Termografía Infrarroja

 

CAPÍTULO 5. TÉCNICA DE INSPECCIÓN

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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La termografía termografía apli a plicada cada a ensayos ensayos no destructivos se basa en qu quee dos materiales aterial es diferent di ferentes, es, con distintas propiedades termofísicas, producen diferentes señales térmicas que, captadas por una cámara térmica, permiten detectar la existencia de anomalías en una pieza que esté compuest com puestaa por ambos ambos materiales. aterial es.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Fi Figura gura 5.1. Técnicas de te termog rmografía rafía infrarroja

En la figura 5.1 se muestran las diferentes técnicas termográficas en función de la metodología adoptada y de la forma forma de excitación empleada. empleada. En muchas aplicaciones, el usuario necesita simplemente detectar anomalías de forma cualitativa para establecer si la parte inspeccionada es defectuosa o no.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Sin embargo, existen algunas aplicaciones en las que es importante ir un paso más allá y cuantificar o caracterizar los defectos detectados: determinar la temperatura, el tamaño del defecto, la profu pr ofunndidad a la que se encuent encuentra ra y/o sus propiedades propi edades térm tér micas. icas . Por todo ello, el lo, la l a termografía termografía se s e puede clasificar clas ificar en cuali cualitativa tativa y cuant cuantitativa. itativa.

5.1. TERM TERMOGR OGRAFÍ AFÍA AC CUALIT UALITA ATIV TIVA A La termografía cualitativa se basa en el análisis de la imagen térmica para revelar y localizar la existencia de defectos.

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Las medidas cualitativas son apropiadas para aquellas aplicaciones donde no se necesita una medida precisa de temperatura. Entre las aplicaciones de este tipo se encuentran la vigilancia, la inspección de humedades en edificios o estudios geológicos. También se emplea para fugas, fugas, bloqu bl oqueos eos en tuberí tuberías as o para con c onocer ocer el nivel de líqu lí quido ido eenn tanqu tanques. es.

5.2. TERM TERMOGR OGRAFÍ AFÍA A CU CUANTIT ANTITA ATIV TIVA A La termografía cuantitativa utiliza la medida de temperatura como criterio para determinar la gravedad de un problema y, establecer la prioridad de su reparación. Así, proporciona varios criterios cr iterios de severidad para clasificar llaa gravedad de un un problema. problema. La termografía cuantitativa caracteriza los defectos una vez detectados. Esta caracterización suele incluir: • • • •

La estimación de la temperatura. La determinación del tamaño y la forma de los defectos. El cálculo cál culo de la profun profundidad a la que se encuent encuentran ran los defectos. de fectos. La estimación de las propiedades térmicas de los defectos: difusividad, resistencia térmica, térm ica, etc.

Las medidas cuantitativas son apropiadas para aquellas aplicaciones donde se necesita conocer la temperatura real del objeto. En la mayoría de actividades de mantenimiento predictivo se requieren valores precisos de temperatura. Cuando la temperatura está fuera del rango fijado (ya sea mayor o menor), se deben llevar a cabo medidas correctivas. Generalmente, se trata de reparaciones o reemplazamientos de componentes. En la tabla 5.I se muestran algunas aplicaciones clasificadas como cualitativas y/o cuantitativas. Aplicación  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Te rmog rafía c ualitativa / cuantitativa

Inspecc cciión de envolvente de edificios

Cual aliitativa

Insp spec ecci cioones mecán ecániicas cas y/o el eléc éctr triicas cas

Cu Cual aliita tattiva / cuan cuanti tittat atiiva

Vigilancia

Cualitativa

END

Cuantitativa

Control y calidad en procesos

Cualitativa y cuantitativa Tabla 5.I

Las diferencias más destacadas entre la termografía cualitativa y cuantitativa se muestran en la tabla 5.II 5. II.. Cualitativa Analiza patrones

Cuantitativ a Implica la medida de temperatura

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Dete Determ rmiina si exi exist sten en ano anomalí alías

Se lleva eva a cab cabo com compensa ensaci cióón de te tem mperat eratuura

Se miden tem empperat eratuuras apar aparen enttes

No siemp empre es nec eces esar ariia Tabla 5.II

5.3. TERMOGRAFÍA PASIVA La termografía pasiva se refiere r efiere a aquellos casos en los que no se excita energéticamen energéticamente te el cuerpo a inspeccionar ya que, por sí mismas, las propias condiciones naturales del ensayo permiten generar la imagen infrarroja con un contraste térmico con el suficiente entorno. El objeto examinado produce un patrón de temperaturas típico por el hecho de estar involucrado en procesos de transmisión de calor. Así, por ejemplo, cuando en un elemento existe una diferencia de temperaturas suficiente con respecto a su temperatura normal de trabajo, ésto es un síntoma síntoma claro cl aro de que que existe un ffall allo. o. La termografía pasiva se suele llevar a cabo en aplicaciones industriales en cuyos procesos existe una generación de energía significativa, por ejemplo, en la monitorización de procesos de soldadura o en el mantenimiento predictivo en rodamientos, turbinas o instalaciones. Se emplea, también, en la detección de humedades o de problemas de aislamiento en la inspección de edificios. No obstante, en los ensayos no destructivos, el tipo de termografía más empleado es la termografía activa.

TERMOGR OGRAFÍA AFÍA ACTIV ACTIVA A 5.4. TERM En muchos casos, hay situaciones en las que no están presentes, de forma natural, diferencias de temperaturas o, si lo están, no son lo suficientemente grandes. También puede ocurrir queestructurales el elementointernos. esté envuelto porcasos, un material que nodetectar permitadetalles la identificación elementos En estos si se quieren debajo de de la superficie, se deberán emplear métodos activos.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Los métodos activos se basan, generalmente, en el calentamiento de las superficies a investigar. Estos procesos generan un gradiente de temperatura no estacionario dentro de la estructura ensayada que afecta a las distribuciones de temperatura superficiales observables. Por ello, la termografía activa también se puede considerar como termografía de estado de no equilibrio, transitoria o dinámica. dinámica. La idea de los END usando la evolución transitoria de la temperatura tiene una larga historia y es anterior al desarrollo de las primeras cámaras termográficas.

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En la década de 1960, se llevaron a cabo una gran cantidad de trabajos de laboratorio para la detección de temperaturas transitorias en la superficie de los cuerpos. Todos estos métodos estaban severamente limitados por una falta de sensibilidad a baja temperatura y por tiempos de respuesta excesivamente lentos. El comienzo de los principales métodos de termografía activa (pulsada y modulada) se produjo a finales de 1970. Estos dos métodos se afianzaron en el campo general de los ensayos no destructivos con el uso creciente de los sistemas de termografía infrarroja y la aplicación de nuevos métodos de calentamiento, junto con la evolución de la tecnología electrónica e informática de las últimas décadas. En la termografía activa, las temperaturas de la superficie de la muestra se controlan como unaa función un función del tiempo tiempo y el flujo de calor transitorio generado a través de llaa muestra muestra deba debajo jo de la superficie causa anomalías transitorias en la distribución de la temperatura de la superficie, que son captadas captadas por la cám c ámara ara IR. Las etapas que se siguen para la detección y cuantificación de los defectos en componentes mediante termog termografía rafía activa infrarr infrarroja oja son: 1. Excitación. 2. Adqu Adquisi isición ción de las l as im i mágenes ágenes térmicas. En caso de tratarse de termog termografía rafía cu c uantitativa antitativa se s e deberá deber á llevar ll evar a cabo también: también: 1. Procesado de las imágenes. 2. Cu Cuant antificaci ificación ón y análisis análisi s de los l os defectos.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

La fuente de excitación se encarga de generar una onda térmica en la superficie del objeto inspeccionado que se propaga dentro del material por di difu fusión. sión. Se puede realizar en régimen transitorio (cuando se aplican impulsos de energía), o en régimen permanente (cuando se aplica una oscilación periódica). El principio de detección de defectos se basa en el hecho de que el pulso de temperatura se propaga homogéneamente a través de un material homogéneo, pero sufre perturbaciones en presencia de imperfecciones con propiedades térmicas diferentes. Cuando esto ocurre, la relación de difusión se ve alterada y, como consecuencia, aparecen en la superficie de la muestra zonas a diferentes temperaturas que pueden sugerir temperaturas sugerir la l a presencia pr esencia de defectos. En condiciones de homogeneidad, tanto del material como de la excitación térmica producida, la temperatura superficial también debe ser homogénea en toda la superficie.

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Cualquier variación se puede interpretar como una alteración de las condiciones de conducción de la onda térmica hacia el interior del material. Las condiciones en las que se encuentra la superficie del objeto bajo inspección son muy importantes, ya que las medidas pueden estar influenciadas por variaciones en la rugosidad, por la deposición de otros materiales o por la no uniformidad de la propia superficie. La temperatura que se observa en la superficie se puede correlacionar con lo que ocurre en el interior del material mediante la realización de un modelo físico del proceso de conducción del calor tras una determinada excitación superficial. Este proceso permitirá, a partir del conocimiento de la temperatura en la superficie, interpretar lo que ocurre en el interior del material.

5.4.1. Técnicas Dependiendo de si la cámara, la fuente de excitación o el objeto inspeccionado se encuentran en reposo o en movimiento, se habla de: • •

Configuración estática: la cámara, el objeto y la fuente de excitación se mantienen inmóviles inmóvil es durante la inspección. Configuración dinámica: al menos uno de los tres elementos (cámara, objeto o fuente de excitación) está en movimiento.

La configuración estática, aunque es muy cómoda para el análisis de los datos, no es siempre práctica. Algunos objetos con formas complejas o muy grandes no siempre se pueden inspeccionar desde un punto fijo y, debido a esto, se adopta una configuración dinámica que proporciona una imagen completa del componente de forma más rápida. Por ejemplo, emplear un haz de fijos. láser La paracámara calentar superficie puntoseapueden punto mientras el objetoseypuede la cámara se encuentran y launa lámpara también montar en un robot para inspeccionar, en movimiento, la superficie de un objeto estático.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Además, algunas veces, los objetos a inspeccionar se encuentran en movimiento como ocurre en las líneas de producción.

5.4.2. Modos Dependiendo del lugar desde donde se realiza la estimulación térmica con respecto a la cámara IR, se distinguen dos modos de aplicación de la termografía activa: reflexión y transmisión.

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Figura 5.2. Termografía activa en reflexión

En reflexión, la energía se proporciona al objeto desde el mismo lado en el que se encuentra es decir, lado de la la superficie supcámara, erficie del objeto.la cámara y la fuente de excitación se posicionan en el mismo Generalmente, la configuración en reflexión se emplea para la detección y la caracterización de defectos relativamente cercanos a la superficie. Se obtiene, además, mejor resolución pero el espesor del material inspeccionado debe ser pequeño.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura 5.3. Termografía activa en transmisión

En transmisión, la energía se proporciona en el lado opuesto al que se encuentra la cámara, es decir, la cámara y la fuente de excitación se posicionan en lados opuestos del material inspeccionado. En transmisión se pueden inspeccionar materiales de mayor espesor, siempre y cuando se tenga acceso a los dos lados de la pieza. Sin embargo, la resolución puede ser menor y, por tanto, se requiere más sensibilidad de detección cuando se van a inspeccionar estructuras complejas multicapas como, por ejemplo, paneles sándwich tipo nido de abeja. Generalmente, este método se usa para la detección de defectos situados en capas internas del objeto como deslaminaciones o inclusiones caracterizadas por tener diferentes propiedades térmicas a las del material no defectuoso.

5.4.3. Fuentes de excitación  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Existen diferentes maneras para proporcionar energía a la superficie del objeto inspeccionado. Es más usual emplear una fuente de calor que una fuente de frío. Aparte de que las fuentes de calor son más habituales, el enfriamiento de la superficie puede generar condensación del vapor contenido en el aire, y, de esta manera, el material puede quedar recubierto de una capa de agua agua fría que, para muy muy pequeños pequeños espesores, espesore s, es opaca al infrarr infrarrojo. ojo. La duración de la excitación se debe establecer y adaptar al espesor del objeto inspeccionado y a sus propias propiedades térmicas, ya que éstas afectan directamente a la rapidez del proceso térmico. Algunas Algu nas de las l as caracterí c aracterísticas sticas más im i mportantes portantes de las fuent fuentes es de excitación son: son:

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• • • •

Repetitividad, para poder comparar sí entre los resultados obtenidos. Uniformidad, para reducir las estimulaciones térmicas desiguales que puedan producir falsos puntos puntos calientes cal ientes o fríos y que que se puedan interpretar como defectos. Exactitud, ya que se requiere una adecuada sincronización entre la fuente de excitación y el sistema de adquisición para poder llevar a cabo un análisis adecuado, especialmente importante, cuando se realiza un procesamiento cuantitativo. Duración, que se debe ajustar de acuerdo a las propiedades térmicas del objeto inspeccionado, porsividad ejemplo, deprofu espesor y poca difusivi difu dad conperiodos defectos alargos grandes grandes prcalentamiento ofundidades. ndidades. en materiales de gran Las fuentes de excitación que se suelen emplear en termografía activa se clasifican en:

•

Fuentes de excitación óptica La energía se aplica de forma externa al objeto que se inspecciona en forma de radiación térmica. La radiación absorbida calienta la superficie del objeto y, posteriormente, se distribuye dentro dent ro de dell material por condu c onducción. cción. La termografía termografía basada ba sada en técnicas ópticas óptica s suele proporcionar proporci onar una una resolución sufici suficient ente, e, sin si n embargo, los resultados pueden estar fuertemente afectados por las características de la superficie, como por ejemplo, por la presencia de imperfecciones. La radiación térmica se puede proporcionar mediante pistolas de aire caliente, láseres, lámparas incan i ncandescentes descentes o flash flas hes. Los flashes de xenón pueden proporcionar una gran cantidad de energía (decenas de kJ) en periodos cortos de tiempo (< 1 ms) y, de ese modo, se aproximan a un impulso de energía.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Dependiendo del equipo eléctrico utilizado, pueden proporcionar hasta 30 flashes por segundo. •

Fuentes de excitación mecánica Cuando la excitación es mecánica, se considera que la estimulación es interna ya que el calor se genera en la interfase del defecto y, posteriormente, se transmite por conducción hasta la superficie exterior del objeto. Se emplean transductores para inyectar ondas de ultrasonidos en el objeto, que se propagan a través del material y producen calor por fricción, principalmente en las zonas defectuosas.

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•

Fuentes de excitación inductiva En la excitación electromagnética se crean corrientes inducidas y el calor se produce internamente a partir de la circulación de las corrientes en el material. Esta técnica se limita, por tanto, a la inspección de materiales conductores de la electricidad. Cada material responde de manera manera di diferent ferentee dependiendo de la excitación provocada. Se suelen emplear para la detección de microgrietas superficiales o subsuperficiales en materiales conductores eléctricos. En termografía pasiva, aunque no se emplean fuentes de excitación externa, en muchos casos, sí que se puede identificar una fuente. Por ejemplo, en las inspecciones de edificios se aprovecha la energía solar para detectar humedades en la envolvente del edificio. Para ello, ell o, se espera el moment momentoo justo del día, dí a, general generalm mente ente después del amanecer amanecer o de la puesta del sol, cuando los gradientes térmicos son máximos, para realizar la inspección. Ésta se lleva a cabo de forma pasiva ya que no hay un estímulo externo artificial, sino que el estímulo externo es el proporcionado por la energía solar.

Geometría ría de la excitaci excitación ón 5.4.4. Geomet

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura Figura 5.4. Diferentes formas de transfe transferir rir la energía aa)) ccalentami alentamiento ento puntual puntual,, b) ccalentami alentamiento ento li lineal, neal, c) calentami calentamiento ento superficial

En función de cómo se transfiere geométricamente la energía a la superficie del objeto a inspeccionar se puede emplear:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

•

Calentamientoporpuntual:   setoda calienta solo un punto de ladinámica superficiecon delunobjeto. Se puede inspeccionar, ejemplo, una superficie de forma láser punto por punto. El problema de este método radica en su lentitud.

•

Calentamiento lineal:  se proyecta una línea vertical u horizontal sobre la superficie inspeccionada. Se caracteriza por su rapidez y por obtener calentamientos uniformes. Por ejemplo: un brazo robótico moviéndose a través de un componente de grandes dimensiones con una lámpara lineal como fuente de excitación.

•

Calentamie nto supe Calentamie supe rficial: se calient cali entaa un área completa completa del objeto in i nspeccionado specci onado usando, usando, por ejemplo, lámparas halógenas. Los inconvenientes que presenta son la limitada resolución espacial con respecto a la profundidad y la resolución lateral, así como la dificultad para obtener calentamientos uniformes.

Los calentamientos puntual y lineal son interesantes en las configuraciones dinámicas ya que el calentamiento se puede llevar a cabo mediante punto por punto o línea a línea al mismo tiempo tiem po que la l a cám cá mara va adquiriendo adquiri endo la información información.. Es conveniente llevar a cabo el análisis superficial en configuraciones estáticas.

5.4.5. Técnicas de termografía para END Las diferencias di ferencias entre las diferentes técnicas técnicas de END radican, básicam bási cament ente, e, en las formas formas de onda que se aplican al objeto. En la figura 5.5 se muestran las formas de onda empleadas normalmente.

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Figura 5.5. Formas de onda que se aplican para la excitación en termografía activa

En fu función de la forma de onda apli aplicada, cada, se s e tienen las sigu s iguientes ientes técnicas:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

•

Termografía pulsada  (PT:  Pulsed Thermography): se aplica un pulso corto de pocos milisegundos y se monitoriza la etapa de enfriamiento.

•

Termografía de pulso largo  (SHT: Step – Heating Thermography): se aplica un pulso continuo durante algunos segundos o minutos y se monitoriza la etapa de calentamiento.

•

Termografía de pulso cuadrado (SPT: Square Pulse Thermography): se aplica un pulso largo de algunos segundos o minutos y se monitorizan las dos etapas: calentamiento y enfriamiento.

•

Termografía modulada o de lazo cerrado (LT: Lock  –in  –in Thermography): se aplican ondas térmicas moduladas a una frecuencia determinada durante varios ciclos, hasta alcanzar el estado estacionario, tras el cual se registra, al menos, un ciclo.

•

Vibrotermografía  (VT): se inducen vibraciones mecánicas externamente y, gracias a la conversión directa de energía mecánica en energía térmica, el calor se libera por fricción en zonas donde se encuentran defectos como grietas o deslaminaciones.

•

Te rmograf rmografía ía inductiva inductiva  (IT): se generan corrientes eléctricas de alta densidad produciendo calor que se difunde por el material. En aquellas zonas donde se encuentran defectos se generan diferencias en el calor producido. Finalmente, el aumento de la temperatura

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superficial del material se mide con la cámara IR. A partir del apartado 5.4.8 se desarrollarán cada una de estas técnicas.

Propiedade edadess térmi térmicas cas 5.4.6. Propi Al realizar ensayos no destructivos se deben considerar las siguientes propiedades térmicas: Calor or esp es pe cífico, cp [J ⁄ kgK] • Cal El calor específico determina cuánta energía se necesita para que se produzca un determinado cambio de temperatura. •

Conductividad térmica, k [W ⁄ mK] Da una indicación de la tasa de difusión de energía en un material particular por conducción. Para el mismo gradiente de temperaturas, el flujo de calor se verá incrementado con la conductividad térmica k. En general: ksolidos > kliquidos > kgases. El transporte de calor transitorio en un cuerpo sólido se caracteriza por dos parámetros dinámicos: la difusividad y la efusividad térmicas.

•

Difusividad térmica, α [m2 ⁄s] Describe la rapidez con que la energía térmica se difunde a través del material. Se puede expresar como la habilidad del material para conducir calor en relación a su capacidad para almacenarlo:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Materiales con elevadas difusividades responden más rápido a variaciones térmicas (llegan antes al equilibrio térmico). Es, por tanto, un parámetro importante en problemas transitorios de conducción. conducción. Cuando un material presenta huecos o poros en su estructura, la conductividad térmica y la densidad disminuyen, lo que produce cambios de difusividad. Como consecuencia, la transferencia transf erencia de d e calor cal or también se verá afectada dando lugar lugar a cambios de temperaturas temperaturas que pueden ser observables en la superficie. •

Efusividad, e [Ws1/2 ⁄ ⁄ m2 K] Mide la habilidad del material para intercambiar calor con sus alrededores:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Es una propiedad relevante en los procesos transitorios de calentamiento de todos los materiales. La efusividad tiene un efecto muy interesante sobre la transferencia de calor en la unión entre materiales. Considerando el contacto térmico entre dos materiales con diferentes efusividades, se puede caracterizar el comportamiento térmico mediante el factor Γ, conocido como desajust desaj ustee térmico:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Si las efusividades son muy similares, este parámetro tiende a cero y no hay desajuste térmico, es decir, la interfase de los dos materiales no se puede detectar con una medición de temperatura temperatura en la superf s uperfici icie. e. Si uno de los materiales es muchísimo más conductor del calor que el otro, este parámetro Γ tiende a 1 o a -1. El factor de desajuste térmico permite comparar el comportamiento térmico transitorio de un material compuesto respecto al mismo proceso en un material homogéneo. La efusividad se comporta de forma similar al índice de refracción en óptica. No se puede detectar una interfase óptica si los dos índices de refracción son iguales. En este caso, la onda simplemente pasa la interfase no perturbada sin cambiar la velocidad. Por tanto, las ondas térmicas se reflejan en los límites de los materiales solo si los materiales tienen efusividades diferentes. •

Longitud de difusión térmica, μ [m [m]] La principal característica de las ondas térmicas es su fuerte atenuación en función de la profundidad profu ndidad en el cuerpo. Esta atenuación atenuación se puede caracterizar caracteri zar por la long longitud itud de difusión térmica, que se asemeja a una profundidad de penetración térmica:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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La long l ongitud itud de difusión difusión térm térmica ica depende de la difusividad térmica ((α) α) y de la frecuencia frecuencia de la onda térmica (f). Así, las ondas térmicas de baja frecuencia penetran más profundamente en un un material material que las ondas de alta al ta frecuencia. frecuencia.

Conceptos eptos bá bási sicos cos sobre las ondas té térmi rmicas cas 5.4.7. Conc Cuando se calienta una superficie de forma transitoria se producen ondas térmicas en el interior del material atenuadas respecto a la fuente de excitación. Estas ondas, llamadas ondas térmicas, fueron investigadas por Fourier y Angstrom y son de gran de interés en los END ya que se pueden generar y detectar de forma remota. A nivel teórico, se considera el caso de cuerpos semi-infinitos (que se pueden aproximar en el mundo real a cuerpos planos) sobre los cuales una fuente uniforme y periódica deposita calor a una frecuencia modular ω. El estu es tudio dio del proceso proces o físico físi co se puede puede simplificar s implificar asumiendo asumiendo una una geom geometría etría unidimensional nidimensional y la temperatura resultante, en función de la profundidad y el tiempo, se expresa como:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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La velocidad de propagación de estas ondas es:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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α [m2 ⁄s] Difusivi Difusividad dad térmica térmica Como la longitud de difusión térmica es inversamente proporcional a la frecuencia de modulación, mayores frecuencias de modulación limitarán el análisis a zonas cercanas a la superficie, mientras que ondas térmicas a bajas frecuencias se propagarán a mayor profundidad pero muy lentamente (tal y como se deduce de la ecuación 5.7). De la última parte de la ecuación 5.5, se obtiene la fase (ϕ) de la onda térmica, que se puede relacionar rela cionar directam di rectament entee con la l a profu pr ofundidad: ndidad:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Tal y como ocurre en otro tipo de ondas, las ondas térmicas también se reflejan, por ejemplo, en la interfase entre entre materiales aterial es o cuando cuando encuent encuentran ran defectos. Así, las ondas térmicas térmicas reflejadas regresan a la superficie del cuerpo, donde la variación de la temperatura finalmente resultantee se puede detectar con la ayuda resultant ayuda de la cámara cámara térmica. térmica. El coeficiente coefic iente de reflex refle xión R ent entre re dos d os medios se expresa mediante mediante la l a si sigu guiente iente ecuación ecuación::

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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donde, b: es la relación de las efusividades térmicas entre los dos medios

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p    C   o

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5.4.8. Termografía pul pulsada sada (PT) La termografía termografía pulsada pulsada es uno de los métodos más populares de termografía termografía activa. Se trata de una técnica que emplea excitaciones ópticas y que se produce en régimen transitorio. El término de termografía pulsada se emplea, generalmente, cuando tras haber aplicado un pulso de ex e xcitación citaci ón de mili milisegu segundos, ndos, se analiza anali za el en e nfriamiento friamiento del objeto en estudio.

Implementación La configuración experimental para llevar a cabo la termografía pulsada se describe en la figura 5.6. Consiste en una fuente de excitación responsable de aplicar el pulso, una cámara infrarroja que adquiere los datos y, finalmente, un ordenador donde se procesa toda la información obtenida. El calentamiento se suele llevar a cabo mediante lámparas, flashes, láseres o pistolas de aire caliente. caliente.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p    C   o

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Figura 5.6. Configuración de la termografía pulsada

Procedi Proce dim miento de inspección inspecc ión En primer lugar, se aplica sobre el objeto de inspección un pulso corto de calor de duración variable dependiendo de la conductividad del material:  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p

• •

Milis egundos Milisegu ndos en el caso de material ateriales es con altas conductividade conductividades. s. Segundos si se trata de materiales con bajos valores de conductividad.

Es importante tener en cuenta que un pulso frío se propagará en el interior del material del mismo modo que un pulso caliente. Aunque no es común, en algunas aplicaciones se emplean pulsos fríos por ser más económicos, por ejemplo, en inspecciones de componentes que se encuentran a elevadas temperaturas.

  o    C

Tras aplicar el pulso de calor, el frente térmico se propaga en el material por conducción y, al encontrar una imperfección, se refleja, produciendo una modificación en la temperatura de Cañada, S. M., & Royo, P. R. (2016). Termografía infrarroja: nivel ii. Retrieved from http://ebookcentral.proque http://ebookcentral.proquest.com st.com Created from inacapsp on 2018-04-06 05:30:12.

 

la propia superficie al llegar a ésta. Viéndolo desde un punto de vista de transmisión de calor, disminuye la relación de difusión y, por tanto, aumenta la temperatura en el punto donde se encuent encu entra ra el e l defecto de fecto debido a la modificación odificaci ón en la acumulación acumulación de energía.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura 5.7. Temperatura superficial como función del tiempo cuando el calor se aplica mediante un impulso

En la figura 5.8 se muestra la evolución de la temperatura superficial tras la aplicación de un pulso térmico en una zona de la pieza con un defecto en su interior (línea roja) y para una zona libre de defectos (línea negra).

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura Figura 5.8. Evol Evolució uciónn de las temperaturas superfici superficiales ales para una zona defec defectuosa tuosa (lí (línea nea rroj oja) a) y no defec defectuosa tuosa (lí (línea nea ne negra) gra)

De forma cualitativa, el proceso se describe a continuación: La temperatura del material crece primero durante la aplicación del pulso térmico. Tras el pulso, la temperatura decrece porque la energía del frente térmico se propaga por difusión por el interior del material. A continuación, la presencia de un defecto reduce la relación de difusión provocando un aumento en la temperatura superficial de la zona donde se encuentra el defecto con respecto a la zona libre de defecto. En concreto, esta disminución de la relación de difusión se traduce en una “acumulación de calor” y, por ello, aumenta la temperatura superficial justo encima del defecto.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p

Como consecuencia, como dicho defecto presenta una conductividad térmica y densidad diferentes, también cambia la difusividad térmica, así como la velocidad de conducción de calor a través del material, de acuerdo a la propia definición de la difusividad. Conceptualmen Conceptu almente, te, si se aplica apli ca un im impulso pulso energético energético de Dirac Dir ac sobre s obre un objeto ssem emi-i i-innfinito la respuesta temporal temporal de la l a temperatura temperatura sig si gue la sigu s iguiente iente ecuación:

  o    C

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Consider Con siderando ando z = 0, la temperatura temperatura superficial en el material material se expresa como: como:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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La cámara infrarroja registra la evolución de temperaturas superficiales del cuerpo inspeccionado almacenándola mediante un conjunto de imágenes infrarrojas que serán usadas posteriormente para su análisis.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura 5.9. Evolución de la temperatura superficial a) matriz de temperaturas en el dominio temporal b) perfil de temperaturas para un pixel defectuoso y un pixel no defectuoso

En la figura 5.9 a) se muestra la matriz de temperaturas en el dominio temporal donde ∆t es el intervalo entre termogramas, T   es la temperatura de un pixel defectuoso y T   es la d (sound area). sa temperatura de un pixel no defectuoso En la figura 5.9 b) se observa cómo la evolución de temperaturas del pixel defectuoso muestra un aumento localizado con respecto a la temperatura del pixel no defectuoso. A partir del modelado físico del proceso de conducción de calor tras una determinada excitación superficial, la temperatura que se observe en la superficie estará íntimamente relacionada con lo que ocurra en el interior del material y, a su vez y de forma inversa, conocida la temperatura en la superficie, se podrá interpretar lo que puede suceder en el interior.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Intuitivamente, la posibilidad de visualizar defectos en un material depende de la diferencia entre las propiedades térmicas del material y de las imperfecciones. Si la diferencia es demasiado demasiado pequeña, pequeña, el contraste contraste de las imágenes imágenes obtenido obtenido no será sufici suficient entee para poder detectar defectos. Además, será peor conforme el defecto esté a mayor profundidad debido a la propia difusión térmica en el material. No siempre la limitación es ésta. Si se inspeccionan materiales con una gran conductividad térmica, la propagación de la energía puede ser tan rápida que si el proceso de adquisición de imágenes no es suficientemente rápido, el contraste en las imágenes será tan pequeño que no se podrá discernir ningún efecto. En estos casos, yellapulso de deberá calor deberá muy (diferencia rápido, la frecuencia de adquisición de imágenes también, cámara tener elser NETD de temperatura temperatura equivalente) más pequeño pequeño posibl pos ible. e.

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La presencia de defectos suele manifestarse al principio del proceso de enfriamiento, justo tras la excitación térmica, con un aumento de la temperatura en la zona de la superficie donde se encuentra el defecto. No obstante, no siempre es así. En muchos casos, y cuando se trata de piezas con espesores elevados (5 – 10 mm) en los que el pulso de calentamiento empleado es de algunos segundos, antes de que éste finalice, ya se pueden empezar a distinguir las imperfecciones. Para se evaluar la visibilidad un defecto, es decir, conocer profundidad y sla tamaño, requiere una medidadecuantitativa precisa de lapara diferencia de su temperaturas entre zona de la superficie donde se sitúa el defecto y una zona libre de defectos. Para ello, se emplea el concepto de contraste térmico, conocido también como contraste térmico absoluto, que, en su forma más simple, se puede definir como la diferencia entre la temperatura en una zona libre de defectos Tsa y una región defectuosa Td:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Contrastes pequeños indican normalmente defectos menores o defectos situados a gran profunndidad dentro profu dentro del objeto. Sin embargo, existen algunos problemas que pueden afectar fuertemente a los resultados obtenidos, como: • • •

La no uniform uniformidad idad de la l a estim es timulación ulación térmica. térmica. La relac r elación ión señal-ruido (SNR) del contraste contraste térmico está afectada fuertemente por la no uniformidad del pulso de calentamiento inicial sobre la superficie de la muestra. Diferencias de emisividad en la superficie. Efectos anómalos asociados a la propia geometría de la pieza.

La eficiencia de la PT disminuye, por tanto, con la profundidad a la que se encuentra el defecto, y es dependiente de las propiedades térmicas del material analizado. Cuando se requiere más exactitud, se emplea el contraste estándar, que se define como el contraste excitación:que se produce respecto a los valores de temperatura en el instante anterior a la

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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donde: Td: Temperatura Temperatura de la l a superficie superfici e encima encima de donde se encuent encuentra ra el defecto. Tsa: Temperatura de la superficie en una zona no defectuosa (sound area). t∆T: = 0:Incremento Tiempo anterior anterior al calentamiento. calentamiento. t: Tiempo Tiem po encima actual del de la temperatura superficial por de proceso. la temperatura ambiente (que es la temperatura inicial en t = 0). El valor máximo de contraste térmico corresponde a un instante de tiempo que depende del tamaño del defecto, de la técnica de calentamiento, así como de la profundidad a la que se encuentra. Las siguientes características contribuyen a una mejor detección: • • • •

Defectos de tamaños Defectos tamaños considerables. considerabl es. Defectos poco profundos. Defectos alejados de bordes o contornos de pieza. Defectos con características térmicas adecuadas (baja difusividad lateral).

Un análisis cuantitativo revela que el tiempo para el que se observa el máximo contraste térmico de un defecto a una profundidad z es una función dada por:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Donde z es la profundidad a la que se encuentra el defecto y α es la difusividad del material inspeccionado. Al mismo tiempo, el contraste térmico Cterm  disminuye a causa de la difusión lateral de energía energ ía térmica: térmica:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Como consecuencia, los defectos situados a más profundidad se observarán más tarde y con menos contraste. Este es el motivo por el cual, los defectos situados a profundidades grandes en estructuras de gran espesor, se observan con contrastes térmicos muy pobres. En general, el tamaño y las profundidades observables están restringidos. En medios isótropos, la discontinuidad detectable más pequeña debe tener un diámetro de al menos 2 veces su profundidad por debajo de la superficie. En medios anisótropos, esta regla puede suponer incluso un factor de 10. El criterio mínimo para la observación de una estructura es que el cambio inducido de temperatura superficial observable sea mayor que el NETD de la cámara.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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De forma equivalente, un buen contraste implica una buena relación señal-ruido (SNR). El ruido r uido se debe, generalmente: eneralmente: • •

Al propio ruido del detector. Al material inspeccionado (conductividad térmica, difusividad térmica).

•

A la condiciones de contorno, como los parámetros de calentamiento (tiempo de excitación, intensidad, distribución) o las condiciones atmosféricas.

Aplicaciones Las aplicaciones de la PT se centran, principalmente, en la inspección de componentes estructurales de aviones, realización de controles de calidad de soldaduras por puntos, inspección de álabes de turbinas, detección de desencolados, deslaminaciones o corrosión. En la tabla 5.III se muestran las aplicaciones más frecuentes según la fuente de excitación empleada: Fue nte de e x citació n Fl Flash ash xen xenón ón Láser Tens ensiión

Aplicación Cor Corro rosi sión ón baj bajoo pi pintu ntura ra Desl Deslami aminaci nacion ones es en mat materi erial ales es com compu puesto estoss Integridad en soldadura Pru Prueba ebass de me mem mor oriia de chi chips Pl Placas acas electr electrón óniicas de alta alta fre frecu cuenc enciia Tabla 5.III

Ventajas e inconvenientes Las ventajas que presen prese nta la PT son las siguientes: siguientes: • •  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Es una una técnica cuyo cuyo proceso proce so de adquisición a dquisición es rápido. r ápido. A priori, permite la inspección de grandes superficies.

Una razón de la popularidad de este método es la rapidez de inspección: se emplean pulsos térmicos de milisegundos en materiales de elevada conductividad o de segundos cuando se trata de materiales de baja conductividad como plásticos o laminados epoxi. La rapidez en el pulso de calentamiento previene, a su vez, el daño del componente. El calentamiento se limita, generalmente, a algunos grados por encima de la temperatura inicial del componente. Sin embargo los inconvenientes  radi  radican can en: en:

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• • • •

Falta de uniformidad del calor aplicado. Efecto de las posibles variaciones en la emisividad. Efecto de las irregularidades en la geometría de la superficie. Reflejos.

Su efectividad, además, depende de la profundidad a la que se encuentre el defecto y el tamaño de éste.

5.4.9. Termografía de pulso largo (SH) Implementación En los casos en los que se registra o bien el calentamiento o bien el enfriamiento del objeto pero con tiempos de calentamiento de segundos, la bibliografía lo denomina termografía de pulso largo. Al igual que en la termografía pulsada, la termografía de pulso largo analiza la transferencia de calor de un sólido en su estado transitorio. La configuración experimental que se emplea en la termografía de pulso largo es la misma que en el caso de la termografía pulsada. La única diferencia que existe entre ellas es la duración del pulso de excitación cuando se lleva a cabo el registro de la evolución de temperaturas. Aunque desde el punto de vista experimental la SH es diferente a la PT, desde el punto de vista matemático ambos procedimientos proporcionan señales térmicas que contienen la misma información. La elección de una u otra depende de las aplicaciones y, concretamente, del tiempo: fenómenos lentos se inspeccionan mejor con SH mientras que fenómenos rápidos con PT.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Proce dim Procedi miento de inspección inspecc ión En esta técnica, el cuerpo se somete a un calentamiento continuo y prolongado de baja potencia poten cia o int i ntensidad. ensidad. La diferencia entre las excitaciones con pulsos largos o cortos no solo reside en cómo se libera la cantidad de energía (instantáneamente o distribuida de alguna forma en un tiempo mayor) sino que, además, reside en las diferentes condiciones de contorno que ocurren en los procesos de calentamiento y enfriamiento. Se puede lograr con ambos métodos un calentamiento superficial de similares características, sin embargo, en el instante en que empieza el enfriamiento, la distribución de las temperaturas en el interior del material puede ser muy diferente. Mientras que para la termografía pulsada el resto de la muestra permanece a una

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temperatura inicial uniforme, en la termografía de pulso largo cuando se inicia el enfriamiento al cesar la excitación, ya existe un gradiente. Estas condiciones cambian totalmente el modelado de tales procesos proces os y, y, en consecuencia, consecuencia, su análisis. análisi s.

Aplicaciones Los materiales con bajas difusividades térmicas y defectos más profundos se suelen inspeccionar mediante SH. Fue nte de e x citació n

Aplicac ión

Lámpara halógena

Deslaminaciones en estructuras grandes

Pi Pist stoola de air aire cal calient ente

Po Porrosi siddad en mater ateriiales ales de con construcci cción Tabla 5.IV

Ventajas e inconvenientes Algunas ventajas de este método son la baja frecuencia de adquisición requerida y el bajo coste de las fuent fuentes es de excitación e xcitación (lám (lá mparas halógenas, halógenas, general generalm mente). ente). Un inconveniente es que suele ser difícil conseguir un calentamiento uniforme. A continuación se presenta un ejemplo de inspección de una pieza con un pulso largo en transmisión y reflexión.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura 5.11. Respuesta de los perfiles de temperaturas tras aplicar un pulso térmico en un material con defecto.

Se considera un material 1, que contiene en su interior otro material 2 con diferentes propiedades térmicas. Se aplica un pulso térmico a la superficie del material 1. Al encontrar una inclusión en el interior del material de mayor densidad y/o calor específico, o una arruga o superposición de material, que a efectos prácticos tendría el mismo efecto, el flujo flujo tér térm mico que logra atravesarla atravesa rla es menor menor en comparación con el flujo que alcanz al canzaa la superficie 2 en el resto del material. Como consecuencia, el perfil de temperaturas que se obtiene en la superficie 2 muestra una disminución al nivel de la zona defectuosa. Por el principio de conservación de la energía, el flujo que no ha logrado alcanzar la superficie 2 en la zona de la inclusión, se queda retenido entre la inclusión y la superficie 1 dando lugar a un aument aum entoo en el perfil de temperaturas temperaturas de la superficie 1.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

La pendiente del perfil per fil de temperaturas temperaturas en la zon zonaa defectuosa defectuosa es fun función de llaa distan di stancia cia a la que se encuentra la inclusión con respecto a las superficies. En el ejemplo de la figura 5.11, la inclusión está localizada más próxima a la superficie 1. Por ello, la pendiente ∆T1  es más pronunciada y la pendiente de ∆T2  es más suave. Esto se debe a que a mayor distancia se producirá mayor mayor difu di fusión sión y dispersión dispers ión lateral lo que reducirá la temperatura. temperatura.

5.4.10. Termografía modulada o de lazo cerrado (LT) La termografía modulada está basada en la generación de ondas térmicas en régimen permanente en el interior de la muestra bajo estudio para, posteriormente, caracterizar los

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posibles posibl es defectos existentes existentes a través de las imágenes imágenes de ampli amplitu tudd y fase obtenidas. obtenidas. La generación de estas ondas térmicas se lleva a cabo mediante la aplicación periódica de calor sobre la superficie de un material, a la vez que se registra la oscilación de temperatura resultante en régimen estacionario mediante una cámara IR.

Implementación Se trata de un método de medida dinámico donde la excitación externa se genera en forma de una una fun función sinusoidal sinusoidal mediante lámparas halógenas, halógenas, láseres láse res o pis pistolas tolas de aire air e caliente. cal iente.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura 5.12. Configuración de la termografía modulada

Las lámparas proporcionan ondas periódicas (por ejemplo, sinusoidales) a una frecuencia de modulación determinada. La respuesta periódica del material dependerá de las propiedades térmicas térm icas del material y de la profu pr ofundidad ndidad del defecto. de fecto.

Procedi Proce dim miento de inspección inspecc ión La terminología lock-in viene referida a la necesidad de controlar la dependencia temporal entre la señal de entrada que alimenta los equipos de excitación y la temperatura registrada con el sistem si stemaa termográfico termográfico com c omoo señal de salida. sali da.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

Para introducir el concepto de lock-in se puede tomar la analogía de un circuito eléctrico para la cual, en un régimen estacionario con una entrada sinusoidal de frecuencia angular ω y magnitud Ei, la salida E0 que se observa es también sinusoidal de la misma frecuencia ω pero con una una magn magnitud itud específica A y ffase ase ϕ (despla ( desplazam zamiento iento de la señal de salida sali da con respecto resp ecto a la la señal de entrada).

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Figura 5.13. Concepto de termografía modulada simulada con un circuito eléctrico

Los parámetros de entrada son [I, ω] y los parámetros de salida [A, ϕ, ω]. Como el parámetro ω permanece constante, se puede despreciar. La medida de los parámetros [A, ϕ] proporciona proporci ona información información acerca del comportam comportamiento iento térmico. térmico. En el caso de los END, para llevar a cabo la termografía modulada se aplica un calor modulado en la superficie del objeto de magnitud Q y una frecuencia angular ω. Este calor modulado crea una onda térmica que se propaga en el interior del objeto bajo estudio. Los defectos internos actúan como una barrera para la propagación del calor, lo que provoca en la superficie cambios en la amplitud y en la fase de la respuesta de la señal. Aunque también se pueden emplear otras formas de onda periódicas, se suelen emplear ondas sinusoidales como fuente de excitación ya que tienen la ventaja de que mantienen tanto la frecuencia como la forma forma de la l a respuest res puesta. a. La solución unidimensional de la ley de Fourier para una onda térmica periódica que se propaga a través de un material homogéneo semi-infinito se puede expresar como:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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donde,

μ [m]: longitud de difusión térmica que determina el ritmo de decrecimiento de la onda térmica térm ica a medida medida que penetra penetra a través travé s del material. aterial . Según la definición de la longitud de difusión térmica (ecuación 5.4), las ondas térmicas se propagan a mayor profundidad en materiales con mayor difusividad. En la termografía modulada, cada ensayo se realiza para una frecuencia (frecuencia de excitación lock-in ), estudiándose cada vez modulada, una profundidad. este varios motivo,ensayos cuandopara se inspecciona un objeto mediante termografía se debenPor realizar cubrir todo el espesor del mismo. Para una evaluación correcta, es necesario seleccionar una frecuencia del flujo de calor en el rango apropiado para la inspección del objeto a lo largo de todo su espesor. Generalmente, se suele empezar con un primer test que cubra los defectos a menor profundidad con una alta frecuencia y, progresivamente, se reduce dicha frecuencia hasta que se barre todo el espesor o se alcanz al canzaa la l a mínima mínima frecuencia frecuencia dis disponible ponible en el equipo. En muchos casos, se debe alcanzar una solución de compromiso ya que, para inspecciones más pr profu ofunndas, se requieren r equieren frecuencias frecuencias más bajas y, por lo tanto, m mayores ayores tiempos del ciclo. cicl o.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

El espesor de material que se puede inspeccionar depende del tiempo del ciclo de onda (menor frecuencia de onda mayor penetración) y de las propiedades del material (conductividad térmica, densidad o calor específico). La profundidad de un defecto puede ser considerada como:

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donde C1 es la constante de regresión, que toma un valor igual a 1 cuando se trabaja con imágenes de amplitud y un valor de 1,8 en el caso de imágenes de fase. En la práctica existen diversos diver sos métodos para calcular cal cular la lass im i mágenes ágenes de ampli amplitu tudd y de fase:

El algoritmo de cuatro puntos. En el caso particular de excitaciones sinusoidales, las imágenes de amplitud y de fase se pueden obtener conociendo las coordenadas de cuatro puntos equidistantes situados en el objeto y sus correspondientes señales registradas.

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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Figura 5.14. Algoritmo de los cuatro puntos siendo I la señal sinusoidal de entrada y S la respuesta de la señal

En la figura 5.14 se Como muestraselahaseñal sinusoidal de entrada las en color y laseñales señal de respuesta en color rojo. comentado anteriormente, formaazul de las entrada y salida son las mismas cuando se emplean excitaciones sinusoidales y solo se producen cambios en la amplitud y en la fase, que se pueden calcular como:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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donde Si es la señal termográfica de un punto tomada en el instante ti. algoritmo puntos es rápido pero eliminar valido solo para excitaciones estáElafectado porde el cuatro ruido. A la señal se le puede el ruido parcialmentesinusoidales haciendo unay media de varios puntos o aumentando el número de ciclos. Otra posibilidad, es ajustar los datos experimentales mediante regresión de mínimos cuadrados y usar los datos obtenidos para calcular la amplitud y la fase. No obstante, estas dos opciones ralentizan los cálculos.

La transformada discreta de Fourier (DFT) De forma alternativa se puede emplear la transformada discreta de Fourier para extraer la información de amplitud y fase:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

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donde,  j: representa repre senta un un nú número im i maginari aginario: o: j2 = -1 N: número de puntos muestreados. Designa el incremento de la frecuencia (n = 0,1,… N)  i inntervalo de muestreo muestreo T: periodo Re y Im: Im: parte pa rte real re al e im i maginari aginariaa de la transformada. transformada. En este caso, las partes real e imaginaria de la transformada compleja se emplean para estimar la ampli amplitu tudd y la fase:

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   o   p    C

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La DFT se puede usar con cualquier forma de onda y tiene la ventaja de eliminar el ruido de la señal. A pesar de ser s er mu muyy útil, útil, su aplicación aplicac ión puede puede ser lenta.

La transformada rápida de Fourier (FFT) Mediante este algoritmo se puede calcular de forma sistemática la DFT reduciendo el núm nú mero de operaciones operaci ones de cálculo cál culo

Aplicaciones La termografía modulada se usa para: •

Adquiri Adqu irirr iinf nformación ormación de la orient ori entación ación de las l as fibras fibra s en material materiales es compuestos. compuestos.

•• •

Visualizar deslaminaciones en madera chapada. de revestimientos cerámicos. Medir espesores y/o densidades y/o porosidades Inspeccionar componentes de aviones. Fue nte de e x citació n

Aplicació n típica

Lám ámppara ara hal alóógena ena

Hueco ecos en mater ateriiales ales com compues esttos multica cappa

Láser

Grietas en células fotovoltaicas

Ultrasonidos

Grietas en metales

Corr Corriiente entess inducid cidas

Hu Hueco ecoss en metal etales es geom eométri étrica cam mente ente com complejo ejos

Mecánica

Límites de fatiga en componentes de automóviles

Elect ectro rolluminisc scen enci ciaa Corrientes de aire

Defe Defect ctoos en el pro roces cesad adoo de se sem micon conduct ctoores res Filtraciones en estructuras Tabla 5.V

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   o   p    C

Ventajas e inconvenientes Existen algunos inconvenientes en la termografía modulada: • • •

Disponibilidad del rango de frecuencias para la modulación del flujo de calor: en algunos casos, la frecuencia mínima seleccionable no es suficientemente baja para inspeccionar materiales gruesos con bajas difusividades térmicas. En ensayos a baja frecuencia, para obtener el régimen permanente puede ser necesario mucho tiempo. Requiere, como mínimo, la observación de un ciclo de modulación y que cada ensayo se

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realice para una frecuencia, estudiando una profundidad cada vez, lo que aumenta el tiempo tiem po de inspección. Así la LT puede ser poco productiva cuando se trata de inspeccionar materiales de espesores grandes o con difusividades térmicas bajas. Sin embargo, también presenta algunas ventajas: • • •

El uso de la imagen de fase es independiente de las variaciones de iluminación o emisi em isividad vidad de la superficie, s uperficie, incon i nconvenien venientes tes que sí están es tán presentes en la PT. La energía requerida para llevar a cabo la LT es, generalmente, menor que en otras técnicas técn icas de termografía termografía activa. Existe una relación directa entre la profundidad y la frecuencia de inspección, lo que puede permitir permitir conocer la profun profundidad de los defectos.

5.4.11. Vibrotermograf brote rmografía ía ((VT) VT) La vibrotermografía es una técnica activa de END en la cual se analiza el calor liberado por los efectos de vibraciones mecánicas inducidas externamente a la estructura inspeccionada. El calor se libera por fricción en los lugares donde existen defectos como grietas o deslaminaciones debido a que la energía mecánica se convierte en energía térmica dentro del material. Los defectos se excitan a resonancias mecánicas específicas. Al cambiar (incrementando o disminuyendo) la frecuencia de excitación mecánica, los gradientes locales de temperatura aparecen o desaparecen. La idea i dea de la vibrotermog vibrotermografía rafía se rem r emont ontaa a 1830, cuando cuando el físico Weber descubrió que un aumento en la longitud de un material resultaba en una disminución de su temperatura. Este efecto es recíproco, con lo que una reducción de la longitud causa un aumento en la temperatura.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y

Cargas periódicas en el material generan, por tanto, puntos calientes en zonas de concentración concen tración de estrés. es trés.

Implementación Dependiendo de la excitación empleada, existen dos configuraciones para la vibrotermografía:

  o   p    C

Vibrote ibroterm rmograf ografía ía pulsada pulsada (Burst VT). Análoga a la termografía pulsada, cuando se emplea excitación pulsada se denomina

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vibrotermografía vibrotermog rafía pulsada.

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Figura 5.15. Configuración de la vibrotermografía pulsada

Una vez que se inyectan en el material las ondas elásticas, viajan a través de éste disipando su energía energía mayoritari mayoritariam ament entee sobre sobr e los defectos, de forma forma que se liber l iberaa calor. cal or. Las ondas térmicas se transmiten por conducción a la superficie, donde se pueden detectar mediante la cámara IR.

Vibrotermografía de amplitud modulada o lock-in

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   o   p    C

Con el objetivo de combinar las ventajas de los ultrasonidos y de la termografía infrarroja, Busse propuso un método conocido como termografía lock-in  de ultrasonidos (ULT), en la cual se em e mplean ondas ultrasónicas ultrasónicas moduladas para par a excitar la l a superficie de un objeto junto junto con el método lock-in para procesar las secuencias. secuencias.

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Figura 5.16. Configuración de la vibrotermografía modulada

La amplitud de la señal de salida de alta frecuencia se modula a la frecuencia lock-in. El sistema lock-in se ajusta a esta frecuencia y proporciona información de amplitud y fase.

Procedi Proce dim miento de inspección inspecc ión

 .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y

En la vibrotermografía, a través del cabezal del generador de señal, se emiten ultrasonidos de amplitud modulada que son recibidos por la muestra con defectos en su interior. En la interfase de los defectos, el ultrasonido se debilita al transformarse en calor debido a la fricción por generación de energía mecánica. Los cambios térmicos en la superficie se registran mediante la cámara IR. La información se graba y se procesa en el ordenador a través de la transformada de Fourier, obteniendo imágenes de amplitud y de fase.

Aplicaciones La vibrotermog vi brotermografía rafía se emplea, emplea, general generalm mente, ente, en e n la detección de tección de grietas grie tas y deslam desl aminaciones. inaciones.

Ventajas e inconvenientes

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Algunas ventajas que presenta esta técnica son: •

Rapidez: Un ensayo puede durar desde una fracción de segundo hasta algunos segundos. En

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•

comparación con las técnicas que emplean excitaciones ópticas, en la VT las ondas térmicas viajan la mitad de la distancia ya que la propagación del calor se lleva a cabo desde el defecto a la superficie, mientras que en las técnicas ópticas, el calor viaja desde la superficie hasta el defecto y luego vuelve a la superficie. Por este motivo, la VT es rápida, rápi da, inclu i ncluso so más que la PT. Las ondas de ultrasonidos son ideales en END en el sentido que la detección de los defectos es indepen i ndependiente diente de su orientación en el interior del material. aterial . Por otra parte, presenta también algunos inconvenientes:

•

• • •

El problema principal del método reside en las altas potencias que se requieren, lo que suponee una supon una carg car ga considerable consider able sobre la estructura estructura inspeccionada y que en algunos algunos casos no permiten asegurar una inspección no destructiva. En consecuencia, es necesario optimizar el tipo de ultrasonidos empleados. Las ondas ultrasónicas y sónicas no se propagan en el vacío y, por tanto, requieren un medio material. aterial . La preparación de la muestra es más costosa al tener que colocar cada vez el transductor para cubrir toda el área inspección. Algunos parámetros sondeinciertos como el tiempo mínimo de aplicación de energía, la potencia poten cia sónica mínima mínima o la l a fuerza fuerza de acoplamiento acoplamiento requerida. r equerida.

ermografía rafía induc nducti tiva va ((IT) IT) 5.4.12. Termog Esta técnica usa el concepto de inducción electromagnética para generar corrientes de alta densidad en materiales conductores de la electricidad. El calor producido por las corrientes inducidas se difunde por el material y el aumento de la temperatura superficial del material se mide con la cámara IR. Como en el caso de la excitación óptica y mecánica, la termografía activa con calentamiento calentam iento inductivo inductivo se puede puede ejecut ej ecutar ar a través de pulsos o modulaciones.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y

El principio de la detección de defectos en esta técnica se basa en que se genera más calor alrededor de los defectos (localizados dentro del rango de alcance de las corrientes inducidas indu cidas)) que en las áreas no defectuosas, defectuosas, debido a un au aum mento ento de la densidad de corriente. corr iente.

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que, dependiendo de la configuración, puede que no proporcionen un acople adecuado con el objeto.

Implementación Generalmente, la inducción se genera mediante bobinados al aire, simples de fabricar pero

La bobina de inducción se puede adaptar a la geometría del objeto inspeccionado. Se

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pueden incluso generar corrientes a una orientación específica en el material para seleccionar el tipo de defectos que se quieren estimular. estimular. En objetos pequeños, se puede conseguir un acoplado óptimo introduciendo el objeto en la bobina. Esta configuración es difícil de implementar cuando se trata de componentes de grandes gran des dim di mensiones. En estos casos cas os la l a bobina se coloca encima. encima. de la orientación la bobina y del impulso, potencia parapuede crear el con cDependiendo ontraste traste de temperatura temperatu ra necesario necesarde io en la superficie puede serlabastante bastant e alta alrequerida ta y la bobina llegar a calentarse bastante durante la inspección. Por ello, se debe intentar reducir los requisitos de potencia al máximo, mediante la reducción del tamaño de la bobina y concentrando así el campo magnético en una zona pequeña de interés.

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Figura 5.17. Configuración de la termografía inductiva

Procedi Proce dim miento de inspección inspecc ión Al contrario que en las técnicas de excitación óptica en las que el calor se aplica a la superficie del objeto, el calor en la termografía inductiva alcanza una determinada profundidad que viene dictada por la profundidad de penetración o efecto piel. Este efecto es la tendencia que tiene una corriente eléctrica alterna a distribuirse en un conductor de forma que la densidad de corrient corri entee cerca cerc a de la l a superficie del con c onduct ductor or es mayor qu quee en su cen centro. tro.  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   o   p    C

La profu pr ofundidad ndidad de piel pi el se expresa como: como:

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donde,

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μr [-]: permeabilidad permeabilidad relativa ρ [Ωm]: resistividad del material bajo inspección f [Hz]: [Hz]: frecuencia frecuencia de excitación El rango de profundidad para la detección de defectos es una combinación de la profundidad de penetración de las corrientes inducidas dada por la ecuación 5.25 y el rango de profundidad de la onda térmica (ecuación 5.4) debido a la frecuencia modulada de inducción. Por ejemplo, en materiales ferromagnéticos como el acero al carbono, aunque las corrientes inducidas estén limitadas a la superficie, el calor se difunde a más profundidad, pudiendo pudien do detectar defectos a 4 mm debajo de la superficie. Otra variación es la TIR lock-in  termoinductiva, que excita corrientes inducidas en materiales conductores mediante una bobina de inducción. La mayor densidad de corriente en las grietas provoca provoc a una una temperatura temperatura mayor mayor que es detectada por la cámara cámara termog termográfica. ráfica. El problema que tiene el ensayo mediante las corrientes inducidas es que, algunas grietas fácilmente fácilmen te visibles visi bles para el e l ojo oj o hum humano como como grietas superficiales superfici ales inclinadas, no se detectan. La detección de grietas con las corrientes inducidas por termografía está basada en el cambio de la distribución de las corrientes debido a la presencia de las grietas, que resulta en un aumento de la temperatura cerca de la grieta. Dependiendo del tipo de material, la interacción con el defecto es diferent di ferente: e: •

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En materiales no magnéticos, la profundidad de las corrientes suele ser más o menos del orden de la del defecto a localizar. Se produce un bloqueo de las corrientes por la grieta, de forma que las dos profundidades se van acercando, así que la fuente de calor es el campo cercano a la grieta (donde se produce el bloqueo) y da lugar a un contraste térmico observable. En material materiales es magn magnéticos, la profundidad profundidad de las l as corri c orrient entes es es e s menor menor que la l a profu pro fundidad ndidad de la grieta por lo que la fuente de calor son las paredes de la grieta. La señal decrece lentamente cuando la corriente no es perpendicular a la grieta, pero incluso cuando es paralela se obtienen señales entre el 25 y el 30% del máximo.

Aplicaciones Es una técnica adecuada para aplicaciones como detección de grietas en partes metálicas de geometrías geometrías regular regulares. es.

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Ventajas e inconvenientes La principal ventaja es la mayor manejabilidad del equipo, ya que las bobinas son de tamaño reducido. Además, tal y como se ha comentado anteriormente, la técnica de lock-in prácticamente no se ve influenciada por distorsiones e interferencias del entorno, lo que resulta en una una sen se nsibili sibi lidad dad óptima. El principal es la cantidad de potencia para generar corrientes inducidas, junto inconveniente con que el componente a inspeccionar deberequerida ser conductor de la electricidad, lo que reduce el número de materiales adecuados para la aplicación de la termografía inductiva.

5.5. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA VENTAJAS • • •

Rápida velocidad de inspección. Sin contacto. Las únicas limitaciones se producen en la vibrotermografía, que requiere un medio de acoplamiento entre el transductor y el objeto y, en el caso de la termografía de inducción, en que la bobina debe estar relativamente cerca a la superficie inspeccionada. Seguridad del personal ya que no hay ninguna radiación dañina implicada. No obstante, se debe tener cuidado con algunas excitaciones ópticas como los flashes debido a su elevada potencia lumínica Exten Ex tenso so rango rango de aplicación. apli cación.

INCONVENIENTES •  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    l   a    i   r   o    t    i    d    E    C    F  .    6    1    0    2    ©    t    h   g    i   r   y   p   o    C

• • • • •

El calentamiento no uniforme dificulta obtener excitaciones uniformes en superficies grandes (sobre todo en PT). Debido a esto, se deben aplicar técnicas de procesado que serán detalladas en otro capítulo. Pérdidas térmicas, como la convección o la radiación, pueden inducir a falsos contrastes afectando a la fiabilidad de la interpretación. El coste del equipo en termografía activa es elevado. El espesor de la pieza es un factor muy limitante. Variaciones de emisividad: materiales de baja emisividad reflejan mucha radiación proveniente del entorno. Intuitivamente, la posibilidad de “visualizar” defectos en un material depende de la diferencia entre las propiedades térmicas del material y las anomalías. Si la diferencia es demasiado pequeña, el contraste de las imágenes no será bueno, y empeorará conforme el defecto esté a mayor mayor profu pr ofunndidad a causa de la difu difusión sión térmica en el material. No siempre

la limitación es ésta: si se inspeccionan materiales con una gran conductividad térmica la Cañada, S. M., & Royo, P. R. (2016). Termografía infrarroja: nivel ii. Retrieved from http://ebookcentral.proque http://ebookcentral.proquest.com st.com Created from inacapsp on 2018-04-06 05:30:12.

 

propagación de las ondas térmicas se produce tan rápidamente que el contraste puede llegar a reducirse hasta límites indetectables.

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