Introducción

Los termómetros infrarrojos permiten medir la temperatura superficial de un objeto sin necesidad de contacto físico. Uno de sus componentes fundamentales es el detector infrarrojo, también denominado sensor infrarrojo.

Todo objeto con una temperatura superior al cero absoluto emite radiación electromagnética. El sistema óptico del termómetro recoge una parte de esa radiación infrarroja y la enfoca sobre el detector. El detector transforma la energía recibida en una señal eléctrica, que posteriormente se procesa junto con la temperatura ambiente, la emisividad, los datos de calibración y los algoritmos internos para determinar la temperatura de la superficie.

No todos los termómetros infrarrojos utilizan el mismo tipo de detector. Los detectores de termopila son muy comunes en los instrumentos portátiles de uso general, mientras que otras tecnologías se emplean en mediciones de alta velocidad, bandas espectrales específicas o aplicaciones industriales especializadas.

Puntos clave

● Los termómetros infrarrojos detectan la radiación infrarroja emitida por la superficie del objetivo, no la temperatura de forma directa.
● El detector infrarrojo convierte la radiación recibida en una señal eléctrica procesable.
● Los detectores de termopila son uno de los tipos más utilizados en termómetros infrarrojos portátiles.
● Los detectores piroeléctricos y fotónicos también pueden detectar radiación infrarroja, aunque funcionan de manera diferente y se emplean en otras aplicaciones.
● El tipo de detector puede influir en el rango espectral, el tiempo de respuesta, la sensibilidad, el coste y el rango de aplicación.
● El rendimiento final depende también del sistema óptico, el procesamiento de señal, la compensación de temperatura, la emisividad y la calibración.

¿Qué es el sensor de un termómetro infrarrojo?

En un sistema de medición infrarroja, el término “sensor” suele referirse al elemento encargado de detectar la radiación infrarroja procedente del objetivo.

La energía emitida por el objeto pasa primero a través de la lente o del sistema óptico. La óptica define el campo de medición, recoge la radiación de la zona objetivo y la dirige hacia el detector. Este transforma la energía recibida en una señal eléctrica, por ejemplo tensión, corriente o carga.

El proceso de medición puede resumirse del siguiente modo:

● El objeto emite radiación infrarroja.
● El sistema óptico recoge la radiación procedente del área de medición.
● El detector infrarrojo convierte esa radiación en una señal eléctrica.
● La electrónica amplifica y digitaliza la señal.
● El sistema aplica compensaciones relacionadas con la temperatura ambiente, la emisividad y otros parámetros.
● El instrumento calcula y muestra la temperatura de la superficie.

Por tanto, el detector es un componente esencial de la cadena de medición, aunque no determina por sí solo el rendimiento total del instrumento.

Sensores de termopila

La termopila es una de las tecnologías de detección infrarroja más utilizadas en termómetros portátiles.

Pertenece a la categoría de detectores infrarrojos térmicos. En lugar de detectar fotones individualmente, absorbe la radiación infrarroja, genera una diferencia de temperatura y convierte esa diferencia en una tensión eléctrica mediante el efecto termoeléctrico.

Una termopila suele estar formada por varios termopares conectados en serie. Cuando la radiación infrarroja alcanza la zona absorbente, se genera una diferencia de temperatura entre las uniones de medida y las de referencia. Como resultado, se produce una tensión relacionada con la energía infrarroja recibida.

Entre sus características principales se encuentran:

● Funcionamiento a temperatura ambiente sin necesidad de refrigeración compleja;
● Respuesta en un rango infrarrojo relativamente amplio con la óptica adecuada;
● Bajo consumo, apropiado para instrumentos alimentados por batería;
● Tecnología madura y fiable;
● Buena integración con ópticas, filtros y sensores de compensación térmica;
● Buen equilibrio entre prestaciones, tamaño, consumo y coste.

Estas características hacen que las termopilas sean adecuadas para mantenimiento industrial, inspecciones eléctricas, aplicaciones HVAC, comprobaciones de maquinaria y mediciones generales de temperatura superficial sin contacto.

La señal generada por una termopila suele ser muy pequeña, por lo que el instrumento necesita además amplificación de bajo ruido, conversión analógico-digital precisa y compensación de temperatura.

¿Por qué se utilizan tanto las termopilas en termómetros portátiles?

Un termómetro infrarrojo portátil debe ser compacto, eficiente energéticamente, estable y económicamente viable. Además, debe funcionar correctamente dentro de un rango razonablemente amplio de temperaturas ambientales.

Las termopilas cumplen bien estos requisitos.

Muchos termómetros de uso general están diseñados para medir temperaturas superficiales desde valores cercanos a la temperatura ambiente hasta varios cientos de grados Celsius. En estas aplicaciones, una velocidad de detección extrema o una selección espectral muy estrecha suele ser menos importante que la estabilidad, la fiabilidad y la portabilidad.

Combinadas con la óptica y los filtros adecuados, las termopilas proporcionan una solución madura para una amplia variedad de aplicaciones de medición sin contacto.

Detectores infrarrojos piroeléctricos

Los detectores piroeléctricos también son detectores térmicos, aunque su principio de funcionamiento es diferente al de las termopilas.

Ciertos materiales piroeléctricos cambian su polarización eléctrica o su carga superficial cuando su temperatura varía. Este cambio puede convertirse en una señal eléctrica medible.

Por ello, estos detectores resultan especialmente adecuados para detectar variaciones de radiación infrarroja.

Para medir una fuente de radiación continua suele ser necesario modular la radiación incidente mediante métodos mecánicos, ópticos o electrónicos.

Sus características habituales incluyen:

● Buena sensibilidad a los cambios temporales de la radiación infrarroja;
● Funcionamiento en regiones espectrales relativamente amplias;
● Necesidad frecuente de modulación de la señal recibida;
● Uso habitual en sensores de movimiento, análisis de gases, espectroscopia y sistemas infrarrojos especializados.

Por estas razones, son menos frecuentes que las termopilas en los termómetros infrarrojos portátiles convencionales.

Detectores infrarrojos fotónicos

Otra categoría importante es la de los detectores fotónicos, también conocidos como detectores cuánticos.

Estos dispositivos aprovechan directamente la interacción de los fotones infrarrojos con un material semiconductor. La absorción de los fotones modifica las propiedades eléctricas o la población de portadores de carga del material, produciendo una señal que puede medirse.

Según la banda espectral requerida, pueden utilizarse distintos semiconductores. En sistemas especializados se emplean, por ejemplo, InGaAs, InSb o HgCdTe.

En comparación con los detectores térmicos, los detectores fotónicos suelen ofrecer:

● Tiempos de respuesta más rápidos;
● Alta sensibilidad en bandas espectrales determinadas;
● Posibilidad de optimización para longitudes de onda específicas;
● Buena adaptación a objetivos que cambian rápidamente o a mediciones ópticas especializadas;
● Mayores exigencias en electrónica y diseño del sistema.

Algunos tipos requieren refrigeración para reducir el ruido y alcanzar el rendimiento previsto. Esto aumenta la complejidad, el consumo energético y el coste.

Por ello, se utilizan con mayor frecuencia en pirómetros de alta velocidad, instrumentación científica, espectroscopia, cámaras térmicas y otros sistemas infrarrojos especializados que en los termómetros portátiles convencionales.

¿Cuál es la diferencia entre detectores térmicos y fotónicos?

Los detectores infrarrojos pueden dividirse de forma general en dos categorías: térmicos y fotónicos.

Un detector térmico absorbe primero la radiación infrarroja, lo que provoca un cambio de temperatura. Posteriormente, ese cambio se convierte en una señal eléctrica. Las termopilas y los detectores piroeléctricos pertenecen a este grupo.

Un detector fotónico responde de manera más directa a los fotones incidentes mediante su interacción con un semiconductor.

No puede afirmarse que una tecnología sea universalmente “mejor” o “más precisa” que la otra. Cada una responde a necesidades diferentes.

Para instrumentos portátiles, de bajo consumo y orientados a mediciones industriales generales, la termopila suele ser la solución más práctica. Para procesos muy rápidos, bandas espectrales específicas o requisitos elevados de sensibilidad, un detector fotónico puede resultar más adecuado.

¿Por qué es importante el rango espectral del detector?

Los objetos a distintas temperaturas no emiten su energía con la misma distribución espectral. Por esta razón, el sistema debe trabajar en una banda de longitudes de onda adecuada para la temperatura, el material y la aplicación.

Los termómetros infrarrojos de uso general suelen trabajar en la región infrarroja de onda larga, donde los objetos a temperaturas ambientales o moderadas emiten una cantidad importante de radiación térmica.

En el caso de metales a alta temperatura, vidrio, películas plásticas u otros materiales especiales, pueden ser necesarias bandas espectrales diferentes.

Por ello, el detector no debe analizarse de forma aislada del sistema óptico. La respuesta espectral efectiva depende de:

● La sensibilidad espectral del detector;
● El rango de transmisión infrarroja de la lente;
● Las características espectrales de los filtros;
● Las propiedades radiativas de la superficie objetivo;
● El rango de temperatura y la aplicación para los que ha sido diseñado el instrumento.

Todos estos elementos deben estar correctamente adaptados como un sistema completo.

¿Cómo influye el tipo de sensor en el rendimiento del termómetro?

El detector es uno de los factores que influyen en las prestaciones de un termómetro infrarrojo.

Tiempo de respuesta: las distintas tecnologías convierten la energía infrarroja a diferentes velocidades. Los objetivos con cambios rápidos de temperatura o en movimiento pueden requerir una respuesta más rápida.

Sensibilidad: el detector debe distinguir pequeñas variaciones de radiación. Sin embargo, la resolución térmica final depende también de la electrónica y de los algoritmos de procesamiento.

Rango espectral: distintos materiales de detección responden a diferentes longitudes de onda, lo que determina la banda de funcionamiento disponible.

Estabilidad ambiental: la temperatura del propio detector influye en su señal, por lo que los termómetros infrarrojos incorporan normalmente una medición de temperatura de referencia y la correspondiente compensación.

Consumo y construcción: las termopilas no refrigeradas son adecuadas para instrumentos compactos alimentados por batería, mientras que los detectores refrigerados de alto rendimiento requieren sistemas de alimentación y control térmico más complejos.

¿El sensor determina la precisión de medición?

El detector es importante, pero un sensor técnicamente más avanzado no garantiza automáticamente una mayor precisión.

Un termómetro infrarrojo es un sistema completo que combina óptica, electrónica, gestión térmica y cálculo. La precisión final depende de factores como:

● Rendimiento del detector infrarrojo;
● Diseño del sistema óptico;
● Relación D:S y campo de medición;
● Amplificación de señal y conversión analógico-digital;
● Compensación de temperatura ambiente;
● Ajuste de emisividad;
● Calibración del instrumento;
● Estado de la superficie del objetivo;
● Distancia de medición y tamaño de la superficie medida;
● Vapor, polvo, fuentes de calor cercanas y otras interferencias ambientales.

Incluso con un detector de altas prestaciones, la lectura puede ser incorrecta si el objetivo es más pequeño que el área medida o si la emisividad está mal configurada.

Por este motivo, es preferible evaluar las especificaciones globales del termómetro y no únicamente el tipo de detector.

¿Cuál es la diferencia entre el detector infrarrojo y el sensor de temperatura ambiente?

Un termómetro infrarrojo suele incorporar más de un elemento relacionado con la medición de temperatura.

El detector infrarrojo recibe la radiación procedente del objetivo y constituye la base de la medición sin contacto.

Al mismo tiempo, el instrumento suele medir su propia temperatura interna o la temperatura de referencia próxima al detector.

Esto es necesario porque la señal del detector también depende de su propio estado térmico. Para calcular correctamente la temperatura del objetivo, el sistema debe conocer esta temperatura de referencia y compensarla mediante los algoritmos internos.

Ambos sensores desempeñan funciones diferentes, pero trabajan conjuntamente dentro del sistema de medición.

¿Cómo elegir la tecnología de detección según la aplicación?

Para mantenimiento industrial general, inspecciones eléctricas, servicio HVAC y mediciones habituales de temperatura superficial, un termómetro portátil con detector de termopila suele ser una solución adecuada.

Las aplicaciones con variaciones de temperatura extremadamente rápidas, líneas de producción de alta velocidad, objetivos muy pequeños a alta temperatura, materiales especiales o requisitos espectrales específicos pueden necesitar tecnologías más especializadas.

Al seleccionar un termómetro infrarrojo, resulta más útil revisar las prestaciones globales del instrumento:

● ¿El rango de temperatura es adecuado para la aplicación?
● ¿La precisión especificada cumple los requisitos?
● ¿La relación D:S es suficiente para la distancia de medición prevista?
● ¿Puede ajustarse la emisividad cuando sea necesario?
● ¿El tiempo de respuesta es adecuado para la dinámica del objetivo?
● ¿La respuesta espectral es apropiada para el material medido?
● ¿El instrumento está diseñado para las condiciones ambientales previstas?

FAQ

¿Cuál es el sensor más habitual en un termómetro infrarrojo?
Las termopilas se encuentran entre los detectores más utilizados en los termómetros infrarrojos portátiles de uso general. Funcionan sin refrigeración, consumen poca energía y ofrecen una solución fiable y madura.

¿El sensor infrarrojo mide directamente la temperatura?
No. Detecta la radiación infrarroja y la convierte en una señal eléctrica. El instrumento calcula después la temperatura superficial utilizando, entre otros parámetros, la temperatura de referencia, la emisividad y los datos de calibración.

¿Una termopila es lo mismo que un termopar?
Ambos utilizan el efecto termoeléctrico, pero cumplen funciones diferentes. Un termopar convencional suele medir por contacto. Una termopila utiliza múltiples uniones termoeléctricas para detectar la diferencia de temperatura generada por la absorción de radiación infrarroja.

¿Se pueden utilizar sensores piroeléctricos para medir temperatura por infrarrojos?
Sí, pueden detectar radiación infrarroja, pero son especialmente adecuados para señales variables o moduladas. Por ello, son menos habituales en termómetros infrarrojos portátiles convencionales.

¿Los detectores fotónicos son siempre más precisos que las termopilas?
No. Pueden proporcionar mayor velocidad y sensibilidad, pero la precisión depende del sistema completo, incluida la óptica, el procesamiento de señal, la compensación térmica, la emisividad y la calibración.

¿Cambiar el detector permite ampliar el rango de temperatura?
El tipo de detector y su respuesta espectral pueden influir en el rango disponible, pero también intervienen la óptica, los filtros, la electrónica y la calibración.

¿Puede un sensor infrarrojo medir la temperatura interna de un objeto?
Normalmente no. Los termómetros infrarrojos convencionales miden principalmente la temperatura superficial, ya que detectan la radiación emitida desde la superficie.

Conclusión

El detector infrarrojo es un componente fundamental de un sistema de medición de temperatura sin contacto. Su función consiste en convertir la radiación infrarroja emitida por el objetivo en una señal que pueda ser procesada electrónicamente.

En los termómetros infrarrojos portátiles de uso general, los detectores de termopila se utilizan ampliamente porque no requieren refrigeración, consumen poca energía, ofrecen buena fiabilidad y se integran con facilidad en instrumentos compactos. Los detectores piroeléctricos son especialmente adecuados para radiación variable, mientras que los detectores fotónicos se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones de alta velocidad, bandas espectrales específicas o sistemas infrarrojos especializados.

No obstante, el rendimiento de un termómetro infrarrojo nunca depende únicamente del detector. La óptica, el rango espectral, el procesamiento de señal, la compensación de temperatura, el ajuste de emisividad y la calibración intervienen conjuntamente en el resultado. Por ello, la selección del instrumento debe basarse en los requisitos reales de la aplicación y en sus especificaciones globales.