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En este módulo de formación aprenderá los principios fundamentales de la "medición infrarroja".
Además de los principios físicos básicos y de los procedimientos de medición, aprenderá algo sobre el diseño y el funcionamiento de la tecnología de medición y sobre aplicaciones típicas.
El módulo de formación se termina con un test de conocimientos.
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Tiempo de trabajo aproximado, 30 min
Todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas, o radiación, dependiendo de su temperatura. Junto con esta radiación se transporta energía que permite, finalmente, la medición sin contacto de la temperatura de ese cuerpo a partir de su radiación.
La energía irradiada y sus longitudes de onda características dependen, en primera instancia, de la temperatura del cuerpo radiante.
Idealmente, el objeto a medir recibirá (absorberá) toda la energía y la convertirá en su propia radiación infrarroja (emisión). En dichos casos se hace referencia a ello como a un "cuerpo negro perfecto".
Dicho comportamiento no ocurre nunca, virtualmente, en la naturaleza; en su lugar se producen reflexión y transmisión adicionales de la radiación en o a través de un cuerpo.
Sin embargo, para obtener a pesar de ello mediciones fiables con los sistemas de medición infrarrojos, en la práctica es necesario identificar exactamente este comportamiento de emisión, reflexión y transmisión o eliminar esta influencia con las medidas adecuadas.
Esto se puede conseguir con la ayuda de mediciones de referencia utilizando termómetros de contacto o modificando deliberadamente la zona de medición para hacerla fácilmente adecuada para la tecnología de medición infrarroja, p. ej. aplicando recubrimientos de pintura, adhesivos y cola, recubrimientos plásticos o pegatinas de papel.
Cómo han de realizarse estas mediciones depende en último término del objeto a medir y del ambiente de medición. Clasificar las aplicaciones con arreglo al aspecto de los objetos a medir y de su superficie, ayuda a valorarlo.
Si, por ejemplo, se dirige hacia el sol ,con precisión, un reflector parabólico con una cerilla colocada en el foco, la cerilla se encenderá enseguida.
Esto se atribuye al calor radiante del sol, que es concentrado por el reflector parabólico en un punto F (punto focal).
La luz es una onda electromagnética que se desplaza en línea recta y a la velocidad de la luz*. Aunque siempre sigue las mismas leyes fundamentales de la naturaleza, de acuerdo con su frecuencia o longitud de onda el hombre la percibe de muy diferentes formas. Puede ser percibida en forma de luz o calor; otros rangos, como los rayos X, no son perceptibles en absoluto, o solamente pueden ser percibidos por sus efectos (la luz UV provoca quemaduras solares). El espectro de la radiación electromagnética se extiende a lo largo de, aproximadamente, 23 potencias de diez.
Coloquialmente, sólo la parte visible (VIS) de la radiación electromagnética se denomina luz. Abarca el rango de longitudes de onda desde 380 nm (violeta) a 720 nm (rojo). Los límites de este rango están definidos por la sensibilidad del ojo humano.
En el rango de ondas más cortas sigue luego la ultravioleta (UV), que también se denomina ultravioleta de vacío (UVV) a longitudes de onda inferiores a 200 nm.
En el rango de ondas más largas, el infrarrojo próximo (NIR) sigue a la luz visible. Se extiende desde 750 nm a 2,5 μm. A continuación sigue el rango espectral del infrarrojo medio (MIR o simplemente IR).
Este se extiende en el rango desde 2,5 μm a 25 μm.
El rango infrarrojo lejano (FIR) incluye el rango de longitudes de onda desde 25 μm a unos 3 mm.
* aquí no se tiene en cuenta la consideración como partícula
¿Qué son las ventanas atmosféricas y por qué se realizan las mediciones en estos rangos?
1ª ventana atmosférica 2 μm – 2.5 μm
2ª ventana atmosférica 3,5 μm – 4,2 μm
3ª ventana atmosférica 8 μm – 14 μm
En el rango de lo que se conoce como ventanas atmosféricas, no hay, o sólo hay muy poca, absorción o emisión de radiación (electromagnética) por los componentes del aire entre el objeto a medir y los instrumentos de medición.
Particularmente a distancias inferiores a 1 m del objeto a medir, en consecuencia, no tienen influencia los gases normalmente presentes en el aire.
Rangos espectrales adecuados, por ejemplo, para la medición de temperaturas > 1000 °C, son el rango visible e infrarrojo próximo, y para la medición de temperaturas medias el rango espectral de 2 a 2,5 μm y de 3,5 a 4,2 μm. La energía incidente, como corresponde, es alta en estos casos.
El rango de longitudes de onda de 8 a 14 μm es adecuado para mediciones de
temperaturas bajas (para las que están diseñados los instrumentos de medición
Testo), ya que se utiliza una banda de energía ancha como referencia
para generar una señal útil.
Ultravioleta |
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Luz visible |
|
... cercano |
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... medio |
|
... lejano |
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Infrarrojo térmico |
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Longitud de onda |
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Transmisión atmosférica (%) |
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Sistemas de imagen |
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Fotos a color |
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Fotos a color infrarrojas |
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LANDSAT |
|
Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética por encima del cero absoluto (0 K = -273,15 °C).
La radiación detectada por el cabezal de medición incluye la emitida por el cuerpo que se mide, como así la reflexión y la transmisión de radiación desde otras fuentes.
El total se toma siempre como 100% ó 1.
La intensidad de la radiación liberada depende
de la emisividad ε del material.
Emisividad (ε)
es la capacidad de un material para emitir (producir) radiación infrarroja.
Reflexión (R)
es la capacidad de un material para reflejar la radiación infrarroja.
Depende de las propiedades de la superficie y del tipo de material.
Transmitancia (T)
es la capacidad de un material para permitir que la radiación infrarroja pase a través suyo.
Depende del espesor y tipo de material e indica la permeabilidad del material a la radiación IR.
Estas tres variables pueden adoptar valores entre 0 y 1 (ó entre 0 y 100%).
El objeto a medir es el centro de atención en toda aplicación. La tarea es determinar su temperatura exactamente y con precisión.
Sean sólidos, líquidos o gases, todo objeto a medir representa un caso particular y específico para un sensor infrarrojo. Esto se debe a que su estado es específico del material y de la superficie. Muchos productos y líquidos orgánicos pueden, por ello, ser medidos sin necesidad de medidas especiales. Por otra parte los metales, en particular los que tienen superficies reflectantes, requieren consideración especial.
Si la reflexión y transmisión son iguales a 0, esto es un cuerpo ideal para medir que se denomina "cuerpo negro", cuya energía irradiada se puede calcular mediante la fórmula de radiación de Planck. Dicho cuerpo ideal tiene una emisividad ε = 1.
Sin embargo, en la realidad, dichas condiciones ideales no existen.
La transmisión y la reflexión siempre interfieren en la lectura.
Un cuerpo real puede ser representado esquemáticamente, en consecuencia, como sigue:
Cuerpo gris (ε inferior a 1)
La mayoría de los cuerpos que se encuentran naturalmente se describen como "cuerpos grises".
Presentan la misma característica que los cuerpos negros.
Sencillamente, la intensidad de la radiación producida es inferior.
Esto se corrige ajustando la emisividad.
La emisividad es, por consiguiente, la relación entre la intensidad de radiación "negra" y "gris".
Los cuerpos de color son materiales donde la emisividad depende de la longitud de onda y por consiguiente de la temperatura.
Esto quiere decir que dicho cuerpo presenta diferente emisividad p. ej. a +200 °C que a +600 °C.
Este es el caso de la mayoría de los materiales metálicos.
Aquí se debe observar que la emisividad ε se determina a la que se supone que es la temperatura de medición correcta.
Diagrama de bloques
Sección de un termómetro testo 825
La radiación calorífica se enfoca con la ayuda de un objetivo (en este caso, una lente de Fresnel) y se aplica al sensor. Este último convierte la radiación calorífica en una tensión eléctrica que es elevada por el amplificador y se traspasa al microprocesador. El procesador compensa la temperatura medida frente a la temperatura ambiente y muestra el resultado.
--> Como este es fundamentalmente un sistema de medición óptico, el objetivo siempre se
debe mantener limpio y libre de polvo.
Sección de un termómetro testo 825
Parámetros para el resultado de la medición
¿Qué parámetros afectan al resultado de la medición?
a) Objeto a medir
» Temperatura del objeto a medir
» Emisividad del objeto a medir
b) Instrumento de medición
» Temperatura del cuerpo (punto de referencia)
El instrumento de medición determina las siguientes variables:
SO= señal recibida del objeto a medir
SA= señal para la temperatura ambiente (normalmente igualada a la temperatura del instrumento)
Para una emisividad conocida e, la señal eficaz SE se calcula a partir de esto:
La temperatura del objeto a medir es función de la señal eficaz SE así determinada:
T objeto a medir = f (SE)
El instrumento de medición calcula la temperatura del objeto a medir a partir de la señal eficaz SE mediante una función de linealización.
La medición de temperatura sin contacto por medios infrarrojos depende, de forma crítica, del ajuste correcto de la emisividad en el instrumento.
Las tablas de emisividad sirven como guía para ajustar el factor de emisión para la medición infrarroja de la temperatura. Indican el factor de emisión ε de determinados metales y no metales corrientes. Como el factor de emisión cambia con la temperatura y las propiedades de la superficie, los valores mostrados aquí deben ser considerados meramente como una orientación aproximada para la medición de relaciones o diferencias de temperatura. Si la temperatura se ha de medir como valor absoluto, se debe determinar la emisividad exacta del material.
Alimentos
Los alimentos, como todos los materiales orgánicos, presentan buenas características de emisividad y la medición por medios infrarrojos es, relativamente, sin problemas.
Industria
Emisividad de diversos materiales que no transmiten, dependiendo de la longitud de onda
Emisividad de diversos materiales dependiendo de la longitud de onda
Los metales brillantes
muestran muy baja emisividad en el rango de 8 a 14 μm y son, por ello, difíciles de medir.
Aplique recubrimientos para aumentar la emisividad tales como pintura, aceite ó cinta adhesiva para superficies reflectantes (p. ej.Nº de pedido testo 0554 0051) al objeto a medir o mida con termómetro de contacto.
Los óxidos metálicos
no presentan un comportamiento uniforme.
Las emisividades varían entre 0,3 y 0,9 y, en general, dependen mucho de la longitud de onda.
Determine la emisividad mediante medición de referencia usando un termómetro de contacto, o aplique un recubrimiento con emisividad definida.
No metales brillantes / no metales oscuros / plásticos / alimentos
tales como papel blanco, cerámica, enlucidos, madera, goma, madera oscura, piedra, pinturas y recubrimientos oscuros, etc., tienen una emisividad de aproximadamente 0,95 a longitudes de onda superiores a 8 μm.
>> la mayoría de las sustancias orgánicas (p. ej. alimentos) tienen una emisividad de aproximadamente 0,95.
En consecuencia, este valor está preseleccionado permanentemente en muchos instrumentos para evitar errores de medición por ajustar (involuntariamente) la emisividad de forma incorrecta.
Las características de emisión de los no metales claros y oscuros, en consonancia, escasamente difieren a longitudes de onda más largas.
Por ejemplo, es irrelevante si las pinturas y recubrimientos son negros, azules, rojos, verdes o blancos.
Un radiador pintado de blanco a una temperatura de 40 °C a 70 °C irradia tan eficazmente como uno pintado de negro, ya que su radiación por temperatura se produce, predominantemente, a longitudes de onda largas de > 8 μm, en otras palabras, más allá del rango visible.
Se puede llamar buena suerte a que los no metales, plásticos, goma, etc., irradien predominantemente a longitudes de onda de más de 5 μm a su temperatura de procesado de +50 °C a +300 °C, en otras palabras donde la emisividad es muy elevada.
La situación es muy similar para los metales, en particular para las aleaciones de hierro, que irradian a longitudes de onda bajas (y muy alta emisividad) a una temperatura de procesado superior a +650 °C.
Ejemplo 1
Objeto a medir (pizza congelada, T = -22 °C)
Emisividad = 0,92
Medición IR a temperatura ambiente de 22 °C
Emisividad preseleccionada a 0,95
El instrumento de medición IR muestra: -21 °C
>> En otras palabras, el instrumento de medición tiene un error aproximadamente de 1 °C
>> Despreciable
Ejemplo 2:
Objeto a medir (chapa de latón oxidado, T = +200 °C)
Emisividad = 0,62
Medición IR a temperatura ambiente de +22 °C
Ajuste de emisividad 0,70
El instrumento de medición IR muestra: +188 °C
>> En otras palabras, el instrumento de medición tiene un error aproximadamente de 12 °C
>> No despreciable
CONCLUSIÓN:
Cuanto mayor es la diferencia entre la temperatura del objeto a medir y la temperatura ambiente y menor es la emisividad, ¡mayores son los errores si la emisividad está ajustada incorrectamente!
>> A temperaturas superiores a la temperatura ambiente
>> A temperaturas inferiores a la temperatura ambiente
Influencia de los medios que intervienen (factores de interferencia) sobre el resultado de la medición
En la medición de temperatura sin contacto, la composición del camino de transmisión entre el instrumento y el objeto que se mide, así como el material y factores específicos de la superficie pueden influir en el resultado de la medición.
Fotografía: factor de interferencia
Los factores de interferencia incluyen:
Emisividad
Es perfectamente posible que se produzcan errores de medición aún cuando la emisividad esté correctamente ajustada.
A una emisividad inferior a 1, la medición se proyecta basándose en que la temperatura del instrumento = temperatura ambiente.
Solución:Apantallar dichos cuerpos radiantes, p. ej. con una caja. Absorberá la radiación interferente y emitirá su propia radiación = temperatura ambiente.
¡Los ajustes de emisividad incorrectos pueden dar lugar a errores considerables!
Medición IR
>> La medición IR es un método de medición puramente óptico:
>> La medición IR es un método de medición superficial:
Período de estabilización tras un cambio de temperatura:
Después de un cambio de temperatura, el instrumento de medición todavía no se habrá adaptado a la nueva temperatura (punto de referencia) – véanse en el manual de instrucciones los períodos de estabilización. Esto provoca considerables errores de medición, el mismo problema que con los instrumentos de termopar.
>> Si es posible, ¡guarde el instrumento donde se realizarán las mediciones! Esto evitará el problema de los períodos de estabilización (sin embargo: ¡observe la temperatura de utilización de los instrumentos!).
Información importante acerca del tamaño del punto de medición
Los diagramas de punto de medición mostrados en la documentación del instrumento indican normalmente lo que se conoce como punto de medición 95%, en otras palabras, el 95% de la energía convertida en el sensor proviene de esa zona.
Debido a la falta de definición en la ilustración, la zona que afecta al resultado de la medición (aunque de forma marginal) es, sin embargo, más grande.
Por ello, se debe poner de manifiesto que el objeto a medir siempre es más grande que el punto de medición indicado en la documentación, para impedir que la zona marginal tenga una influencia indeseable.
Cuanto mayores son las diferencias de temperatura entre el objeto a medir y el fondo, mayor será el impacto sobre la indicación de medición.
Testo 830-T1
Testo 830-T2
Testo 830-T3
Tareas de medición que son fáciles de resolver:
Todas las partes y superficies no metálicas, sustancias orgánicas tales como pinturas y recubrimientos, papel, plástico y goma, madera, materiales sintéticos, alimentos, vidrio, tejidos, minerales, piedras, etc.
No es necesario tomar medidas especiales para estos grupos.
La emisividad es suficientemente alta, normalmente alrededor del 0,95, y no cambia a lo largo del rango de temperaturas.
Tareas de medición que son difíciles de resolver:
Superficies brillantes y reflectantes de metales, estructuras de superficie cambiante p. ej. como resultado de costras.
Las aplicaciones para este grupo son bastante difíciles de resolver y se deben cumplir determinadas condiciones. Solamente se conoce la emisividad para un ancho de banda determinado. Los valores son bajos y fluctúan a lo largo del rango de temperaturas.
Tareas de medición que se pueden resolver de forma condicionada:
Superficies metálicas con acabado mate y películas transparentes.
En estos casos se debe decidir caso por caso si y cómo se puede abordar el problema de medición.
Instrumentos de medición IR:
Se puede medir en alguna medida con instrumentos fijos, en caso contrario con instrumentos especiales.
No es posible con instrumentos de medición infrarrojos.
Objetos naturales exteriores
Agua, piedras, tierra, arena, plantas, madera, etc.
Si las mediciones se han de realizar en el exterior, puede ser necesario tener en cuenta la "radiación celeste difusa fría" para emisividades bajas. Si es posible, esta "radiación ambiente" debe estar próxima a la temperatura del aire.
Esto se consigue apantallando la radiación interferente, p. ej. con un paraguas encima del punto de medición.
Se puede medir con los Instrumentos de medición IR Testo
Vidrio y cuarzo
No es transmisor de la IR, es decir, se mide la hoja de vidrio.
Plásticos
En los procesos de secado y reformado, cuando se extruye, calandra, embute, etc.
Películas transparentes
Presentan una banda de absorción característica en la que la transmisión es bastante baja a determinadas longitudes de onda. Como la reflectancia también es baja (0,05...0,20), la emisividad es muy alta.
Sin embargo, la transmisión y por consiguiente, la emisividad dependen del espesor de las películas. Cuanto más delgada es la película, menor es la emisividad. Las películas delgadas transmiten, con frecuencia, en el rango IR, tener en cuenta el fondo.
Gases calientes y llamas
Son "radiadores volumétricos con características de emisividad selectivas". El punto de medición deja de ser puntiforme. El valor de la temperatura se toma como la media de un recorrido dentro de la llama. Este valor está influido además por las paredes del horno detrás de la llama o gases. De forma similar a los materiales transparentes, las llamas y los gases radian predominantemente en determinados rangos espectrales, tales como el rango alrededor de 4,3 μm (banda del CO2).
Se pueden medir con instrumentos especiales
Pruebas y calibración:
Se necesita un cuerpo negro para comprobar y calibrar la indicación de los pirómetros de radiación.
Al calibrar, asegúrese de que el campo de medición correcto del termómetro de radiación a comprobar es menor que la apertura del cuerpo negro.
Si la emisividad está preajustada (p. ej. a 0,95), la indicación debe ser convertida a ε = 1.
Ha habido un crecimiento altamente desproporcionado en aplicaciones que incluyen sistemas de medición infrarrojos en los últimos años. Los siguientes factores juegan, indudablemente, un papel importante en esta tendencia.
Otro factor de esta evolución que no debe ser ignorado, además de las ventajas técnicas, es que estos sistemas tienen precios atractivos para los clientes como resultado de procesos de producción con optimización de costes que ponen el énfasis en un número de unidades elevado.
Los instrumentos de medición de temperatura IR son particularmente adecuados:
Para malos conductores del calor como cerámica, goma, plásticos, etc.
Un sensor para medición por contacto solo puede mostrar la temperatura correcta si puede cambiar a la temperatura del objeto que se mide. Este no es, normalmente, el caso para los malos conductores del calor o el tiempo que les cuesta adaptarse es muy largo.
Fotografía: instrumento de medición de temperatura
Para determinar las temperaturas superficiales de transmisiones, carcasas y rodamientos en motores grandes y pequeños.
Fotografía: instrumento de medición de temperatura
Para piezas en movimiento, p. ej. rollos de papel continuo moviéndose sobre rodamientos, neumáticos girando, chapas metálicas desplazándose, etc.
Fotografía: instrumento de medición de temperatura
Detectar temperaturas excesivas en armarios de distribución, circuitos eléctricos de medición tales como resistencias y transistores en circuitos impresos, etc.
Rogamos tome nota
Consejo: Use un instrumento de medición IR con un punto de medición pequeño (p. ej. testo 845, testo 830-T3)
Instrumento de edición IR testo 845, testo 830-T3
Medición de temperatura de una unidad de refrigeración
Favor tenga en cuenta:
Consejo: use un instrumento de medición que tenga un punto de medición pequeño a gran distancia y que permita una medición de referencia usando un termómetro de contacto (p. ej. conjunto testo 845 o 825-T4)
Termómetro de contacto testo 845
Control y registro de valores de temperatura para generadores y unidades motrices, en motores diesel, en el colector de escape.
Favor tenga en cuenta:
Consejo: use un instrumento de medición que tenga un punto de medición pequeño a gran distancia y que permita una medición de referencia usando un termómetro de contacto (testo 845)
Termómetro de contacto conjunto testo 845 o 825-T4
Control de temperatura de vehículos ferroviarios, p. ej. "detección de rodamientos calientes" de vagones midiendo las temperaturas de la tapa del eje.
Favor tenga en cuenta:
Control de temperatura de vehículos ferroviarios
Control de la temperatura de las salidas de aire.
Fotografía: control de la temperatura de las salidas de aire
Control de los perfiles de calefacción en edificios.
Nota: Use un instrumento de medición con un punto de medición pequeño a una distancia grande. Además se debe realizar una medición por contacto, p. ej. con un instrumento de medición combinado (p. ej. testo 845). Una cámara térmográfica proporciona la mejor visión de conjunto.
Fotografía: instrumento de medición combinado testo 845
Control del aislamiento térmico en edificios.
Fotografía: Control del aislamiento térmico en edificios
Protección contra incendios
Nota: Utilice un instrumento de medición combinado (p. ej. conjunto testo 845 o 830-T2).
Fotografía: instrumento de medición combinado conjunto testo 845 o 830-T2
Medición de temperatura rápida para construcción de carreteras en exteriores.
Rogamos tome nota:
Mida solamente materiales con elevada emisividad, ya que la "radiación celeste difusa fría" a -50...-60 °C está presente como factor de interferencia. Si fuese necesario, apantalle el cielo p. ej. sosteniendo un paraguas encima del punto de medición.
Nota: Use un instrumento de medición con un punto de medición pequeño a una distancia grande.
Fotografía: medición de temperatura rápida para construcción de carreteras en exteriores.
Controles de alimentos
Solamente se determina la temperatura superficial por medios sin contacto.
Donde los valores son críticos, ¡mida siempre por separado con un termómetro de contacto!
Punto de medición / distancia de medición
Nota: Use instrumento de medición combinado (p. ej. conjunto testo 845 o 826-T4)
Fotografía: instrumento de medición combinado conjunto testo 845 o 826-T4
Otras aplicaciones resumidas