Introducción a la termografía
Las cámaras térmicas y la termografía: tu nuevo sexto sentido
Las cámaras térmicas son dispositivos que se utilizan para la medición de temperatura de los objetos a distancia en prácticamente todas las industrias y la investigación científica y técnica. Se utiliza desde sectores como el trabajo de metales pesados hasta en investigación médica y microbiológica.
La cámara térmica como instrumento de medición registra la intensidad de la radiación térmica emitida desde la superficie de los objetos medidos. Según la intensidad de radiación medida y los parámetros que le has especificado, la cámara térmica puede calcular la distribución de la temperatura de la superficie.
Esto crea una señal 2D, es decir, una imagen en la que los píxeles individuales corresponden a la temperatura de la superficie. Esta señal en 2D recibe el nombre de termograma.
El termograma se puede imaginar como una imagen digital, pero los píxeles individuales no contienen información sobre el brillo medido (como en una fotografía), sino sobre la temperatura de la superficie de los objetos escaneados. Es decir, el degradado de colores que estás observando corresponde a la temperatura de los objetos observados a través del equipo termográfico.
El campo técnico que se encarga de estudiar la medición de la temperatura sin contacto y de trabajar con los datos obtenidos se denomina termografía.
¿Pero cómo es posible medir la temperatura a distancia simplemente con una cámara termográfica?
Gracias a la radiación térmica que emiten todos los cuerpos. Para explicar con más detalle el tema de la medición de temperatura sin contacto, es importante que primero te expliquemos el contexto físico de la radiación térmica de los cuerpos.
La radiación térmica es una de las tres formas de transferencia de calor entre cuerpos junto con la «conducción» y la «convección».
El dispositivo para la medición de temperatura simple y sin contacto también se conoce como «pirómetro». Se utilizan para la medición de temperatura puntual. Como ya hemos comentado, estos instrumentos se utilizan actualmente ampliamente en la industria, la metrología y también en la investigación.
Ahora que ya sabes para qué sirven, te das cuenta de todas las ventajas que podrías tener si pudieras ver los objetos a través de este sexto sentido, ¿verdad?
La radiación térmica
Cuando exponemos nuestro cuerpo a la luz solar, sentimos sus efectos térmicos intensamente, e incluso con los ojos vendados, podemos determinar con bastante precisión la posición del Sol.
La misma percepción, por ejemplo, te puede generar la radiación de una estufa caliente que se encuentra cerca de ti. Percibimos que la radiación de la estufa es tan “térmica” como la radiación solar.
Los cuerpos de todos los estados con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación electromagnética, que se origina en los movimientos térmicos (térmicos) de las partículas cargadas que los componen. Dado que la causa de la radiación es el calor, la llamamos radiación térmica.
Para la medición de la temperatura sin contacto, es importante tener en cuenta que la intensidad de la radiación de la superficie de un cuerpo aumenta con la temperatura de la superficie, pero que también depende de las propiedades del material.
Es decir hay dos variables: la cantidad de radiación térmica que recibe el objeto y el material con el que está constituido.
La ley de la física que describe esto se conoce como ley de Stefan-Boltzmann, la ley de desplazamiento de Wien y, finalmente, la ley que une estas dos leyes se llama ley de radiación de Planck.
El hecho de que la intensidad de la radiación térmica de las superficies de los cuerpos aumente a la cuarta potencia de la temperatura de la superficie de los cuerpos puede utilizarse para medir la temperatura sin contacto.
Sin embargo en la práctica la situación es más complicada y es necesario conocer el resto de parámetros de medida y trabajar con la llamada ecuación termográfica, que tiene en cuenta la influencia de los cuerpos y objetos que están alrededor y la atmósfera.
Historia del conocimiento de la radiación infrarroja
Nuestro primer protagonista es William Herschel. Tenemos que remontarnos al año 1800. Herschel descubrió la «radiación oscura» cuando un prisma descompuso la luz.
Repitió un experimento bien conocido, cuando los rayos de luz en un prisma óptico conducen a la refracción y, en consecuencia, a la descomposición del espectro de colores, la imagen está mejor ilustrada.
Incluso antes de la observación de Herschel, era bien sabido que si proyectas un espectro de color sobre una mesa y deslizas un vaso de agua en el que se sumerge un termómetro, cuanto más alta sea la temperatura, más cerca estará de la parte roja del espectro.
Pero el gran descubrimiento de Herschel fue que empujó el termómetro incluso más allá del espectro rojo. Para su sorpresa (y para la incredulidad de todos los demás), ¡midió una temperatura aún más alta aquí que en la parte roja del espectro!
Este fenómeno fue sin duda revolucionario, porque demostró que hay un tipo de radiación que no era visible, pero que tenía la capacidad de transmitir calor. Nadie sabía entonces que existía la “radiación térmica”.
Tampoco nadie sabía que la luz solar era en realidad radiación de calor con un espectro de radiación que excedía con creces el «mero» espectro de la luz visible. La radiación ultravioleta se descubrió en 1901. Los términos «ultravioleta» e «infrarrojo» se introdujeron mucho más tarde.
William Herschel descubrió la «radiación oscura» cuando un prisma descompuso la luz. Repitió un experimento bien conocido, cuando los rayos de luz en un prisma óptico conducen a la refracción y, en consecuencia, a la descomposición del espectro de colores. Fuente: Caltech.
Otros momentos importantes de la historia de la radiación
| 1830 | El físico italiano Macedonio Melloni descubrió la transmitancia infrarroja de los cristales de NaCl (para la parte técnicamente más interesante del espectro). |
| 1859 | El físico alemán Gustav Kirchhoff propuso una teoría general de emisión y absorción (la capacidad de una sustancia para emitir radiación es igual a su capacidad para absorber radiación). |
| 1884 | Los físicos austriacos Josef Stefan y Ludwig Boltzmann formularon una ley sobre la radiación total de un cuerpo negro (ley de Stefan-Boltzmann). En ese momento, ya estaba claro que había radiación de calor de los cuerpos, y esta ley trajo una importante relación cuantitativa al tema. |
| 1893 | El físico alemán Wilhelm Wien derivó empíricamente la ley sobre el desplazamiento de la radiación máxima con la temperatura (ley de desplazamiento de Wien). Por esta ley recibió el Premio Nobel de Física en 1911. |
| 1900 | En 1899, al físico alemán Max Planck se le ocurrió la idea de que la emisión y absorción de energía radiante solo puede ocurrir después de múltiplos integrales del cuanto de energía. En 1900, cien años después del descubrimiento de la radiación infrarroja, Planck formuló una ley de radiación (ley de radiación de Planck). Fue galardonado con el Premio Nobel en 1918. |
| 1905 | El físico alemán Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico. Mostró que los cuantos de Planck son reales y la radiación electromagnética extrae electrones de la superficie de la sustancia a través de estos cuantos (fotones). Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921 por explicar el efecto fotoeléctrico. |
| 1880 | Los primeros pirómetros se construyeron décadas antes de la formulación de la ley de Stefan-Boltzmann. Un ejemplo interesante es el pirómetro bolométrico, diseñado y construido por el astrónomo estadounidense Samuel Pierpont Langley en 1880. Para su construcción se utilizaron dos finas láminas de platino conectadas como dos ramas. Langley continuó desarrollando su detector y después de 20 años logró aumentar la sensibilidad 400 veces. |
Aquí, el Pirómetro Féry creado en 1901. El dispositivo utilizaba en su época un sistema óptico inusual: era básicamente un telescopio newtoniano con un detector termoeléctrico colocado en el foco. La señal eléctrica de salida se midió con un galvanómetro de precisión. Fuente: Cambridge y Workswell.
Determinación de la temperatura superficial
Cuando se trabaja con una cámara térmica, es muy importante que sepas que la cámara térmica no mide la temperatura directamente, sino que de acuerdo con la llamada ecuación termográfica o de acuerdo con una relación simplificada, determina la temperatura medida mediante un cálculo basado en:
1) la intensidad medida de radiación de calor
2) parámetros de medición establecidos (algunos son establecidos por las llamadas mediciones suplementarias o estimaciones calificadas).
Para determinar correctamente la temperatura de la superficie del objeto medido, se deben configurar los parámetros de medición de la ecuación termográfica.
A nivel práctico implica una serie de variables:
- emisividad [-] (emisividad de la superficie medida),
- temperatura aparente reflejada [° C] (es la radiación térmica reflejada desde la superficie medida)
- temperatura atmosférica [° C]
- humedad relativa del aire [%]; y
- la distancia entre el instrumento de medición y la superficie del objeto [m].
Las cámaras termográficas, como instrumentos de medición, siempre permiten establecer la emisividad y la temperatura aparente reflejada.
Las mejores cámaras térmicas (y ciertamente las destinadas a aplicaciones de investigación científica) permiten establecer los parámetros atmosféricos, es decir, la temperatura atmosférica, la humedad relativa del aire y la distancia. Además, algunas cámaras termográficas permiten corregir las ventanas de infrarrojos externos.
La incertidumbre de determinar parámetros individuales tiene un efecto diferente sobre la incertidumbre de medición resultante; siempre depende de la situación.
Por ejemplo, la influencia de los parámetros atmosféricos es mayor cuanto mayor es la distancia entre la cámara térmica y el objeto medido.
El efecto de la temperatura aparente reflejada es mayor cuanto menor es la emisividad, ya que la reflectividad es mayor (y por el contrario, si la emisividad se acerca a su valor máximo de 1, el efecto de la temperatura aparente reflejada puede ser prácticamente insignificante).
En lugar del término correcto «temperatura aparente reflejada», normalmente podemos encontrar el término abreviado «temperatura reflejada».
Emisividad y temperatura aparente reflejada
La emisividad es un parámetro adimensional que caracteriza la superficie de un objeto medido en términos de su capacidad para irradiar térmicamente. Indica la relación entre el flujo de calor del cuerpo real (gris) y el flujo de calor emitido por el cuerpo negro de acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann. En cierto sentido, la emisividad es la «eficiencia de la radiación», siendo el valor máximo posible 1 (para un cuerpo negro).
Cuanto mayor sea la emisividad, más radiación de calor emite el objeto a una temperatura de superficie determinada. La emisividad no es constante para una superficie determinada y es función de muchos otros parámetros, especialmente la temperatura y la longitud de onda. Este aspecto debe tenerse en cuenta durante la medición.
La temperatura aparente reflejada caracteriza la radiación térmica reflejada desde la superficie del objeto medido. Para explicar el significado de la temperatura reflejada aparente, es necesario explicar el vínculo básico entre emisividad y reflectancia superficial.
Para un cuerpo con una superficie impermeable, la reflectancia ρ de la superficie es igual ρ = 1− ε, donde ε es la emisividad de la superficie. Por supuesto, todas las variables deben considerarse en función de la longitud de onda, la temperatura, etc.
En la práctica, esta es una conclusión muy importante porque implica que cuanto menor es la emisividad de la superficie, mayor es el efecto de la temperatura aparente reflejada, lo que siempre es molesto con respecto a la precisión de medición resultante.
En la práctica, por lo tanto, suele ser menos difícil medir superficies con alta emisividad y, por lo tanto, también intentamos seleccionar el rango espectral de la cámara térmica para que la emisividad de la superficie medida sea lo más grande posible.
La radiación térmica del entorno (2) incide en la superficie del objeto (3), desde donde se refleja en la cámara térmica (1). En el detector de cámara, esta radiación reflejada se suma a la radiación térmica del detector y da como resultado un error de medición.
En la práctica en nuestro día a día, intentamos compensar el efecto de la temperatura aparente reflejada y “restarlo” de los valores medidos para obtener el valor real de la intensidad de la radiación térmica de la superficie del objeto medido.
Parámetros atmosféricos
La temperatura atmosférica, la humedad relativa del aire y la distancia entre la cámara térmica y la superficie del objeto medido se ajustan para corregir el efecto de la atmósfera.
La atmósfera atenúa la radiación térmica de la superficie medida (la atenuación depende principalmente de la humedad relativa y la distancia) y es en sí misma una fuente de radiación térmica. La intensidad de la radiación térmica de la atmósfera depende principalmente de su temperatura, pero también de su composición. En general, cuanto más lejos midas los objetos, mayor es la influencia de la atmósfera.
Corrección de ópticas externas
Algunas cámaras térmicas pueden compensar las llamadas ópticas externas. Por esto se entiende en particular una ventana de infrarrojos, que se puede instalar, por ejemplo, en la puerta de un cuadro de distribución y luego se utiliza como una ventana de visualización que es parcialmente transparente a la radiación de infrarrojos.
Durante el control termográfico, la caja de distribución puede permanecer cerrada, pero se debe tener en cuenta la atenuación y radiación de la ventana de infrarrojos a través de la cual se realiza la medición.
Las cámaras térmicas con esta función permiten ajustar la temperatura y la transmitancia de la ventana de infrarrojos.
Ecuación de termografía
La ecuación de la termografía se relaciona con todos los factores anteriormente mencionados. Es decir, la radiación que incide en el detector de la cámara termográfica es la suma de:
1) la radiación emitida por la superficie del objeto medido (queremos medir estos datos)
2) la radiación reflejada en la superficie del objeto medido (esta radiación es la que proviene de los objetos circundantes y queremos eliminarla)
3) radiación térmica proveniente de la atmósfera, que se encuentra entre la cámara térmica y el objeto medido (esta radiación también debe restarse del valor resultante).
También debe incluirse el efecto de atenuación de la atmósfera, que atenúa tanto la radiación térmica de la superficie del objeto medido como la radiación térmica de los cuerpos circundantes por esta superficie hacia la cámara térmica reflejada.
La situación se ilustra en la siguiente imagen
Por lo tanto, los componentes individuales del flujo radiante que recibe la cámara térmica son:
- Flujo radiante del objeto atenuado por el paso a través de la atmósfera: ετΦ obj (la temperatura del objeto es T obj ).
- El flujo radiante reflejado de las fuentes circundantes es (1− ε ) τ Φ odr , donde (1− ε ) expresa la reflectancia de un objeto. (Suponemos que la radiación del ambiente es radiación de superficies en el hemisferio imaginario que tienen una emisividad = 1 y la misma temperatura T odr ). La temperatura aparente reflejada T odr es la temperatura aparente de otros objetos cuya radiación se refleja desde la superficie del objeto medido a la cámara térmica.
- Flujo radiante emitido por la atmósfera: (1− τ ) Φ atm , donde (1− τ ) expresa la emisividad de la atmósfera cuya temperatura es T atm .
- Se considera que la transparencia total de la óptica de la cámara térmica y el flujo radiante de los componentes ópticos son insignificantes.
Ahora se puede establecer la ecuación para el flujo radiante total que incide en el detector de la cámara térmica. Esta ecuación a veces se denomina ecuación de medición de la cámara térmica o también ecuación de termografía:
Φ celk = ετΦ obj + (1− ε ) τ Φ odr + (1− τ ) Φ atm
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