TERMOGRAFIA
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Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Capítulo CINCO
Diagnóstico mediante
Termografía
Infrarroja
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Capítulo CINCO
Diagnóstico mediante Termografía
Infrarroja
Casi inmediatamente a la aparición del primer equipo para medir temperaturas a
través de rayos infrarrojos, han sido reconocidas y proyectadas sus ventajas para el
mantenimiento. Pero, debido a las limitaciones tecnológicas y constructivas, no fue
hasta los años noventa en que ha podido considerarse a la Termografía Infrarroja como
una técnica suficientemente madura y convenientemente desarrollada para integrarse
a los programas de mantenimiento4 3
. No obstante, los trabajos precedentes
principalmente realizados en laboratorio han servido de base y proporcionado bastante
información para hacer más rápida y menos dificultosa su implementación en el
campo industrial.
Desde la comercialización de estos equipos pertenecientes a la cuarta generación de
cámaras termográficas, y luego de un periodo de difusión ha comenzado una carrera
por dar nuevas y mejores perspectivas de aplicación a esta relativamente nueva pero
43 Morgan, W.; Integration of infrared thermography into various maintenance
methodologies, Congress THERMOSENSE 18ª – USA 1996
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
definitivamente mejorada técnica de monitorizado. Aplicaciones de las más diversas
que van desde las tradicionales como la medicina4 4
, las aplicaciones eléctrico-
electrónicas4 5
, las construcciones y monumentos históricos4 6
, como también las
convencionales aplicaciones industriales4 7
, y muy especialmente por las nuevas
perspectivas de monitorizado y análisis que ha brindado, el ensayo no destructivo de
materiales4 8
. También debe hacerse referencia a aquellos campos especiales de
aplicación que han surgido como consecuencia de su versatilidad, los más nombrados
por su aplicación en la investigación son el procesado de imágenes con miras a un
diagnóstico automático, ya sea mediante Redes Neuronales o lógica difusa. También
la visualización y caracterización de llamas de combustión ya sean estas abiertas o en
cámaras de combustión en motores. Así mismo su inclusión en problemas de
modelado, análisis numérico, física fundamental o calor inverso, han permitido que la
técnica adquiera vigencia y actualidad.
Todos estos avances y desarrollos se patentizan en un notorio incremento en la práctica
de esta técnica para el mantenimiento, donde se aprecia que aun no ha llegado al
grado de utilización tan importante como las vibraciones, pero puede equipararse con
la del análisis de aceite. Estando de esta manera las demás técnicas y particularmente
la Termografía Infrarroja con la alternativa y posibilidad de evolucionar, aplicar e
implementarse definitivamente como base en el mantenimiento predictivo.
44 Jones, B.; A reappraisal of the use of Infrared thermal image analysis in medicine,
IEEE Transactions on medical imaging , vol 17 Nº6 – December 1998
45 Dong-Ho, L.; Thermal analysis of integrated-circuit chips using thermography
imaging techniques, IEEE Transactions on instrumenta tion and measurement,
1994
Snell, J.; Renowden, J.; Improving the results of thermographic inspections of
electrical transmission lines, Congress THERMOSENSE 22ª – USA 2000
46 Rahman, A.; Castro, F; Tinaut, F.; Applications of Infrared Thermography
technique on the analysis of monuments construction, thermal system and
electrical installations, ME-SELA´97 – Londres 1997
47 Sinclair, D., Infrared thermography examination of rota ting equipment,
PPMTechology Review Technical – April 1999
48 Shepard, S.; Advances in Pulsed Thecmographic NDT; Congress THERMOSENSE
23ª – USA April 2001
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El desarrollo del capítulo hace una revisión básica y suficiente de la Termografía
Infrarroja como técnica de la termometría sin contacto, en ella se incluyen conceptos
fundamentales de teoría, instrumentación y conocimiento experimental de, su
aplicación práctica.
5.1 La Radiación y la Termografía Infrarroja
La temperatura es uno de los parámetros de evaluación más utilizada en la
caracterización de fenómenos y procesos bajo estudio. Sin embargo, su medida
práctica entraña una serie de dificultades por no ser realizada directamente, sino a
través de otra variable relacionada con ella. La termometría convencional se basa en
la transmisión de calor por conducción, cuando dos cuerpos son puestos en contacto
hasta el equilibrio térmico. Una vez que es alcanzada esta situación se aprovecha
alguna otra variable física para la realización de su medida: el volumen de un
termómetro de mercurio, la diferencia de potencial de un termopar o la resistividad en
una termoresistencia.
Considerando que una adecuada elección del transductor de temperatura y su
correcta utilización, puede marcar la diferencia entre unos resultados fiables y unas
cifras equívocas, es que, no solamente debe referirse a la forma en que operan, sino a
una serie de factores como: sensibilidad, linealidad, velocidad de respuesta, precisión,
exactitud, estabilidad, resolución, etc. Es por esta razón que permanentemente se
investiga y desarrollan nuevos materiales, nuevas técnicas de fabricación; que
disminuyan la deriva, aumenten el rango de medida, y en general mejoren sus
características de operación. En el monitorizado de maquinaria y equipo industrial
también son evidentes estos avances tecnológicos como muestran algunas
investigaciones; aunque, todas ellas están basadas en la termometría de contacto y,
por tanto, son intrusivas con el proceso a medirse.
5.1.1 La Radiación Infrarroja Es ampliamente divulgado el hecho en el que Isaac Newton (“Opticks” en 1704)
descubrió que un haz de luz blanca al atravesar un prisma de vidrio, se descompone
en un haz más ancho de luz de colores. Sin embargo, es poco conocido William
Herschel que en el año 1800 descubrió la luz infrarroja, tal vez porque no es sino hasta
nuestros días que ha comenzado a utilizarse y aplicarse en la vida cotidiana.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Herschel observó que al exponer un termómetro a la luz del sol dispersada por un
prisma, subía la temperatura incluso al colocar el termómetro más allá del rojo donde
terminaba el espectro visible. Por tanto, debía haber radiación solar no visible más allá
del rojo: radiación infrarroja. Anecdóticamente, como recibimos del sol menos luz
ultravioleta que infrarroja, no alcanzó a medir el mismo efecto más allá de la parte
violeta del "arcoíris", lo cual impidió que descubriera la luz ultravioleta.
Debido a la importancia de estos hechos, revierte particular interés conocer los medios
por los que se genera la radiación térmica, la naturaleza específica de la radiación y la
forma en que la radiación interactúa con la materia.
Espectro de radiación electromagnético La radiación térmica es un proceso de propagación de la energía interna de una
sustancia emisora sea sólido, líquido o gaseoso, por medio de ondas
electromagnéticas, que Implican una doble transformación de la energía. La energía
térmica (radiada) se transforma en energía radiante, la cual es transformada de nuevo
en calor al ser absorbida por el cuerpo irradiado.
Las ondas son originadas por las partículas cargadas de la sustancia (electrones e
iones); en la que para gases y sólidos semitransparentes la emisión es un fenómeno
volumétrico, donde la radiación que emerge de un volumen finito de materia es el
efecto integrado de la emisión local a través del volumen. Es decir, todas las partículas
emiten energía. Para líquidos y sólidos la radiación es un fenómeno superficial, debido
a los muchos electrones libres sometidos a aceleraciones irregulares, por lo que su
radiación es pulsatoria, y sus ondas de variada frecuencia. Además de las propiedades
ondulatorias, la radiación también posee propiedades corpusculares, las cuales
consisten en que la energía térmica es absorbida y emitida discontinuamente y en
cantidades discretas, cuantos de luz o fotones. El fotón emitido es una partícula de
materia que posee energía, cantidad de movimiento y masa electrónica. Por lo tanto,
la radiación térmica se puede considerarla como un gas de fotones. El paso de
fotones a través de una sustancia es un proceso de absorción y subsiguiente emisión de
la energía de éstos por los átomos y moléculas de esta sustancia.
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La radiación es, de este modo, de una naturaleza doble, ya que posee propiedades
continuas de campo de ondas electromagnéticas y las propiedades discretas típicas
de los fotones. La síntesis de las dos propiedades es el concepto de que la energía y la
cantidad de movimiento están concentradas en los fotones, y de que la probabilidad
de encontrarla en determinada parte del espacio, está concentrada en las ondas.
o En cualquier caso se puede atribuir a la radiación las propiedades
características de las ondas, frecuencia y longitud de onda,
consecuentemente la radiación que se emite desde un sólido o un
líquido se origina en las moléculas que están a una distancia de
aproximadamente 1 μm de la superficie expuesta. Es por esta razón que
la emisión a un gas contiguo o un vacío se ve como un fenómeno
superficial.
o La radiación electromagnética de cualquier clase es semejante y solo se
diferencia en la longitud de onda, por lo que la energía se emite en un
abanico de frecuencias llamado Espectro Electromagnético de
Radiación.
Figura 5.01: Representación gráfica de propagación de las ondas en el
campo eléctrico y magnético
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Esta separación es informal, ya que en realidad las verdaderas fronteras entre los
distintos tipos de radiación infrarroja están dictadas por las propiedades de la atmósfera
terrestre, que sólo deja pasar una pequeña parte de los tipos de radiación infrarroja.
Así, mientras que la parte más cercana al infrarrojo (λ < 1μm) atraviesa sin dificultad la
atmósfera y es estudiada con los mismos detectores que la luz visible. El vapor de agua
y el dióxido de carbono absorben la mayor parte de la luz con longitud de onda mayor
a una micra, excepto por unas ventanas en longitudes de onda bien determinadas
donde la atmósfera es transparente.
La radiación térmica se asocia a la intensidad con que la materia emite energía como
resultado de su temperatura finita. El mecanismo de emisión se relaciona con la
energía liberada como consecuencia de oscilaciones o transiciones de los muchos
Figura 5.02: Espectro electromagnético de radiación
Ra dia ción térmic a
0,1 μm 1000 μm
R. Gamma Rayos X Radio ondas
[ μm ] 0,35 0,7 5 3 6 15 100 0Lo n gi tu d d e o nd a
I nfrarroj oUltravi oleta Microondas
R ango Visible
Infrarrojo Cercano
I nfrarroj o medio
Infrarrojo l ej ano
I nfrarroj o extremado
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electrones que constituyen la materia. Estas oscilaciones, a su vez, son sostenidas por la
energía interna, y, por tanto, la temperatura de la materia. Por consiguiente, se asocia
la emisión de radiación térmica con condiciones provocadas térmicamente dentro la
materia.
5.1.2 Flujos de radiación Al analizar la radiación que los materiales reales intercambian con su entorno, en
términos generales hay que distinguir dos aspectos que complican la descripción del
fenómeno, ya que la superficie es al mismo tiempo emisora y receptora de radiación
térmica. La primera, es la naturaleza espectral de la radiación térmica que varia con la
longitud de onda y consiste en una distribución continua no uniforme de componentes
monocromáticos (una sola longitud de onda). La segunda característica se relaciona
con su direccionalidad, ya que una superficie puede emitir de forma relevante en
ciertas direcciones con lo que crea una distribución direccional de la radiación emitida.
El cuerpo negro Se define como una superficie ideal que absorbe toda la radiación incidente, sin
importar la longitud de onda y la dirección. Entonces, para una temperatura y longitud
de onda establecida, ninguna superficie puede emitir más energía. Y aunque la
radiación emitida por un cuerpo negro es una función de la longitud de onda y la
temperatura, es independiente de la dirección. Es decir, que es un emisor difuso.
Para enunciar las anteriores propiedades se ha considerado la Ley de Kirchoff, la cual
establece que un cuerpo negro puede ser también considerado un emisor perfecto.
Cu er po N e gro
Ab s orb e t od a en erg ía
Em it e a lt a e nerg ía
Figura 5.03: Cuerpo negro
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
En la práctica, las superficies reales no se comportan como emisores ideales para todo
el espectro de radiación, sino que solo son capaces de emitir una determinada porción
de la energía que emitiría un cuerpo negro. La capacidad de emisión de los cuerpos
reales se determina por la emisividad, que es un factor cuyo valor está comprendido
entre 0 y 1.
Emisión superficial Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que es un ente ideal que se
utiliza como referencia respecto a otros radiadores. No obstante, existen numerosas
superficies que son cuerpos negros casi perfectos, sobre todo para radiaciones de
onda larga, por lo que para casos prácticos es considerada como tales con suficiente
exactitud. Es, por tanto, conveniente elegir al cuerpo negro como una referencia al
describir la emisión desde una superficie real, y expresarla mediante la propiedad
radiativa superficial conocida como emisividad. Que es a su vez definida, como la
razón entre la radiación emitida por la superficie y la radiación que emitiría un cuerpo
negro respecto a la misma temperatura, es decir, su capacidad real de emisión.
Superficie gris. Cuando una superficie conserva constantes sus propiedades cromáticas
en todo el espectro. Este es un concepto teórico, pero que se puede aplicar con
resultados suficientemente exactos para superficies con propiedades relativamente
uniformes.
Dist ribución espe ctral par auna su perficie re al a 900 K
Cuerpo negroSuperficie real
Figura 5.04: Comparación de la emisión de un cuerpo negro y una superficie real, a
través de la distribución espectral y la distribución direccional
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Superficie selectiva. Cuando varían los coeficientes de radiación en función de la
longitud de onda. Diferenciándose las superficies selectivas frías cuando incrementan
con el aumento de la longitud de onda, debido a su poca absorbancia para la
radiación de onda corta y muy buenos radiadores para las de onda larga que emiten a
temperatura ambiental. Y las superficies selectivas calientes con inversas propiedades,
de utilidad para en colectores solares.
Superficie difusa o Lambertiana. Cuando las superficies que emitan, lo hacen con
intensidad constante en todas las direcciones, como es el caso de un cuerpo negro.
Absorción, reflexión y transmisión superficial La radiación también incide sobre una superficie desde sus alrededores, originándose
desde una fuente especial, como el sol, o de otras superficies a las que se expone la
superficie de interés. Sin tener en cuenta la fuente, se designa como irradiación G, a la
velocidad que toda esa radiación incide sobre un área unitaria de la superficie.
En la situación más común, la irradiación interactúa con un medio semitransparente.
Como se muestra en la Figura 3.05 para un componente espectral de la irradiación,
partes de esta irradiación se pueden reflejar, absorber y transmitir, donde de acuerdo a
principios de radiación y de conservación de energía, puede expresarse como una
1 =+ + τδε
Figura 5.05: Procesos de radiación asociados a un medio semitransparente
δ
τ
δ
αcuerposólido
Radiaciónincidente
α
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
adición de fracciones afectadas por los coeficientes de absorción (α), de reflexión (δ) y
de transmisión (τ).
Una propiedad espectral fundamental se deduce de la Ley de Kirchoff, que determina
que si un cuerpo está en equilibrio termodinámico con su entorno, su absorbancia
coincide con su emitancia:
En general la determinación de estos componentes es compleja; depende de las
condiciones de las superficies superior e inferior, la longitud de onda de la radiación, y
la composición y espesor del medio. Además, las condiciones pueden estar
fuertemente influidas por efectos volumétricos que ocurren dentro del medio.
Emisividad El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la
misma temperatura. Difiere, por tanto, de la distribución espectral planteada por
Planck, además, la distribución direccional puede ser diferente de la difusa. Por tanto,
la emisividad puede tomar valores diferentes según se esté interesado en la emisión a
una longitud de onda dada o en una dirección dada, o bien en promedios integrados
sobre longitud de onda y dirección.
Este parámetro es una propiedad radiativa de la superficie, sus posibles valores están
comprendidos entre 0 y 1, que proporciona una medida de la eficiencia con que una
superficie emite energía en relación con un cuerpo negro. Aunque para aplicaciones
prácticas puede considerarse a la emisividad como una constante propia que
depende marcadamente de cada material y de las condiciones superficiales del
mismo; se debe tener en cuenta que en realidad la emisividad es función de: la
longitud de onda, de la temperatura y del ángulo de incidencia u observación de la
radiación. Por eso es que todavía sigue investigándose no solamente su valor en
diferentes materiales, sino principalmente entender el mecanismo de variación de la
temperatura. Pudiendo, sin embargo, hacerse las siguientes generalizaciones:
La emisividad de superficies metálicas por lo general es pequeña, y alcanza
valores tan bajos como 0.02 para oro y plata pulidos.
La presencia de capas de óxido puede aumentar de forma significativa la
emisividad de superficies metálicas.
La emisividad de los no conductores es comparativamente grande, por lo
general excede de 0.6.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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La emisividad de los conductores aumenta al incrementar la temperatura; en
los no conductores dependerá del material específico.
De este modo la emisividad de los materiales puede tomar valores muy distintos en
función de la región espectral considerada. Así también, el ángulo de observación
puede tener una gran influencia sobre la emisividad aparente de una superficie, a partir
de cierto ángulo (que depende del tipo de material), la emisividad baja rápidamente,
llegando a cero para un ángulo de incidencia de 90º.
Transmisión espectral de la atmosfera La radiación de los gases es selectiva. Absorben y emiten radiación térmica solo en
una banda definida de longitudes de onda, y son transparentes en la mayor parte del
espectro. La atmósfera no presenta un comportamiento diatérmo a la radiación
infrarroja, siendo estas distintas absorciones las que forman el espectro de transmisión
de la atmósfera. Aunque debe considerarse que la absortividad varía en función de la
densidad y de los espesores de la capa del gas. Cuan mayor es la densidad y el
espesor de la capa, mayor es su absortividad.
Figura 5.06: Transmitancia infrarroja de la atmósfera
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
La figura muestra la curva de variación de transmisión espectral de la atmósfera y se
observa que existen dos regiones del infrarrojo térmico donde la transmisión es más
elevada, estas bandas constituyen el área espectral de trabajo de las cámaras
termográficas
5.2 Termografía Infrarroja
Los Termografía Infrarroja es una técnica relativamente moderna (su introducción
comercial se inicio a principios de los años 60), que se fundamenta en la Ley de Stefan
Boltzmann, es decir, utiliza la radiación emitida por los cuerpos por estar a temperaturas
mayores al cero absoluto, como variable relacionada con la temperatura4 9
.
Esto es posible gracias a detectores que se encuentran lo bastante desarrollados como
para permitir la captación y cuantificación de esa radiación en tiempo real. Pudiendo
de esa forma generarse imágenes térmicas que representan la distribución superficial
de los objetos observados.
Se han establecido ventajas generales, dentro las que se incluyen:
o No-contacto físico, indudablemente una condición importante en piezas y
componentes donde el material sea débil, el peso, los maquinados o las fisuras
sean limitantes.
o No-inferencia en el proceso, al ser un sistema no intrusivo de alta fiabilidad
permite monitorizar sin interrumpir funcionamientos.
o Objetos móviles, sean de rotación o traslación permite la lectura con facilidad,
identificando principalmente puntos calientes de marcada criticidad en el
funcionamiento.
o Tiempo de respuesta, mucho más rápido que los métodos de contacto debido
a la respuesta del detector, del orden de microsegundos.
o Pequeñas superficies, fácilmente realizable con la adicional característica de no
alterar el comportamiento.
o Medida simultanea, posibilidad de acceder rápidamente en muchos objetos,
más aun en medidas relativas.
49 Newport, R.; Analysing mechanical systems using Infrared Thermography,
Congress EUROMAINTENANCE 2000 – Sweden 2000
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o Atmósferas peligrosas, fácilmente en distancias menores a cien metros,
principalmente en mediciones inaccesibles por otros sistemas.
o Pero, presenta desventajas económicas como también técnicas y limitaciones
de aplicación, dentro las que se pueden nombrar:
o Temperatura superficial, no es posible medir la temperatura de partes internas,
sino solamente de las superficies externas y aquellas que puedan ser captadas
por el objetivo del sensor.
o Emisividad, se identifica como el parámetro crítico de precisión al convertir la
señal cuantificada por el detector infrarrojo en un valor representativo de la
temperatura del objeto.
o Factores de compensación, que permiten corregir el efecto de las condiciones
del entorno mediante sensores adicionales y complicados algoritmos, de
manera que sus consecuencias sobre la medida efectuada sean mínimas.
5.2.1 Detectores de radiación infrarroja Los detectores de radiación aprovechan la emisión infrarroja por los cuerpos para poder
relacionarla con la temperatura; una definición moderna y correcta de este tipo de
termometría incluye cualquier instrumento que sin contacto físico con el objeto es
capaz de interceptar y cuantificar la radiación térmica emitida por la temperatura
superficial de un determinado objeto. Sin embargo, cualesquiera sea la definición
aceptada, el principio de funcionamiento es único y esta basado en considerar toda
emisión radiante, como paquete de energía (fotones), que puede ser desviada de su
trayectoria y enfocada por elementos refractantes o lentes. Estos fotones disipan su
energía como calor al ser absorbido por un material adecuado, la única diferencia
entre fotones de distinta longitud de onda es la energía que transporta, la cual es
inversamente proporcional a la longitud de onda.
En general existen varios tipos de detectores de radiación pero todos básicamente
consisten de una serie de lentes que cumplen el objetivo de enfocar, delinear y filtrar la
luz en un detector de radiación. El cual a su vez, transforma el flujo de fotones
incidentes en una señal eléctrica la que es conducida a algún tipo de indicador
graduado de acuerdo con la temperatura. Puede entonces, establecerse que un
sistema termométrico por radiación, básicamente consiste de:
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Una óptica que enfoca, filtra y selecciona la energía emitida por el objeto.
Un detector que convierte esta energía en una señal eléctrica.
Un circuito que acondiciona, y corrige la señal de acuerdo con las condiciones
de operación.
Unidades periféricas para el almacenaje, compensación y visualización de la
emisión térmica.
Los equipos actuales están todavía basados en estos conceptos, aunque la moderna
tecnología ha desarrollado sofisticados sistemas, donde su selección y empleo
depende del campo específico de utilización. Por ejemplo: el número de detectores
Figura 5.07 Esquema de operación en un sistema termométrico
por radiación Infrarroja
Re ad O ut Integrated C ircu it
Ampli-fic a dor
Re ad out meter
Rec tifica doFiltrado
Dete ctor Infra rro jo
Senso r
Unidad devisua lizac ión
Unidad detra tamiento
Unidad dea lmacenaje
Colima dor
C omponente s ópticos
Le nte
Esc áne r
C ortador
Filtroespe ctral
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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ha sido incrementado enormemente, y, gracias a la capacidad de filtrado selectivo
estos detectores pueden proveer medidas eficientes. Microprocesadores electrónicos
que usan complejos algoritmos, permitiendo linealizaciones en tiempo real y
compensación a la salida del detector otorgando alta precisión en la medida. Esta
situación obliga a que necesariamente deba hacerse un estudio formal de la
aplicación, la selección de la tecnología apropiada, el método de instalación y la
compensación necesaria en la señal medida, de manera de conseguir la precisión
deseada5 0
.
Los avances tecnológicos de la Termografía Infrarroja se deben principalmente al
desarrollo de tres partes, consideradas las más importantes de una cámara
termográfica. Estas partes son la óptica de precisión, el procesado inteligente de la
señal electrónica (ROIC) y sobretodo los detectores de infrarrojos de estructura matricial.
Elementos ópticos Cuando la radiación espectral incide sobre un cuerpo, su comportamiento varía según
sea la superficie, la constitución de dicho cuerpo y la direccionalidad de los rayos
incidentes; la óptica física clasificadas y estudia estos fenómenos producidos como:
refracción, dispersión y difracción.
El sistema óptico en Termografía Infrarroja esta compuesto por un conjunto de 7 a 15
lentes, espejos o una combinación de ambos, unido en varios grupos (denominado
objetivo), donde su comportamiento en conjunto, viene a ser el de una lente positiva
simple de altas prestaciones. Los espejos no determinan la respuesta espectral del
instrumento, ya que la reflectividad no es dependiente de la longitud de onda
pudiendo ser utilizados en una amplia región del espectro. Sin embargo, las lentes
deben ser compatibles con la respuesta espectral del detector empleado, por ello se
restringe su uso a las regiones donde los materiales empleados mantienen buenas
propiedades de transmisión. La figura siguiente muestra las características de
transmisión espectral de algunos de los materiales usados en las lentes infrarrojas.
50 Dumpert, D.; Infrared op tions multiply for condition monitoring, MAINTENANCE
TECHNOLOGY Magazine – May – USA 1997
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
La selección de materiales a utilizarse en las lentes, es un permanente compromiso
entre las propiedades físicas del material y la respuesta de longitud de onda deseada
en el instrumento, aunque, ciertas características de diseño favorecen su uso para la
mayoría de las aplicaciones prácticas.
Tipos de lentes La termometría sin contacto ha permitido que se desarrollen una serie de lentes que
permiten enfocar correctamente y minimizar las aberraciones que se presenten. Es
posible encontrar diseños singulares y muy variados5 1
, pero los de mayor uso
actualmente son:
Lentes de difracción: Son de tecnología relativamente nueva y asociados a
los sistemas detectores de infrarrojos, por proporcionan una capacidad de
51 Radiant Optics, Inc.; IR Lens TM- What technology supports the IR Lens, Technical
papers – USA 2000
Figura 5.08: Características de transmisión espectral para varios materiales
utilizados en óptica de infrarrojos
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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corrección de color, similar a la que otorga un conjunto múltiple de lentes,
pero con un único elemento corrector. Por tanto, el tamaño, el peso y la
transmisión de la lente, con respectos al sistema clásico de corrección son
mejorados ampliamente.
Lentes “Sin Re-imagen”: Se refiere a un lente que enfoca la imagen en un
único punto del conjunto de la óptica, el punto de enfoque es el detector
infrarrojo. Su diseño no considera la absorción de la radiación desviada
respecto del eje principal del detector, por ello su uso es en sistemas de
imagen donde no es necesaria la medida (inspección cualitativa).
Lentes de “Re-imagen”: Son aquellos en que la imagen es enfocada en dos
puntos dentro de la óptica; un punto es el detector (como en todas las lentes)
y el segundo punto esta situado en medio de la óptica, en un punto llamado
plano focal intermedio. Este punto se utiliza para añadir un componente que
capturará la energía de los objetos fuera del campo de visión normal de la
cámara (radiación desviada). Pueden ser utilizados en entornos donde hay
una gran variedad de objetos a temperatura muy baja o muy alta con
respecto al objeto que esta siendo medido.
ROIC (Read Out Integrated Circuit) El circuito electrónico usado en la interpretación de las señales de cada detector se
denomina multiplexor ROIC (Circuito Integrado de salida de lectura). Es un componente
que organiza y da formato a las señales procedentes en el detector de una manera
determinada. La forma en que la señal es acondicionada está determinada por dos
formas básicas de interpretar la señal del detector el CMOS (Complementary Metal
Oxide Semiconductor) y CCD (Charge Coupled Device).
Los detectores CCD requieren significativamente más potencia que sus equivalentes
CMOS y consecuentemente de un sistema de refrigeración de mayor capacidad para
disipar el calor generado. Su utilización es preferente en aplicaciones que no requieran
de medidas cuantitativas.
Procesador ASIC (Application Specific Integrated Circuit)) Se ha llamado ASIC (Circuito integrado de aplicación específica) al desarrollo de una
tecnología de empaquetamiento, a medida para los procesadores electrónicos que
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
ofrece prestaciones avanzadas. Son comunes hoy en aplicaciones donde haya
electrónica y el procesador ha sido optimado en todos los aspectos funcionales, para
una determinada y específica aplicación. Generalmente el empaquetamiento es en
un circuito integrado que utiliza una fracción de la potencia asociada con los
procesadores estándar de PC, no requiriendo un alto costo operativo del software
asociados con el entorno operativo de MS-DOS.
Detectores FPA (Focal Plane Array) Un detector FPA es cualquier sensor térmico que tenga más de una fila y más de una
columna de detectores-celda juntos. Esta configuración es descrita por el término
“array” (matriz) y el término “Focal Plane” (Plano Focal), que se refiere a la localización
de la matriz de detectores en el conjunto óptico. Por tanto, en un sistema FPA, se tiene
una matriz de detectores, justo en donde la imagen es enfocada. En un principio se
utilizó termopares y termopilas (grupo de termopares en una celda) como detectores
de infrarrojos. En 1950 se comenzó con el uso del Sulfuro de Plomo (PbS) para el estudio
de los infrarrojos en el rango de 1 μm a 4 μm, donde, para aumentar su sensibilidad, se
refrigeró hasta 77 K con nitrógeno líquido. Una mayor evolución de la tecnología
infrarroja se dio en 1961 con el descubrimiento del bolómetro de Germanio. Este
instrumento, cientos de veces más sensible que los detectores conocidos hasta ese
momento, similarmente trabajaba mejor en temperaturas en extremo bajas, mucho
más bajas que la temperatura del nitrógeno líquido; debiendo ser refrigerado con Helio
líquido hasta 4 K. Actualmente se utilizan detectores de antimoniuro de indio (InSb) y
HgCdTe, los cuales funcionan de forma similar al PbS, pero son mucho más sensibles a
los infrarrojos.
El rápido avance tecnológico de los detectores de radiación infrarroja impide pueda
hacerse una detallada clasificación de los actualmente utilizados en el mercado
comercial. Y aunque se prevé la introducción de nuevos materiales a corto plazo, es
posible hacer una división en cuanto a la forma de funcionamiento que tienen.
o Detectores cuánticos.- Consiste de un cristal semiconductor, donde el fotón
incidente interactúa con un electrón sujeto dentro de la malla cristalina. La
energía del fotón es transferida al electrón y si es lo suficientemente grande
permitirá que el electrón se mueva a través del cristal. Durante el tiempo en
que el electrón está libre puede producir una señal de corriente en el detector.
Este intervalo de tiempo es tan corto que es prácticamente imperceptible para
un detector térmico. Pudiendo ser considerado como un contador de fotones
sensible a todos los fotones con la energía necesaria para liberar un electrón.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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o Fotoconductores.- Son semiconductores, policristalinos fuertemente dopados,
con una conductividad eléctrica pequeña que se incrementa con la
temperatura. Cuando estos detectores son expuestos a la radiación infrarroja,
un flujo adicional de electrones y huecos se genera, reduciendo su resistencia.
Funcionan con la polarización del circuito y la medida del flujo de corriente
(dark current). La señal del detector es el incremento de corriente respecto a
esta corriente de oscuridad, cuando se expone el sensor a la radiación. Esta
señal se obtiene por la diferencia entre ambas corrientes, pudiendo ser
controlada la temperatura del sensor con una precisión del orden de 0.01 ºC.
o Fotodiodos.- Es un solo cristal semiconductor compuesto de dos regiones
dopadas de diferente manera, estando ambas en contacto. Los electrones en
la banda de conducción tenderán a fluir a través de la unión entre los dos lados
y a combinarse con los huecos del otro lado; este comportamiento no continúa
indefinidamente ya que ambos lados de la unión son normalmente,
eléctricamente neutros. Las regiones de ambos lados que combinan
electrones se denominan región de agotamiento y la diferencia de potencial
generada potencial de contacto a través de la unión.
o Detectores térmicos no refrigerados : Difirieren en los materiales utilizados ya
que su funcionamiento es similar, es decir: la radiación calienta al detector que
produce una señal proporcional al cambio de irradiación, el circuito integrado
de silicio en el que se colocan los detectores, lee las señales de cada uno de
los detectores y salen en una cadena de datos en serie. Un gran número de
detectores es necesario para proporcionar una buena resolución espacial de la
imagen. Actualmente hay dos clases de detectores no refrigerados disponibles,
aunque debido a su gran desarrollo se prevé muchos más a corto plazo.
o Microbolómetros.- Usa un óxido de metal como reóstato, el cual tiene una tasa
alta de cambio de la resistencia con la temperatura. Se trabaja normalmente
a una temperatura controlada y en corriente continua, pero una pequeña
variación de la frecuencia producida por el ruido, puede provocar importantes
desviaciones si estas no son corregidas. Son detectores no refrigerados tienen
buenas prestaciones, por lo menos iguales que los refrigerados
termoeléctricamente, pero no alcanzan el nivel de prestaciones logrado por los
fotodiodos refrigerados criogénicamente. Esto debido en gran parte, a la
respuesta lenta causada por la inercia térmica de los detectores. La masa
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
térmica de los microcondensadores limita su utilización a una tasa de imágenes
de 30 Hz. Los microbolómetros tiene masa térmica menor, es más rápida y
puede operar por arriba de 100 Hz. Aunque estos valores son pequeños
comparados con los fotodiodos refrigerados criogénicamente, que han
conseguido frecuencias de 1 GHz.
o FPA de Microbolómetros.- Una tecnología emergente que se introduce
rápidamente, son los detectores no refrigerados de Microbolómetros, que son
apropiadamente montados en un sustrato de silicio, de manera de formar una
matriz. Ofrecen varias ventajas, la más significativa es su capacidad de trabajar
a temperaturas cercanas a la ambiente, lo que significa que el sistema de
enfriamiento criogénico puede ser eliminado, con lo que se adquieren
beneficios en cuanto a peso, a costes y a fiabilidad. Otra ventaja es el hecho
de que trabajen en la banda del infrarrojo de onda larga, que es útil para
trabajos exteriores y aplicaciones de muy baja temperatura. Entre sus
desventajas, es importante mencionar su menor sensibilidad, su menor precisión
y estabilidad debida a la poca variación de temperatura de estos detectores,
con una baja resolución de imágenes.
o Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP).- Un detector FPA relativamente
nuevo es el QWIP, estos detectores trabajan enfriados por debajo de 65 K, en la
región de longitudes de onda larga y tienen una eficiencia cuántica entre 5 % y
10 %, ofreciendo una alta sensibilidad (0.015 °C). Contrariamente a estos
beneficios se deben considerar las consecuencias de una tecnología inmadura
e insuficientemente probada. Por eso una cuestión, todavía por resolver es la
estabilidad del material a largo plazo y la uniformidad del material. Asumidas
estas desventajas, los detectores QWIP presentan ventajas para su utilización en
el mantenimiento por proporcionar una alta calidad de imagen, y buenas
Figura 5.09: Detector FPA de Microbolómetros
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Página 197
características de medida, a la vez que trabajan en la región de onda larga del
infrarrojo. Estas características son muy útiles en trabajos en el exterior, donde la
irradiación solar es problemática, o en aplicaciones donde la temperatura
ambiente es muy baja.
5.3 Instrumentación por radiación infrarroja
La continua evolución de los grupos componentes de un sistema radiométrico, hace
importante deba realizarse una revisión de los diferentes sistemas termométricos por
radiación infrarroja. Aunque, debido a la gran cantidad de instrumentación disponible
en el mercado solo se hará referencia a la diferencia en el principio de funcionamiento;
y está incluye los tres métodos desarrollados a continuación:
5.3.1 Pirómetro Infrarrojo También llamados medidores puntuales, ya que la medida obtenida corresponde al
valor de temperatura promedio de una pequeña área cuyo diámetro depende de la
resolución óptica del instrumento y la distancia a la que se realiza la medida.
Algunas características propias de éste sistema termométrico, pero aplicables a la
generalidad de los diferentes pirómetros son: La distancia de medida viene establecida
por el instrumento particular, tomar medidas antes o después del enfoque establecido
pueden ser parcialmente corregidas por la relación Distancia/Diámetro. Miden la
temperatura de un cuerpo en un rango muy amplio, establecido entre 0,7 y 20 micras,
siendo preferente su utilización en objetos a elevadas temperaturas. El pirómetro debe
apuntar al objeto directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (que impide la
llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en
Figura 5.10: Comparación del tamaño de detectores de Microb olómetros y QWIP
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
baños de sales para tratamientos térmicos, hornos). Son dependientes y
extremadamente sensibles a la emitancia total de la superficie a ser medida.
Una particular pero conveniente clasificación de los pirómetros de radiación es la
desarrollada a continuación:
Pirómetros de Banda ancha: Llamados también de radiación total, ya que
miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación
emitida por el cuerpo. Se caracterizan por tener una respuesta entre 0.3 μm
y a límites superiores de 2.5 a 20 μm, siendo el rango de corte función
específica del sistema óptico utilizado. Debido a esta condición de trabajo,
su dependencia con la emitancia de la superficie a ser medida esta muy
comprometida, lo que obliga a que se disponga de controladores de
emisividad. Son muy sensibles a la absorción de radiación por los gases
presentes en la atmósfera y a las variaciones en el enfoque de las lentes
(calentamiento o ensuciamiento), que atenúan la radiación térmica emitida
por el cuerpo.
Pirómetros de Banda angosta: Llamado también pirómetro de color único,
ya que operan precisamente en un rango estrecho de longitud de onda.
Normalmente tienen una respuesta espectral menor a 10 μm, aunque la
generalidad de pirómetros comercializados trabajan en el rango selectivo de
8 a 14 μm. La característica principal es el uso de filtros para restringir la
respuesta a una longitud de onda seleccionada. En general, la sensibilidad
de estos pirómetros es baja debido a la reducida energía disponible. Pero
78.5 ºC
Dista nce to th e o bje t
Dia meteo f sp ot
Figura 5.11: Resolución óptica de un pirómetro infrarrojo
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Página 199
uno de los más importantes pasos en la termometría por radiación ha sido la
introducción del filtrado selectivo en la radiación incidente, posibilitando
conseguir medidas de elevada precisión, así como también la disponibilidad
de utilizar detectores más sensitivos y notables avances en la amplificación
de la señal.
Pirómetros de Banda partida: También llamados De dos colores, ya que
originalmente media en la longitud de onda correspondiente a diferentes
colores del espectro visible. Actualmente mide la radiación emitida por los
objetos en dos bandas de longitud de onda del infrarrojo, estableciendo una
relación entre estas dos energías como una función de la temperatura del
objeto. La temperatura medida es dependiente únicamente de la relación
entre las dos energías medidas lo que provee mayor precisión, aunque está
disminuya drásticamente cuando se miden pequeñas diferencias de
temperatura en tiempos largos. El uso de esta técnica tiende a eliminar o
reducir (por lo menos) errores de medida de temperatura causadas por
cambios de emisividad, acabados superficiales y energía absorbida por
materiales entre el objeto y el sensor.
Su aplicación es particularmente importante cuando se requiere precisión pero no se
busca repetividad en las medidas, o si el objeto emisor esta sometido a constantes
cambios físicos o químicos.
Ratio
C olimad or
Lens
Beam Split ter
D etec torλ 2
Output
D etec torλ 1
Figura 5.12 Esquema de un pirómetro de Banda partida
Página 200
Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Pirómetros Ópticos: Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo
en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan
pirómetros de radiación parcial o pirómetros ópticos. Originalmente
utilizaban el principio del brillo óptico en el espectro rojo visible (alrededor de
0.65 μm), pero actualmente son disponibles en todo el espectro infrarrojo.
Normalmente trabajan, en la banda de onda larga, y basan su
funcionamiento en la desaparición del filamento de una lámpara al
compararla visualmente con la imagen del objeto enfocado.
Pirómetros de fibra óptica: Aunque no es estrictamente un instrumento
termométrico, utiliza la propiedad de conducir energía a través de una fibra
transparente y flexible hasta el detector de radiación. Donde se aprovechan
algunas de sus ventajas, como ser:
• Inalterabilidad ante interferencias electromagnéticas.
• Invariabilidad por interferencias de radio frecuencia.
• Se puede instalar en lugares inaccesibles de monitorizado.
• Puede ser enfocado en medidas pequeñas o localizaciones precisas.
• No conduce corrientes eléctricas.
• Su modulación se realiza por cambios de intensidad de radiación, fase,
longitud de onda o polarización.
Para la medida de la temperatura el método más empleado es la modulación de la
intensidad y los sensores conocidos como de Fibra Óptica generalmente refieren la
medida a altas temperaturas donde la radiación de un cuerpo negro es utilizada,
Red Filte r
Lens
A mmet e r
Ba tt e ry
Ey ep ieC a lib ra ted
Tungsten lamp
Slide wire
Figura 5.13: Pirómetro óptico de corriente variable
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Página 201
materiales como: fósforo luminiscente, semiconductores o cristales líquidos, son
encastrados en el extremo de la fibra óptica.
5.3.2 Escáner de línea Infrarrojo Se trata esencialmente de sistemas termométricos fijados en un sitio que permiten la
monitorización en tiempo real. La característica de escáner extiende el concepto de
medida de un punto por radiación a un perfil térmico de una dimensión.
El sensor típico en un escáner de línea utiliza un detector simple, que por su propia
construcción ésta limitado a la medida de un solo punto. Sin embargo, se combina la
detección de radiación con un sistema de barrido óptico lineal que cambia
constantemente el enfoque, permitiendo captar diferentes puntos sucesivos en la
superficie del detector y obtener así un perfil de temperaturas a lo largo de la línea. Un
circuito electrónico después del elemento detector posibilita una elevada velocidad en
la recolección de datos, su cualificación y digitalización. La resolución de un escáner
lineal es función de la velocidad de movimiento del objeto, el número de medidas por
escan, la relación de escaneo y el ancho de la línea de escaneado. La precisión y
C oup le r Lens
ANA LIZER
Optic a l de tec toc hbody
C avit y
Nar rowbandfilt e r
Th im film Met a l Coa ting
Al2O 3 Pro tec tivefilm
Sing le C rist a l Sapph ire (Al2O 3 )
Op tic a l Fibe r
Figura 5.14: Pirómetro d e fibra óptica
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
respuesta es muy sensible a las condiciones del entorno entre el cuerpo medirse y el
sensor.
En cualquier caso, los escáneres de línea proporcionan mejoras significativas en la
producción industrial, a través de medidas completas de superficie de objetos en
movimiento y ofrece beneficios típicos como los siguientes:
• Temperaturas uniformes del producto con un mejor control de calidad
• Velocidades de producción perfeccionada
• Fiabilidad alta del proceso
• Tiempo de vida extendida para utilidades de producción
• Número reducido de tiempos fuera de servicio no programados
• Requisitos de mantenimiento reducidos
• Mejor control de eficacia de la energía
5.4 Cámara Termográfica
Aunque la implementación de las cámaras termográficas a la industria es relativamente
reciente, la idea de adicionar otra dimensión geométrica simultánea al escáner de
línea se manejaba con mucha anterioridad. Este concepto a dado lugar a la
comúnmente denominada Termografía infrarroja, que en la actualidad se encuentra lo
bastante desarrollada como para permitir la captación en tiempo real de autenticas
Tempera t ure
Wid th o f web
Distanc e a longweb
Figura 5.15: Escáner de línea y su perfil de respuesta
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Página 203
imágenes térmicas que representan, la distribución térmica superficial de los objetos
observados.
Con esta técnica la medida se realiza a distancia, sin necesidad de un tiempo de
estabilización, sus posibilidades son mayores, no sólo en cuanto a aplicaciones, sino
que es posible incluso la obtención de imágenes térmicas de superficies completas en
tiempo real, permitiendo el estudio de transitorios y distribuciones espaciales y
temporales. Estas características hacen de la Termografía Infrarroja una herramienta de
gran utilidad en el amplio campo de Investigación & Desarrollo y de aplicaciones
industriales.
Longitud de onda de trabajo (Región espectral de Trabajo) Aunque pareciera más ventajoso utilizar todo el espectro o al menos gran parte de él,
para capturar la mayor parte de la emisión radiante del objeto a medir. Existen
consideraciones que invalidan esta posibilidad:
La tasa de variación de la radiación con la temperatura es no lineal, siendo
siempre mayor a menores longitudes de onda (Ley de Planck), esto permitiría
que cuan mayor sea la tasa de cambio de radiación, mejor sería la medida
de la temperatura y más estrecho el control de cualquier sistema. Sin
embargo, esto no puede ser llevado al extremo porque a una longitud de
onda corta dada, hay un límite por bajo del cual la temperatura no puede
ser medida. Consiguientemente es preferible utilizar una región limitada del
espectro.
Ningún material puede emitir tanto como un cuerpo negro a la misma
temperatura, aunque muchos materiales, pueden emitir menos cantidad de
radiación a la misma temperatura, en varias porciones del espectro. El
ejemplo de medir la temperatura en una lámina de vidrio durante el proceso
de manufactura ilustra como las características detalladas del material
pueden dictaminar la elección de la región espectral de medida:
Un detector de infrarrojos de onda corta, por tratarse de alta temperatura fallará, ya que
midiendo en la región 1 μm la emisividad espectral es cercana a cero. Además,
debido a que el vidrio es altamente transparente a la radiación el detector infrarrojo
“verá a través del vidrio” y puede dar falsas lecturas provocadas por las superficies
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
calientes detrás del vidrio. Esto significa que el vidrio puede ser usado como una
“ventana” efectiva con un detector de onda corta.
Un detector en la región espectral entre 3 y 4 μm, puede medir y controlar la
temperatura del interior del vidrio. Pero si operamos por encima de 5 μm es la
superficie del vidrio la que será medida.
La atmósfera normal entre el objeto y el detector de infrarrojos contiene una
pequeña pero definida cantidad de dióxido de carbono y una cantidad
variable de vapor de agua. El CO2 absorbe fuertemente la radiación entre
4.2 y 4.4 μm y el vapor de agua absorbe la radiación entre 5.6 y 8 μm y
también en la región de 2.6 a 2.9 μm. Resulta obvio evitar estas regiones, ya
que la calibración del detector de infrarrojos variará.
Formación de la imagen térmica Los sistemas más fáciles de representar imágenes térmicas tienen simplemente un
detector y un espejo rotatorio que examina la imagen enfocada por el lente, a través
del barrido de los pixels horizontales y verticales de la imagen. Esta forma de
escaneado bi-dimensional requiere necesariamente de una secuencia de adquisición
precisa, de manera que ninguna información térmica quede confusa o se pierda. La
electrónica de adquisición proporciona esta fiabilidad capturando los datos de manera
sincronizada, aunque el principal problema que se presenta es el tiempo de demora
en la operación del barrido, además de las limitaciones propias de tener muchos
sistemas componentes en movimiento.
Los nuevos sistemas térmicos eliminan la necesidad de los espejos de barrido con el
reemplazo de un sensor de infrarrojos que contiene muchos detectores (Focal Plane
Array), los cuales continuamente captan la imagen llegada al lente. Reduciéndose
sustancialmente el tiempo de captación y mejorando notablemente la representación
de imágenes térmicas.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Sistema de refrigeración A excepción de los detectores de microbolómetros, todos los demás sensores de
radiación infrarroja requieren ser refrigerados para trabajar apropiadamente, esto
debido a que las medidas de temperatura y su precisión son dificultadas si las partes
circundantes al detector, irradian mayor energía que la radiación original.
Las primeras cámaras termográficas utilizaban gases licuados para refrigerar el
detector. Una tecnología más moderna adapta la utilización de un pequeño y portátil
ciclo térmico Stirling, que mantiene el detector frío, hasta aproximadamente –220 ºC.
Así mismo es posible encontrar en el mercado sensores refrigerados por sistemas
termoeléctricos que equivocadamente son llamados uncooled (sin refrigeración, por ser
comparativamente mucho mayores que las temperaturas criógenas), teniendo una
aplicación difundida en los instrumentos de determinación cualitativa.
Figura 5.16: Diversidad de cámaras termográficas con variaciones en
Resolución, sensibilidad y demás características
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
5.5 Monitorizado por Termografía Infrarroja
El hombre todavía no puede calcular mediante los "principios básicos" la radiación
térmica recibida del sol, sin embargo, puede medir sin dificultad alguna y con gran
precisión la radiación de calor recibida. Así mismo, puede predecir con cualquier
certidumbre, pero generalmente baja y por los mismos principios básicos la
refractancia al infrarrojo del aluminio pulido, pero ésta puede ser medida fácilmente y
dentro de valores porcentuales de error muy estrechos.
Estas razones han hecho de que el monitorizado por condición a través de esta técnica
sea posible y haya sido inicialmente establecida por el desarrollo tecnológico de la
instrumentación disponible en el mercado, quedando definidas las dos maneras
siguientes, que actualmente son definidas en la bibliografía especializada como
Termografía Pasiva:
Monitorizado cuantitativo: Usado en la determinación precisa de la medida
de temperatura, consiguientemente de aplicación preferente en el
mantenimiento predictivo, por el seguimiento de la temperatura (parámetro)
en diferentes partes y piezas (síntomas), bajo comportamientos y
características específicas (condición). Mediante la captación de imágenes
que muestran una modificación y evolución del estado; las imágenes
debidamente tratadas y analizadas permitirán diagnosticar el tipo de fallo
que sé esta produciendo, donde se produce y su severidad. Puede
emplearse de forma inmediata como base del monitorizado de condición,
no obstante es conveniente su empleo en el histórico y control del
comportamiento de sistemas, ya que la aplicación podrá ser utilizada para el
diagnóstico y predicción de fallos en motores.
Monitorizado cualitativo: Estimación por comparación, de la diferencia
térmica con zonas circundantes, resaltando zonas térmicamente anormales,
como:
Partes y componentes más calientes de lo que deberían estar (a
menudo indicación del área de fallo inminente). Calentamiento de
piezas por rozamiento, ubicación de puntos de lubricación
deficiente, determinación de desgastes en diversos elementos, así
como puntos de concentración de esfuerzos.
Indica también pérdidas excesivas de calor que usualmente son
síntoma de una situación defectuosa o inadecuada.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Determinación del reparto de temperaturas por medio de curvas
isotérmicas.
Inspección y análisis en redes y circuitos hidráulicos que tengan
fluidos caloportantes, facilitando la ubicación de fugas, el
debilitamiento de conductos, taponamiento de líneas y paneles
La característica de toma de registros en forma inmediata facilita la
detección de puntos anómalos, posibilitando además de una
investigación y análisis posterior el actuar de forma inmediata a
manera de corregir la anormalidad.
Sin embargo, las condiciones de operación y sobretodo el propósito del monitorizado
han permitido que se desarrollen procedimientos alternativos, que si bien tienen su
principio en las dos técnicas anteriormente mencionadas, establecen condiciones de
operación y medida especiales de manera de hacer más notorios algunos síntomas.
5.5.1 Termografía Activa Es una innovación que influye principalmente al análisis cuantitativo, donde se cambia
el criterio de una evaluación de un dominio de magnitud térmica, a las de variación en
amplitud y frecuencia. Esto ha facilitado la interpretación de los termogramas y
otorgado viabilidad a innumerables posibilidades de evaluación. Este nuevo campo se
caracteriza por una estimulación externa en forma de pulso, paso, o modulación;
requerida para generar contrastes térmicos relevantes en un objeto térmicamente
estable.
Bajo este concepto han sido desarrolladas varias metodológicas de las cuales y debido
a su aplicabilidad práctica, sobretodo en la industria aeroespacial, se puede hacer
referencia de:
Panoramic Thermography ( PT ) Esta técnica esta desarrollada sobre el análisis de una “única imagen”, que permite la
captura continua de termogramas, siempre sobre la entera superficie del cuerpo
analizado. El propósito de la técnica se basa en poder observar distintas secciones de
la forma volumétrica del cuerpo radiante. Superando de esta manera la limitación de
registro bidimensional de la termografía convencional plana, pudiéndose observar
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
defectos y fenómenos en distintas partes de la superficie externa del cuerpo en una
sola imagen.
Aunque existen distintas soluciones planteadas, todas pueden ser referidas a dos
métodos generales de adquisición de imágenes:
Triple Aspect Thermography ( TAT ) : Consiste en la colocación de espejos
planos detrás del objeto a examinar, formando entre ellos y el plano medio
del objeto un ángulo que permita reflejar la radiación infrarroja desde la
superficie escondida del objeto hacia la cámara termográfica. Esta
adquiere la imagen frontal directamente y las dos imágenes laterales a través
de los espejos. De esta forma, los “termogramas de los tres puntos de vista”
del objeto pueden ser tomados simultáneamente y vistos en una disposición
simétrica, permitiendo observar las distintas partes superficiales en una sola
imagen.
Multiple Aspect Thermography ( MAT ): Esta técnica ha sido diseñada para
mejorar la versatilidad la técnica del TAT. Por ello, los termogramas del objeto
completo puede almacenarse en una revolución de éste y posteriormente
analizados. El principal problema de esta técnica es la distorsión y la
inevitable poca definición de la imagen térmica, aunque, con una mayor
frecuencia de adquisición de imágenes en la cámara pueden ser paliados.
Las características de: registro térmico mediante distribuciones continuas, el
incremento de la resolución al desarrollar la imagen sobre un eje y la gran
calidad de la imagen al desarrollar el escaneado sobre un eje central;
permiten una gran aplicación en diagnóstico clínico y principalmente en
medicina oncológica. Pero pese al gran potencial manifestado y al poco
aprovechamiento que se le da, las actuales investigaciones tienen tendencia
a aplicar la termografía activa, con una excitación de pulsos térmicos y la
evaluación de la distribución de temperaturas en el calentamiento y
enfriamiento de las superficies analizadas.
Microwave Excitation Thermography – Phantom Studies Muy recientemente han sido publicadas investigaciones en el campo de la medicina,
que combinan la Termografía Infrarroja y la emisión de ondas en el espectro de las
microondas. La técnica ha sido desarrollada para el diagnóstico de tumores en el
cerebro y aunque todavía no se ha comprobado sea inocua para la seguridad del
paciente, su principal problema es la evaluación del calor obtenido y el diagnóstico del
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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mismo. El método esta basado en el comportamiento del cerebro al pasar por él una
serie de microondas. Estas excitan el cerebro de forma que se emita ondas de calor,
las cuales son recogidas mediante imágenes térmicas con una cámara termográfica.
Esta probado que el calentamiento es más acusado cuando existe una imperfección
como puede ser un tumor cerebral.
Pulse-heating Infrared Thermography ( PHIT ) Es una técnica teórico experimental diseñada para el ensayo no destructivo de
materiales, consiste básicamente en el registro de termogramas en una superficie
atravesada por pulsos rápidos de calor. Pudiéndose por la diferencia de radiación
térmica emitida por la superficie, detectar zonas con defectos interiores, la técnica ha
demostrado fiabilidad incluso con imperfecciones de dimensión muy pequeña.
Sin embargo, la dificultad que limita su aplicación es el requerimiento de una cámara
termográfica con alta velocidad de adquisición en imágenes (mínimo 25 por segundo)
y una fuente de pulsos de calor a través de lámparas tubo que lanzan ondas térmicas
al objeto. Ambas, imágenes y pulsos deben estar sincronizados y controlados por un
ordenador que adicionalmente realiza el análisis del proceso.
Pulse Phase Thermography ( PPT ) Es una técnica no destructiva para el ensayo de materiales, que se utiliza en la
detección y visualización de defectos superficiales o cercanos a esta. Habiéndose
obtenido resultados prometedores en el estudio de defectos de fabricación, en
materiales como nylon, metales, plásticos, madera, etc. Consiste en hacer pasar un
impulso de calor por el material a diagnosticar y registrar la respuesta del material
mediante termogramas infrarrojos. Para el análisis se combinan las ventajas de dos
métodos desarrollados: Modulated Thermography (MT), que utiliza una sola frecuencia
dentro del objeto en régimen estacionario y Pulsed Thermography (PT), que utiliza la
respuesta a todas las frecuencias en régimen transitorio.
Lo novedoso de esta técnica es el análisis de imágenes aplicando la Transformada
Discreta de Fourier (DFT), entre la diferencia de temperaturas de las imágenes y el
impulso de calor, donde la evolución de la temperatura en la superficie se aproxima a
la ecuación de transmisión de calor en una dimensión. No obstante es posible, obtener
un estudio más sofisticado mediante diferentes soluciones numéricas obtenidas de
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
modelos matemáticos en tres dimensiones. La técnica muestra la DFT en un gráfico
frecuencia–fase, otorga mejores posibilidades que con el análisis tradicional de
amplitud–tiempo. Sin embargo, algunos defectos son más visibles mediante las
imágenes térmicas que por el diagrama de fase, especialmente considerando el
problema de aliasing entre la frecuencia de respuesta y de adquisición, se tiene que no
todos los defectos responden de mismo modo en el diagrama.
Nuevos estudios utilizan la transformada de Wavelet, donde este método ha sido
probado con modelos de elementos finitos de diferentes piezas de aluminio, siendo los
resultados obtenidos, satisfactorios.
Lock-in Thermography ( LT ) Esta técnica intenta resolver la imposibilidad de hallar defectos cercanos a la superficie
con una cámara termográfica convencional, y debido a su versatilidad de operación
ha sido asimilada en el mantenimiento de fuselajes de la industria aérea. Consiste en
entregar energía por radiación óptica modulada o pulsada en las zonas sub-
superficiales del componente. Esta energía generará ondas térmicas que pueden ser
captadas con una cámara termográfica. Siendo los resultados expresados en función
del ángulo de fase entre la energía depositada y la respuesta térmica, donde el análisis
por la Transformada de Fourier realizado en cada pixel, provee la magnitud y la fase de
la respuesta local.
Ultrasound Lock-in Thermography ( ULT ) Es considerada como una evolución de la técnica LT y surge debido a la necesidad de
minimizar los errores introducidos por factores humanos al realizar una inspección.
Principalmente se refiere al análisis de las imágenes, que normalmente requieren de un
alto conocimiento de las posibles anomalías que se pueden detectar.
Bajo el concepto de que todo defecto se comporta de distinta manera ante una
solicitación específica y que este caracterizará su diagnóstico. Es posible, mediante un
calentamiento selectivo aplicado por “potencia ultrasónica” (modulada a baja
frecuencia de la onda térmica), relacionarla con el aumento de la histéresis en el fallo.
Por tanto, la aplicación de esta técnica es útil en las situaciones donde los defectos
aumenten los efectos de la histéresis como por ejemplo la corrosión, piezas bajo
oscilación que tienen fricción entre ellas, etc.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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La figura siguiente muestra como ejemplo de aplicación de la técnica, un componente
de aluminio de un avión, donde la lámpara ha sido sustituida por una fuente de
ultrasonido con amplitud modulada en frecuencia térmica, que a su vez se moduló
con el análisis Lock-in de la cámara termográfica. El componente sufrió la corrosión en
la superficie posterior. Esta área aparece como un punto brillante en el borde más bajo
en la parte derecha. El ángulo de fase indica la profundidad a la que se localiza el
defecto, mientras que la magnitud indica la cantidad de ultrasonido que se ha
convertido en calor (lo que indica la magnitud de la corrosión).
Figura 5.18: Imágenes de Amplitud y Fase, a través de
calentamiento selectivo por Ultrasound Lock-in Thermography
Figura 5.17: Cadena de medida de la técnica Lock-in
Thermography
Lock-in mo dule
Cont ro lunit
IR-ca meraSam ple
The rm al wa ve source
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
La totalidad de las técnicas enunciadas han sido desarrolladas en un periodo de
tiempo verdaderamente corto. Propiciado por la continua evolución tecnológica en las
cámaras termográficas y la cada vez mayor pericia en el manejo de la radiación
infrarroja. Es por ello que, permanentemente viene surgiendo nuevas metodologías de
diagnóstico por Termografía Activa. Como ejemplo adicional, es de mencionar la muy
reciente difusión de dos técnicas, novedosas e innovadoras por la conjunción con otras
tecnologías, y, aunque su aplicación industrial se plantea como remota se prevé una
acusada evolución. Estas técnicas son:
ElectroMagnetic Infrared ( EMIR ): Desarrollada por la Oficina de Estudios
Aeroespaciales de Francia ONERA y combina un convertidor fototérmico con
una cámara termográfica, para capturar en los termogramas campos
electromagnéticos.
Laser Pulse Heating: Aunque la técnica ha sido desarrollada para ver el efecto
de la fatiga térmica en superficies metálicas, lo innovador ha sido el uso de
un potente láser que permite la generación de pulsos térmicos de elevada
magnitud.
Sin embargo, también existen limitaciones técnicas que deberán ser superadas para
permitir un mejor desarrollo de estas metodologías. La más importante por su carácter
práctico e influyente en la utilidad de las inspecciones, es la sincronización entre la
frecuencia de adquisición de imágenes termográficas y el pulso de estimulación, a
veces menor a 1 milisegundo). Aunque, los modernos equipos termográficas cuentan
con un disparador trigger externo activo, a elevadas frecuencias de registro han
demostrado tener suficiente incertidumbre (16,7 ms en una cámara funcionando a
60Hz) como para invalidar los ensayos.
Otra limitación importante es la capacidad de adquisición en las cámaras
termográficas, La tecnología actual, comercialmente ha permitido conseguir hasta 30
imagen/s, mientras que sectores de investigación especiales han conseguido hasta 200
imagen/s con una precisión de 0.015 ºC.
5.6 El diagnóstico por Termografía Infrarroja El diagnóstico en la mayoría de las técnicas de mantenimiento utilizadas actualmente,
fundamenta su análisis en considerar una respuesta específica como la
correspondiente a una condición del componente en buen estado, siendo los niveles
de desviación con respecto a la misma, indicativo del grado de deterioro o fallo. Esta
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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“respuesta” se define como la Firma o Patrón de comportamiento y su establecimiento
es parte de un proceso integral que permite a los especialistas o a los sistemas de
tratamiento de la información, determinar las bases del proceso de decisión para hacer
un diagnóstico.
Antes de establecer una Firma es indispensable identificar: las causas de incertidumbre,
las fuentes de ruidos parásitos, el tiempo y condiciones de observación, así como
también el tratamiento numérico de la información. En el caso de la Termografía
Infrarroja el patrón de comparación será una:
Firma Térmica
Donde la información adquirida podrá ser utilizada como criterios en forma de:
oo Registro escalar, o magnitud valuada.
oo Gráficos de análisis, o evolución respecto a una variable, pudiendo tenerse
gráficos de tendencia y gráficos de correlación.
oo Imágenes, representación bidimensional de la monitorización respecto a un
punto y sus alrededores.
Con estas condiciones y sus características de utilización la Termografía Infrarroja como
instrumento para el mantenimiento adquiere viabilidad, principalmente por sus ventajas
de operación, que hacen de ésta una técnica interesante para el diagnóstico. Sin
embargo, para el estudio y selección de síntomas idóneos de análisis, es necesario
tener en cuenta las siguientes limitaciones:
Posibilidad de captar la radiación térmica únicamente en superficies
externas, obligando a realizar medidas en componentes y partes que
puedan ser captadas por el objetivo del lente en la cámara termográfica.
Debido a la alta concentración de radiación térmica localizada en algunos
puntos, es difícil detectar un pequeño nivel adicional de radiación provocado
por averías incipientes; y cuando es detectada, aún más complicado será
poder relacionarla con alguna anomalía particular.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
El rango de trabajo de las cámaras termográficas: normalmente está dividido
en niveles intermedios que imposibilitan la lectura en amplios márgenes o
temperaturas entre niveles.
5.6.1 Factores que condicionan la medida De acuerdo con acápites precedentes es evidente que existen diferentes tecnologías
en la fabricación de cámaras termográficas, consecuencia de un distinto desarrollo en
el modo de formación de imágenes, la longitud de onda de trabajo, el tipo de
refrigeración empleado e incluso la aplicación a que el sistema es destinado. Pero
cualquiera que fuese sus características, todas se ven afectadas por los mismos
factores que condicionan el cálculo de la radiación recibida por el detector.
Los factores más importantes a ser considerados cuando se realizan medidas, así como
también que no todos los factores tienen una similar contribución en las inexactitudes,
situación que justifica la complejidad de los algoritmos de corrección, ya que para
obtener una medida termográfica con precisión, deben ser compensadas todas las
fuentes de radiación que llegan al detector. También deben ser considerados los
cambios en las condiciones de medida (parámetros de objeto) y la forma en que
influyen sobre los porcentajes radiados por cada una de estas fuentes.
Es posible definir las siguientes tendencias generales:
La principal energía que alcanza al sensor es la radiada por el objeto
(notoriamente superior a elevadas temperaturas), quedando confirmada la
importancia de la emisividad del objeto y su variación con los incrementos de
temperatura.
Las radiaciones reflejadas son importantes por que tienen influencia directa
sobre la energía captada por el sensor, pero tienen particularmente mayor
influencia cuando la diferencia de temperaturas entre el objeto y los
alrededores es menor.
Los elementos internos se constituyen en los alrededores más cercanos al
sensor, siendo consiguientemente importante su aportación. Aunque, al igual
que en el caso interior se minimiza su efecto, cuando aumenta la
temperatura del objeto a medirse.
Para las condiciones de ensayo establecidas, tanto la óptica de la cámara
como las condiciones atmosféricas tienen poca influencia en la radiación
total.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Página 215
Si se agrupan los factores cuya incidencia en el error de medición debe ser modificada
por las condiciones del entorno y por las condiciones de utilización, se habrá definido a
los denominados Factores Externos. De manera análoga aquellos factores
dependientes de las características y propiedades de las partes componentes de una
cámara termográfica se denominan Factores Internos.
Factores de corrección Externos Para la medición correcta de la temperatura superficial, las actuales cámaras
termográficas son equipadas con sofisticados algoritmos que continuamente
comparan la temperatura interna del sensor (ú otra temperatura considerada como
referencia) con la temperatura del objeto. Modificándose de esta manera la
temperatura provista al ROIC a fin de obtener precisión en la medida.
Sin embargo, esta operación de compensación esta basada en experiencias de
laboratorio, donde las condiciones de evaluación son controladas y se tiene un
conocimiento completo de las características del objeto. En mediciones exteriores y
donde las condiciones de operación son distintas a las descritas, deben considerarse
efectos adicionales que condicionan la exactitud de la medida. El desconocimiento
de la emisividad del objeto y las reflexiones o absorciones de radiación por los
alrededores se constituyen en los efectos más importantes, debido a su difícil
estimación por parte del usuario y su relevancia para los modelos matemáticos de
compensación utilizados.
En una condición real de medición la radiación total recibida por el detector influye
sobre la medida y particularmente en la precisión de la misma. Puede esquematizarse
según muestra la figura de la página siguiente, que no solamente es captada la
energía emitida por el objeto, sino que, principalmente esta afectada por las
radiaciones de los alrededores reflejadas sobre el objeto y la radiación aportada por la
atmósfera.
Considerar las principales radiaciones totales que intervienen e influyen en la medida
termográficas y su precisión, pueden ser establecidas mediante la relación energética:
( ) ( ) ( ) atmatmamboatmooatmt EEEE τετετ −+−+= 11
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Donde, el primer término corresponde a la emisión propia del objeto Eo, es decir, la
radiación emitida por la superficie externa del objeto afectada por su emisividad y la
transmisión atmosférica. El segundo término representa la reflexión de la radiación
ambiente sobre la superficie, donde la transmitividad del objeto es despreciable por ser
considerado un cuerpo gris, y el tercer término es la radiación generada por la
atmósfera donde se supone a la atmósfera como un elemento sin capacidad de
reflexión (ρatm
= 0), por lo que su emisividad será (1- �atm
).
Las principales condiciones cuantificables del entorno que establecen una medida
termográfica; cuya característica común es modificar la cantidad y dirección de la
radiación térmica captada por el sensor infrarrojo, se denominan “parámetros del
objeto” y son:
o La humedad relativa
o La distancia al objeto
o La temperatura atmosférica
o La temperatura ambiente
Figura 5.19: Condiciones de medida en una situación general de medida
Obje to
Atmósferatra nsmitiv ida d τa tm
refle c tiv id ad ρat m
Cám araTermog ráf ic a
Eatm Radiac ión emitidapor la atm ósfera
Eamb Radiac ión de los a lrededoresre flejada sobre el obje to
Eo Radiación del obje to
εo
τo ≈ 0
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Factores de corrección Internos Son factores que corresponden a la radiación emitida por el propio sistema de
termografía, y puesto que la precisión de la medida será función de la temperatura
interna del instrumento tanto la óptica como los elementos internos influirán. La
radiación procedente de los elementos internos es una consecuencia del hecho de
que los elementos presentes en el camino óptico, lentes y espejos, provocan
atenuación de la radiación y en consecuencia emiten radiación propia.
Si esta radiación interna no es compensada adecuadamente, el resultado es un error
en la medida siempre que la cámara se use en condiciones ambientales distintas a
aquellas para las que fue calibrada. Esto también supondrá una variación en la
medida en función del tiempo transcurrido desde el encendido del equipo como
consecuencia del calor producido por su propio consumo.
La compensación de esta radiación no es conocida ni manipulada por los usuarios por
cuanto es una característica de la cámara termográfica y responsabilidad de su
fabricante. Aunque deberá tenerse en cuenta que para garantizar la correcta
transformación de la radiación recibida por el detector en una medida de temperatura
con la precisión requerida, deberá:
Verificarse, que un sistema termográfico bien diseñado compensa esta
radiación de forma automática.
Es necesario que todos y cada uno de los elementos del sistema se
encuentren perfectamente calibrados, por cuanto deberá tomarse especial
cuidado en mantener el equipo en estas condiciones.
Corrección de la radiación térmica El efecto de las condiciones ambientales sobre las medidas realizadas se ha estudiado
y comprobado su consecuencia en la sensibilidad de la cámara termográfica. Por
tanto, para compensar la radiación captada por el sensor infrarrojo, corregir la
radiación generada internamente y minimizar la deriva de la medida, son necesarios
los datos registrados como complementarios al comienzo de la inspección. Los
mismos servirán en el software generalmente provisto por el fabricante como
referencias de control.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
5.7 El mantenimiento por Termografía Infrarroja
Establecida la metodología y la estrategia a seguir en el monitorizado por condición
mediante la técnica de la Termografía Infrarroja, es posible su implementación y
seguimiento correspondiente. En este aspecto, en el presente acápite se explicitan el
tema y desarrollo de la aplicación de la técnica al campo de motores de combustión
interna alternativos de encendidos por compresión, debido a ser al área en la cual el
autor ha desempañado mayor aplicación de la técnica5 2
.
5.7.1 Monitorizado mediante firmas por imágenes térmicas Resulta evidente la inmediata utilidad que se tiene al diagnosticar con imágenes de
Termografía Infrarroja, ya que Independiente del monitorizado cualitativo o cuantitativo
52 Macián, V.; Tormos, B.; Ruiz, S.; Peralta, R.W.; Diagnosis of Diesel engine condition
through exhaust manifold temperature using Infrared Thermography Technique;
Congress EUROPEAN AUTOMOTIVE EAEC 21ST - Bratislava 2001
Figura 5.20: Software de análisis para imágenes
termográficas con IRWIN RESEARCH bajo entorno WINDOWS
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Figura 5.21: Fallo en los paneles de radiador, donde la disipación del
calor no es efectuada correctamente
la utilización de firmas térmicas por imagen es la forma más rápida e ideal para la
detección de fallos. En la que las diferencias térmicas son estimadas por comparación,
ya sea con imágenes referenciales o con la radiación emitida por los alrededores. De
forma similar el diagnóstico puede ser proporcionado fácil y rápidamente, posibilitando
que las tareas de mantenimiento correctivo sean realizadas concreta e
inmediatamente.
Imágenes térmicas en régimen estacionario De esta forma de monitorización, así como las inspecciones efectuadas a motores
Diesel y sistemas complementarios; algunas anomalías denunciadas por su variación
de temperatura, que permiten comprobar la certeza e idoneidad de su aplicación. Se
muestran en las figuras siguientes como ejemplos de estas inspecciones5 3
:
53 Peralta, R.W.; Tormos, B.; Ballester, S.; Aplicación de la Termografía Infrarroja al
Diagnóstico de Motores Diesel; Congreso Español de Mantenimiento 4º –
España 2000
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Figura 5.22: Intercool er de enfriamiento, con funcionamiento inverso al de
diseño, calentando el aire de admisión al motor.
Paneles de r adiador , la pronta aplicación de la técnica evidencia zonas con
“notorio” funcionamiento anormal, es la situación común en la revisión de
radiadores y elementos de refrigeración. Donde la inspección mostrada
permite apreciar que aunque los deflectores del radiador están bien
orientados, no disipan el calor correctamente, evidenciando un fallo en las
celdas por obstrucción al paso de aire.
Intercooler de enfriamiento, la refrigeración del aire de admisión comprimido
ha adquirido generalidad en motores Diesel merced a los beneficios en
eficiencia y seguridad que provee, aunque cualquier diferencia en la
transmisión de calor al medio refrigerante limitan drásticamente estas
características. Esta circunstancia es la que ejemplifica la inspección de la
figura, en la que la tubería del refrigerante a la salida del intercooler “muestra”
una temperatura menor que la de entrada, permitiendo detallar que el
Intercooler con baja carga del motor cumple una función inversa a la de
diseño, es decir, en vez de enfriar el aire de admisión lo calentaría.
Bomba de agua, el buen funcionamiento de elementos complementarios al
motor tiene incidencia directa sobre éste; es el caso del sistema de
refrigeración y particularmente de la bomba de agua, donde un aumento
localizado de la temperatura en su carcasa puede evidenciar una fricción,
posiblemente provocada por un desgaste en el rodamiento de bomba. Este
fallo ha sido posteriormente comprobado por el incremento de ruido
producido por el componente.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Figura 5.24: Cárter d e aceite, sí la temperatura de d escarga del lubricante es
elevada puede denotar fricciones in ternas con severas consecuencias en el aceite
y los mecanismos
Figura 5.23: Bomba de agua, un aumento localizado de la tempera tura
denuncia el posible desgaste en el rodamiento
Cárter de aceite, en algunos motores y dependiendo de sus características
constructivas se puede conocer o estimar las condiciones de trabajo del
lubricante. La figura muestra uno de estos casos donde además de ubicarse
el punto de descarga (retorno) puede ser estimada la temperatura en la
superficie exterior del cárter. De esta forma y por analogía)
puede estimarse
la temperatura del lubricante en el depósito de circulación, y este valor
elevado puede denotar grandes fricciones internas así como ocasionar una
degradación acelerada del lubricante.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Figura 5.25: Colectores d e escape con des balanceo térmico en la
salida de los gases
Figura 5.26: Eje de transmisión en cuyas crucetas de articulación se denuncia
una temperatura mayor que el resto del componente
Colectores de escape, Es posible realizar inspecciones en los colectores de
escape, en las que cualquier desigualdad de temperatura con respecto a
una referencia o incluso una diferencia muy grande entre colectores
evidencia problemas de combustión o de estanqueidad en el cilindro. Sin
embargo, aún cuando la temperatura de los gases de combustión en todos
los cilindros sea la misma, en el proceso de evacuación ésta (temperatura)
sufre variaciones como consecuencia de las fluctuaciones espacio-
temporales del flujo y el aumento de la cantidad de gases aguas abajo.
Componentes en rotación o movimiento, una aplicación con claras ventajas
es la posibilidad de diagnóstico en partes y elementos cuyo funcionamiento
implica movimiento, ya sea de traslación o de rotación. Un ejemplo práctico
es el análisis de ejes de transmisión articulado, en los cuales la mayoría de los
fallos se presentan por fricciones y rozamiento en las crucetas cardánicas,
siendo factible su detección a través del incremento de temperatura una vez
haya comenzado su operación.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Figura 6.27: Correa d e transmisión, el calentamiento l ocalizado en el
conta cto de correa y polea d enuncia un fallo de tensión
Correa de transmisión, otro ejemplo con calentamiento de piezas por fricción
y rozamiento es el área de contacto entre correa de transmisión y polea, que
hace propicia una concentración térmica y un fallo a corto plazo, como
consecuencia de un impropio tensado de la misma.
Imágenes térmicas en régimen transitorio Una característica de los motores térmicos es la gran radiación térmica que produce,
provocando muchas veces que anomalías e incluso fallos severos sean imperceptibles
a una inspección termográfica. Esta situación se presenta cuando la variación
(incremento o disminución) de temperatura es influenciada o tiene poca incidencia
con la temperatura del área circundante, concretamente se puede hacer referencia a
componentes donde la energía reflejada es mucho mayor que la suya propia.
Haciendo que la transmisión de calor aumente rápidamente la temperatura en la
superficie analizada, camuflándose de esta manera la manifestación evidente de
anomalía en el síntoma.
Un posible diagnóstico para estos casos particulares se plantea mediante el estudio de
monitorizados transitorios en el sistema y ejecutados antes de su calentamiento. La
figura muestra la aplicación de la técnica a uno de estos casos, donde, al comienzo
de la inspección toda la superficie radiante de los paneles manifiesta un equilibrio.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Figura 6.28: Secuencia de imágenes termográficas en un transitorio cualitativo
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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5.7.2 Monitorizado mediante firmas de magnitud o registro La magnitud en este caso es un escalar que se obtienen directamente de la variable
física quasi-estática medida, es decir, la temperatura. Así mismo debe entenderse que
es a este valor al que se le asignaran los límites de operación que permitirán durante las
inspecciones rutinarias detectar los fallos producidos eventualmente.
Los puntos de análisis representan el lugar donde que se realiza la lectura del
parámetro, constituyéndose en los síntomas de estudio al presentarse algún cambio en
la magnitud del parámetro. Su elección es importante, ya que a través de las
inspecciones proporcionan información del funcionamiento y permiten controlar la
evolución progresiva de alguna anomalía.
Es por estos motivos que se seleccionan puntos de referencia complementarios que
permitirán, con la utilización de la misma técnica, conocer que el motor ha conseguido
las situaciones prefijadas. Para el caso del motor Diesel se escoge como punto la
tubería de refrigerante que sale del motor, es conveniente tomar en cuenta las
siguientes consideraciones:
Para empezar la inspección la temperatura en la superficie externa de la
tubería de refrigerante debe llegar 50 ºC, de esta forma el motor habrá
alcanzado una condición de operación normal en cuanto a temperaturas y
presiones internas, principalmente en lubricantes y líquidos refrigerantes.
Se realizan dos termogramas del punto de referencia, uno al inicio y otro al
final de la inspección, esto para controlar el tiempo de ejecución y sobretodo
verificar la invariabilidad de las condiciones de operación.
De experiencias realizadas se ha podido comprobar que durante el tiempo
necesario para realizar la inspección la elevación de temperatura en el
refrigerante no presenta efecto importante sobre las condiciones de
monitorizado. Sin embargo, se considera conveniente adoptar un
incremento máximo de 5 ºC durante la realización de la inspección.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
100%
79%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1Cinlindro o p unto
Tem
pera
tura
Firm aTé rmica
Te mpera turamed id a
Sa lt o Tér mic o
Figura 5.29: Metodología de diagnóstico basada en un “salto térmico” en el colector d el cilindro
y detectado mediante un “cambio térmico” de isotermas a lo largo del col ector
Monitorizado mediante firmas de Gráficos de evolución Este monitorizado se consigue a través de gráficos de análisis que utilizan la variación y
evolución entre dos parámetros como síntoma de diagnóstico. En la Termografía
Infrarroja el parámetro de variación ha quedado establecido en la temperatura a
medirse, y el otro parámetro puede ser considerado de dos formas:
Una evolución de posición que define el cambio de temperaturas del punto
analizado en función de sus alrededores o puntos siguientes, entendiéndose
que tendría un comportamiento similar al “Cambio Térmico” anteriormente
establecido. Aunque el análisis por las características de funcionamiento en
el motor es obligatorio, éstas han sido ya realizadas en este mismo capítulo
mediante los gráficos de detección para un estado Estacionario, y el
monitorizado de imágenes termográficas para estados Transitorios.
La evolución en el tiempo define un estudio transitorio, en este caso se
considerará el cambio de temperatura en cada punto de análisis
seleccionado y con una condición de funcionamiento transitoria en el motor
Diesel.
Determinación del punto y condiciones de análisis termográfico Al igual que en el apartado anterior los puntos de análisis y su determinación tienen
importancia singular, es por ello que para este tipo de monitorización se consideran los
mismos puntos y áreas, a propósito de poder determinar y controlar la evolución
progresiva de alguna posible anomalía.
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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La condición de transitoriedad en el motor es conseguida mediante la variación en la
velocidad de giro del motor, desde ralentí hasta las máximas en forma rápida y
continua, mediante un golpe en el pedal de aceleración.
La respuesta térmica a este acelerón en los colectores de escape y en cada cilindro es
registrada por la cámara termográfica para posteriormente realizar el estudio de la
variación y evolución de temperatura. Es de resaltar la falta de sincronización entre el
comienzo del registro de imágenes y el comienzo de aceleración, para lo cual se debe
empezar a registrar antes del acelerón y dejar de grabar después del mismo.
Determinación de la Firma Térmica La base del diagnóstico considerada para este monitorizado será también el analizar
las desviaciones con respecto a una Firma Térmica de evolución, permitiendo que las
medidas detecten el fallo, donde se produce y su severidad. La figura mostrada a
continuación refleja las principales imágenes de una secuencia realizada para un
cilindro del motor Diesel instrumentado, donde a partir de los resultados obtenidos en
numerosas experiencias, ha sido posible establecer el diagrama de evolución para un
cilindro.
Figura 5.30 Análisis termográfico transitorio en el colector de escape
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Figura 5.31: Secuencia de imágenes termográficas a manera de establecer una Firma
Térmica transitoria de evolución en el tiempo
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Del análisis de estas gráficas se observa que en cada transitorio efectuado puede
notarse una variación que aunque de forma irregular denota pulsaciones de pequeña
amplitud. Siendo más bien, que puedan ser consideradas como líneas constantes de
calentamiento por la baja dispersión de datos manifestada en el elevado coeficiente
de correlación.
El criterio de comparación más idóneo para la detección de fallos es la pendiente, que
en el establecimiento de la Firma Térmica de Evolución Transitoria es representado por
el promedio de pendientes obtenidas en cada inspección.
Para verificar la respuesta de este monitorizado ante un fallo se realizan inspecciones
transitorias sobre el motor Diesel, del análisis de las gráficas (normal vs anormal) puede
observarse que la detección del fallo por comparación de la respuesta transitoria, en el
diagrama de evolución por pendientes es mostrada en la figura, la misma permite
apreciar:
Figura 5.32: Gráficas de régimen transitorio bajo condiciones de funcionami ento
normal, para el establecimiento de la Firma Térmica d e evolución, en l os puntos de
análisis del cilindro Nº5 del colector de escape
90
95
100
105
110
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Tiempo ( s)
Tem
per
atur
a (º
C)B0416-02B0416-04B0419-03B0419-06B0424-02B0424-03B0424-05Promedio s in fallo
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Figura 5.33: Comparación de respuestas transitorias para la detección de fallos
y = 0,81x + 99,1
y = 0,54x + 126,67
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 7 0 80 90 1 00Tiempo ( s)
Tem
pera
tura
(ºC
)
P romedio sin f alloP romedio con f alloTendenc ia SIN f alloTendenc ia C ON f allo
La diferencia de temperatura al inicio del transitorio ya detecta el fallo, tal como ha sido
expuesto en el monitorizado mediante firmas de magnitud. La pendiente de la
respuesta transitoria con el fallo de compresión es menor, indicando un calentamiento
de los gases más lento, así como también indicativo de que se produce el fallo y este
puede ser detectado mediante este monitorizado.
5.8 Aplicaciones de la Termografía Infrarroja El desarrollo de la termografía infrarroja ha sido muy rápido por estar estrechamente
ligado a la tecnología militar, se estima que cerca del 80 % de los desarrollos en el
mercado infrarrojo siguen siendo para aplicaciones militares. La utilización en el campo
industrial no es menos importante ya que abarca campos de aplicación muy diversos y
cada uno de ellos con características y condiciones especificas, por ello y de manera
muy general se reproducen dos tablas de reciente publicación que resumen estas
aplicaciones:
Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento
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Procedure a
BuildingsWalls assemblies, moisture evaluation, roofs, liquid level in tanks PWater emtrapent, fresco delamination A - PT
Components/proce ssesCarton sealing line inspection, automobile brake system effiency, he at dissipation of electronic modules, recycling process identification, welding process, printe d-circuits boards, glass industry (bottles, bulbs), metal (steel) casting
P
Aircraft structural component inspection, solder quality of electronics components, spot welding inspec tion A - PT
Degradation of EPROM (erasable progra mmable read-only memory) chips, paper struc ture (cockling)
A - SH
Aircraft structural component inspection, loosening bolt detection, plastic pipe inspection, rada r-absorbing structure investigation
A - LT
D efect dete ction and characte rizationMe tal corrosion, crack detection, disbonding, impac t damage in carbom fiber-reinforced plastic (CFRP), turbine blades, subsurface defect characterization (depth, size, proprties) in composites, wood, metal,
A - PT
Defects in adhesive and spot-welded lap joint A - SHCrack identification, disbonding, impact damage in CFRP A - LTCoa ting wea r, fatigue test, closed-crack detection A -V T
MaintenanceBearings, fan and compresor, pipe lines, steam traps, refractory lining, rotating kilns, turbine blades, electr ic instalations, gas leaks
P
Medical - Vete rinaryThermal coronary angiography, allergen reactions, human breaks tumors, rheumatology, neuromusc ular disorders, soft-tissue injurie s
P
Blood vessel flow A - LTProperties
Glaze thickness on ceramics, c rush test investigation PThermophysical prope rties (diffusivity, etc), underalloyed and overalloyed phases in coa ting on steel, moisture, anisotropic materia l
A - PT
Thermal conductivity measurement in CFRP A - SHAdhesion stregth, anisotropic materia l charac te rization, coating thic kness in c eramics, depth profile of thermal conductivity or diffusivity, moisture
A - LT
Public servicesForest fire detection, people localiza tion in fires or at night, monitoring of road traffic , target detec tion (military) P
a For an explanation of abrev at ions, se e nex t table
Common Applications of TNDT ProceduresA pplications
Sourc e : A dapted from Ency clopedia of Materials (New York: Elservier, 2001), Table 1 in the article "Thermographytechniques for NDT" for X. Maldague.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja
Capabilities Limitations
All procedures (generally)Variable amis sivity
Cooling losses (convection/radiation causing perturbing constrast)Obsorption of infrared (IR) signalas by the atmosphere (especially for distances greater than a few meters )Difficult to get uniform heating (active procedures)
Transitory nature of thermal contrast requiring fast-recording IR camerasNeed of straight view ing corridor betw een IR camera and target
(although it could be folded through firs t surface mirrorsLimited cntrast and limited signal/noise ratio, causing fals e alarms (measurement of a few degrees above background at around 300 K )Observable defects generally shallow
P * Pasive thermographyWorks only if thermal contrast naturally present
A -PT * Active Pu lse ThermographyRequires apparatus to induce the pulsed thermal perturbationComputation of thermal contrast requires know ledge of an a priori defect-fre zone w ithin the field of viewInspection surface limited (ca. 0,25 m2 maximun)
A-SH * Active Step Heating Requires apparatus to induce the pulsed thermal perturbationRisk of overheating the specimen
A-LT * Active Loc-in Th ermography
Requires modulated thermal pertubationRequires observation for at least one modulation cycle (longer observation with respect to APT)Thickness of inspected layer under the surface related to the modulation frecuency (unknown defect depth might require multiple experimentations at different frequencies )
A-VT * Active VibrothermographyDifficult to generate mechanical loadingThermal patterns appear only at specific frequencies
Physical contact to induce thermal s timulation
Limitations and Capabilities of TNDT Procedures
Source : Adapted from Encyclopedia of Materials (New Yor k: Elserv ie r, 2001), Table 2 in the article "Ther mography techniques for NDT" for X.Maldague.
Procedure a
F as t, surface inspectionEase of deploymentO ne-side-only deploymentS afety (no harmful radiations)Ease of numerical thermal modelingEase of interpretations of thermogramsG reat versatility of applicationsS ometimes unique tool (corrosion around rivets)
N o interaction with specimenN o physical contact
N o physical contactQ uick (pulsed thermal stimulation: cooling or heating)P hase and modulation images available with frecuency proces sing (such as in pulsed phase thermography)Coating wear, fatigue test, closed-crack detection
N o physical contact
N o physical contactLarge surface inspected (a few square meter at a time)P hase and modulation images availableM odulated ultrasonic heating (for some applications, might require phys ical contact, bath inmers ion)
Closed cracks revealed
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Es importante mencionar también que los avances han permitido de la Termografía
Infrarroja el diagnóstico de enfermedades, desde alteraciones en el sistema simpático
hasta tumores cancerígenos de mama o en el cerebro. En la astronomía, que fue uno
de los primeros usos, ha permitido grandes descubrimientos mediante la observación
con potentes telescopios de muchas estrellas emiten en el campo del infrarrojo, como
también el cálculo de la temperatura del Universo. Muchos satélites han utilizado la
termografía infrarroja para realizar exploraciones del cielo, aumentando las fuentes
astronómicas catalogadas en un 70%.
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Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja