). En contraste, metales – especialmente aquellos con superficies pulidas o brillantes – tienen emisividades de alrededor de 0.1. los termómetros IR compensan esto ofreciendo opciones variables para ajustar el factor de emisividad, (vea valores de emisividad para los metales más comunes). Vea también la Fig. 7.
Nuestros ingenieros en aplicaciones pueden apoyarlo para seleccionar el sensor IR más eficiente para el material de su objetivo, rango de temperatura y tipo de aplicación.
Fig. 7: Emisión específica a diferentes emisividades.
Para aprender más, descargue Principios y Beneficios de la Medición de Temperatura por IR.
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