Usar materiales de bajo costo para aumentar la emisividad del objetivo

Las superficies metálicas limpias, sin óxido y al desnudo tienen una emisividad bastante baja. Tan bajo que es difícil de medir con una cámara de imágenes térmicas. En muchas aplicaciones industriales de I+D, existen numerosos objetivos de baja emisividad, especialmente para aplicaciones eléctricas. Para obtener buenas mediciones, necesitamos aumentar la emisividad de estos objetivos problemáticos.

Una cámara de imágenes térmicas registra la intensidad de la radiación en la parte infrarroja del espectro electromagnético y la convierte en una imagen visible. La energía infrarroja que proviene de un objeto es enfocada por el componente óptico de la cámara y transmitida hacia un detector de infrarrojos. El detector envía la información a la electrónica del sensor para el procesamiento de imágenes. Los componentes electrónicos traducen los datos provenientes del detector en una imagen que se puede ver en el visor o en un monitor de video convencional o en una pantalla LCD. La termografía infrarroja es el arte de transformar una imagen infrarroja en una radiométrica, lo que permite que los valores de temperatura se lean a partir de la imagen. Por lo tanto, cada píxel en la imagen radiométrica es, de hecho, una medición de temperatura.

Para interpretar las imágenes térmicas correctamente, usted debe saber cómo los diferentes materiales y circunstancias influyen en las lecturas de temperatura de la cámara de imágenes térmicas. La emisividad es la eficiencia con la que un objeto emite radiación infrarroja, en comparación con un emisor perfecto (o un cuerpo negro, que tiene un valor de emisividad de 1). En realidad, los objetivos que es probable que midamos no son radiadores perfectos, con un valor de emisividad inferior a 1. Para estos objetivos, la temperatura medida será el resultado de una combinación de radiación emitida, transmitida y reflejada. Es importante establecer el valor de emisividad correcto en su cámara de imágenes térmicas o las mediciones de temperatura serán incorrectas. Las cámaras de imágenes térmicas de FLIR Systems tienen configuraciones de emisividad predefinidas para muchos materiales, y el resto se puede encontrar en una tabla de emisividad.

Un cuerpo negro perfecto tiene una emisividad de 1. En otras palabras, la radiación del objetivo se emite al 100 % desde la superficie objetivo.

En realidad, nuestros objetivos no son cuerpos negros perfectos. La temperatura medida de un objetivo será el resultado de una combinación de radiación emitida, transmitida y reflejada.

Los valores de emisividad, reflectancia y conductividad térmica de un objetivo dependerán en gran medida de las propiedades del material. La mayoría de los no metales tienen valores de emisividad cercanos a 0.9, lo que significa que el 90 % de la radiación medida proviene de la radiación emitida por el objetivo. La mayoría de los metales pulidos tienen valores de emisividad cercanos a 0.05 a 0.1. Los metales pulidos, oxidados o corroídos de otro modo tienen valores de emisividad que varían de 0.3 a 0.9 dependiendo del grado cantidad de oxidación o corrosión. Los materiales con emisividad por debajo de 0.7 son difíciles de medir, los materiales con emisividad por debajo de 0.2 son casi imposibles de medir, sin aumentar el valor de emisividad de alguna manera u otra. Afortunadamente, existen formas rentables de compensar la baja emisividad en los objetivos. Estos métodos reducen la reflectancia del objetivo y, por lo tanto, mejoran la precisión de la medición.

Si observa la imagen térmica, podría pensar que las hojas son más frías que la superficie de la taza. En realidad, tienen exactamente la misma temperatura, la diferencia en la intensidad de la radiación infrarroja es causada por una diferencia en la emisividad.

Cinta aislante

La mayoría de las cintas aislantes de alta calidad tienen una emisividad de 0.95. Se debe tener cuidado, especialmente con cámaras de longitud de onda media (3-5 μm), de que la cinta sea opaca. Algunas cintas de vinilo son lo suficientemente delgadas como para tener cierta transmitancia infrarroja y, por lo tanto, son inaceptables para su uso como recubrimientos de alta emisividad. La cinta aislante de vinilo negro marca Scotch™ 88 tiene una emisividad de 0.96 tanto en las regiones de longitud de onda corta (3-5 μm) como en las de longitud de onda larga (8-12 μm), y se recomienda.

Temperatura de un ASIC (circuito integrado de aplicación específica) grande con una tapa de metal brillante: sin ningún recubrimiento, el ASIC reportó temperatura cercana a temperatura ambiente. Una vez que se aplicó una capa de cinta Kapton de alta emisividad, se reportó la temperatura real de 43.9 °C.

Este ejemplo muestra dos latas con cinta. La de la izquierda está llena de agua caliente; la otra está a temperatura ambiente. Para la lata caliente, la temperatura que se leyó de la cinta es de 163°F (72.8 °C), de la lata es de 74.3 °F (23.5 °C). Esta última lectura es esencialmente temperatura ambiente, ya que la emisividad de la lata es bastante baja. Este es un ejemplo clásico de la necesidad de usar una aplicación de alta emisividad en un objetivo de baja emisividad.

Pinturas y recubrimientos

La mayoría de las pinturas tienen una emisividad de aproximadamente 0.9 a 0.95. Las pinturas metálicas tienen baja emisividad y no se recomiendan. El color de la pintura no es la variable significativa en su emisividad infrarroja. La planicidad de la pintura es más importante que su color. Se prefieren las pinturas mates en lugar de las pinturas brillantes. El recubrimiento también debe ser lo suficientemente grueso como para ser opaco. Por lo general, dos capas son suficientes. La cinta es buena para áreas pequeñas. La pintura es buena para áreas más grandes, pero es un recubrimiento permanente. Para recubrimientos sobre áreas grandes que deben quitarse, o donde la cinta es inapropiada, los polvos suspendidos en forma de suspensión o pulverización pueden funcionar bien. El revelador penetrante al tinte y el polvo para pies en aerosol Dr. Scholl™ son dos ejemplos. Las emisividades de estos polvos están en el rango de 0.9 a 0.95, siempre que se apliquen con un grosor suficiente para ser opacos.

Izquierda: PCB sin pintura que aumente la emisividad. Derecha: con pintura que aumenta la emisividad. La desventaja de usar pinturas puede ser la reducción de los detalles finos.

Líquido corrector blanco

Aplicar corrector es una excelente manera de elevar la emisividad de una superficie. Este método se puede aplicar a los componentes eléctricos más pequeños, a diferencia de la cinta, que no se pega a superficies pequeñas. El corrector se elimina con un pincel pequeño y alcohol. La emisividad del corrector es de aproximadamente 0.95 a 96 para una cámara de onda larga.

Recomendaciones adicionales

Dado que muchos de estos objetivos a menudo tienen corriente, siempre es necesario tener cuidado. Esto significa recubrir los objetivos solo cuando no tienen corriente y solo usando un recubrimiento aprobado para garantizar un funcionamiento adecuado cuando tienen corriente. Asegúrese de lograr que el recubrimiento cubra un área de tamaño suficiente. Conozca la relación de tamaño de punto de su cámara para la medición y la distancia mínima de funcionamiento que puede emplear de manera segura. Por ejemplo, una cámara con una relación de tamaño de punto de 250:1 puede medir un objetivo de una pulgada a un máximo de 250 pulgadas, o 20.8 pies (o un objetivo de un centímetro a un máximo de 250 centímetros, o 2.5 metros). Para aplicaciones de temperatura más alta, use pintura de alta temperatura, como pintura para motores o parrillas de carbón. Las cintas y los polvos están limitados en cuanto al rango de temperatura de aplicación. Para los sistemas eléctricos, si la cinta se derrite, el problema probablemente sea significativo. Por lo tanto, no debe necesitar un material de alta temperatura para esta aplicación.

Control de valores de emisividad en placas de PCB

Durante los procedimientos de detección de fallas, medir las temperaturas de los componentes en una placa de circuito impreso (PCB) puede ser una técnica muy útil y rentable, pero es difícil debido a los diferentes valores electrónicos de los diferentes componentes. Por lo general, las PCB se rellenan con una variedad de componentes metálicos y plásticos fabricados por diferentes fabricantes que aplican sus propios acabados a los componentes. Cuando la placa se trata con un recubrimiento conocido, probado y caracterizado, normalmente se simplifica el problema. Después del recubrimiento, las superficies de los componentes tienen los mismos valores electrónicos y las temperaturas relativas pueden determinarse tomando un termograma.

Para controlar los valores de emisividad, puede tratar una placa de PCB con un recubrimiento.

Determinación de la emisividad

Conocer el valor de emisividad es necesario para una verdadera evaluación de la temperatura a partir de la medición de radiación. Sin embargo, los valores de la tabla de emisividad deben utilizarse con precaución. A menudo no está claro sobre qué banda de longitud de onda es válido el valor de emisividad. Y las emisividades cambian con la longitud de onda. Además, la condición de la superficie, la textura y la forma desempeñan funciones clave en la emisividad de un material. Esta es una manera de comprender el efecto de la incertidumbre de emisividad en la precisión de la medición: Supongamos que la incertidumbre en la emisividad del objetivo es ±0.05. Para una emisividad de 0.95, esto representa aproximadamente un error del 5 % (0.05/0.95). Para un material como cobre brillante, con emisividad 0.05, esto representa un error del 100 % (0.05/0.05). Estos errores se trasladan al cálculo de temperatura, lo que aumenta el error en la lectura de temperatura. Nuestra recomendación es no intentar medir la temperatura para las emisividades de objetivos por debajo de aproximadamente 0.5 debido a este efecto. Cubra el objetivo con un material de alta emisividad.

Materiales de recubrimiento de alta emisividad