Introducción
Incluso cuando la emisividad, la distancia y el ángulo de medición están correctamente configurados, una lectura de temperatura por infrarrojos puede variar con el tiempo. Una de las principales razones es que el objetivo o el propio termómetro infrarrojo aún no se encuentra en un estado térmico suficientemente estable.
En la medición infrarroja, el término “equilibrio térmico” no significa necesariamente que el objeto deba encontrarse exactamente a la misma temperatura que el entorno. En aplicaciones reales, lo importante es determinar si la temperatura superficial del objetivo y el estado térmico interno del instrumento se han estabilizado lo suficiente como para obtener resultados coherentes en mediciones repetidas.
Por este motivo, comprender el equilibrio térmico es importante tanto para interpretar correctamente los fenómenos térmicos como para mejorar la fiabilidad de las mediciones.
Puntos clave
● En la medición infrarroja, el equilibrio térmico suele referirse a si la temperatura superficial medida se ha estabilizado suficientemente.
● No es necesario que el objetivo se encuentre a la misma temperatura que el ambiente.
● El calentamiento, el enfriamiento, el movimiento del aire y el intercambio continuo de calor pueden modificar la temperatura superficial.
● Un termómetro infrarrojo puede necesitar tiempo de aclimatación después de pasar de un ambiente frío a uno cálido, o viceversa.
● En objetivos cuya temperatura cambia rápidamente, debe distinguirse entre temperatura superficial instantánea y temperatura en régimen estable.
● La fiabilidad de la medición depende de definir correctamente el objetivo de la medición y controlar los factores que afectan a la estabilidad térmica.
¿Qué es el equilibrio térmico?
Desde el punto de vista de la termodinámica, cuando dos o más cuerpos presentan temperaturas diferentes puede producirse transferencia de calor entre ellos. A medida que continúa este intercambio, las diferencias de temperatura tienden a reducirse. Cuando ya no existe una diferencia de temperatura que provoque un flujo neto de calor a escala macroscópica, puede considerarse que el sistema ha alcanzado el equilibrio térmico.
Sin embargo, en las mediciones infrarrojas industriales normalmente no es necesario esperar hasta que el objetivo y todo su entorno alcancen un equilibrio termodinámico estricto.
Por ejemplo, la carcasa de un motor en funcionamiento continuo puede mantenerse a 65°C mientras que el aire ambiente se encuentra a 25°C. El motor genera calor de forma continua y al mismo tiempo lo disipa mediante convección, conducción y radiación. Aunque su temperatura no sea igual a la del entorno, la temperatura de su superficie puede permanecer dentro de un intervalo relativamente estable cuando la generación y la disipación de calor alcanzan un equilibrio aproximado.
Para la medición por infrarrojos, este estado térmico estacionario suele ser más relevante que un equilibrio termodinámico estricto.
¿Por qué influye el equilibrio térmico en la medición infrarroja?
Un termómetro infrarrojo no mide directamente la temperatura interna de un objeto. Detecta la radiación infrarroja emitida por la superficie dentro de una determinada banda espectral y calcula la temperatura superficial teniendo en cuenta parámetros como la emisividad.
Si la superficie se está calentando o enfriando rápidamente, su radiación infrarroja también cambia con el tiempo. Por tanto, la temperatura mostrada por el instrumento variará.
Por ejemplo, cuando una pieza metálica se retira de un horno a alta temperatura, su superficie comienza inmediatamente a perder calor hacia el aire, los soportes y los objetos próximos. Las mediciones realizadas en momentos distintos pueden mostrar diferencias importantes.
Esto no significa necesariamente que el termómetro infrarrojo esté midiendo de forma incorrecta. El objetivo puede encontrarse todavía dentro de un proceso dinámico de transferencia de calor.
Antes de interpretar los datos, conviene determinar si el objetivo consiste en:
● conocer la temperatura instantánea en un momento determinado;
● o conocer la temperatura una vez que el equipo ha alcanzado un estado estable de funcionamiento.
Cada objetivo requiere un nivel diferente de estabilidad térmica.
¿Qué significa que un objetivo esté térmicamente estable?
En la práctica, la estabilidad térmica puede evaluarse observando la evolución de la temperatura durante un periodo determinado.
Si las mediciones repetidas realizadas bajo las mismas condiciones muestran únicamente pequeñas variaciones, normalmente puede considerarse que la zona medida ha alcanzado un estado térmico relativamente estable.
No obstante, distintas partes de un objeto pueden necesitar tiempos diferentes para estabilizarse.
Por ejemplo, la superficie de una pieza metálica gruesa puede calentarse con rapidez mientras que su interior continúa considerablemente más frío. Mientras el calor siga propagándose hacia el interior del material, la temperatura superficial también puede continuar cambiando.
Los termómetros infrarrojos miden principalmente la temperatura superficial de la zona observada. Una superficie estable no significa necesariamente que todo el objeto haya alcanzado una temperatura interna uniforme.
¿En qué situaciones es frecuente que no exista estabilidad térmica?
● Justo después de poner en marcha un equipo: motores, rodamientos, instalaciones eléctricas y sistemas de calefacción suelen necesitar cierto tiempo para alcanzar un régimen térmico estable. Las primeras mediciones corresponden al proceso de calentamiento.
● Inmediatamente después de detener el calentamiento: una pieza retirada de un horno, un calentador recién apagado o un componente mecánico que acaba de detenerse puede continuar enfriándose.
● Después de trasladar un objeto entre entornos diferentes: una pieza retirada de una cámara frigorífica seguirá absorbiendo calor en una sala más cálida, mientras que un objeto caliente continuará perdiendo calor en un ambiente más frío.
● En presencia de corrientes de aire: ventiladores, sistemas de climatización, aire comprimido o viento pueden modificar la transferencia de calor por convección y alterar la temperatura local de la superficie.
● Cuando el objeto entra en contacto con otro cuerpo a distinta temperatura: colocar una pieza sobre una mesa fría, un soporte o un útil puede modificar rápidamente la temperatura local por conducción.
● En equipos con funcionamiento cíclico: algunos motores, compresores o equipos de producción funcionan de forma intermitente. Su temperatura puede variar cíclicamente en lugar de estabilizarse en un único valor.
¿El propio termómetro infrarrojo también debe alcanzar estabilidad térmica?
Sí.
El detector infrarrojo, el sistema óptico, los sensores internos de temperatura y los circuitos de compensación pueden verse afectados por la temperatura del propio instrumento y por las condiciones ambientales.
En condiciones normales, la medición interna de temperatura y los algoritmos de compensación reducen estos efectos. Sin embargo, si el equipo sufre un cambio brusco e importante de temperatura ambiente, su estado térmico interno puede variar rápidamente, por ejemplo:
● al pasar directamente de un entorno exterior frío a un taller cálido;
● al pasar de una sala climatizada a una zona de producción de alta temperatura;
● al utilizar inmediatamente el instrumento después de haber permanecido durante mucho tiempo dentro de un vehículo frío o caliente;
● al mantenerlo durante un periodo prolongado cerca de un horno u otra fuente intensa de calor.
En estas condiciones, las lecturas pueden presentar una deriva temporal aunque la temperatura del objetivo sea estable.
Cuando se requiere una mayor fiabilidad, conviene permitir que el termómetro infrarrojo se aclimate al nuevo entorno antes de realizar las mediciones de referencia.
El tiempo necesario depende del diseño del instrumento y debe determinarse de acuerdo con las instrucciones del fabricante, en lugar de aplicar un tiempo fijo a todos los termómetros infrarrojos.
¿Cuál es la diferencia entre equilibrio térmico y tiempo de respuesta?
El equilibrio térmico y el tiempo de respuesta son conceptos distintos.
El tiempo de respuesta de un termómetro infrarrojo indica la rapidez con la que el instrumento reacciona a un cambio en la radiación infrarroja procedente del objetivo. Los termómetros modernos suelen actualizar sus lecturas con gran rapidez.
La estabilidad térmica, en cambio, describe si el estado térmico del objetivo o del propio instrumento continúa cambiando.
Por ejemplo, si una pieza caliente se está enfriando rápidamente, un termómetro con un tiempo de respuesta corto puede seguir con precisión esa variación de temperatura. Sin embargo, un tiempo de respuesta más corto no hace que la pieza alcance antes un estado térmico estable.
Por tanto:
● El tiempo de respuesta determina la rapidez con la que el instrumento puede seguir los cambios de temperatura.
● La estabilidad térmica determina si la propia temperatura medida continúa variando.
No deben confundirse ambos conceptos.
¿Qué relación existe entre equilibrio térmico y precisión de medición?
Que un objetivo no haya alcanzado todavía un estado térmico estable no significa necesariamente que el termómetro infrarrojo sea inexacto.
Si una pieza se enfría de 100°C a 80°C y el instrumento muestra sucesivamente 96°C, 92°C, 88°C y 84°C, estas lecturas pueden representar correctamente el proceso real de enfriamiento de la superficie.
La cuestión principal es si esos datos corresponden al propósito de la medición.
Si el objetivo es supervisar el proceso de enfriamiento, las variaciones de temperatura constituyen información útil. Si se desea comparar la temperatura normal de funcionamiento de diferentes máquinas, las mediciones deberían realizarse con cargas, tiempos de funcionamiento y condiciones térmicas similares.
La estabilidad térmica afecta principalmente a la representatividad, repetibilidad y comparabilidad de los datos de medición.
¿Cómo reducir la influencia de los cambios térmicos en la medición?
● Si se necesita una temperatura estable, esperar a que el equipo alcance su régimen normal de funcionamiento antes de medir.
● Al comparar varias máquinas, realizar las mediciones bajo condiciones similares de carga, tiempo de funcionamiento y ambiente.
● Evitar mediciones de alta exigencia inmediatamente después de trasladar el termómetro entre entornos con diferencias importantes de temperatura.
● Mantener constantes la distancia, el ángulo, la emisividad configurada y el área medida.
● Evitar, siempre que sea posible, corrientes de aire intensas, fuentes de calor próximas y variaciones rápidas de la temperatura ambiente.
● En objetivos que se están calentando o enfriando, realizar mediciones repetidas o continuas en lugar de utilizar una sola lectura.
● Si la temperatura continúa cambiando, registrar la hora de medición y el estado de funcionamiento del equipo para facilitar la interpretación de los resultados.
En el análisis de tendencias de equipos industriales, mantener condiciones de medición reproducibles suele ser más importante que centrarse únicamente en un valor absoluto de temperatura.
¿Cómo saber si un objetivo está suficientemente estable?
En aplicaciones de campo no suele ser necesario demostrar un equilibrio termodinámico estricto. Lo importante es determinar si la variación de temperatura se ha reducido lo suficiente para el objetivo de la medición.
Una forma sencilla de hacerlo consiste en observar la temperatura desde una posición fija, manteniendo constantes la distancia y la emisividad.
Si la temperatura continúa aumentando o disminuyendo de forma clara, el objetivo sigue encontrándose en un proceso térmico dinámico. Si las variaciones se vuelven pequeñas con el tiempo, puede considerarse que ha alcanzado un estado relativamente estable.
No existe un único límite de variación válido para todas las aplicaciones. El mantenimiento de equipos, el control de procesos, las mediciones de laboratorio y las inspecciones generales pueden exigir distintos niveles de estabilidad. El criterio debe definirse según el propósito de la medición.
FAQ
¿Debe el objetivo alcanzar la misma temperatura que el ambiente antes de realizar una medición infrarroja?
No. Los equipos industriales suelen generar calor de forma continua durante su funcionamiento y pueden mantenerse muy por encima de la temperatura ambiente. Lo importante es que la temperatura superficial sea suficientemente estable para el objetivo de la medición.
¿Por qué la temperatura sigue aumentando al medir repetidamente el mismo punto?
El equipo puede encontrarse todavía en la fase de calentamiento. También pueden estar cambiando la carga, las condiciones de refrigeración o el entorno. Primero debe comprobarse si el equipo ha alcanzado un régimen estable.
¿Puede utilizarse inmediatamente un termómetro infrarrojo después de llevarlo del exterior al interior?
Puede utilizarse para una observación general. Sin embargo, si existe una diferencia importante entre las temperaturas interior y exterior y se requiere una medición fiable, conviene dejar que el instrumento se aclimate antes de realizar las mediciones de referencia.
¿Un estado térmico inestable significa que el termómetro infrarrojo muestra una temperatura incorrecta?
No necesariamente. La temperatura puede estar cambiando realmente. Lo importante es determinar si la lectura representa el estado que se desea medir.
¿Una temperatura superficial estable significa que la temperatura interna también está completamente estable?
No necesariamente. La medición por infrarrojos refleja principalmente la temperatura de la superficie. Los materiales gruesos, los materiales con baja conductividad térmica o los objetos con fuentes internas de calor pueden presentar diferencias importantes entre la superficie y el interior.
Conclusión
En la medición infrarroja de temperatura, el equilibrio térmico debe entenderse principalmente como un estado térmico suficientemente estable para el objetivo de la medición, y no como la necesidad de que el objeto y su entorno se encuentren exactamente a la misma temperatura.
Cuando un objetivo se calienta, se enfría, funciona o intercambia calor continuamente con su entorno, la radiación infrarroja emitida por su superficie cambia junto con su temperatura. El propio termómetro también puede necesitar cierto tiempo de estabilización después de una variación importante de la temperatura ambiente.
Antes de medir, debe definirse si se necesita conocer una temperatura instantánea, una tendencia térmica o una temperatura estable de funcionamiento. Solo mediante condiciones de medición controladas y una correcta interpretación del estado térmico pueden obtenerse datos infrarrojos repetibles, comparables y útiles.
