Cámaras térmicas de alta velocidad: la velocidad necesaria

Medir el calor con termopares o pirómetros puntuales puede no ofrecerle la imagen completa de las propiedades térmicas de un dispositivo. Estos métodos tradicionales no ofrecen la resolución o la velocidad necesarias para caracterizar de manera completa las aplicaciones térmicas de alta velocidad. Por otra parte, las cámaras de infrarrojos capturan miles de puntos de medición térmica de alta velocidad, mostrándole exactamente dónde surge el calor y con qué rapidez. Con la cámara de infrarrojos adecuada, puede recopilar mediciones fiables y generar datos convincentes para su investigación.

Tipos de cámaras de infrarrojos térmicas

En general, actualmente se utilizan dos tipos de cámaras de infrarrojos térmicas. Son cámaras con recuento de fotones refrigeradas de alto rendimiento y cámaras de bajo coste basadas en microbolómetros sin refrigeración. 

La mayoría de cámaras termográficas refrigeradas comercializadas actualmente utilizan un detector elaborado con antimoniuro de indio (InSb). Las cámaras refrigeradas funcionan realizando un recuento de los fotones de energía en una banda de onda específica, típicamente en la banda de IR de onda media de alrededor de 3 - 5 μm. Los fotones golpean los píxeles y se convierten en electrones que se almacenan en un capacitor de integración. El píxel se obtura electrónicamente abriendo o acortando el capacitor de integración. Los tiempos de integración típicos para objetos entre -20 y 350 °C con una cámara FLIR InSb van de unos 6 ms a unos 50 µs en función del modelo de cámara. Estos realmente cortos tiempos de integración hacen posible «detener el movimiento» y posibilitan medir con precisión transitorios muy rápidos.

Imagen con movimiento detenido de FA-18 Hornets desde una cámara térmica refrigerada FLIR InSb

Imagen térmica de un termopar tradicional

Las cámaras sin refrigeración tienen un coste más bajo, son más pequeñas, son más ligeras y tienen un consumo de energía más bajo que las homólogas refrigeradas ya mencionadas. Los píxeles de una cámara no refrigerada se elaboran con un material cuya resistencia cambia notablemente con la temperatura. Los materiales más utilizados para esta aplicación son el óxido de vanadio y el silicio amorfo. La energía térmica se centra en el píxel y en si el píxel se calienta o se enfría físicamente. Como la resistencia del píxel varía con la temperatura, su valor puede medirse y reasignarse a la temperatura del objetivo mediante un proceso de calibración. Como los píxeles tienen una masa finita, tienen una constante de tiempo térmica. Las constantes de tiempo para una cámara de microbolómetro moderna suele ser de entre 8 y 12 ms. Esto no significa que los píxeles del sensor puedan leerse cada 8 o 12 ms no que proporcionen una respuesta precisa. La regla de oro para un sistema de primera orden en respuesta a una entrada en pasos es que tarde cinco constantes de tiempo en alcanzar un estado estable.

Constantes de tiempo y un ejercicio mental

Una forma divertida de pensar en la respuesta temporal de un detector microbolómetro es suponer que tenemos dos cubos de agua. Un cubo está lleno de agua helada bien agitada a 0 °C y el otro está hirviendo a 100 °C. Dejamos que el microbolómetro observe el agua helada y cambiamos instantáneamente al agua hirviendo (una entrada en pasos de 100 °C) y trazamos la temperatura resultante. Si convertimos la constante de tiempo térmica de 10 ms a un medio tiempo para facilitar los cálculos matemáticos, conseguimos un tiempo en torno a 7 ms.

Figura 1. Respuesta del sistema a una transición de 0 °C a 100 °C, tau = 10 ms, medio tiempo = 7 ms

Figura 3. InSb frente a microbolómetro para transitorios térmicos

Figura 2. Imagen térmica de papel saliendo de rodillos calentados 

Aquí vemos que el microbolómetro informa de 50 °C a 7 ms o un medio tiempo, 75 °C a dos medios tiempos, 87,5 °C a tres medios tiempos, etc. ¿Qué sucedería si intentásemos leer este microbolómetro con los valores equivalentes de 100 fotogramas/s o 10 ms? La cámara informaría de 63 °C y tendría un error de 37 °C. La cámara informaría con precisión de la temperatura del píxel, pero el píxel no habría alcanzado la temperatura de la escena que está observando. En general, no tiene sentido utilizar microbolómetros a más de 30 fotogramas/s.

Datos del mundo real

Echemos un vistazo de un proceso de impresión necesario para calentar una hoja de papel a 60 °C. El papel sale de los rodillos a 127 cm/s y debe tener una temperatura uniforme tanto a lo ancho como a lo largo.

Se utilizaron una cámara con recuento de fotones y una cámara de microbolómetro para capturar datos de forma comparativa. La figura 3 muestra que los datos de los dos tipos de cámara tienen un aspecto radicalmente diferente. Los datos del microbolómetro muestran una gran curva, relativamente estable, en la temperatura del eje longitudinal. Los datos de la cámara con recuento de fotones muestran variaciones significativas de temperatura en el tiempo. La cámara refrigerada indica que el conjunto de rodillos calentados se enfrió a causa del contacto con el papel de la primera revolución. El controlador sí/no detectó la caída en la temperatura y volvió a activar por completo el controlador del calentador como respuesta. Como consecuencia, el rodillo se calentó hasta alcanzar el punto definido y se apagó, y el proceso se repitió. Este gráfico bastó para convencer al ingeniero de I+D de dos cosas: que se requiere una cámara con recuento de fotones para probar el producto y que es necesario implementar un sistema de control de PID en el rodillo calentado, en lugar del simple controlador sí/no, si hay que cumplir los objetivos de diseño deseados. 

Cámara con detector con recuento de fotones (tiempo de integración de 66 μs)

Cámara con detector microbolómetro (constante de tiempo de 8 ms)

Grabación a 60 Hz con un tiempo de integración de 1 ms

Grabación a 60 Hz con un tiempo de integración de 12 ms

Para el segundo ejemplo, vemos las aspas de un ventilador que gira a alta velocidad e intentamos detener el movimiento de las aspas para medir su temperatura con precisión. Como cabría esperar, si no disponemos de una exposición lo bastante rápida, las imágenes quedarán borrosas y no podremos detener el movimiento para obtener lecturas de temperatura verdaderas. (Ver figura 4)

Observe que el rápido tiempo de integración que ofrece la cámara refrigerada detuvo el movimiento del aspa, lo que permite una medición precisa de la superficie del aspa, así como de las bobinas calentadoras. En cambio, las aspas se movían demasiado deprisa para que las pudiera grabar la cámara sin refrigeración. Cualquier medición de la temperatura tomada de las bobinas sería demasiado baja, porque en realidad las aspas en movimiento bloquean las bobinas.

Un ejemplo final de este mismo problema puede mostrarse si se miden los efectos térmicos de las aspas girando de un helicóptero. La fricción del viento crea un gradiente de calor a lo largo del aspa, que aumenta a medida que nos acercamos a la punta. Con detectores microbolómetros, no puede detenerse el movimiento de manera efectiva en el objeto para caracterizar y medir con precisión las temperaturas reales. (Ver figuras 5 y 6)

Consiga la herramienta adecuada para cada trabajo

Como puede ver, es importante utilizar el detector térmico correcto para cada trabajo. Si elige un detector con una respuesta inherentemente lenta y realiza la lectura a una frecuencia de imagen alta, probablemente reciba datos erróneos. Por lo general, los microbolómetros pueden utilizarse para frecuencias de imagen de hasta 50 fps. Para pruebas con requisitos exigentes de transitorios térmicos o frecuencia de imagen, lo mejor suele ser seleccionar una cámara con recuento de fotones refrigerado de alto rendimiento. Pero si no se requieren altas frecuencias de imagen, puede conseguirse un ahorro utilizando una cámara de microbolómetro no refrigerado.