Introducción

Un termómetro infrarrojo no mide la temperatura mediante contacto directo con el objeto. Detecta la radiación infrarroja emitida por la superficie y calcula su temperatura teniendo en cuenta la intensidad de la radiación, la emisividad y otros parámetros.

Por ello, dos objetos con exactamente la misma temperatura real pueden generar señales infrarrojas diferentes si sus materiales o estados superficiales son distintos.

La rugosidad superficial es uno de los factores que pueden modificar las características de emisión y reflexión infrarroja de una superficie.

Este efecto resulta especialmente importante al medir metales. Un mismo material puede comportarse de forma diferente después de procesos de pulido, lijado, granallado, oxidación o recubrimiento. Si se utiliza el mismo ajuste de emisividad para todas estas condiciones superficiales, pueden producirse errores de medición.

Puntos clave

● La medición de temperatura por infrarrojos depende en gran medida de la emisividad de la superficie.
● La rugosidad superficial puede modificar tanto la emisión como la reflexión de la radiación infrarroja.
● En muchos metales, las superficies lisas y pulidas suelen presentar baja emisividad y alta reflectividad.
● Las superficies metálicas rugosas, oxidadas o tratadas suelen ser más fáciles de medir de forma estable que las superficies muy pulidas.
● La rugosidad no es el único factor que determina la emisividad; también influyen el material, la oxidación, los recubrimientos, la longitud de onda y la temperatura.
● Para medir superficies de baja emisividad con mayor precisión, el ajuste debe basarse en el estado real de la superficie y no únicamente en el nombre del material.

¿Por qué la medición infrarroja depende del estado de la superficie?

Todo objeto con una temperatura superior al cero absoluto emite radiación infrarroja. Sin embargo, no todas las superficies emiten energía infrarroja con la misma eficiencia.

Esta propiedad se expresa mediante la emisividad ε. Un cuerpo negro ideal tiene una emisividad de 1, mientras que los materiales reales suelen presentar valores inferiores.

Para un objeto opaco, la relación puede simplificarse como:

Emisividad ε + Reflectividad ρ ≈ 1

Esto significa que una superficie con baja emisividad suele reflejar una mayor proporción de la radiación infrarroja procedente del entorno.

La señal recibida por un termómetro infrarrojo puede contener:

● Radiación infrarroja emitida por el propio objeto;
● Radiación infrarroja del entorno reflejada por la superficie hacia el instrumento.

Cuanto mayor sea la capacidad de la superficie para reflejar la radiación ambiental, mayor será la influencia potencial de fuentes térmicas cercanas, maquinaria, paredes, operadores u otros objetos.

¿Por qué la rugosidad modifica las características de la radiación infrarroja?

A escala microscópica, una superficie real nunca es completamente plana. El lijado, el granallado, la fundición, la corrosión y otros procesos generan pequeñas irregularidades, cavidades y relieves.

Estas estructuras modifican la forma en que la radiación infrarroja interactúa con la superficie.

En una superficie muy lisa, la radiación incidente tiende a producir una reflexión especular, similar a la de un espejo. Como consecuencia, el termómetro puede recibir radiación reflejada procedente de una fuente térmica situada en una dirección concreta.

Una superficie rugosa dispersa la radiación en múltiples direcciones. Además, parte de la radiación puede experimentar varias reflexiones y absorciones dentro de las microcavidades.

En muchos materiales, especialmente en los metales, este comportamiento puede aumentar la emisividad efectiva y reducir la reflexión especular pronunciada.

Por este motivo, un mismo metal puede presentar un comportamiento muy diferente en medición infrarroja dependiendo del acabado de su superficie.

¿Por qué las superficies metálicas brillantes son especialmente difíciles de medir?

Los metales brillantes y pulidos se encuentran entre los objetivos más difíciles para un termómetro infrarrojo.

El aluminio sin oxidar, el acero inoxidable, el cobre y otros metales similares pueden presentar una emisividad infrarroja relativamente baja y una reflectividad elevada.

Esto significa que solo una parte limitada de la radiación recibida por el instrumento puede proceder del propio metal, mientras que una proporción mayor puede corresponder a radiación ambiental reflejada.

Por ejemplo, si una superficie metálica pulida y caliente refleja radiación procedente de un entorno más frío, la temperatura indicada puede ser inferior a la temperatura real. Por el contrario, si refleja la radiación de un calefactor, una máquina caliente o del propio operador, la lectura puede aumentar.

Por tanto, los errores al medir metales brillantes no implican necesariamente una falta de precisión del termómetro. Pueden deberse principalmente a las propiedades infrarrojas de la superficie.

¿Una superficie más rugosa siempre tiene mayor emisividad?

No puede afirmarse de forma general que “cuanto más rugosa sea una superficie, mayor será su emisividad”.

En muchos metales de baja emisividad, el lijado, el granallado u otros tratamientos de rugosidad pueden aumentar la emisividad efectiva respecto a una superficie altamente pulida. Sin embargo, la emisividad real depende también de otros factores.

Entre ellos:

● Tipo de material;
● Grado de oxidación;
● Presencia de aceite, polvo, corrosión o contaminación;
● Pinturas, recubrimientos o tratamientos superficiales;
● Rango de longitudes de onda infrarrojas utilizado;
● Temperatura del objeto;
● Método de acabado de la superficie.

Por tanto, la rugosidad superficial es solo uno de los factores que influyen en la emisividad, no el único.

En muchos materiales no metálicos de alta emisividad, como plásticos, caucho, madera, cerámica y superficies pintadas, el efecto relativo de la rugosidad suele ser menor que en metales brillantes.

¿Por qué las superficies metálicas oxidadas suelen ser más fáciles de medir?

La oxidación puede modificar considerablemente las propiedades ópticas e infrarrojas de una superficie metálica.

Sobre un metal inicialmente brillante puede formarse una capa de óxido que reduzca la reflectividad y aumente su capacidad para emitir radiación infrarroja. Por este motivo, en muchas aplicaciones una superficie metálica oxidada presenta una emisividad significativamente mayor que el mismo material limpio y pulido.

Una misma pieza metálica puede contener simultáneamente:

● Zonas brillantes recién mecanizadas;
● Zonas lijadas o mates;
● Zonas oxidadas;
● Zonas cubiertas de aceite o algún recubrimiento.

Aunque las temperaturas reales de estas zonas sean muy similares, un termómetro infrarrojo con el mismo ajuste de emisividad puede mostrar valores distintos.

Por ello, en las mediciones industriales es recomendable seleccionar zonas con un estado superficial uniforme.

La rugosidad también modifica la dirección de la reflexión infrarroja

La rugosidad no solo afecta a la emisividad, sino también a la forma en que se refleja la radiación.

Los metales lisos pueden presentar una reflexión especular intensa. Si cambia el ángulo de medición, también puede variar la cantidad y el origen de la radiación ambiental reflejada hacia el termómetro.

Las superficies rugosas suelen dispersar la radiación reflejada en un rango más amplio de direcciones y se comportan menos como un espejo infrarrojo orientado hacia una fuente concreta.

Por esta razón, una misma superficie metálica brillante puede producir lecturas diferentes cuando se mide desde distintos ángulos.

Para reducir este efecto:

● Medir lo más cerca posible de la perpendicular a la superficie;
● Evitar objetos claramente más calientes o más fríos en las proximidades;
● Evitar que la radiación térmica del operador se refleje hacia el instrumento;
● Mantener constantes el ángulo y la posición cuando se comparen mediciones.

¿Cómo debe ajustarse la emisividad en superficies con distinta rugosidad?

Si el termómetro infrarrojo permite ajustar la emisividad, el valor debe corresponder al estado real de la superficie y no basarse únicamente en el nombre del material.

Por ejemplo, no existe un único valor de emisividad para el acero inoxidable válido en todas las condiciones.

El acero inoxidable pulido, cepillado, oxidado o recubierto puede presentar valores de emisividad considerablemente diferentes.

Para aplicaciones que requieren mayor exactitud, pueden utilizarse los siguientes métodos:

● Consultar datos de emisividad correspondientes tanto al material como a su estado superficial específico;
● Determinar un ajuste adecuado mediante una medición de referencia a temperatura conocida;
● Cuando sea posible, aplicar una cinta de alta emisividad conocida o un recubrimiento adecuado en la zona de medición;
● En mediciones periódicas sobre el mismo componente, mantener constante la zona y el estado superficial.

Un valor obtenido únicamente de una tabla genérica de materiales debe considerarse normalmente como una referencia inicial.

¿Por qué debe mantenerse un estado superficial similar al comparar temperaturas?

En tareas de mantenimiento, los termómetros infrarrojos se utilizan con frecuencia para comparar temperaturas en diferentes puntos.

Entre los ejemplos habituales se encuentran rodamientos, carcasas de motores, conexiones eléctricas y tuberías metálicas.

Sin embargo, si los puntos presentan estados superficiales diferentes, por ejemplo una zona pulida y otra oxidada, pueden obtenerse temperaturas indicadas distintas aunque la temperatura real sea la misma.

Para conseguir comparaciones fiables, conviene mantener:

● Materiales iguales o similares;
● Rugosidad y grado de oxidación comparables;
● Ajustes de emisividad adecuados y consistentes;
● Distancias y ángulos de medición similares;
● El punto de medición completamente dentro de la superficie objetivo.

El control de estas condiciones mejora la comparabilidad y la repetibilidad de las mediciones infrarrojas.

¿Cómo puede reducirse en la práctica la influencia de la rugosidad?

En superficies habituales de alta emisividad, la rugosidad normalmente no requiere precauciones especiales. En cambio, los metales y otros materiales de baja emisividad necesitan mayor atención.

En la práctica se recomienda:

● Identificar antes de medir si la superficie es brillante, mate, oxidada, recubierta o tratada;
● No asumir que todos los estados superficiales de un mismo material tienen la misma emisividad;
● Elegir, siempre que sea posible, una zona con rugosidad y estado superficial uniformes;
● Evitar áreas muy reflectantes y zonas donde puedan reflejarse fuentes térmicas del entorno;
● Aplicar una corrección de emisividad adecuada al medir metales de baja emisividad;
● Cuando se permita modificar la superficie, utilizar cinta de alta emisividad o un recubrimiento adecuado para crear una zona de referencia;
● En mediciones de tendencia a largo plazo, mantener constantes la posición, la distancia, el ángulo y el estado superficial.

El objetivo no consiste simplemente en “hacer la superficie más rugosa”. Lo importante es comprender y controlar la emisividad y la reflectividad de la superficie que realmente se está midiendo.

FAQ

¿Una superficie más rugosa proporciona siempre una medición infrarroja más precisa?
No. Muchos metales de baja emisividad son más fáciles de medir después de aumentar su rugosidad, pero la precisión sigue dependiendo del ajuste de emisividad, la radiación reflejada del entorno, el ángulo, el tamaño del punto de medición y el rendimiento del instrumento.

¿Por qué distintas zonas del mismo metal pueden mostrar temperaturas diferentes?
Además de posibles diferencias reales de temperatura, las variaciones de pulido, oxidación, desgaste, contaminación, corrosión o recubrimiento pueden modificar la emisividad y, por tanto, la temperatura infrarroja indicada.

¿Es más fácil medir un metal mate que uno pulido?
En muchos casos, sí. Las superficies mates, lijadas u oxidadas suelen presentar características infrarrojas más favorables que las superficies muy pulidas. Aun así, la emisividad debe ajustarse al material y al estado superficial reales.

¿La rugosidad también afecta mucho a los plásticos y al caucho?
Normalmente menos que a los metales brillantes. Muchos plásticos, cauchos, pinturas y otros materiales no metálicos presentan de forma natural una emisividad relativamente alta. Sin embargo, el comportamiento exacto depende del material y del rango espectral utilizado.

¿Puedo utilizar directamente la tabla de emisividad del manual?
Puede utilizarse como referencia, pero no representa necesariamente todas las condiciones reales. Los valores publicados suelen corresponder a materiales, temperaturas, acabados superficiales y rangos espectrales específicos. También deben considerarse la oxidación, el mecanizado, la contaminación y los recubrimientos presentes en la superficie real.

Conclusión

La rugosidad superficial afecta a la medición de temperatura por infrarrojos porque modifica la forma en que una superficie emite y refleja la radiación infrarroja.

En muchos metales, las superficies altamente pulidas presentan baja emisividad y alta reflectividad, por lo que son especialmente sensibles a la radiación reflejada procedente del entorno. El lijado, la oxidación u otros tratamientos superficiales pueden aumentar la emisividad efectiva y proporcionar mediciones más estables.

Sin embargo, la rugosidad no es el único factor relevante. El material, el grado de oxidación, el recubrimiento, el rango espectral, el ángulo de medición y la radiación ambiental reflejada también influyen en el resultado final.

Para obtener mediciones infrarrojas fiables, es más importante conocer el estado real de la superficie medida que seleccionar la emisividad únicamente en función del nombre del material. Un ajuste correcto de la emisividad y unas condiciones de medición consistentes son especialmente importantes en superficies de baja emisividad y alta reflectividad.