La emisividad y su papel en la medición de temperatura por infrarrojo

Introducción

La medición de temperatura por infrarrojo (IR) se ha convertido en una aplicación ampliamente utilizada en numerosas industrias, desde la manufactura hasta la investigación científica. Mediante el uso del infrarrojo, la temperatura puede ser medida en forma remota con precisión, y sin necesidad de sondas físicas o instrumentos invasivos. Sin embargo, existe un factor determinante que influye significativamente en la precisión de estas mediciones: la emisividad.

Este parámetro afecta directamente cómo los sensores infrarrojos interpretan la radiación térmica, y cualquier ajuste incorrecto puede generar resultados inexactos. En este artículo, se diserta sobre su concepto, su papel en la medición de temperatura y las técnicas disponibles para ajustarla correctamente.

¿Qué es la emisividad?

Definición y principios básicos

Se define como la eficiencia con la que una superficie emite radiación térmica o energía en el espectro del infrarrojo en comparación con un emisor perfecto, conocido como cuerpo negro, que tiene una emisividad de 1.0. En esencia, es la medición de la capacidad de un objeto de emitir energía infrarroja, y varía de 0 (sin emisión) a 1 (emisión perfecta). Cuanto mayor sea, más radiación infrarroja emite a una temperatura determinada.

El concepto está basado en la termodinámica, particularmente en la ley de Planck y la ley de Stefan-Boltzmann, que describen cómo todos los objetos emiten radiación térmica en función de su temperatura. Los materiales con alta emisividad emiten más calor, mientras que aquellos con baja emisividad emiten menos, incluso a la misma temperatura.

Emisividad en diferentes materiales

No todos los materiales emiten radiación infrarroja de manera igual. Los metales, por ejemplo, generalmente tienen una baja emisividad, que varía entre 0.02 y 0.3, lo que significa que reflejan más radiación infrarroja de la que emiten. Por otro lado, materiales como cerámicas, materiales orgánicos y pinturas suelen tener valores altos, a menudo entre 0.7 y 0.95.

Conocer esta propiedad en los materiales es de gran importancia en el uso de la termografía infrarroja, su desconocimiento puede afectar drásticamente las lecturas de temperatura. Por otro lado, los valores varían con la longitud de la onda dentro del espectro del infrarrojo utilizado por el equipo. 

La emisividad de un material no solo depende del tipo de material, sino también de factores como la textura de la superficie, la oxidación y el revestimiento. Por ejemplo, los metales pulidos tienen una emisividad más baja en comparación con superficies oxidadas o rugosas del mismo metal.

Importancia en la medición de la temperatura

Es una propiedad fundamental en la medición de temperatura por infrarrojo, ya que las cámaras infrarrojas y los pirómetros dependen de la detección de la radiación infrarroja emitida para determinar la temperatura de un objeto. Un material con alta emisividad emitirá más radiación, lo que llevará a lecturas más precisas, mientras que los materiales de baja emisividad, que reflejan más de lo que emiten, pueden proporcionar resultados erróneos a menos que se corrijan.

Los valores inexactos pueden hacer que los sensores infrarrojos sobreestimen o subestimen la temperatura real de un objeto. Por ejemplo, una superficie de aluminio pulido, con su baja emisividad, podría parecer más fría de lo que realmente es, mientras que una superficie de alta emisividad podría ofrecer una lectura más cercana a la realidad. Compensarla es un paso necesario para obtener mediciones de temperatura confiables. En la siguiente tabla, se muestran valores para varios materiales que sirven como una guía¹.

Tabla 1. Valores de emisividades para varios metales.

Influencia en diferentes materiales

Dado que diferentes materiales tienen valores variables, la precisión de las mediciones de temperatura puede variar según la superficie a medir:

• Metales: De acuerdo a lo antes expuesto, los materiales metálicos generalmente tienen valores bajos, lo que los hace propensos a errores en las mediciones por infrarrojo si no se compensan correctamente. Por ejemplo, medir la temperatura de una superficie de acero pulido sin ajustar su baja emisividad puede resultar en una lectura más baja de lo real.
• No metales: Los materiales como madera, plástico, caucho y cerámica tienen valores más altos, lo cual incide en lecturas de temperatura infrarroja más precisas. Para estos materiales, los ajustes aún pueden ser necesarios, pero el margen de error es menor que en los metales.
• Superficies pintadas o recubiertas: Tal característica de un material puede cambiar drásticamente si su superficie está pintada o recubierta con otra sustancia. Muchas pinturas tienen una alta emisividad, lo que permite obtener lecturas de temperatura más precisas.

Errores comunes debido a una emisividad incorrecta

Las mediciones de temperatura inexactas a menudo se deben a no tener en cuenta adecuadamente la emisividad. Los errores comunes incluyen:

1. Suponer la emisividad de un material: Generalmente, para cálculos de propiedades se tiende a asumir valores sin conocer el valor real, lo que provoca inexactitudes significativas. Una superficie metálica reflectante, por ejemplo, puede llevar a lecturas subestimadas si se utiliza una configuración genérica.
2. Ignorar el estado de la superficie: El acabado, la oxidación y la rugosidad de la superficie pueden alterar la emisividad de un material. Un metal con acabado pulido tendrá una más baja que el propio metal con una superficie rugosa u oxidada.
3. Angulo de visión: La radiación infrarroja emitida por un objeto se detecta mejor cuando la cámara está perpendicular a la superficie del objeto (ángulo de visión de 90°). A medida que el ángulo se desvía de la posición ideal, la cantidad de radiación que llega al detector de la cámara disminuye, ya que en ángulos oblicuos, aumenta la cantidad de radiación reflejada en lugar de la emitida directamente desde el objeto, lo que puede dar lugar a lecturas de temperatura más bajas o inexactas.
4. Factores ambientales: La temperatura ambiente, la humedad y otros factores ambientales pueden afectar la emisividad percibida de un material, lo que genera lecturas incorrectas. De especial consideración son las fuentes de calor en el entorno del objeto de medición².

Técnicas para ajustar la emisividad

Para tener en cuenta estas variaciones y evitar mediciones de temperatura inexactas en evaluaciones con termografía infrarroja, se utilizan varios métodos para ajustar esta propiedad:

Aplicación de cintas

Existen ciertas cintas de alta emisividad que pueden aplicarse a superficies de baja emisividad para estandarizar su valor. Estas cintas están diseñadas con un valor conocido, a menudo alrededor de 0.95, lo que permite obtener lecturas de temperatura más precisas cuando se colocan sobre un material con una emisividad más baja.

Básicamente, el procedimiento consiste colocar la cinta sobre la superficie del material del cual se desconoce la propiedad, con una determinada temperatura, posteriormente se fija en el termógrafo el valor de la cinta y se mide la temperatura sobre esta. Finalmente, se apunta el termógrafo al material al lado de la cinta y se ajusta la emisividad hasta que iguale el valor de la temperatura sobre la cinta obtenido previamente, determinando así la emisividad del material.

Uso de termómetros de contacto

Esta técnica es particularmente utilizada cuando se evalúan tubos en zonas radiantes hornos, donde se aprovecha los valores de temperatura de los termopares de contacto adheridos a la superficie de los tubos para ajustar la emisividad del termógrafo.

Ajustes manuales y tablas de emisividad

La mayoría de las cámaras infrarrojas permiten ingresar manualmente el valor de la emisividad del material que están midiendo. Las tablas, proporcionan valores de esta propiedad, de los materiales comunes; los cuales, servir como referencia. Sin embargo, estas tablas proporcionan valores aproximados, por lo que deben usarse con cautela, especialmente para materiales cuyo estado de la superficie impacta significativamente en la emisividad.

Factores que afectan la corrección

Tipo de material

El tipo de material es el primer factor a considerar. Los metales, las cerámicas y los materiales orgánicos se comportan de manera diferente en cuanto a su capacidad para emitir radiación infrarroja. El material debe identificarse con precisión para hacer los ajustes correctos.

Condición de la superficie

Los metales pulidos reflejan mucho más la radiación infrarroja que los metales rugosos u oxidados, lo que lleva a un valor menor. Los revestimientos superficiales, como la pintura o la corrosión, pueden aumentar la emisividad de un material, y estos factores siempre deben tenerse en cuenta durante la medición de temperatura.

Angulo de visión

Se debe evaluar siempre con la cámara apuntando perpendicularmente a la superficie del material. Si es inevitable medir desde un ángulo, se debe ajustar los parámetros de la cámara, o realizar correcciones para compensar la radiación reflejada.

Condiciones ambientales

Las condiciones ambientales como la temperatura ambiente, la humedad y las fuentes de radiación circundante también pueden influir en la precisión de las mediciones de temperatura por infrarrojo. En algunos casos, puede ser necesario ajustar la emisividad según el contexto ambiental específico, especialmente en entornos con alta humedad o radiación de fondo significativa.

Conclusión

Comprender y ajustar la emisividad es fundamental crucial para la medición precisa de la temperatura por infrarrojo. Ya sea utilizando una cámara infrarroja en un entorno industrial o un pirómetro en un laboratorio de investigación, no tomarla en cuenta adecuadamente puede llevar a errores considerables. Al utilizar medidores, aplicar cintas y realizar ajustes manuales mediante tablas, los profesionales pueden garantizar lecturas de temperatura más precisas y confiables.

Referencias

1. FLUKE. What is Emissivity?; Consultado el 09 de Septiembre de 2024. https://www.flukeprocessinstruments.com/es/service-and-support/knowledge-center/infrared-technology/what-emissivity
2. MESUREX. ¿Qué es la emisividad y por qué es tan importante en Termografía?; Consultado el 09 de Septiembre de 2024. https://mesurex.com/emisividad-en-la-medicion-de-temperatura-mediante-termografia/