Introducción

Los termómetros infrarrojos determinan la temperatura detectando la radiación infrarroja emitida por la superficie del objeto. Cuando toda el área de medición presenta una temperatura uniforme, la señal recibida es relativamente homogénea y el valor mostrado puede representar la temperatura superficial con mayor fiabilidad.

Sin embargo, en aplicaciones reales las superficies suelen presentar distribuciones térmicas no uniformes. Piezas metálicas calentadas, motores en funcionamiento, componentes electrónicos, tuberías, placas calefactoras, moldes y piezas en proceso de enfriamiento pueden contener simultáneamente zonas más calientes y más frías.

Esta variación espacial de temperatura se denomina gradiente de temperatura. Cuando un punto de medición cubre varias zonas con diferentes temperaturas, el instrumento no indica la temperatura de un único punto. En su lugar, calcula una temperatura a partir de la radiación infrarroja combinada recibida dentro de su campo de visión.

Por este motivo, incluso un termómetro infrarrojo de alta precisión puede mostrar un valor diferente de la temperatura local esperada si el área de medición no se selecciona correctamente.

Puntos clave

● Un termómetro infrarrojo mide un área, no un punto matemático infinitamente pequeño.
● Si el punto de medición cubre zonas con distintas temperaturas, la radiación de todas ellas contribuye al resultado.
● Cuanto mayor sea el gradiente de temperatura, mayor será normalmente la influencia del tamaño del punto y de la posición de medición.
● Al aumentar la distancia de medición, normalmente aumenta también el tamaño del punto, lo que facilita que entren en el área superficies circundantes más calientes o más frías.
● La radiación térmica no varía linealmente con la temperatura, por lo que el valor indicado no debe interpretarse como una media aritmética simple.
● En objetos con gradientes térmicos importantes, conviene reducir el área de medición y mantener constantes las condiciones de medida.

¿Qué es un gradiente de temperatura?

Un gradiente de temperatura describe cómo cambia la temperatura en función de la posición.

Por ejemplo, una placa metálica calentada desde el centro puede alcanzar 200°C en la zona central, 150°C a unos centímetros de distancia y solo 80°C en los bordes. En este caso existe un claro gradiente térmico sobre la superficie.

Situaciones similares son habituales en aplicaciones industriales:

● El centro y los bordes de una placa calefactora pueden estar a diferentes temperaturas.
● Un rodamiento de motor puede estar más caliente que la carcasa circundante.
● Una conexión eléctrica puede desarrollar un punto caliente localizado mientras el conductor cercano permanece más frío.
● Los cambios de temperatura de un fluido interno pueden generar una distribución térmica en la pared de una tubería.
● Moldes, paredes de hornos y piezas pueden desarrollar diferentes zonas térmicas durante el calentamiento o enfriamiento.
● Las piezas en movimiento pueden experimentar cambios rápidos de temperatura al salir de una zona de calentamiento.

Un gradiente térmico no impide utilizar un termómetro infrarrojo, pero hace que el resultado dependa en mayor medida de la posición del punto de medición, de su tamaño y del momento en que se realiza la medida.

Por qué un gradiente térmico modifica el resultado de la medición

El detector de un termómetro infrarrojo tiene un campo de visión determinado. Por ello recibe radiación desde una superficie finita y no desde un único punto.

Si todo el punto de medición se encuentra dentro de una zona de temperatura uniforme, la mayor parte de la radiación detectada procede de esa región y el resultado suele ser estable.

Si una parte del punto cubre una zona caliente y otra parte una zona más fría, el detector recibe simultáneamente diferentes niveles de radiación infrarroja.

El instrumento convierte después la señal radiométrica total recibida en un valor de temperatura. Por tanto, la indicación representa la respuesta combinada de toda el área de medición.

Un mismo punto puede incluir, por ejemplo:

● Una zona central caliente;
● Una zona circundante a temperatura intermedia;
● Una zona exterior o fondo más frío.

Si se pretende medir un punto caliente localizado, el valor indicado puede ser inferior a su temperatura real. Por el contrario, si se intenta medir una zona fría pero el punto incluye una superficie más caliente, la lectura puede resultar superior.

La lectura no es una media simple de las temperaturas

Es un error habitual suponer que si la mitad del punto está a 100°C y la otra mitad a 200°C, el termómetro indicará automáticamente 150°C.

La medición infrarroja no funciona de esta forma.

El instrumento detecta primero la energía de radiación infrarroja procedente de las diferentes áreas y después convierte esa señal en temperatura teniendo en cuenta su respuesta espectral, el ajuste de emisividad y su calibración interna.

La radiación térmica presenta una relación no lineal con la temperatura absoluta. Por ello, una zona más caliente puede contribuir de forma desproporcionada a la señal total.

Además, el resultado puede depender de:

● La proporción que ocupa cada zona dentro del punto de medición;
● La temperatura real de cada zona;
● La emisividad de las distintas superficies;
● El rango de respuesta espectral del instrumento;
● Las características ópticas del campo de visión;
● La radiación reflejada procedente del entorno.

Por ello, cuando existe una distribución térmica claramente no uniforme, el valor mostrado debe entenderse mejor como una temperatura radiométrica equivalente correspondiente a todo el campo de medición, y no como una media aritmética de varias temperaturas locales.

Cuanto mayor sea el punto de medición, mayor suele ser el efecto del gradiente térmico

Los termómetros infrarrojos suelen especificarse mediante la relación distancia-punto, conocida como D:S.

D representa la distancia de medición y S el tamaño del punto correspondiente.

A medida que aumenta la distancia, normalmente aumenta también el área cubierta por el instrumento.

Si la superficie tiene una temperatura uniforme, un punto ligeramente mayor puede no suponer un problema importante. Sin embargo, si existe un gradiente térmico pronunciado, un punto grande puede abarcar varias zonas de temperatura y reducir la capacidad para distinguir un punto caliente o frío localizado.

Por ejemplo, si se desea medir un pequeño rodamiento caliente y la distancia es excesiva, el punto de medición puede incluir también partes mecánicas cercanas a menor temperatura. La lectura resultante puede ser inferior a la temperatura real del rodamiento.

Por tanto, en objetivos pequeños con gradientes térmicos importantes, no basta con que el objeto sea mayor que el punto de medición; la zona térmica de interés debe ocupar el campo de medición en la mayor medida posible.

Cuanto mayor sea el gradiente, más crítica será la posición de medición

Si la temperatura superficial cambia gradualmente, por ejemplo de 50°C a 55°C, un pequeño desplazamiento del instrumento normalmente no producirá una diferencia importante.

Sin embargo, si existe un gradiente muy pronunciado, como un pequeño componente electrónico a 100°C situado junto a una superficie a 30°C, un desplazamiento de apenas unos milímetros puede modificar considerablemente la proporción de zonas calientes y frías dentro del punto de medición.

Esto puede provocar cambios importantes en la lectura.

Para realizar mediciones repetidas de puntos calientes localizados conviene mantener:

● La misma posición de medición;
● La misma distancia;
● El mismo ángulo;
● Un estado de funcionamiento comparable del objeto;
● El mismo ajuste de emisividad o uno equivalente.

Si estas condiciones cambian, la repetibilidad puede deteriorarse aunque la temperatura real del objeto apenas haya variado.

Los cambios rápidos de temperatura también generan un reto temporal

Además de los gradientes espaciales, la temperatura puede cambiar rápidamente con el tiempo.

Algunos ejemplos son:

● Una pieza que acaba de salir de un horno;
● Una superficie metálica que se enfría rápidamente;
● Un elemento calefactor inmediatamente después de conectarse;
● Material en movimiento que atraviesa continuamente una zona de calentamiento;
● Equipos durante el arranque o la parada.

En estas situaciones, la temperatura puede seguir cambiando aunque el termómetro permanezca dirigido al mismo punto.

Todo termómetro infrarrojo tiene un tiempo de respuesta determinado. Si la temperatura del objeto cambia mucho más rápido de lo que el instrumento puede responder, la indicación puede retrasarse respecto a la temperatura real.

Por este motivo, en mediciones dinámicas deben considerarse dos factores:

● Gradiente espacial — ¿existen diferentes temperaturas dentro del mismo punto de medición?
● Cambio temporal — ¿varía la temperatura del objeto más rápido que el tiempo de respuesta del instrumento?

Cuando ambos fenómenos aparecen simultáneamente, la interpretación de la medición resulta más compleja.

Los gradientes térmicos en objetos en movimiento requieren especial atención

En cintas transportadoras, componentes rotativos, líneas de producción continua y otros objetos en movimiento, diferentes zonas pueden presentar temperaturas distintas.

Cuando un pequeño punto caliente atraviesa rápidamente el campo de visión del termómetro, la señal recibida cambia a medida que el punto caliente entra, ocupa y abandona el área de medición.

Si el objeto se mueve rápidamente, el punto caliente es pequeño o el área de medición es grande, el instrumento puede no disponer del tiempo o de la resolución espacial necesarios para registrar completamente la temperatura máxima. Como resultado, el valor máximo puede quedar subestimado.

Los principales factores que deben considerarse son:

● Tiempo de respuesta del instrumento;
● Tamaño del punto de medición;
● Velocidad del objeto;
● Tamaño real del punto caliente;
● Estabilidad de la posición de medición.

Para detectar pequeños puntos calientes en objetos que se desplazan rápidamente, suele ser necesario utilizar un termómetro con respuesta rápida y una relación óptica D:S adecuada.

Las diferencias de emisividad aumentan aún más la complejidad

Las diferentes zonas de un objeto real pueden variar no solo en temperatura, sino también en estado superficial.

Por ejemplo, una superficie metálica puede presentar:

● Zonas oxidadas;
● Zonas pulidas;
● Zonas contaminadas con aceite;
● Zonas recubiertas;
● Metal desnudo.

Estas superficies pueden tener emisividades muy diferentes.

Por ello, incluso dos zonas con la misma temperatura real pueden producir señales infrarrojas efectivas distintas. Si ambas se encuentran dentro del mismo punto de medición, el resultado estará afectado simultáneamente por el gradiente de temperatura y las diferencias de emisividad.

En metales de baja emisividad, superficies reflectantes o objetos con acabados superficiales no uniformes, reducir únicamente el tamaño del punto puede no ser suficiente. También deben considerarse el ajuste de emisividad y la temperatura reflejada del entorno.

Cómo reducir los errores provocados por los gradientes de temperatura

Cuando la superficie del objeto presenta una distribución térmica claramente no uniforme, las siguientes prácticas pueden mejorar la fiabilidad:

● Reducir la distancia de medición. Siempre que lo permitan la óptica del instrumento y las condiciones de la aplicación, acercarse al objetivo suele reducir el tamaño del punto y limitar la influencia de las zonas circundantes.
● Comprobar la relación D:S. Determinar el tamaño real del punto a la distancia utilizada en lugar de confiar únicamente en el láser de puntería.
● Hacer que la zona de interés llene el punto. Al medir un punto caliente localizado, mantener todo el área de medición dentro de la zona de interés siempre que sea posible.
● Mantener fija la posición de medición. Para comparaciones repetidas, utilizar la misma posición, distancia y ángulo.
● Evitar los límites térmicos. Siempre que sea posible, no situar el punto directamente sobre una transición brusca entre una zona caliente y otra fría.
● Considerar el tiempo de respuesta. Para objetos que se calientan, enfrían o desplazan rápidamente, comprobar que el instrumento puede responder con suficiente rapidez.
● Comprobar las diferencias de emisividad. Si las diferentes zonas térmicas también presentan superficies distintas, debe evaluarse simultáneamente su efecto.

En aplicaciones de seguimiento de tendencias, mantener constantes las condiciones de medición suele ser más importante que centrarse en una única lectura aislada.

Ejemplo práctico

Supongamos que un equipo en funcionamiento presenta un punto caliente localizado de aproximadamente 20 mm de diámetro a 120°C, mientras que la carcasa circundante se encuentra a unos 50°C.

Si el termómetro genera un punto de medición de 10 mm a la distancia seleccionada y este queda completamente dentro de la zona caliente, la lectura tendrá una mayor probabilidad de representar correctamente la temperatura del punto caliente.

Si se aumenta la distancia hasta que el punto alcanza un diámetro de 40 mm, el área medida incluirá tanto el punto caliente de 20 mm como una parte considerable de la carcasa más fría.

El detector recibirá entonces radiación de ambas zonas y la temperatura mostrada puede ser notablemente inferior a la temperatura real del centro del punto caliente.

Esto no significa que el instrumento esté averiado. Significa que el punto de medición ya no es suficientemente pequeño para resolver de forma independiente la zona local de alta temperatura.

FAQ

¿Puede un gradiente de temperatura hacer que un termómetro infrarrojo mida de forma incorrecta?
Puede influir en el resultado. Más concretamente, el valor mostrado puede no representar la temperatura de un punto local específico cuando el área de medición incluye varias zonas térmicas. El instrumento responde a la radiación combinada recibida dentro de su campo de visión.

¿Medir desde una distancia más corta siempre es más preciso?
No necesariamente. Una distancia más corta suele reducir el tamaño del punto y puede ser ventajosa para medir pequeños puntos calientes, pero la medición debe mantenerse dentro de las especificaciones ópticas del instrumento. Lo esencial es que la zona de interés ocupe adecuadamente el área de medición.

¿Es suficiente apuntar el láser al punto más caliente?
No. El láser se utiliza principalmente como ayuda de puntería y no representa necesariamente todo el punto de medición infrarrojo. Incluso si está centrado sobre un punto caliente, la lectura puede ser inferior si el área real de medición incluye también una superficie fría importante.

¿Por qué cambia tanto la temperatura cuando desplazo ligeramente el termómetro?
Cuando existe un gradiente pronunciado, un pequeño movimiento modifica la proporción de zonas calientes y frías dentro del punto de medición. Reducir el tamaño del punto y mantener fija la posición mejora la repetibilidad.

¿Puede un termómetro infrarrojo localizar la temperatura más alta dentro de un gradiente?
Un termómetro infrarrojo puntual proporciona principalmente la temperatura correspondiente a su campo de medición actual. Si es necesario visualizar toda la distribución térmica y localizar un punto caliente, una cámara termográfica suele ser más adecuada. Una vez identificado el punto caliente, puede utilizarse un termómetro infrarrojo con una relación D:S y un tiempo de respuesta apropiados para realizar mediciones puntuales.

Conclusión

Los gradientes de temperatura son un factor importante en las mediciones de temperatura por infrarrojos.

Un termómetro infrarrojo no mide un punto infinitamente pequeño, sino la radiación procedente de un área de medición definida. Cuando esa área incluye zonas a distintas temperaturas, el valor indicado se obtiene a partir de la radiación combinada de todas ellas. Por tanto, no representa necesariamente la temperatura de una única zona ni debe interpretarse como una media aritmética simple.

Cuanto mayor sea el gradiente térmico, mayor será normalmente la influencia del tamaño del punto, la distancia, la posición de puntería, el movimiento del objeto y el tiempo de respuesta del instrumento.

En la práctica, la distancia debe seleccionarse de forma que la zona de interés ocupe suficientemente el punto de medición. Para mediciones repetidas también es importante mantener constantes la posición, el ángulo y las condiciones de medida.

En objetos con puntos calientes localizados, comprender la relación entre el gradiente de temperatura y el tamaño del punto de medición es fundamental para obtener datos de temperatura infrarroja fiables.