Introducción
Cuando un termómetro infrarrojo muestra 120,0 °C, esto no significa que la temperatura real de la superficie sea necesariamente exactamente 120,0 °C.
Toda medición real presenta cierto grado de incertidumbre. En termometría infrarroja, esta no depende únicamente de las prestaciones del instrumento, sino también de la emisividad del objetivo, de la temperatura de fondo reflejada, de la distancia de medición, del tamaño del objetivo, del ángulo de medición y de las condiciones ambientales.
Por tanto, en aplicaciones con mayores exigencias no basta con conocer el valor indicado por el instrumento. También es necesario conocer el grado de confianza que puede atribuirse al resultado.
Ese es precisamente el objetivo de la incertidumbre de medición.
Puntos clave
● La incertidumbre de medición proporciona una evaluación cuantitativa de la fiabilidad de un resultado.
● No es sinónimo de error de medición ni equivale directamente a la exactitud especificada del instrumento.
● En termometría infrarroja, puede estar influida por el instrumento, el objetivo, el entorno y el método de medición.
● La emisividad y la temperatura reflejada suelen ser dos de las fuentes de incertidumbre más importantes.
● Una distancia excesiva, un objetivo demasiado pequeño o un ángulo de medición elevado pueden aumentar la incertidumbre.
● En aplicaciones profesionales, las diferentes contribuciones pueden integrarse en un presupuesto de incertidumbre.
¿Qué es la incertidumbre de medición?
La incertidumbre de medición puede entenderse como una descripción cuantitativa del intervalo de valores que razonablemente puede asociarse al mensurando en unas condiciones de medición determinadas.
Por ejemplo, un termómetro infrarrojo puede indicar:
120,0 °C
Después de evaluar el instrumento, la emisividad, el entorno, la repetibilidad y otros factores relevantes, el resultado puede expresarse como:
120,0 °C ± 2,0 °C
Si ±2,0 °C corresponde a una incertidumbre expandida calculada mediante un método establecido, este valor representa un intervalo cuantificado asociado al resultado.
Esto no significa que la temperatura real esté garantizada entre 118 °C y 122 °C, ni que el instrumento haya cometido necesariamente un error de 2 °C. Una declaración rigurosa de incertidumbre debe indicar, cuando corresponda, el método de evaluación, el factor de cobertura o la probabilidad de cobertura.
En aplicaciones industriales generales puede resumirse así: cuanto menor sea la incertidumbre, mayor será normalmente el grado de confianza asociado al resultado.
¿Cuál es la diferencia entre incertidumbre y error de medición?
Ambos conceptos se confunden con frecuencia.
El error de medición describe la diferencia entre:
valor medido − valor de referencia o valor verdadero
Por ejemplo, si una temperatura de referencia conocida es de 100,0 °C y el instrumento indica 101,2 °C, existe una diferencia aproximada de +1,2 °C respecto al valor de referencia.
Sin embargo, en la mayoría de las mediciones reales no se conoce perfectamente el valor verdadero. Por ello, normalmente no es posible determinar con absoluta certeza el error real de medición.
La incertidumbre responde a una pregunta distinta:
¿Qué grado de confianza puede atribuirse al resultado?
Por tanto:
● El error describe la diferencia entre el resultado y un valor de referencia.
● La incertidumbre describe cuantitativamente la duda asociada al resultado.
● Una desviación sistemática conocida puede corregirse en determinadas condiciones.
● Incluso después de aplicar una corrección, normalmente sigue existiendo incertidumbre.
Por ello, error e incertidumbre no deben utilizarse como términos equivalentes.
¿Cuál es la diferencia entre incertidumbre y exactitud del instrumento?
Las especificaciones de un termómetro infrarrojo suelen indicar una exactitud como:
±1,5 °C
o:
±1,5 % de la lectura
Esta especificación es un parámetro importante del instrumento, pero no representa por sí sola la incertidumbre total de una medición real.
El resultado también puede verse influido por:
● el ajuste de emisividad;
● las reflexiones de la superficie;
● la distancia de medición;
● el tamaño del punto de medición;
● la temperatura ambiente;
● el ángulo de medición;
● la absorción atmosférica;
● la distribución de temperatura del objetivo;
● la repetibilidad.
Por tanto:
La exactitud del instrumento es una contribución importante a la incertidumbre, pero no constituye toda la incertidumbre de medición.
Incluso un termómetro de alta exactitud puede producir un resultado con una incertidumbre elevada si la emisividad está mal configurada o si el objetivo no cubre suficientemente el área de medición.
¿Cuáles son las principales fuentes de incertidumbre en termometría infrarroja?
A diferencia de una medición por contacto, el termómetro infrarrojo no toca directamente el objetivo. Calcula la temperatura a partir de la radiación infrarroja recibida desde su superficie.
Cualquier factor que modifique la radiación detectada o su conversión en temperatura puede contribuir a la incertidumbre.
Las principales fuentes pueden agruparse de la siguiente forma.
● Factores del instrumento: exactitud especificada, resolución, repetibilidad, estabilidad a largo plazo, características del detector y estado de calibración.
● Factores del objetivo: emisividad, rugosidad, oxidación, recubrimientos, estado superficial, tamaño del objetivo y uniformidad térmica.
● Factores ambientales: temperatura ambiente, radiación reflejada por objetos calientes cercanos, vapor de agua, humo, polvo y variación térmica del propio instrumento.
● Factores del método de medición: distancia, relación D:S, ángulo, cobertura completa del punto de medición y técnica del operador.
La importancia relativa de cada factor depende de la aplicación.
¿Por qué la emisividad es una fuente importante de incertidumbre?
La emisividad es uno de los parámetros fundamentales de la termometría infrarroja.
El instrumento calcula la temperatura a partir de la radiación térmica emitida por la superficie. Sin embargo, los diferentes materiales no emiten radiación térmica con la misma eficiencia.
Si la emisividad real del objetivo es 0,80 y el instrumento está configurado en 0,95, la conversión entre radiación detectada y temperatura será incorrecta.
Se requiere especial atención al medir:
● metales pulidos;
● aluminio brillante;
● acero inoxidable;
● cobre;
● superficies metalizadas o recubiertas;
● superficies cuyo estado cambia durante el proceso.
Las superficies pintadas, el caucho, los plásticos, el papel y muchos otros materiales no metálicos suelen presentar una emisividad relativamente alta y permiten mediciones más estables.
En materiales de baja emisividad, la propia incertidumbre asociada al valor de emisividad puede convertirse en uno de los principales componentes de la incertidumbre total.
¿Por qué la temperatura reflejada afecta a la incertidumbre?
La radiación recibida por el termómetro no procede necesariamente solo del objetivo.
Para una superficie opaca, la radiación detectada puede entenderse aproximadamente como la suma de:
radiación emitida por el objetivo + radiación ambiental reflejada por la superficie
Las superficies metálicas de baja emisividad y alta reflectividad son especialmente sensibles a las reflexiones procedentes de:
● hornos;
● tuberías calientes;
● elementos calefactores;
● personas;
● techos;
● paredes;
● otros equipos calientes.
Si esta radiación reflejada entra en el campo de visión del instrumento, puede modificar la temperatura indicada.
Si además el entorno térmico varía durante la medición, el efecto resulta más difícil de cuantificar y la incertidumbre aumenta.
Por esta razón, las mediciones infrarrojas de alta exactitud deben considerar tanto la emisividad como la temperatura de fondo reflejada.
¿Por qué la distancia de medición afecta a la incertidumbre?
Un termómetro infrarrojo tiene un campo de visión óptico definido. En la mayoría de los instrumentos, el área medida aumenta a medida que aumenta la distancia.
Esta relación suele expresarse mediante la relación D:S, distancia respecto al diámetro del punto.
Por ejemplo, con una relación D:S de 12:1, una distancia aproximada de 1200 mm corresponde teóricamente a un punto de medición de unos 100 mm de diámetro.
Si el objetivo solo mide 50 mm mientras que el punto de medición alcanza 100 mm, el instrumento puede recibir radiación procedente de:
● el objetivo;
● el fondo;
● estructuras circundantes.
La temperatura indicada deja entonces de representar únicamente al objetivo.
Para reducir esta fuente de incertidumbre, el objetivo debe ser claramente mayor que el punto de medición, y no limitarse a coincidir con su diámetro teórico.
¿Por qué el ángulo de medición puede aumentar la incertidumbre?
Idealmente, la medición infrarroja debe realizarse lo más perpendicular posible a la superficie.
A medida que el ángulo se aleja de la normal:
● el punto de medición se alarga;
● aumenta el área real cubierta;
● la emisividad efectiva de determinados materiales puede variar;
● también puede cambiar la dirección de la radiación reflejada.
En superficies rugosas, no metálicas y de alta emisividad, cambios moderados de ángulo pueden tener un efecto limitado.
En metales lisos, superficies de baja emisividad y aplicaciones de alta precisión, el ángulo puede constituir una fuente importante de incertidumbre.
¿Cómo afecta la temperatura ambiente a la incertidumbre?
Los termómetros infrarrojos también disponen de un rango de temperatura de funcionamiento especificado.
Si un instrumento pasa rápidamente de un ambiente frío a una zona caliente, su óptica, detector y electrónica pueden necesitar tiempo para alcanzar un nuevo equilibrio térmico.
Las mediciones realizadas antes de esta estabilización pueden presentar una incertidumbre mayor.
El entorno también puede influir al:
● modificar la temperatura interna del instrumento;
● cambiar la radiación reflejada del entorno;
● modificar la temperatura del objetivo;
● generar corrientes de aire o gradientes térmicos;
● provocar condensación o contaminación en la lente.
En aplicaciones de alta exactitud, conviene dejar que el instrumento se aclimate antes de realizar mediciones críticas.
¿Por qué son útiles las mediciones repetidas?
Al repetir varias veces la medición de un objetivo estable pueden obtenerse valores ligeramente diferentes, por ejemplo:
120,1 °C
120,3 °C
120,2 °C
120,4 °C
120,2 °C
La dispersión de estos valores puede utilizarse para evaluar la repetibilidad.
En el análisis de incertidumbre, las componentes evaluadas estadísticamente a partir de observaciones repetidas suelen clasificarse como una evaluación de tipo A.
Las componentes basadas en certificados de calibración, especificaciones del fabricante, datos de emisividad, estimaciones ambientales y otras fuentes no estadísticas se tratan normalmente mediante una evaluación de tipo B.
Las distintas incertidumbres estándar pueden combinarse después para obtener la incertidumbre estándar combinada.
¿Qué es un presupuesto de incertidumbre?
En metrología profesional y en laboratorio, normalmente no basta con indicar que un error esperado es “aproximadamente ±2 °C”. En su lugar se establece un presupuesto de incertidumbre.
Una medición infrarroja puede incluir, entre otras, las siguientes contribuciones:
● incertidumbre de calibración del instrumento;
● resolución;
● repetibilidad;
● ajuste de emisividad;
● temperatura reflejada;
● distancia y tamaño del punto de medición;
● variaciones de temperatura ambiente;
● falta de uniformidad térmica del objetivo.
Cada contribución se evalúa como incertidumbre estándar y posteriormente se combina mediante un método matemático apropiado.
La incertidumbre expandida puede expresarse como:
U = k × u₍c₎
donde:
● U es la incertidumbre expandida;
● u₍c₎ es la incertidumbre estándar combinada;
● k es el factor de cobertura.
En muchas aplicaciones se utiliza aproximadamente k = 2, que suele corresponder a una probabilidad de cobertura cercana al 95 %. La interpretación exacta depende del modelo de medición y de las distribuciones de probabilidad, por lo que no debe aplicarse automáticamente en todos los casos.
Ejemplo sencillo de incertidumbre en una medición infrarroja
Supongamos que un termómetro infrarrojo mide la superficie de un equipo e indica:
150,0 °C
Se evalúan las principales contribuciones, entre ellas calibración, repetibilidad, emisividad y temperatura reflejada.
Después de combinarlas, se obtiene por ejemplo:
U = 2,5 °C, k = 2
El resultado puede expresarse como:
150,0 °C ± 2,5 °C (k = 2)
Esta forma de presentación aporta más información que indicar simplemente 150,0 °C.
Comunica tanto el valor medido como una evaluación cuantitativa de su fiabilidad en las condiciones de medición consideradas.
Los ±2,5 °C no representan únicamente la exactitud básica del termómetro, sino la combinación de varias fuentes de incertidumbre.
¿Cómo puede reducirse la incertidumbre?
En la práctica, la incertidumbre puede reducirse mejorando tanto las condiciones como el procedimiento de medición.
● Ajustar correctamente la emisividad según el material y no utilizar el mismo valor para todas las superficies.
● Prestar especial atención a la radiación térmica reflejada al medir metales de baja emisividad.
● Evitar distancias innecesariamente grandes y garantizar que el objetivo cubra completamente el punto de medición.
● Medir lo más perpendicularmente posible a la superficie.
● Evitar medir a través de vidrio convencional, ventanas de plástico o materiales cuya transmisión infrarroja sea desconocida.
● Reducir la influencia de vapor, humo, polvo u otros medios que atenúen la radiación infrarroja.
● Permitir que el instrumento alcance la estabilidad térmica después de un cambio importante de temperatura ambiente.
● Realizar varias mediciones en puntos críticos en lugar de depender de una única lectura.
● En aplicaciones de alta exactitud, calibrar o verificar periódicamente el instrumento mediante equipos de referencia trazables o una fuente de cuerpo negro.
● Estandarizar distancia, ángulo, emisividad y posición de medición cuando sea importante minimizar la variación entre mediciones.
¿Por qué no basta con observar la exactitud especificada?
Supongamos que dos termómetros infrarrojos tienen las siguientes especificaciones:
Instrumento A: ±1,0 °C
Instrumento B: ±1,5 °C
Sobre el papel, el instrumento A parece más exacto.
Sin embargo, si durante la medición con el instrumento A:
● la emisividad está mal configurada;
● la distancia es excesiva;
● el objetivo no llena el punto de medición;
● existe una fuerte radiación reflejada procedente de una fuente caliente;
mientras que el instrumento B se utiliza en condiciones correctamente controladas, el resultado del instrumento B puede ser más fiable.
Por tanto, la calidad de una medición infrarroja no puede evaluarse únicamente a partir de la exactitud indicada en la ficha técnica.
Las prestaciones del instrumento determinan la capacidad básica de medición, mientras que las condiciones de uso determinan si esa capacidad puede alcanzarse realmente.
¿En qué aplicaciones es especialmente importante la incertidumbre?
En una inspección rutinaria puede ser suficiente determinar si una superficie está aproximadamente a 40 °C o a 100 °C. En esos casos no suele ser necesario elaborar un presupuesto completo de incertidumbre.
La incertidumbre adquiere especial importancia en:
● mediciones de laboratorio;
● investigación y desarrollo;
● calibración de temperatura;
● verificación de procesos térmicos;
● procesos industriales de alta temperatura;
● control de calidad;
● comparación entre distintos instrumentos;
● comparaciones interlaboratorio;
● inspecciones con tolerancias de medición definidas.
Cuanto mayores sean los requisitos de la medición, más importante será evaluar no solo el valor indicado, sino también el grado de confianza asociado.
FAQ
Si el termómetro muestra 100 °C, ¿la temperatura real es exactamente 100 °C?
No necesariamente. El valor mostrado se calcula a partir de la radiación infrarroja recibida y de los parámetros utilizados. Las prestaciones del instrumento, la emisividad, la temperatura reflejada, la distancia y las condiciones ambientales pueden afectar al resultado.
¿Una incertidumbre menor siempre es mejor?
En condiciones comparables, una incertidumbre menor suele significar una mayor confianza en el resultado. Sin embargo, reducirla puede requerir mejores instrumentos, mayor control ambiental, mejor calibración y procedimientos de medición más estandarizados.
Si la exactitud del instrumento es ±1,5 °C, ¿la incertidumbre también es ±1,5 °C?
No. ±1,5 °C suele ser una especificación del instrumento. La incertidumbre real puede incluir además calibración, repetibilidad, emisividad, radiación reflejada, distancia y condiciones ambientales.
¿Es necesario calcular la incertidumbre cada vez que se utiliza un termómetro infrarrojo?
No. Las inspecciones industriales rutinarias y el diagnóstico general normalmente no requieren un cálculo completo. La evaluación sistemática de incertidumbre es especialmente relevante en laboratorios, calibración, control de calidad y aplicaciones con tolerancias definidas.
¿Qué influye más en la incertidumbre: la emisividad o la exactitud del instrumento?
No existe una respuesta única. En superficies estables y de alta emisividad, las prestaciones del instrumento pueden ser un factor importante. En metales pulidos y otras superficies de baja emisividad, la emisividad y la temperatura reflejada pueden tener una influencia mucho mayor.
Conclusión
La incertidumbre de medición en termometría infrarroja no indica simplemente cuánto puede “equivocarse” un instrumento. Es un concepto metrológico utilizado para cuantificar el grado de confianza asociado a un resultado de medición.
La incertidumbre puede incluir contribuciones de la exactitud y calibración del instrumento, la repetibilidad, la emisividad, la temperatura reflejada, el tamaño del objetivo, la distancia, el ángulo de medición y las condiciones ambientales.
Una de las principales diferencias entre la medición infrarroja y la medición por contacto es que el resultado depende en gran medida de las propiedades radiativas de la superficie. Incluso con un termómetro de alta exactitud, una emisividad incorrecta, una cobertura insuficiente del punto de medición o reflexiones no controladas pueden generar una incertidumbre considerable.
En mediciones de campo habituales, ajustar correctamente la emisividad, seleccionar una distancia y un ángulo adecuados, asegurar una cobertura suficiente del objetivo y mantener condiciones ambientales estables puede mejorar significativamente la fiabilidad.
En laboratorios, calibración, control de calidad y otras aplicaciones de alta precisión, debe establecerse un presupuesto completo de incertidumbre que permita evaluar de forma sistemática y cuantitativa todas las contribuciones relevantes.
