Introducción

Un termómetro infrarrojo permite medir rápidamente la temperatura superficial de un objeto sin contacto físico. Una de las partes fundamentales que hace posible este proceso es su sistema óptico, diseñado para captar la radiación infrarroja emitida por el objetivo.

En la práctica, un termómetro infrarrojo no mide un único punto matemático. Recibe radiación de una determinada zona de la superficie. El tamaño de esa zona, la distancia de medición utilizable y la posibilidad de incluir superficies circundantes dependen directamente del diseño óptico.

Por ello, comprender el sistema óptico permite interpretar correctamente parámetros como campo de visión, tamaño del punto de medición, relación D:S y resolución óptica, además de reducir errores provocados por una distancia o un tamaño de objetivo inadecuados.

Puntos clave

● El sistema óptico recoge la radiación infrarroja emitida por el objetivo y la dirige hacia el detector.
● Un termómetro infrarrojo mide una superficie determinada, no únicamente el punto láser visible.
● La lente o ventana infrarroja, los diafragmas, los elementos de filtrado y otros componentes ópticos determinan qué radiación llega al detector.
● El campo de visión y el tamaño del punto determinan el área realmente medida a una distancia concreta.
● La relación D:S es un parámetro importante de la resolución óptica. Un valor mayor suele permitir medir objetivos más pequeños desde distancias mayores.
● El láser se utiliza principalmente como ayuda para apuntar y no es el elemento que mide la temperatura.

¿Qué es el sistema óptico de un termómetro infrarrojo?

El sistema óptico puede considerarse el “ojo” del termómetro infrarrojo.

Todo objeto con una temperatura superior al cero absoluto emite radiación electromagnética, incluida radiación infrarroja. El termómetro recoge esta energía mediante su sistema óptico. Posteriormente, el detector infrarrojo la convierte en una señal eléctrica que se procesa para determinar la temperatura superficial.

El proceso básico puede resumirse de la siguiente manera:

● La superficie del objetivo emite radiación infrarroja.
● El sistema óptico recoge la radiación procedente de una zona determinada.
● Los componentes ópticos dirigen o enfocan la energía hacia el detector.
● El detector convierte la radiación recibida en una señal eléctrica.
● La electrónica calcula la temperatura teniendo en cuenta la emisividad, la compensación y los parámetros de calibración.
● El instrumento muestra el valor de temperatura.

El sistema óptico constituye, por tanto, el vínculo entre el objetivo y el detector. Determina qué zona se mide y cómo varía el tamaño del área medida con la distancia.

¿Cuáles son los principales componentes del sistema óptico?

El diseño exacto varía entre modelos, pero normalmente incluye una lente o ventana infrarroja, diafragmas, elementos de filtrado espectral y otros componentes situados delante del detector.

Lente o ventana infrarroja

Su función principal es permitir el paso de la radiación infrarroja dentro de la banda espectral prevista y transmitirla o dirigirla hacia el detector.

Los materiales transparentes a la luz visible no son necesariamente transparentes en la región infrarroja utilizada para la medición de temperatura. Por ello, se emplean materiales ópticos adecuados a la banda espectral del equipo.

Diafragmas y limitación del campo de visión

Los diafragmas limitan el ángulo y el área de la radiación incidente para que el detector reciba principalmente energía procedente del campo de visión previsto.

Sin una limitación adecuada, la radiación emitida por superficies próximas podría influir en mayor medida sobre la lectura.

Filtrado espectral

Los termómetros infrarrojos suelen funcionar dentro de una banda de longitudes de onda específica. Los filtros ópticos, junto con la respuesta espectral del detector, determinan la banda efectiva de funcionamiento.

Muchos termómetros infrarrojos de uso general trabajan, por ejemplo, en la región infrarroja de onda larga, aproximadamente entre 8 y 14 μm. No obstante, la banda exacta depende del producto y debe consultarse en sus especificaciones técnicas.

Detector infrarrojo

Aunque técnicamente forma parte del sistema sensor, el detector trabaja directamente con el sistema óptico. La radiación recogida llega al detector y se convierte en una señal que puede ser procesada por la electrónica.

Por este motivo, instrumentos con tecnologías de detección similares pueden presentar diferentes distancias de medición, tamaños de punto y resoluciones ópticas debido a diferencias en su diseño óptico.

¿Cómo funciona el sistema óptico?

Cuando el termómetro se orienta hacia una superficie, el sistema óptico frontal recibe radiación infrarroja procedente de un campo de visión definido.

Esta energía pasa a través de la lente o ventana, los diafragmas, los filtros y otros elementos ópticos antes de alcanzar el detector. Los cambios en la cantidad de radiación recibida producen cambios correspondientes en la señal del detector.

Sin embargo, el instrumento no convierte simplemente una determinada cantidad de radiación en una temperatura de forma directa.

También tiene en cuenta las características del detector, la compensación de temperatura interna, la emisividad del objetivo, los datos de calibración y los algoritmos de procesamiento.

Un sistema completo de medición infrarroja incluye:

● Sistema óptico — determina qué zona se observa.
● Detector infrarrojo — convierte la radiación en una señal medible.
● Electrónica de procesamiento — amplifica, compensa y procesa la señal.
● Ajuste de emisividad — compensa las diferencias en las propiedades radiativas de las superficies.
● Sistema de visualización — muestra la temperatura calculada.

El sistema óptico determina en primer lugar qué parte del objetivo contribuye realmente a la medición.

¿Qué es el campo de visión?

El campo de visión suele denominarse FOV, Field of View.

Describe la zona espacial desde la que el termómetro recibe radiación infrarroja. Cuando cambia la distancia entre el instrumento y el objetivo, también cambia el área correspondiente.

A corta distancia, la zona medida suele ser relativamente pequeña. A medida que aumenta la distancia, también aumenta normalmente el tamaño del área medida.

Si el objetivo es pequeño y el termómetro se encuentra demasiado lejos, el campo de visión puede incluir simultáneamente el objetivo y las superficies del fondo.

Por ejemplo, al medir una tubería caliente de pequeño diámetro desde una distancia excesiva, el instrumento puede captar también parte de una pared o estructura situada detrás de ella. La lectura dejará entonces de representar exclusivamente la temperatura de la tubería.

¿Qué es el punto de medición?

El punto o área de medición es la superficie de la que el termómetro recibe radiación infrarroja a una distancia determinada.

Aunque suele utilizarse el término “punto”, no se refiere al punto láser visible, sino a la zona real cubierta por el sistema óptico infrarrojo.

El tamaño de esta zona aumenta normalmente con la distancia.

Al medir componentes pequeños, tuberías finas, conexiones eléctricas o puntos calientes localizados, no basta con apuntar correctamente. También debe comprobarse que el área real de medición sea menor que la superficie del objetivo.

Si el objetivo es más pequeño que el área de medición, la radiación de las superficies cercanas puede afectar a la lectura.

¿Qué relación existe entre D:S y el sistema óptico?

D:S significa Distance-to-Spot Ratio, es decir, relación entre distancia y tamaño del punto de medición.

● D representa la distancia entre el termómetro y el objetivo.
● S representa el tamaño aproximado del área de medición a esa distancia.

Por ejemplo, con una relación D:S de 12:1, una distancia aproximada de 1.200 mm puede corresponder, bajo las condiciones especificadas, a un punto de unos 100 mm de diámetro.

A la misma distancia:

● Un instrumento 12:1 mide una zona relativamente mayor.
● Un instrumento 30:1 puede medir una zona más pequeña.
● Una relación de 50:1 o superior resulta más adecuada para objetivos pequeños situados a mayor distancia.

Por tanto, una relación D:S mayor suele permitir medir un área más pequeña desde la misma distancia o el mismo objetivo desde una distancia mayor.

Para conocer el tamaño real del punto debe consultarse el diagrama distancia-punto del fabricante, ya que un sistema óptico real no se comporta como un cono geométrico perfectamente ideal.

¿Por qué el objetivo debe ser mayor que el área de medición?

El objetivo debe cubrir completamente el área medida por el instrumento.

Si el campo de visión incluye también superficies cercanas, la radiación emitida por estas superficies llegará igualmente al detector.

Por ejemplo, si un componente metálico pequeño está a 80 °C y la pared situada detrás se encuentra a 25 °C, una distancia excesiva puede hacer que el punto de medición incluya ambos elementos. El termómetro ya no recibirá exclusivamente radiación del componente.

Como consecuencia, la temperatura mostrada puede diferir notablemente de la temperatura real del objetivo.

Para obtener resultados fiables:

● El objetivo debe cubrir completamente el área de medición.
● Para mayor fiabilidad, la superficie del objetivo debería ser claramente mayor que el punto.
● Para objetivos pequeños, reduzca la distancia siempre que sea posible.
● Si no es posible acercarse, utilice un termómetro con una relación D:S mayor.

El hecho de que el láser esté situado sobre el objetivo no significa necesariamente que el instrumento esté midiendo únicamente ese objetivo.

¿El láser forma parte del sistema que mide la temperatura?

Muchos termómetros infrarrojos portátiles utilizan uno o varios láseres como ayuda para apuntar. Esto puede generar la impresión de que la temperatura se mide mediante el láser.

No es así.

El láser sirve principalmente como referencia de puntería. La temperatura se determina a partir de la radiación infrarroja emitida por la superficie del objetivo.

● El láser facilita la orientación.
● El sistema óptico infrarrojo recoge la radiación térmica.
● El detector convierte esa radiación en una señal.
● La electrónica calcula la temperatura.

Dependiendo del diseño, un láser puede indicar aproximadamente el centro de la zona medida, mientras que algunos sistemas utilizan varios láseres para indicar su extensión aproximada. La relación exacta debe consultarse en las instrucciones del modelo correspondiente.

Para evaluar correctamente el área medida son más importantes la relación D:S y el diagrama distancia-punto que el tamaño visible del punto láser.

¿Por qué es importante la resolución óptica?

La resolución óptica determina la capacidad del termómetro para medir objetivos pequeños o alejados.

En superficies grandes, como paredes, suelos, carcasas de maquinaria o tuberías de gran diámetro, normalmente no se necesita una resolución óptica especialmente elevada.

Sin embargo, resulta más importante para:

● Medir equipos de alta temperatura desde una distancia mayor.
● Medir tuberías estrechas.
● Inspeccionar terminales o conexiones eléctricas.
● Medir zonas localizadas en placas de circuito, motores o componentes mecánicos.
● Medir objetos calientes, móviles o de difícil acceso.
● Medir componentes específicos en espacios reducidos.

Para un mismo objetivo de 20 mm, un instrumento con una relación D:S mayor puede utilizarse normalmente desde una distancia superior.

Por ello, al seleccionar un termómetro infrarrojo deben considerarse no solo el rango de temperatura y la precisión, sino también el tamaño del objetivo, la distancia de trabajo y la resolución óptica.

¿Un termómetro infrarrojo tiene enfoque fijo?

Depende del diseño del instrumento.

Muchos termómetros infrarrojos portátiles de uso general utilizan un sistema óptico fijo que no requiere enfoque manual. El usuario simplemente selecciona una distancia adecuada basándose en la relación D:S y el diagrama distancia-punto.

Algunos equipos diseñados para objetivos muy pequeños o aplicaciones industriales específicas pueden utilizar enfoque cercano, enfoque ajustable u otras configuraciones ópticas especiales.

Por tanto, para objetivos muy pequeños no siempre basta con una relación D:S elevada. También debe comprobarse el tamaño mínimo del punto a la distancia de trabajo prevista.

¿Qué factores pueden afectar a la medición óptica?

Además del propio diseño del instrumento, las condiciones de uso pueden influir en la radiación que llega al detector.

Distancia excesiva

A medida que aumenta la distancia, el punto de medición se hace mayor. Si supera el tamaño del objetivo, el entorno puede influir en la lectura.

Objetivo demasiado pequeño

Si el objetivo no llena el campo de visión, el instrumento puede recibir también radiación procedente de las superficies cercanas.

Lente o ventana infrarroja sucia

Polvo, aceite, humedad u otros contaminantes pueden reducir la transmisión efectiva de radiación.

Trayectoria óptica obstruida

Un obstáculo entre el instrumento y el objetivo puede impedir que la radiación alcance correctamente el sistema óptico.

Medición a través de vidrio convencional

Que un vidrio sea transparente a la luz visible no significa que sea transparente en la banda infrarroja utilizada por el termómetro. Por ello, normalmente no es posible medir directamente la temperatura real de un objeto situado detrás de vidrio común.

Humo, vapor o polvo intenso

Estos medios pueden absorber, dispersar o modificar la radiación infrarroja que viaja entre el objetivo y el instrumento.

Ángulo de medición excesivo

Siempre que sea posible, conviene orientar el instrumento aproximadamente perpendicular a la superficie. Los ángulos muy pronunciados modifican el área efectiva medida y pueden aumentar la influencia de la radiación reflejada.

¿Cómo utilizar correctamente un termómetro infrarrojo teniendo en cuenta su óptica?

Para aprovechar correctamente las características ópticas:

● Compruebe la relación D:S antes de medir.
● Consulte el diagrama distancia-punto del fabricante.
● Asegúrese de que el objetivo sea mayor que el área de medición real.
● Reduzca la distancia para objetivos pequeños.
● Utilice una mayor resolución óptica para objetivos pequeños a mayor distancia.
● No interprete el tamaño del punto láser como el tamaño real de la zona medida.
● Mantenga limpia la lente o ventana infrarroja.
● Evite medir a través de vidrio, humo denso, vapor u otros medios similares.
● Oriente el instrumento lo más perpendicular posible a la superficie.
● Ajuste correctamente la emisividad según el material del objetivo.

El sistema óptico determina qué zona se mide, mientras que la emisividad influye en la conversión de la radiación recibida en una temperatura.

Por tanto, una medición fiable requiere una combinación adecuada de tamaño del objetivo, distancia, condiciones ópticas y emisividad.

FAQ

¿Para qué sirve el sistema óptico de un termómetro infrarrojo?

Recoge la radiación infrarroja procedente de una zona determinada y la dirige hacia el detector, al mismo tiempo que limita el campo de visión del instrumento.

¿El termómetro mide la temperatura exactamente donde está el punto láser?

No. El láser sirve principalmente como ayuda de puntería. La medición real corresponde al área cubierta por el campo de visión óptico.

¿Por qué aumenta el área medida al aumentar la distancia?

Porque el termómetro tiene un campo de visión definido. Al aumentar la distancia, ese campo cubre una superficie física mayor.

¿Una relación D:S mayor siempre es mejor?

Una relación mayor ofrece una resolución óptica superior y resulta útil para objetivos pequeños o alejados. Sin embargo, también deben tenerse en cuenta el rango de temperatura, la precisión, el tiempo de respuesta, la emisividad y la aplicación.

¿Qué ocurre si el objetivo es más pequeño que el punto de medición?

La radiación de las superficies circundantes puede formar parte de la medición y modificar la temperatura indicada.

¿Se puede medir a través de vidrio común?

En general, no. El vidrio convencional no es transparente para muchas de las longitudes de onda infrarrojas utilizadas por estos instrumentos.

¿Una ventana óptica sucia puede afectar al resultado?

Sí. El polvo, el aceite o la humedad pueden reducir la transmisión de radiación. La superficie óptica debe mantenerse limpia de acuerdo con las instrucciones del fabricante.

Conclusión

El sistema óptico es un elemento esencial entre el objetivo y el detector infrarrojo. Su función principal es recoger la radiación emitida por una zona definida y transmitirla eficazmente al sensor.

El diseño óptico determina directamente el campo de visión, el tamaño del punto de medición, la relación D:S y la resolución óptica. Estos parámetros definen el tamaño de objetivo que puede medirse de forma fiable desde una distancia determinada.

En la práctica, no basta con comprobar que el láser apunte al objetivo. También es necesario asegurarse de que el área real de medición quede completamente contenida dentro de la superficie que se desea medir. Para objetivos pequeños o distantes, la relación D:S y el diagrama distancia-punto son especialmente importantes.

Comprender correctamente el sistema óptico permite seleccionar una distancia adecuada, reducir la influencia de las superficies circundantes y obtener mediciones de temperatura sin contacto más estables y fiables.