Introducción

Un termómetro infrarrojo permite medir rápidamente la temperatura superficial de un objeto sin establecer contacto físico con él. El componente esencial que hace posible esta medición no es el láser, sino el detector infrarrojo situado en el interior del instrumento.

En muchos termómetros infrarrojos portátiles, este detector es un sensor de termopila. Su función consiste en recibir la radiación infrarroja emitida por la superficie del objeto y convertir la energía absorbida en una señal de tensión muy pequeña. A continuación, el instrumento aplica compensación de temperatura, amplificación, conversión analógico-digital y algoritmos de cálculo para obtener la temperatura mostrada en pantalla.

Comprender el funcionamiento de una termopila también permite entender por qué factores como la emisividad, la distancia de medición, el tamaño del objetivo, la temperatura reflejada del entorno y la temperatura ambiente pueden influir en el resultado.

Puntos clave

● La termopila no mide directamente la temperatura; primero detecta la energía infrarroja emitida por el objeto.
● El sistema óptico concentra la radiación infrarroja sobre el área sensible de la termopila.
● Mediante el efecto termoeléctrico, la termopila convierte la diferencia de temperatura entre las uniones sensibles y las uniones de referencia en una pequeña tensión eléctrica.
● Como la señal depende también de la temperatura del propio sensor, el termómetro necesita compensación de temperatura ambiente o de la unión de referencia.
● La temperatura superficial se calcula utilizando la señal de la termopila, la temperatura del sensor, la emisividad, los datos de calibración y los algoritmos internos.
● Una óptica contaminada, un objetivo demasiado pequeño, una superficie de baja emisividad o una fuerte radiación reflejada pueden alterar la energía infrarroja que llega al sensor.

¿Qué es un sensor de termopila?

Una termopila es un detector infrarrojo que convierte la radiación térmica en una señal eléctrica. Normalmente está formada por varios termopares microscópicos conectados en serie, cada uno compuesto por dos materiales con propiedades termoeléctricas diferentes.

Cuando el área sensible absorbe radiación infrarroja, su temperatura aumenta ligeramente. La diferencia de temperatura resultante entre las uniones sensibles y las uniones de referencia genera una tensión termoeléctrica.

La tensión producida por un solo termopar es muy pequeña. Por ello, se conectan múltiples termopares en serie para que sus tensiones se sumen y formen una señal más fácil de detectar y procesar.

De forma simplificada, la termopila:

● Recibe radiación infrarroja;
● Convierte la energía radiante en un pequeño aumento de temperatura;
● Convierte esa diferencia de temperatura en tensión eléctrica;
● Envía la señal a la electrónica del instrumento para su posterior procesamiento.

La termopila realiza así la conversión fundamental de energía infrarroja en señal eléctrica.

¿Por qué una termopila puede detectar un objeto?

Cualquier objeto cuya temperatura sea superior al cero absoluto emite radiación electromagnética, y parte de esta energía se encuentra en la región infrarroja del espectro.

Cuando cambia la temperatura de un objeto, también cambian la intensidad y la distribución espectral de su radiación infrarroja. Los termómetros infrarrojos utilizan esta relación entre radiación térmica y temperatura para realizar mediciones sin contacto.

Cuando el instrumento se dirige hacia una superficie, parte de la radiación emitida por la zona de medición entra en el sistema óptico y se dirige hacia la termopila.

El sensor no necesita entrar en contacto con el objetivo ni requiere que este transmita una señal activa. Simplemente detecta la radiación térmica que el objeto emite de forma natural.

Este principio permite realizar mediciones rápidas de temperatura superficial desde cierta distancia.

¿Cómo llega la radiación infrarroja hasta la termopila?

Solo una parte de la radiación emitida por el objetivo alcanza el detector. Por ello, el termómetro dispone de un sistema óptico diseñado para captar la radiación procedente de un campo de visión determinado y concentrarla sobre el área sensible de la termopila.

El sistema suele incluir:

● Una lente infrarroja o ventana óptica;
● Un diafragma y una trayectoria óptica interna;
● El área sensible del sensor de termopila.

La óptica determina el tamaño de la superficie medida a una distancia determinada. Por tanto, está directamente relacionada con la relación D:S (Distance-to-Spot Ratio).

A medida que aumenta la distancia de medición, normalmente también aumenta el diámetro de la zona medida. Si el objetivo es menor que dicha zona, el sensor puede recibir además radiación infrarroja procedente del fondo.

En ese caso, la temperatura indicada puede representar una combinación de la radiación del objetivo y del entorno, en lugar de corresponder exclusivamente a la temperatura real de la superficie que se desea medir.

¿Cómo convierte una termopila la radiación infrarroja en tensión eléctrica?

El principio de funcionamiento de una termopila se basa en el efecto termoeléctrico.

El sensor contiene normalmente dos zonas térmicas principales:

● Uniones sensibles que absorben radiación infrarroja y aumentan ligeramente de temperatura;
● Uniones de referencia conectadas térmicamente al sustrato o a la estructura interna del sensor.

Cuando la radiación infrarroja alcanza la zona absorbente, las uniones sensibles se calientan ligeramente mientras que las uniones de referencia permanecen relativamente estables.

Esto genera una diferencia de temperatura.

Un termopar formado por dos materiales distintos genera una tensión termoeléctrica cuando existe una diferencia de temperatura entre sus uniones. Cada termopar produce así una tensión muy pequeña.

Al conectar muchos termopares en serie, estas tensiones se suman y forman la señal de salida de la termopila.

Cuando cambia la radiación infrarroja procedente del objetivo, también cambia la diferencia de temperatura dentro del sensor y, por tanto, su tensión de salida.

En condiciones de funcionamiento definidas, la señal de la termopila está relacionada con la cantidad de radiación infrarroja absorbida por el detector.

¿Por qué la señal de la termopila no permite obtener directamente la temperatura del objetivo?

La termopila detecta una diferencia de temperatura causada por la radiación absorbida. No genera directamente una señal equivalente a 50°C o 200°C.

Además, su señal depende de la temperatura del propio sensor.

Por ejemplo, si la temperatura del objetivo permanece constante pero la temperatura interna del termómetro cambia de 20°C a 40°C, también se modifican las condiciones térmicas de las uniones sensibles y de referencia. Si el instrumento utilizara únicamente la tensión de la termopila sin considerar su propia temperatura, podrían producirse errores importantes.

Por esta razón, los termómetros infrarrojos suelen incorporar un sensor de temperatura adicional cerca de la termopila para medir la temperatura del propio detector o una temperatura interna de referencia.

Según el diseño, puede denominarse:

● Temperatura ambiente;
● Temperatura del sensor;
● Temperatura de la unión de referencia;
● Temperatura de la unión fría.

La terminología puede variar entre diseños, pero la finalidad es la misma: compensar la señal de la termopila en función de su propia temperatura de funcionamiento.

¿Cómo calcula el termómetro la temperatura a partir de la señal de la termopila?

Desde la radiación emitida por el objetivo hasta la temperatura indicada en pantalla, el proceso normalmente comprende las siguientes etapas:

● El objetivo emite radiación infrarroja;
● El sistema óptico capta la radiación procedente del campo de visión especificado;
● La energía infrarroja llega al área absorbente de la termopila;
● Las uniones sensibles experimentan un pequeño aumento de temperatura;
● Se crea una diferencia de temperatura entre las uniones sensibles y las de referencia;
● La termopila genera una pequeña tensión eléctrica;
● La etapa analógica amplifica y filtra la señal;
● Un convertidor analógico-digital convierte la señal en datos digitales;
● El instrumento mide simultáneamente la temperatura del sensor o la temperatura interna de referencia;
● El microprocesador combina la señal de la termopila, la temperatura del sensor, la emisividad y los parámetros de calibración;
● La temperatura superficial calculada se muestra en pantalla.

La temperatura indicada por un termómetro infrarrojo no es, por tanto, una lectura directa de la termopila, sino el resultado de todo el sistema óptico, sensor, electrónico y de cálculo.

¿Por qué una termopila necesita compensación de temperatura ambiente?

La termopila responde fundamentalmente a una diferencia de temperatura.

Si cambia la temperatura del instrumento, también puede cambiar la temperatura de las uniones de referencia aunque la temperatura del objetivo permanezca constante. Esto modifica la señal de salida.

Por este motivo, un termómetro infrarrojo trasladado rápidamente de un ambiente exterior frío a una estancia cálida, o de un entorno caliente a otro más frío, puede necesitar un cierto tiempo para alcanzar la estabilidad térmica.

Mientras existan gradientes de temperatura significativos en el interior, la termopila, el sensor de referencia, la óptica y la electrónica pueden no encontrarse todavía en equilibrio térmico. Durante ese periodo pueden producirse desviaciones en la lectura.

Los termómetros infrarrojos modernos utilizan algoritmos de compensación para reducir este efecto. No obstante, después de un cambio importante de temperatura ambiente sigue siendo recomendable permitir que el instrumento se estabilice.

¿Por qué la emisividad afecta a la medición de la termopila?

La termopila solo puede detectar la radiación infrarroja que realmente llega al sensor. No puede distinguir automáticamente qué parte ha sido emitida por el propio objetivo y qué parte procede del entorno y ha sido reflejada por su superficie.

La capacidad de una superficie para emitir radiación infrarroja se representa mediante su emisividad ε.

Muchas superficies pintadas, plásticos, cauchos y materiales no metálicos presentan una emisividad relativamente alta. En cambio, el aluminio pulido, el cobre, el acero inoxidable brillante y otros metales pueden presentar una emisividad mucho menor.

Una superficie de baja emisividad emite menos radiación propia y puede reflejar una mayor proporción de la radiación térmica del entorno.

La señal recibida por la termopila puede incluir:

● Radiación infrarroja emitida directamente por el objetivo;
● Radiación procedente de fuentes térmicas del entorno y reflejada hacia el instrumento por la superficie del objetivo.

Si el valor de emisividad configurado no corresponde a la superficie real, la temperatura calculada puede presentar un error significativo.

Por tanto, la emisividad no es una propiedad de la termopila, sino un parámetro de la superficie que el algoritmo del termómetro necesita para interpretar correctamente la señal infrarroja.

¿De qué depende el tiempo de respuesta de una termopila?

La termopila debe absorber radiación, experimentar un pequeño aumento de temperatura, generar una diferencia térmica y convertirla en señal eléctrica. Su velocidad de respuesta depende en gran medida de la masa térmica y de la estructura del detector.

Una estructura sensible de poca masa y baja capacidad térmica puede responder con mayor rapidez a los cambios de radiación.

Las termopilas modernas fabricadas mediante técnicas de micromecanizado utilizan estructuras sensibles muy pequeñas para conseguir tiempos de respuesta reducidos.

Sin embargo, el tiempo de respuesta de un termómetro infrarrojo completo no depende únicamente de la termopila. También intervienen:

● El diseño del sistema óptico;
● La amplificación y el filtrado de la señal;
● La velocidad de conversión analógico-digital;
● Los algoritmos de filtrado digital;
● La frecuencia de actualización de la pantalla.

Por este motivo, el tiempo de respuesta indicado en las especificaciones suele describir el comportamiento dinámico del sistema de medición completo, no solo el del sensor de termopila.

¿Qué factores afectan a la señal infrarroja que recibe la termopila?

Aunque el sensor funcione correctamente, cualquier variación en la radiación que llega hasta él puede modificar la medición final.

Entre los factores más habituales se encuentran:

● Objetivo demasiado pequeño. Si el objetivo es menor que la zona de medición, la radiación del fondo influirá en el resultado.
● Distancia de medición excesiva. Al aumentar la distancia, aumenta el tamaño de la zona medida y es más probable incluir superficies adyacentes.
● Baja emisividad del objetivo. Los metales brillantes y otras superficies de baja emisividad se ven más afectados por la radiación reflejada.
● Objetos calientes en el entorno. Hornos, elementos calefactores, luz solar directa u otras fuentes térmicas pueden reflejarse en la superficie hacia el sensor.
● Ventana óptica contaminada. Polvo, aceite, humedad o condensación pueden reducir o modificar la radiación que llega a la termopila.
● Vapor, humo o partículas en la trayectoria de medición. Parte de la radiación puede ser absorbida o dispersada.
● Cambios rápidos en la temperatura del instrumento. Las lecturas pueden desviarse antes de que la termopila y el sistema de referencia alcancen la estabilidad térmica.
● Ángulo de medición inadecuado. En determinadas superficies, un ángulo elevado puede modificar las condiciones efectivas de emisión y reflexión.

Una medición infrarroja fiable depende, por tanto, de toda la trayectoria de la radiación entre el objetivo y el sensor.

¿Qué relación existe entre la termopila y el láser de un termómetro infrarrojo?

Se trata esencialmente de dos sistemas funcionales distintos.

El láser se utiliza principalmente como ayuda de puntería para indicar la dirección aproximada de medición. Normalmente no participa en la detección de temperatura.

La medición real depende de:

● El sistema óptico infrarrojo;
● El sensor de termopila;
● El circuito de compensación de temperatura;
● El procesamiento de señales y el cálculo de temperatura.

Por tanto, un punto láser pequeño no significa que el termómetro mida únicamente esa pequeña superficie.

El área real de medición está determinada por el campo de visión óptico y por la relación D:S.

Además, la posición del láser no representa necesariamente todo el campo de medición infrarrojo. El tamaño adecuado del objetivo debe determinarse a partir de la relación D:S y de la distancia de medición, y no únicamente observando el punto láser.

¿Cuál es la diferencia entre una termopila y un termopar?

Aunque una termopila suele estar formada por varios termopares, su función en un termómetro infrarrojo es distinta de la de una sonda de termopar de contacto.

Un termopar de contacto necesita tocar directamente el objeto. Mediante transferencia de calor, su unión de medición se aproxima progresivamente a la temperatura del objetivo y la tensión termoeléctrica permite calcular la temperatura de contacto.

Una termopila no necesita entrar en contacto con el objetivo.

Sus pequeños termopares detectan la diferencia de temperatura provocada por la absorción de radiación infrarroja, lo que permite al instrumento estimar indirectamente la temperatura superficial del objeto.

En términos sencillos:

● Un termopar de contacto mide la temperatura que alcanza la sonda mediante intercambio térmico con el objetivo;
● Una termopila infrarroja mide el efecto térmico producido por la radiación infrarroja emitida por el objetivo.

Ambos utilizan principios termoeléctricos, pero difieren en construcción, método de medición y aplicaciones.

¿Por qué las termopilas son adecuadas para termómetros infrarrojos portátiles?

Los sensores de termopila ofrecen varias ventajas prácticas:

● Responden directamente a la radiación infrarroja sin necesidad de emitir energía de medición hacia el objetivo;
● Permiten realizar mediciones completamente sin contacto;
● Su tamaño compacto facilita la integración en instrumentos portátiles;
● Con una óptica y un procesamiento adecuados pueden cubrir un amplio rango de temperaturas;
● Su consumo relativamente bajo resulta adecuado para instrumentos alimentados por batería;
● Se integran fácilmente con sensores de temperatura de referencia, microprocesadores y algoritmos digitales de compensación.

Por estas razones, las termopilas se utilizan ampliamente en termómetros infrarrojos portátiles y otros equipos de medición de temperatura infrarroja sin contacto.

FAQ

¿Un sensor de termopila mide directamente la temperatura?
No. Primero detecta el efecto térmico producido por la radiación infrarroja sobre su área sensible y genera una tensión correspondiente. El termómetro calcula después la temperatura utilizando la temperatura del sensor, la emisividad, los parámetros de calibración y otros datos de compensación.

¿La termopila necesita tocar el objeto?
No. Detecta la radiación infrarroja emitida por el objetivo, por lo que permite realizar una medición completamente sin contacto.

¿El láser del termómetro infrarrojo procede de la termopila?
No. El láser suele formar parte de un sistema de puntería independiente. La radiación infrarroja entra a través de la óptica y llega a la termopila. El láser normalmente no interviene en la medición de temperatura.

¿Por qué el termómetro necesita medir también su temperatura interna?
Porque la señal de la termopila depende de la diferencia de temperatura entre las uniones sensibles y las de referencia. El instrumento necesita conocer la temperatura del sensor o de referencia para calcular correctamente la temperatura del objetivo.

¿Puede una termopila medir con precisión cualquier material?
Puede detectar radiación infrarroja procedente de diferentes materiales, pero la precisión final también depende de la emisividad, la reflectividad de la superficie, la distancia, el tamaño del objetivo y el entorno térmico. Los metales brillantes de baja emisividad requieren especial atención.

¿Una lente sucia puede afectar a la medición?
Sí. La suciedad no tiene por qué dañar directamente la termopila, pero puede bloquear, absorber o modificar la radiación infrarroja antes de que llegue al sensor.

Conclusión

El sensor de termopila es un componente fundamental de muchos termómetros infrarrojos. Absorbe la radiación emitida por el objetivo, provoca un pequeño aumento de temperatura en sus uniones sensibles y utiliza múltiples termopares conectados en serie para convertir esa diferencia térmica en una tensión eléctrica medible.

Sin embargo, la termopila no proporciona directamente la temperatura del objetivo. Una medición infrarroja completa requiere además un sistema óptico que defina el campo de medición, un sensor de temperatura de referencia para realizar la compensación y circuitos electrónicos y algoritmos que tengan en cuenta la emisividad, los parámetros de calibración y otros datos.

La precisión de un termómetro infrarrojo depende, por tanto, no solo del rendimiento de la termopila, sino también de la emisividad del objetivo, la distancia de medición, el tamaño del objetivo, la radiación reflejada del entorno, el estado de la óptica y la estabilidad térmica del instrumento.

Comprender cómo una termopila transforma la radiación infrarroja en una señal eléctrica permite entender mejor tanto el principio de la medición de temperatura sin contacto como las condiciones necesarias para obtener resultados fiables.