Utilice materiales de bajo coste para aumentar la emisividad del objetivo

Las superficies de metal limpias y sin óxido tienen una emisividad baja. Tan baja, que es difícil medir en ellas con una cámara termográfica. En muchas aplicaciones industriales de I+D, hay muchos objetivos de baja emisividad, sobre todo en aplicaciones eléctricas. Para conseguir buenas mediciones, se necesita aumentar la emisividad de esos objetivos problemáticos.

La cámara termográfica registra la intensidad de la radiación en la zona de infrarrojos del espectro electromagnético y la convierte en una imagen visible. La energía de infrarrojos que irradia un objeto se enfoca con la óptica de la cámara sobre un detector de infrarrojos. El detector envía los datos al sensor electrónico para procesar la imagen. Finalmente, el sensor traduce los datos en una imagen compatible con el visor o que se puede ver en un monitor de vídeo estándar o una pantalla LCD. La termografía de infrarrojos es el arte de transformar una imagen de infrarrojos en una imagen radiométrica que permita leer los valores de temperatura. Por tanto, cada píxel de la imagen radiométrica es, de hecho, una medición de la temperatura.

Para interpretar las imágenes térmicas correctamente, se necesita conocer los distintos materiales y circunstancias que influyen en las lecturas de temperatura de la cámara termográfica. La emisividad es la eficacia con la que un objeto emite radiación de infrarrojos comparada con un emisor perfecto (el denominado cuerpo negro, que tiene un valor de emisividad de 1). De hecho, los objetivos que solemos medir no son radiadores perfectos y tienen un valor de emisividad por debajo de 1. Para estos cuerpos, la temperatura medida será una combinación de radiación emitida, transmitida y reflejada. Es importante establecer el valor de emisividad correcto en la cámara termográfica o, de lo contrario, las mediciones de temperatura no serán correctas. Las cámaras termográficas de FLIR Systems tienen ajustes predefinidos de emisividad para muchos materiales. Si no encuentra alguno puede buscarlo en una tabla de emisividad.

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

En realidad, nuestros objetivos no son cuerpos negros perfectos. La temperatura medida en un objetivo es 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 cuentan con valores de emisividad cercanos al 0,9, lo que significa que el 90 % de la radiación medida viene de la radiación emitida por el objetivo. La mayoría de los metales pulidos tienen valores de emisividad entre el 0,05 y el 0,1. Los metales deslustrados, oxidados o corroídos tienen valores de emisividad que van desde el 0,3 hasta el 0,9 dependiendo de la cantidad de óxido o corrosión. Sin aumentar el valor de emisividad de una forma u otra, los materiales con emisividad inferior a 0,7 son difíciles de medir, aquellos con emisividad inferior a 0,2 son casi imposibles. Afortunadamente, hay maneras rentables de compensar la baja emisividad en los objetivos. Estos métodos reducen la reflectancia del objetivo y, de esa forma, se mejora la precisión de las mediciones.

Si observa la imagen térmica, es posible que piense que las hojas están más frías que la superficie de la taza. En realidad, tienen exactamente la misma temperatura, la diferencia en la intensidad de la radiación de infrarrojos está provocada por una diferencia en la emisividad.

Cinta aislante

La mayoría de las cintas aislantes de alta calidad tienen una emisividad de 0,95. Hay que asegurarse, sobre todo con las cámaras de media longitud de ondas (3-5 μm), de que la cinta sea opaca. Algunas cintas de vinilo son demasiado finas y tienen cierta transmitancia de infrarrojos y, por lo tanto, no se admiten como revestimiento de alta emisividad. Se recomienda la cinta aislante de vinilo negro 88 de la marca Scotch™, que cuenta con una emisividad de 0,96 tanto en las regiones de longitud de ondas corta (3-5 μm) como en la de longitud de ondas larga (8-12 μm). 

Temperatura de un ASIC grande con una tapa de metal brillante: sin ningún acabado, el ASIC señalaba casi temperatura ambiente. Al colocar una capa de cinta Kapton de alta emisividad, se señaló la verdadera temperatura 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. En la lata caliente, la temperatura obtenida de la cinta es 72,8 °C (163 °F), y en la lata es 23,5 °C (74,3 °F). La segunda lectura es esencialmente temperatura ambiente, ya que la emisividad de la lata es muy baja. Este es un ejemplo clásico de la necesidad de usar una aplicación de alta emisividad en un objetivo de baja emisividad.

Pinturas y revestimientos

La mayoría de las pinturas tienen una emisividad de entre 0,9 y 0,95. No se recomiendan pinturas con base metálica, ya que tienen baja emisividad. El color de la pintura no es una variable importante en su emisividad de infrarrojos. Que la pintura sea uniforme es más importante que su color. Es preferible usar pinturas uniformes a pinturas con brillo. El revestimiento también debe tener un grosor suficiente para ser opaco. Normalmente dos capas suelen bastar. La cinta funciona para áreas pequeñas. La pintura funciona en áreas mayores, pero es un revestimiento permanente. Para revestimientos de zonas grandes pero que tengan que ser eliminados posteriormente, o donde las cintas no sean apropiadas, se pueden utilizar polvos suspendidos en mezclas espesas o pulverizados. Dos ejemplos serían el tinte penetrante y el espray de talco para pies de Dr. Scholl™. La emisividad de estos polvos están dentro del intervalo 0,9 y 0,95, lo que demuestra que son lo suficientemente espesos para ser opacos.

Izquierda: placa de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés) sin pintura de aumento de emisividad. Derecha: con pintura de aumento de emisividad. El inconveniente de usar pinturas puede ser la reducción de los pequeños detalles.

Líquido corrector blanco

El uso del corrector líquido es una buena forma de aumentar la emisividad de una superficie. Este método se puede utilizar con los componentes eléctricos más pequeños como alternativa a la cinta, que no se pegaría a superficies pequeñas. El corrector líquido puede limpiarse utilizando un cepillo pequeño y alcohol. La emisividad del corrector líquido está entre 0,95 y 0,96 para una cámara de longitud de ondas larga.

Otras recomendaciones

Es necesario tener siempre precaución, ya que estos objetivos suelen llevar corriente eléctrica. Esto quiere decir que el revestimiento de los objetivos se debe realizar solo cuando no lleven corriente y utilizando un revestimiento aprobado para garantizar un funcionamiento correcto cuando transmitan energía. Asegúrese de cubrir un área de suficiente tamaño. Conozca la relación de tamaño del punto de su cámara para tomar medidas y la distancia mínima de funcionamiento que puede usar de manera segura. Por ejemplo, una cámara con una relación de tamaño de punto de 250:1 puede medir un objetivo de un centímetro a un máximo de 250 centímetros, o lo que es lo mismo, 2,5 m (o un objetivo de una pulgada a un máximo de 250 pulgadas, o 20,8 pies). Para aplicaciones de mayor temperatura, utilice pinturas diseñadas para altas temperaturas, como pinturas para motores o parrillas de carbón. Las cintas y los polvos están limitados en cuanto al rango de temperatura al que se pueden aplicar. Para los sistemas eléctricos, si la cinta se funde, el problema seguramente es importante. Así pues, no debería necesitar material de alta temperatura para esta aplicación.

Controlar los valores de emisividad en las placas PCB

Durante los procedimientos de búsqueda de errores, medir la temperatura de los componentes en placas de circuitos impresos (PCB) puede ser una técnica muy útil y rentable, pero es difícil debido a los diferentes valores emisivos de los componentes. Normalmente, las PCB cuentan con una variedad de componentes metálicos y plásticos hechos por diferentes fabricantes que aplican sus propios acabados a los componentes. Cuando las placas se tratan con un revestimiento probado, concreto y conocido, normalmente se simplifica el problema. Después del revestimiento, las superficies de los componentes tienen el mismo valor electrónico y se pueden determinar las temperaturas relativas al usar un termograma.

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

Determinar la emisividad

Conocer el valor de emisividad es necesario para realizar una evaluación real de la temperatura de la radiación de medida. Sin embargo, los valores de la tabla de emisividad se deben usar con precaución. A menudo no queda claro a qué banda de longitud de ondas es válido el valor de emisividad. Y la emisividad cambia con la longitud de ondas. También el estado, la textura y la forma de la superficie juegan papeles importantes en la emisividad de un material. Le presentamos una forma de entender el efecto de la variación de la emisividad en la precisión de las mediciones: Suponga que la variación de la emisividad de un objeto es de ±0,05. Para una emisividad de 0,95, esto representa alrededor de un 5 % de error (0,05/0,95). Para un material como puede ser el cobre brillante, la emisividad es 0,05, esto representa un 100 % de error (0,05/0,05). Estos errores se propagan en el cálculo de la temperatura, aumentando el error en la lectura de temperatura. Nuestra recomendación es no intentar medir la temperatura con una emisividad del objetivo por debajo de 0,5 debido a este efecto. Recubra el objetivo con un material de alta emisividad antes de medirlo.

Materiales de revestimientos de alta emisividad