El sistema para medir la temperatura con infrarrojos
Todo cuerpo con una temperatura que supere el punto cero absoluto de -273,15 ºC (= 0 Kelvin) emite en la superficie, una radiación electromagnética proporcional a su temperatura propia, la denominada radiación propia. Una parte de esta radiación es infrarroja, que se puede utilizar para la medición de su temperatura. Esta radiación se introduce en la atmósfera y se enfoca por medio de una lente (lente de entrada).
Con la ayuda de un elemento detector, el cual genera una señal eléctrica proporcional a la radiación que recibe, la señal se intensifica a continuación de forma digital para convertirla en una magnitud de salida proporcional a la temperatura del objeto medido.
Sistema de Infrarrojo de una cámaras térmica o pirómetro Infrarrojo
El valor medido se puede visualizar en una pantalla, o bien se puede emitir en forma de señal analógica con la finalidad de permitir una conexión sencilla a sistemas adaptados para el control de procesos.
Las principales ventajas de la medición de la temperatura sin contacto podrían ser las siguientes:
- Medición de objetos en movimiento, de acceso difícil o muy calientes
- Tiempos de respuesta muy cortos de medición y reacción
- Medición sin retroacción. Es decir, sin actuar en el objeto a medir
- Medición sin alteración o destrucción del objeto
- Larga duración del punto de medición sin desgaste
El descubrimiento de la radiación infrarroja
William Herschel (1738-1822), astrónomo y músico germano-británico, descubridor del planeta Urano y de otros numerosos objetos celestes, descubrió por casualidad en el año 1800, la existencia de rayos infrarrojos, mientras buscaba materiales ópticos nuevos para sus investigaciones.
Herschel, ennegreció el bulbo de un termómetro de mercurio para absorber mejor el calor, y lo utilizó para medir el calentamiento de los diversos colores del espectro, que se formaban sobre una mesa al hacer pasar la luz solar por un prisma de cristal.
Herschel, observó que al ir moviendo lentamente el termómetro ennegrecido a través de los colores del espectro, la temperatura de los colores del espectro aumentaba al pasar del violeta al rojo.
William Herschel (1738-1822)
Herschel decidió medir la temperatura con el termómetro en una zona ubicada un poco más allá de la luz roja del espectro, al parecer desprovista de luz, y descubrió que en esta región seguía aumentando la temperatura. Por último, observó que la temperatura más alta de todas, se encontraba en el rango ubicado más allá de la luz roja del espectro. En la actualidad, este rango se denomina espectral infrarrojo.
Espectro electromagnético con el rango infrarrojo utilizado para cámaras térmicas y pirómetros Infrarrojos
El radiador integral o cuerpo negro
Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación incidente, y en el que nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del mismo. Esta característica de los cuerpos negros cumple por tanto, con la siguiente ecuación:
α = ε = 1 (α = grado de absorción, ε = emisividad)
Un cuerpo negro irradia, para cada longitud de onda, la energía máxima posible. La intensidad específica de la radiación no depende del ángulo de emisión.
El cuerpo negro constituye la base para comprender los principios físicos fundamentales de la tecnología de la medición de la temperatura sin contacto y a modo de función práctica, son esenciales para la correcta calibración de cámaras térmicas y termómetros de infrarrojos.
Sección de un cuerpo negro: 1 tubo cerámico, 2 calefacción, 3 tubo de Óxido de Aluminio, 4 pantalla
La estructura de un cuerpo negro es en principio muy sencilla. Se trata de un cuerpo hueco que al calentarse hasta una determinada temperatura y alcanzar el equilibrio termodinámico en su cavidad, emitirá una radiación negra ideal de la temperatura ajustada.
En función de la zona térmica y del uso previsto, la estructura de un cuerpo negro dependerá del material y su configuración geométrica.
Si el orificio de entrada es lo suficientemente pequeño en comparación con la superficie total del cuerpo negro, conseguiremos que la perturbación del estado ideal sea prácticamente nula o insignificante.
Si, por ejemplo, apuntamos con una cámara térmica o pirómetro infrarrojo a este orificio, se podrá considerar la radiación térmica proveniente de allí como radiación negra y de esta forma, poder utilizarla como referencia para calibrar el dispositivo de medición.
En la práctica, los cuerpos negros básicos se construyen con superficies provistas de capas lacadas pigmentadas y que tienen, dentro del rango deseado de longitud de onda, unos grados de absorción y emisividad de hasta el 99%. Valor suficiente para calibrar la mayoría de cámaras térmicas y pirómetros infrarrojos.
Las leyes de radiación del cuerpo negro
La ley de radiación de Planck constituye la base más fundamental de la medición de la temperatura sin contacto. Describe la radiación específica espectral M λs emitida por un
cuerpo negro al semiespacio en función de su temperatura T y de la longitud de onda observada λ.
La representación gráfica de la ecuación en función de λ se muestra en la siguiente imagen con diversas temperaturas como parámetros.
Radiación específica espectral Mλs del cuerpo negro en función de la longitud de onda
El la gráfica puede observarse que el pico de la radiación específica espectral se desplaza hacia longitudes de onda más cortas al ir aumentando la temperatura. De esta relación, se pueden derivar un gran número de otros coeficientes, de los que explicaremos brevemente dos a continuación.
Integrando la intensidad de la radiación espectral por todas las longitudes de onda de cero a infinito, se obtiene el valor de la radiación total emitida por el cuerpo. Esta relación se denomina ley de Stefan Boltzmann.
En general la radiación emitida de un cuerpo negro en el rango total de longitud de onda, es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. En la representación gráfica de la ley de radiación de Planck se puede ver igualmente que la longitud de onda con el pico de radiación, se desplaza hacia el sector de onda corta al ir aumentando la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien se puede deducir a partir de la fórmula de Planck y de la siguiente forma:
Estructura y modo de funcionamiento de las cámaras térmicas y pirómetros infrarrojos
Esquema funcional de las cámaras térmicas y pirómetros infrarrojos
La imagen muestra la estructura básica de una cámara térmica o termómetro de infrarrojo.
La radiación infrarroja emitida por el objeto a medir se enfoca por medio de una lente que proyecta sobre un detector infrarrojo. Este, genera una señal eléctrica correspondiente a la radiación, que a continuación se puede intensificar y seguir procesando. Con un procesamiento digital de la señal se convierte esta señal en una magnitud de salida proporcional a la temperatura del objeto, que se visualiza en una pantalla o se emite como señal analógica.
Para compensar la influencia de la temperatura ambiente se registra, con ayuda de un segundo detector, la temperatura del dispositivo de medición o de su canal óptico. El cálculo de la temperatura del objeto a medir se efectúa, por lo tanto, principalmente en tres etapas:
- Conversión de la radiación infrarroja recibida en una señal eléctrica
- Compensación de la radiación de fondo de dispositivo
y objeto - Compensación de máximos de señal y emisión de la infor
mación de la temperatura
Como opciones de salida hay disponibles, además de las indicaciones simples de la temperatura en pantalla, salidas estandarizadas en forma de 0/4 20 mA lineales, 0 10 V y señales de termopar, que permiten una conexión sencilla a sistemas de regulación para el control de procesos.
Además, la mayoría de las cámaras térmicas y pirómetros infrarrojos utilizados hoy en día poseen, debido al procesamiento de los valores medidos efectuados internamente de modo digital, interfaces digitales (p. ej. USB, RS485, Ethernet) para transmitir datos y para acceder al conjunto de parámetros configurables del dispositivo.
