¿Cómo funcionan las pistolas de temperatura infrarroja?

Una pistola de temperatura, un tipo de termómetro infrarrojo, funciona midiendo la cantidad de radiación infrarroja emitida por un objeto. La radiación IR emitida se enfoca en una termopila usando una lente; la termopila luego convierte la energía térmica en energía eléctrica y, finalmente, estas señales eléctricas se utilizan para determinar la temperatura del cuerpo.

Si fuera a salir ahora mismo (aunque en la mayor parte del mundo no debería hacerlo), es muy probable que lo apunten con una pistola. No te preocupes, al contrario que en otras ocasiones, ¡esta arma podría ayudarte a sobrevivir!

Una pistola de temperatura, también conocida como láser o termómetro sin contacto, es un termómetro infrarrojo que mide la temperatura de un objeto desde una cierta distancia. Originalmente pensadas para medir la temperatura de objetos en movimiento y superficies inaccesibles, las pistolas de temperatura han llegado a los hospitales y, en los últimos meses, se han vuelto omnipresentes.

Las pistolas de temperatura permiten controles de temperatura más rápidos y seguros. (Crédito de la foto: JETACOM AUTOFOCUS / Shutterstock)

Las pistolas de temperatura se utilizan en los aeropuertos para controlar a los pasajeros, los comerciantes para controlar a los clientes entrantes, en los caminos de entrada y en todas las demás áreas posibles, pero ¿cómo funcionan estas armas? ¿No se supone que debemos poner un termómetro debajo de nuestras axilas o insertarlo debajo de nuestra lengua para medir nuestra temperatura corporal?

Bueno, ya no!

Radiación de cuerpo negro

Los termómetros infrarrojos aprovechan el hecho de que todos los objetos, incluidos los humanos, a una temperatura superior al cero absoluto, emiten calor en forma de radiación térmica. Este es un concepto conocido como radiación de cuerpo negro.

El cero absoluto (equivalente a -273,15 grados Celsius o -460 grados Fahrenheit) es la temperatura más baja posible que puede alcanzar un objeto y también un punto donde los átomos exhiben un comportamiento extraño y exótico. Sin embargo, a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, los átomos están en un estado de movimiento constante y poseen energía cinética. Cuanto mayor es la temperatura, más energía cinética poseen los átomos / moléculas. Cuando los electrones de estos átomos excitados saltan de una órbita (estado energético) a otra o cuando chocan dos moléculas excitadas, se emite energía en forma de radiación electromagnética. Este tipo de radiación electromagnética, emitida únicamente por la energía cinética y el movimiento de partículas en la materia, se clasifica como Radiación termal.

Al ser un subconjunto de la radiación electromagnética, la radiación térmica comprende más de una longitud de onda. Incluye ondas de radio, ondas infrarrojas y luz visible. El tipo de radiación térmica emitida depende de la temperatura de la fuente. Como se mencionó anteriormente, cuanto mayor es la temperatura, más rápido se mueven las moléculas, por lo que mayor es la cantidad de radiación emitida. A temperaturas suficientemente altas, los objetos comienzan a irradiar luz visible.

El sol, por ejemplo, reside a una temperatura cercana a los 5.600 grados Celsius y emite la mayor parte de su radiación térmica en forma de luz visible. Los seres humanos y todos los animales, por otro lado, emiten radiación infrarroja que se encuentra justo debajo de la luz visible en el espectro electromagnético.

Un mapa térmico del cuerpo humano creado a partir de radiación infrarroja. (Crédito de la foto: PATARA / Shutterstock)

Ley de Stefan-Boltzmann

El conocimiento de la radiación infrarroja emitida por humanos y animales se ha empleado principalmente para la obtención de imágenes térmicas. Un termómetro infrarrojo lleva esto un paso más allá y pone un número a la cantidad de radiación térmica emitida. Los termómetros de infrarrojos hacen esto mediante el empleo de la ley de Stefan-Boltzmann.

La ley establece: “La energía térmica irradiada por unidad de superficie por unidad de tiempo por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta”.

Matemáticamente,

E ∝ T4

Aquí, E es la energía radiante emitida por unidad de área por unidad de tiempo y T es la temperatura absoluta del objeto.

Al eliminar el signo de proporcionalidad, se agrega a la fórmula un término constante conocido como la constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5.67 x 10 –8 Wm –2K –4).

E = σT4

La ecuación anterior relaciona la energía radiante con la temperatura de un cuerpo negro, un cuerpo / objeto que absorbe toda la radiación que incide en él. Sin embargo, todavía no existe un cuerpo negro perfecto (aunque Vantablack se acerca bastante), por lo que la ecuación anterior debe ajustarse para todos los demás objetos regulares.

E = eσT4

La fórmula se modifica agregando un término llamado emisividad (e). Esta es la relación entre la energía radiante emitida por una superficie regular y la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro a la misma temperatura. Los valores de emisividad van de 0 a 1. Una emisividad de 1 representa un cuerpo negro perfecto y 0 representa un reflector perfecto. ¡La piel humana tiene un valor de emisividad entre 0,97 y 0,99! (Fuente)

Cómo funciona una pistola de temperatura

Un termómetro infrarrojo típico tiene las siguientes partes: un láser, una lente convergente, un sensor de infrarrojos (termopila), un sensor de temperatura ambiente / de referencia, un amplificador y otros componentes electrónicos para convertir y mostrar los resultados en valores numéricos.

Componentes de un termómetro infrarrojo

Cuando apuntas la pistola de temperatura a algo o alguien y disparas, se descarga un láser del termómetro. El láser, sin embargo, no tiene ningún uso funcional, ni es lo que realmente mide la temperatura. El láser solo está presente para ayudar a señalar / apuntar con precisión al objeto que se va a medir.

La radiación infrarroja, como la luz visible, puede reflejarse, absorberse y concentrarse. Por lo tanto, la radiación IR emitida por un objeto o un ser humano se enfoca primero en la termopila dentro de la pistola de temperatura usando una lente convergente (convexa). A continuación, se encuentra una termopila, un dispositivo electrónico que convierte la energía térmica en energía eléctrica. La termopila se fabrica apilando varios termopares en una configuración en serie o en paralelo.

La temperatura de la termopila aumenta con la cantidad de radiación que incide sobre ella. Sin embargo, el lado opuesto (el que mira al otro lado de la pistola) de la termopila permanece a una temperatura ligeramente más baja, ya que la radiación infrarroja no incide directamente sobre él. Esta diferencia de temperatura conduce al desarrollo de una diferencia de voltaje y, por lo tanto, a la electricidad (efecto termoeléctrico). Luego, la lectura eléctrica se amplifica utilizando un amplificador.

En última instancia, la lectura eléctrica se transmite a un circuito de adquisición de datos típico y la lectura de temperatura final se muestra en un panel LED en grados Celsius o Kelvin.

Un sensor ambiental presente cerca de la termopila ayuda a compensar cualquier radiación térmica que ingrese a la pistola de temperatura desde la atmósfera misma.

Un picador óptico es otro componente que se incorpora a menudo en las pistolas de temperatura. Un motor eléctrico impulsa el helicóptero óptico y ayuda a que la termopila reciba radiación en dos longitudes de onda diferentes. También constan de varios ajustes de emisividad para ayudar a comprobar la temperatura de diferentes objetos. Los termómetros de infrarrojos se caracterizan en función de sus relaciones de distancia al punto (D: S) y, obviamente, este número representa la relación entre el tamaño del punto / área que se mide y la distancia del termómetro al punto. Cuanto mayor sea la relación D: S, mayor será el rango y la precisión del termómetro de infrarrojos.

Aplicaciones de pistolas de temperatura

Una pistola de temperatura encuentra un uso extensivo en varias industrias. Los bomberos lo utilizan principalmente para verificar si hay puntos calientes mientras extinguen un incendio, en las industrias de fabricación y electrónica para monitorear las temperaturas de las máquinas, el rendimiento de los sistemas de calefacción / refrigeración, sistemas de aislamiento, motores de automóviles, inspección de paneles eléctricos y otras partes eléctricas sensibles a la temperatura. , etc. También se puede utilizar un termómetro de infrarrojos para garantizar la seguridad alimentaria mediante el control de la temperatura del calentador / horno y la temperatura de los alimentos, así como en la agricultura para controlar la temperatura de la planta y del suelo, entre otras cosas.

La aplicación más importante de una pistola de temperatura en los últimos tiempos ha sido la seguridad pública. Las pistolas de temperatura permiten controles de temperatura más fáciles, rápidos y seguros de un mayor número de personas en lugares como aeropuertos. Anteriormente se han empleado para controlar a los viajeros en busca de fiebre durante eventos epidémicos como el Ébola y el SARS. Ahora, la tecnología se está utilizando para verificar posibles casos de COVID-19.

Los controles de temperatura se han convertido en una parte indispensable de la experiencia de viaje de todos. (Crédito de la foto: VectorMine / Shutterstock)

El uso de una pistola de temperatura reduce el riesgo de contaminación cruzada y propagación de enfermedades debido a su enfoque sin contacto. Además, las lecturas de temperatura se obtienen a un ritmo mucho más rápido que los métodos tradicionales. Sin embargo, una pistola de temperatura solo debe usarse para examinar a los pacientes, no para diagnosticarlos.

La lectura de temperatura que muestra un termómetro de infrarrojos se ve afectada por una variedad de factores. Esto incluye cómo y dónde se usa el termómetro IR y su calibración. Los puntos importantes a considerar incluyen el posicionamiento del láser en la frente, asegurando que la temperatura del cuerpo y de la frente no se haya visto influenciada por el uso excesivo de ropa o el uso de cubiertas para la cabeza, como gorras o cosméticos faciales, o el medio ambiente (es decir, no tome lecturas bajo la luz solar directa).

Si bien la precisión de las pistolas de temperatura siempre ha sido objeto de debate, dado el escenario actual (el volumen de las mediciones de temperatura, la cantidad de cuerpos a examinar y el alto riesgo de contaminación), el uso de un método ligeramente inexacto pero no invasivo. ¡La tecnología como una pistola de temperatura sobre métodos más precisos pero invasivos parece esencial!