TERMOGRAFIA

PrincipiosyfundamentosdeIngeniería Principiosyfundamento sdeIngenieríadeM deM antenimiento

Capítulo CINCO

Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja

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DiagnósticomedianteTermografíaInfrarroja

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PrincipiosyfundamentosdeIngeniería Principiosyfundamento sdeIngenieríadeM deM antenimiento

Capítulo CINCO

Diagnóstico medi m ediante ante 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 mantenimient manten imiento. o. Pero, debido debido a las limitaciones tecnológi tecnológicas cas y constructivas, constru ctivas, no fue hasta los años noventa en que ha podido podido considerarse a la Termografía Termografía Infrarroja Infrarr oja como una técnica suficientemente madura y convenientemente desarrollada para integrarse a los programas de mantenimiento . No obstante, obstant e, los traba tr abajos jos precedente precedentes principalmente realizados en laboratorio laboratorio han h an servido de base y proporcionado proporcionado bastante información para hacer más rápida y menos dificultosa su implementación en el campo campo industrial. industr ial. Desde la comercialización comercialización de estos est os equipos pertenecientes pert enecientes a la cuarta cuart a 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

Morgan, Morgan, W.; Integration of infrared thermography into various maintenance

methodologies, methodologies, Congress THERMOS THE RMOSENSE ENSE 18ª – US A 1996 1996

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definitivam definitiv amente ente mejorada mejorada técnica de de monitorizado. Aplicaciones Aplicaciones de las más diversas que van desde las tradicionales como la medicina , las aplicaciones eléctricoelectrónicas , las construcciones y monumentos históricos , como también las convencionales aplicaciones industriales , y muy especialmente por las nuevas perspectivas de monitorizado y análisis que ha brindado, el ensayo no destructivo de materiales . También También debe hacerse referencia a aquellos campos campos especiales de 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 diagnóstico automático, ya sea mediant mediante e Redes Neuronales o lógica lógica difus difusa. a. También Ta mbién la visualización y caracterización de llamas de combustión ya sean estas abiertas o en cámaras de combustión combusti ón en motores motores.. Así mismo su su inclus nclu sión en en problemas de de modelado, análisis numérico, física fundamental o calor inverso, han permitido que la técnica adquiera adquiera vigencia y actualidad. 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 análisi s de aceite. aceite. Estando de de esta maner manera a las demás técnicas técn icas y particularmente la Termografía Infrarroja con la alternativa y posibilidad de evolucionar, aplicar e implementarse implementarse definitivamente definitivamente como base base en el mantenimiento predictivo. predictivo.

Jones, Jones, B.; B .; A reapp reapprais raisal al of the use of Infrared Infrar ed th th ermal ermal image imag e analysis ana lysis in medicine, IEEE IE EE Trans Transactions actions on on medical imaging i maging , vol 17 Nº6 Nº6 – De cember 1998 Dong-Ho, L.; L. ; Thermal Thermal analysis anal ysis of integrate int egrated-cir d-circuit cuit chips us ing thermo thermography  graphy  imaging techniques, IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 1994 Snell, J.; Renowden, J.; Improving Improving the resul results ts of thermographic inspec insp ections tions of electrical electrical transmis sion si on lines, Congress THE RMOSENSE RMOSENSE 22ª – USA 2000 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 Sinclair, Sinclai r, D., Infrared thermography thermography examination examina tion of rota rota ting equipment, equipment, PPMT PP MTec echology hology Review T echnical echnical – April 1999 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.

La temperatura es uno de los parámetros de evaluación más utilizada en la caracterización caracter ización de fenómenos fen ómenos y procesos bajo bajo estudio. estudio. Sin embargo, embargo, su medida práctica entraña una serie de dificultades por no ser realizada directamente, sino a través de otra variable variable relacionada con ella. La termometría termometría convencional convencion al se basa basa en la transmisión de calor por conducción, cuando dos cuerpos son puestos en contacto hasta hast a el equilibrio térmico. térmico. Una Un a vez que es alcanzada alcanzada esta situación se aprovecha aprovech a 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 termoresist termoresiste encia. 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 seri e de factores como: sensibilidad, sensibilidad, linealidad, velocidad de respuesta, respuest a, precisión, exactitu exactitud, d, estabilidad estabilidad,, resolución, etc. Es por esta esta razón que permanentemen permanentemente te 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. operación. En el monitorizado torizado de de maquinaria maquinaria y equipo industrial 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. 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 más ancho de luz de colores. colores. Sin embargo, embargo, es poco conocido 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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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 espectro visible. visi ble. Por tanto, debía haber haber radiación solar no visible más allá allá del rojo: radiación infrarroja . Anecdóticamente, Anecdóticamente, como recibimos del sol menos menos luz ultravioleta que infrarroja, no alcanzó a medir el mismo efecto más allá de la parte  violeta del "arcoíris" "arcoíris",, lo cual impidió impidió que descubriera 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 radiación interactúa con con la materia. 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, electr omagnéticas, que Implican una un a doble transformación de la energía. La energía ner gía 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 líquidos y sólidos la radiación radiación es un fenómeno superficial , debido a los muchos electrones libres sometidos a aceleraciones irregulares, por lo que su radiación es pulsatoria, pul satoria, y sus ondas de variada vari ada frecuencia. fr ecuencia. Además de las propiedades propiedades ondulatorias, la radiación también posee propiedades corpusculares, las cuales consisten en que la energía térmica es absorbida y emitida discontinuamente y en cantidades cantidades discretas, cuantos de luz o fotones. El fotón emitido es una partícula partícula de materi materia a que que posee energía, energía, cantidad de movimiento y masa electrónica. electróni ca. Por lo tanto, la radiación radiación térmica se puede considerarla como como un gas de fotones. El paso 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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Represen Represen tación gráfica de propagación propag ación de las ondas en el campo eléctrico y magnético

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 ntesis de las dos dos propiedades propiedades es el concepto de que 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

o

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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 de la superficie expuesta. Es por esta razón que la emisión a un gas contiguo o un vacío se ve como un fenómeno superficial. 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 .

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Ra di dia a ció ción n térmic a 0,1 μm

1000 μm

Infrarro o R. Ga mma

Ra yo s X

[ μm

Ult ra vi o let a

Mic r oo n d as

Rango

Infrarrojo

Infrarrojo

Infrarrojo

Infrarrojo

Visible

Cercano

medio

lejano

extremado

0,35

0,7 5

3

6

Lon git gitud ud de o nda

15

Rad io o n d as

100 0

Espect Es pectro ro electromag electromagnét nétic ico o de radiación radia ción

Esta separación es informal, ya que en realidad las verdaderas fronteras entre los distintos tipos de radiación infrarroja están dictadas por las propiedad propiedades es de la atmósfera terrestre, que sólo deja pasar una pequeña parte de los tipos de radiación infrarroja.  Así, mientr as que la parte más cercana al infr arrojo ( λ < 1μm) atraviesa sin dificultad la atmósfera atmósfer a y es estudiada con los mismos detector es que que la luz visible. visi ble. El vapor de agua  y el dióxido dióxido de carbono absorben 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 tr ansparente. La radiación térmica se asocia a la intensidad con que la materia emite energía como resultado resul tado de su temperatura finita. El mecanismo mecanismo de e misión se relaciona con con la energía liberada como consecuencia de oscilaciones o transiciones de los muchos

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electrones que constituyen constituyen la materia. materia. Estas oscilaciones, oscilaciones, a su vez, son sostenidas sostenidas por la energía interna, y, por tanto, la temperatura temperatura de la materia. mater ia. Por consiguiente, consiguient e, se asocia asocia la emisión de radiación térmica con condiciones provocadas térmicamente dentro la materia.  Al analizar la radiación radiación que los materiales reales intercambian ntercambian con su entorno, 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 espectral de la radiación térmica que varia con con la longitud de onda y consiste en una distribución continua no uniforme de componentes monocromáticos  (una sola longitud longi tud de onda). La segunda segun da característica caracter ística se relaciona rel aciona con su direccionalidad, ya que una superficie puede emitir de forma relevante en distribució bución n direccional  direccional  de la radiación emitida. ciertas direccio dir ecciones nes con lo que crea una un a distri Se define como una superficie ideal que absorbe toda la radiación incidente, sin importar importar la longitud de onda y la dirección. Entonces, Entonces, para una temperatura 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, temperatu ra, es independiente de la di dirección. recci ón. Es decir, que que es un emiso emis or difuso.

Absorbe toda energía

Cuerpo Negro

Emite alta energía

Cuerpo negro

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.

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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 emisión de los cuerpos reales se determina por la emisividad , que es un factor cuyo valor está comprendido entre 0 y 1. Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que es un ente ideal que se utiliza util iza como referencia refer encia respecto respecto a otros radiadores. 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 exactitu exactitud. d. Es, por tanto, conveniente elegir al cuerpo negro como como una referencia 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.

Di st ribución espectral para  una superficie re al a 900 K 

Cuerpo negro  negro  Superficie real 

Comparación de la e misión misi ón de un cuerpo n egro y una superficie super ficie real, real, a través de la distribución espectral y la distribución direccional

Cuando una superficie conserva constantes sus propiedades cromáticas en todo el espectro. Este es un concepto teórico, pero que que se puede aplicar con con resultados suficientemente exactos para superficies con propiedades relativamente uniformes.

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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 ambie ambiental. ntal. Y la lass superficies selectivas calientes  con inversas propiedades, de utilida utili dad d para en colectores solares. Cuando las superficies que emitan, lo hacen con intensidad constante en todas las direcciones, como es el caso de un cuerpo negro. 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 superfici super ficie e de interés interé s. Sin tener tener en cuent cuenta a la fue fu ente, nt e, se designa como irradiación  , a la  velocidad  velocidad que toda esa radiación radiación incide sobre un área área uni un itaria taria de la superficie. superficie.

Radiación  Radiación  incidente 

δ

δ α

cuerpo 

α sólido 

ε  + δ   + τ 

=1

Procesos Procesos de radiación radi ación as asoc ociad iados os a un medio medio semitransparente

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

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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 composición y espesor espesor del del medio. Además, las condiciones pueden pueden estar estar fuertemente influidas por efectos volumétricos que ocurren dentro del medio. El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatur temperat ura. a. Difiere Difier e, por tanto, tant o, de de la distrib distr ibución ución espectral planteada por Planck, además, además, la distribución distri bución direccional puede puede ser difer diferente ente 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. radiación. Por eso es que todavía todavía sigue investigándose inv estigándose no solamente solamente su valor en diferentes materiales, sino principalmente entender el mecanismo de variación de la temperatura. Pudiendo, sin embargo, embargo, hacerse h acerse las siguientes siguientes generalizaciones: generalizaciones: emisividad de superficies superf icies metálicas por lo general gener al es pequeña, pequeña, y alcanza alcanza  La emisividad  valores tan bajos como como 0.02 para para oro y plata pulidos.  La presencia de capas de óxido puede aumentar de forma significativa la emisividad emisividad de superficies su perficies metálicas. metálicas.  La emisividad de los no conductores es comparativamente grande, por lo general excede de 0.6.

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La emisividad emisividad de los conductores conductor es aumenta al incremen in crementar tar la l a temperatura; temperatura; en los no conductores dependerá del material específico.

De este modo la emisividad de los materiales puede tomar valores muy distintos en función fu nción de la región espect es pectral ral conside cons iderada. rada. Así también, el ángulo de 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. La radiación radiación de los gases gases es selectiva. Absorben y emiten radiación radiación térmica tér mica 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 varía en función fun ción de la densidad y de los espeso es pesores res de la capa del del gas. Cuan mayor es la densidad y el espesor de la capa, mayor es su absortividad.

Transmitancia infrarroja de la atmósfera

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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

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 rad r adiación iación emitida por los cuerpos cuerpos por estar a temp t emperaturas eraturas mayores al cero absoluto, como variable relacionada con la temperatura . Esto es posible gracias gracias a detectores detector es que se encuentran lo bastante desarrollados lados como para para permitir la captación captación y cuantificación cuantif icación de esa radiación radiación en tiempo real. Pudiendo de esa forma generarse imágenes térmicas que representan la distribución superficial de los objetos observados. observados. Se han establecido ventajas generales, dentro las que se incluyen: , indudablemente una condición importante en piezas y  componentes donde el material sea débil, el peso, los maquinados o las fisuras sean limitantes. , al ser un sistema no intrusivo de alta fiabilidad permite monitor monit orizar izar sin interrumpir interrumpir fun cionamientos. , sean de rotación o traslación permite la lectura con facilidad, identificando principalmente puntos calientes de marcada criticidad en el funcionamiento. , mucho más rápido que los métodos de contacto debido a la respuesta del detector, del orden de microsegundos. , fácilmente realizable con la adicional característica de no alterar el comportamiento. comportamiento. , posibilidad de acceder rápidamente en muchos objetos, más aun en medidas medidas relativas. o

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o

o

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Newport, Newport, R.;  R. ; Analysing mechanical systems using Infrared Thermography,

Congress EUROMAINTENANCE EUROMAINTENANCE 2000 – S weden weden 2000

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, fácilmente en distancias menores a cien metros, principalmente en mediciones inaccesibles por otros sistemas. Pero, presenta desventajas económicas como también técnicas y limitaciones de aplicación, dentro las que se pueden nombrar: , 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. sensor. , 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. , 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.

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 determinado objeto. objeto. Sin embargo, cualesquiera cualesquiera sea la definición 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 trayecto tr ayectoria ria y enfocada enf ocada por elementos refractantes ref ractantes o lentes. len tes. Estos fotones disipan su 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, transf tr ansfo orma el fluj flujo o de fotone foton es incidentes en una señal eléctrica la que es conducida a algún tipo de indicador graduado graduado de de acuerdo acuer do con la temperatura. Puede enton entonces, ces, establecerse establecerse que un un sistema termom ter mométri étrico co por radiación, básicamente básicamente consiste consiste de:

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C omponent omponentes es ópt ópticos icos

Dete ctor Infra rrojo Esc áne r

Le nte

Filtro espectral

Colimador Colimador

Se nso nso r

C ortador

Read Out Integrated C ir ircuit cuit

Amplific ador

Unida d de visu visua a lizac ión

Unida d de tratamiento

Filtrado Filtrado

Rec tifica tifica do

Re ad out meter

Unida d de almacenaje

Es quema de operación en un sis tema tema termométrico por radiación 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 campo específi esp ecífico co de de utilización. util ización. Por ejemplo: el númer número o de de detect detectores ores

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ha sido incrementado enormemente, y, gracias a la capacidad de filtrado selectivo estos detectores pueden proveer proveer medidas medidas eficientes. Microprocesadores Microprocesadores electrónicos electrónicos que usan complejos algoritmos, permitiendo linealizaciones en tiempo real y  compensación compensación a la sa salid lida a del del detector otorgando alta alta precisión en la medid medida. a. 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 deseada . 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 partes son la óptica de precisión, el procesado inteligente inteli gente de la señal electrónica (ROIC) y sobretodo los detectores de infrarrojos de estructura matricial. 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, refr acción, dispersión dispersión y difracción. 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. prestacion es. Los espejos no determinan determinan la respuest res puesta a espectral del del instrumento, ya que la reflectividad no es dependiente de la longitud de onda pudiendo ser utilizados utili zados en una amplia región regió n del espectro. espectro. Sin embargo, embargo, las lente lent es 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 transmisi tr ansmisión. ón. La figura siguiente sigui ente muestra las características caracter ísticas de transmisión espectral de algunos de los materiales usados en las lentes infrarrojas.

Dumpert, Dumpert, D. ; Infrared options multiply for condition monitoring, MAINTENANCE

TECHNOLOGY TECH NOLOGY Magazi ne – May May – USA 19 19 97

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Características Características de d e transmisión transmis ión espectral espectral para varios material materiales es utilizado utiliz adoss en óptica de d e infrarrojos

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. La termometría sin contacto ha permitido que se desarrollen una serie de lentes que permiten permite n enfocar correctamente correctament e y minimizar nimiz ar las aberracion aberraciones es que que se presenten. presen ten. Es posible encontrar diseños singulares y muy variados , pero los de mayor uso actualmente son:  Lentes de difracción: Son de tecnología relativamente relativamente nueva y asociado asociadoss a los sistemas detectores de infrarrojos, por proporcionan una capacidad de

Radiant Optics, Inc.; IR Lens TMTM- What technology technology supports s upports th th e IR Lens, Technical

papers – USA 2000

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corrección de color, similar a la que otorga un conjunto múltiple de lentes, pero con con un único ún ico elemento elemento corrector. Por tanto, el tamaño, tamaño, el peso 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 infra infr arrojo. rr ojo. Su diseño no considera considera la absorción absorción de la radiación desviada respecto del eje principal del detector, por ello su uso es en sistemas de imagen imagen donde no es necesaria n ecesaria la medida (inspección cu cuali alitativa). tativa).  Lentes de “Re-image “Re-imagen”: n”: Son aquellos en que la imagen imagen es enfocada enfoca da 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, óptica, en un punto punto llamado llamado  plano focal in termedio . Este punto punto se utiliza para para añadir añadir un componente componente que capturará la energía de los objetos fuera del campo de visión normal de la cámara (radiación (r adiación desviada). desviada). Pueden ser utilizados en entor entornos nos donde hay  una gran variedad de objetos a temperatura muy baja o muy alta con respecto al objeto que esta siendo medido. El circuito electrónico usado en la interpretación de las señales de cada detector se denomina multiplexor ROIC (Circuito (Circuito Integrado de de salida de lectura). Es un componente componente que organiza y da formato a las señales procedentes en el detector de una manera determinada. deter minada. La forma en que que la señal es acondicionada acondicion ada está determin ada por dos formas básicas de interpretar la señal del detector el CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) y CCD C CD (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 disipar el calor generado. Su utilización es prefer prefere ente en aplicaciones aplicaciones que no requieran requieran de medidas medidas cuantitativas. cuant itativas. 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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ofrece prestaciones avanzadas. avanzadas. Son comunes hoy en aplicaciones aplicaciones donde donde haya electrónica y el procesador ha sido optimado en todos los aspectos funcionales, para una un a determinada deter minada y específica aplicación. Generalmente Generalment e el empaquet empaquetamiento amiento es en 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. Un detector FPA es cualquier sensor térmico que tenga más de una fila y más de una columna de de detectores-celda detectores-celda juntos. jun tos. Esta configuración configuración es descrita descrita por el término no “array” (matriz) y el término “Focal Plane” (Plano Focal), que se refiere a la localización de la matriz de detectores detectores en el conjunt con junto o óptico. Por tanto, en un sistema sist ema FPA, se tiene una un a matr matriziz de detectores, detector es, justo en donde la imagen es enfocada. enfocada. En un principio se utilizó termopares y termopilas (grupo de termopares en una celda) como detectores de infrar infr arrojos. rojos. En 1950 se comenzó con el el uso del Sulfuro de Plomo Plomo (PbS) para el estudio de los infrarrojos en el rango de 1 μm a 4 μm, donde, para aumentar su sensibilidad, se refrige refr igeró ró hasta 77 K con nitrógeno nitr ógeno líquido. líquido. Una mayor mayor evolución de de la tecnología infra infr arroja rr oja se dio en 1961 1961 con el descubrimiento descubrimiento del bolómetro 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 bajas que la temperatura del nitrógeno nit rógeno líquido; debiendo ser ref r efrigerado rigerado con Helio líquido hasta 4 K. Actualmente se utilizan uti lizan detectores detectores de antimoniuro ur o de indio (InSb) nSb) y  HgCdTe, los cuales funcionan de forma similar al PbS, pero son mucho más sensibles a los infrarro in frarrojos. jos. 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 aunque se prev prevé é la introdu nt roducción cción de de nuev nuevos os materiales a corto cort o plazo, es posible hacer una división en cuanto a la forma de funcionamiento que tienen. o

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 electrón se mueva a través del cristal. Duran ur ante te el tiempo en 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 l a energía energía necesar n ecesaria ia para liberar un electrón.

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Son semiconductores, policristalinos fuertemente dopados, con una conductividad eléctrica pequeña que se incrementa con la temperatura. Cuando Cu ando estos detectores son expuestos expuestos a la radiación radiación infra nfr arroja, rr oja, 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 del detector es el incremento incremento de corriente respecto a esta corriente de oscuridad, cuando se expone expone el sensor sensor a la radiación. radiación. Esta señal se obtiene por la diferencia entre ambas corrientes, pudiendo ser controlada la temp t emperatur eratura a del sensor con una precisión del orden de 0.01 ºC. Es un solo cristal semiconductor compuesto de dos regiones dopadas dopadas de diferen diferente te manera, estando amb ambas as 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 comportamiento no continúa indefinidamente ya que ambos lados de la unión son normalmente, eléctricamente neutr neutros. os. Las regiones de ambos ambos lados que combinan electrones se denominan región de agotamiento y la diferencia de potencial generada potencial de contacto a través de la unión. : Difirieren Difir ieren 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 de datos datos en serie. Un gran número de detectores es necesario para proporcionar proporcionar una buena resolución ución espacial espacial de la imagen. imagen. Actualmente hay dos clases de detectores detectores no refrigerados disponibles, disponibles, aunque debido a su gran desarrollo se prevé muchos más a corto plazo. Usa un óxido de metal como reóstato, el cual tiene una tasa alta de cambio de de la resistencia resisten cia con con la temperatura. tem peratura. Se trabaja normalmente normalmente a una temperatura controlada y en corriente continua, pero una pequeña  variación de la frecuencia fr ecuencia producida por por el ruido, rui do, puede provocar imp i mportant ortantes es desviaciones desviaciones si estas no son corregidas. Son detectores no ref r efrigerados rigerados tienen tienen buenas prestaciones, por lo menos iguales que los refrigerados termoeléctricamente, pero no alcanzan el nivel de prestaciones logrado logrado por los fotodiodos refrigerados refrigerados criogénicamente. criogénicamente. Esto debido debido en gran gran parte, a la respuesta respu esta lenta causada por la inercia iner cia térmica tér mica de los detectore detector es. La masa

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térmica de los l os microcondensadores limita su util ut ilización ización a una tasa de imágenes de 30 Hz. Los microbolómetros microbolómetros tiene masa masa térmica tér mica menor, es más más rápi rápi da y  puede operar por arr arriba iba de 100 Hz. Aunque estos valores valor es son son pequeñ pequeños os comparados con los fotodiodos refrigerados criogénicamente, que han conseguido frecuencias de 1 GHz. 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

Detector FPA de Microbolómetros

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matriz. matri z. Ofrecen varias vent ventajas, ajas, la más más significativa significativ a es su capacidad capacidad de 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 fiabilida fia bilidad. d. Otra ventaja es el hecho de que trabajen en la banda del infrarrojo de onda larga, que es útil para trabajos tr abajos exteriores exter iores y aplicaciones de muy baja temperatura. Entre sus sus desventajas, es importante mencionar su menor sensibilidad, su menor precisión  y estabilidad estabilidad debida debida a la poca variación de temp t emperatur eratura a de estos detectores, con una baja resolución de imágenes. Un detector FPA relativamente nuevo es el QWIP , estos estos detectores detector es trabajan trabajan enfriados enf riados por debajo debajo de 65 K, en la región de longitudes longitudes de onda larga y tienen una eficiencia eficiencia cuántica entre 5 % y  10 %, ofreciendo una alta sensibilidad (0.015 °C). Contrariamente a estos beneficios se deben deben considerar con siderar las consecuencias consecuencias de una u na tec t ecnología nología inmadura e insuficientemente insuficien temente probada. probada. Por eso una una cuestió cuesti ón, todavía por resolver resolver es la estabilidad estabili dad del mater material ial a largo plazo y la uniformidad del mater material. ial. Asumidas estas desventajas, los detectores QWIP presentan ventajas para su utilización en el mantenimiento por proporcionar una alta calidad de imagen, y buenas

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características de medida, a la vez que trabajan en la región de onda larga del infra infr arrojo. rr ojo. Estas Estas características son muy útiles les en trabajos trabajos en el exterio exter ior,r, donde la irradiación solar es problemática, o en aplicaciones donde la temperatura ambiente es muy baja.

Comparación del tamaño de detectores de Microbolómetros y QWIP

La continua evolución de los grupos componentes de un sistema radiométrico, hace importante deba realizarse una revisión de los diferentes sistemas termométricos por radiación radiación infrar infr arroja. roja. Aunque, debido debido a la gran cantidad cantidad de instrumentación instru mentación disponible disponible en el mercado solo se hará referencia a la diferencia en el principio de funcionamiento;  y está est á incluye ncluy e los tres métodos desarr desarro ollados a continuación: nuación: También llamados medidores puntuales, ya que la medida obtenida corresponde al pr omedio  io  de una  pequeñ  pequeña a área  cuyo diámetro depende de la  valor de temperatura promed resolución óptica del instrumento y la distancia a la que se realiza la medida.  Algunas características propias de éste sistema termométrico, pero aplicables aplicables a la generalidad de de los diferentes diferent es pirómetros son: La distancia de medida medida viene establecida establecida por el instrument inst rumento o particular, particular, tomar medidas medidas antes o después después del enfoque establecido 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 utilización en objetos a elevadas elevadas temperaturas. temperatur as. El pirómetro debe debe apunt apuntar ar al objeto directamente, rectamente, bien a través de un tubo de mira mir a abierto (que impide impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en

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baños baños de sales para para tratamientos térmicos, hornos horn os).). Son Son dependientes dependientes y  extremadamente sensibles a la emitancia total de la superficie a ser medida.

Diam Diam ete of spot

Dista nce to th e o bjet bjet

78.5 ºC Resolución óptica de un pirómetro infrarrojo

Una particular pero conveniente clasificación de los pirómetros de radiación es la desarr desarrollada ollada a continuación:  Pirómetro Pir ómetross de Banda ancha: 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 por tener una u na respuesta entre entre 0.3 μm  y a límites superiores de 2.5 a 20 μm, siendo el rango de corte función específica del sistema óptico utilizad util izado. o. Debido a esta condición de traba tr abajo, jo, 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. emisividad. Son muy sensibles sensibles a la absorción absorción de radiación 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.  Pirómetro Pir ómetross de Banda angosta: Llamado Llamado también  pirómetro de color único ,  ya que operan precisamente precisamente en un rango estrecho de longitud longitud de onda. Normalmente tienen una respuesta espectral menor a 10 μm, aunque la generalidad de de pirómetros comercializados comercializados trabajan trabajan en el rango selectivo de 8 a 14 μm. La característica caracter ística principal principal es el uso de filtros para restringir restri ngir la respuest res puesta a a una longitud tu d de de onda onda seleccionada. seleccion ada. En general, gener al, la sensibilidad de estos pirómetros pirómetros es baja debid debido o a la reducida energía disponible. disponible. Pero

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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. Beam Splitter i tter

Colima d or or

Detector λ1

Lens Ratio

Detector λ2

Output

Esquem Esq uema a de un p irómetro irómetro de Banda partida partida 

Pirómetros Piró metros de Banda partida: También llamados De dos colores , ya que originalmente media en la longitud de onda correspondiente a diferentes colores del espectro espectro visible. v isible. Actualmente mide la radiación radiación emitida por por los objetos en dos bandas bandas de longitud longit ud de onda del del infrarr inf rarrojo, ojo, estableciendo una relación entre estas dos energías como una función de la temperatura del objeto. La temperatur temperat ura a medida es dependien dependiente te únic únicamente amente de la relación rel ación entre las dos energías medidas lo que provee mayor precisión, aunque está disminuya drásticamente cuando se miden pequeñas diferencias de temperatura en tiempos tiempos largos. El uso de esta técnica tiende a eliminar eliminar o reducir (por lo menos) errores de medida de temperatura causadas por cambios de emisividad, acabados superficiales y energía absorbida por materiales 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 cambios físicos físi cos o químicos.

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

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. Red Red Filter er Calibrated b rated Tungsten lam p

Ey epie

Lens Slid e wire

Batte ry A mmete mmete r

Pirómetro óptico de corriente variable 

Pirómetros de fibra óptica: Aunque no es estrictamente un instrumento termométrico, utiliza la propiedad de conducir energía a través de una fibra transparente transparent e y flexible hasta el detector detector de radiación. radiación. Donde se aprovechan aprovechan algunas de sus ventajas, como ser: • Inalterabilidad ante interferencias interferencias electr electroma omagnéticas. gnéticas. • 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 modulación se realiza por cambios de intensidad de radiación, 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,

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materiales como: fósforo luminiscente, semiconductores o cristales líquidos, son encastrados en el extremo de la fibra óptica.

chbody avity

C o up l e r

Le n s

Optica l Fiber

Narrowband filter filter

Optical detecto

Single n gle Crista l Sapp hire (Al 2O 3) ANALIZER ZER

Thim film Meta lCoating

Al2O 3 Pro tec tive film

Pirómetro Pirómetro de d e fibra óptica

Se trata esencialmente de sistemas termométricos fijados en un sitio que permiten la monitorización en tiempo real. La característica característica de escáner escáner extiende 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 medida de un solo punto. pun to. Sin emba embargo, rgo, se combina 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 temperaturas a lo largo de la línea. Un circuito electrónico después del elemento detector posibilita una elevada velocidad en la recolección recolecci ón de datos, datos, su cualificación cualif icación y digitalización. digitali zación. La resoluci resolución ón de un un escáner lineal es función f unción de la velocidad velocidad de movimiento del objeto, el número nú mero de medid medidas as por escan, la relación de escaneo escaneo y el ancho de la línea de escaneado. escaneado. La precisión precisión y 

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respuesta es muy sensible a las condiciones del entorno entre el cuerpo medirse y el sensor.

Temperat ure ure

Distance Distance a long we b Width of web

Escáner de línea y su perfil de respuesta

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 beneficios típicos t ípicos como los siguie sigui entes: • Temperaturas uniformes del producto con un mejor control de calidad •  Velocidades  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 Requisit os de manten mantenimiento imiento reducidos • Mejor control de eficacia de la energía

 Aunque la implementación de las cámaras cámaras termográficas a la industria es relativamente vamente reciente, la idea de adicionar otra dimensión geométrica simultánea al escáner de línea lín ea se manejaba con mucha ant ante eriori ri oridad. dad. Este concepto a dad dado o 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

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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 Termografía Infra Infr arroja rr oja una una herramienta de gran utilidad en el amplio campo de Investigación & Desarrollo y de aplicaciones industriales.  Aunque parecie pareciera ra más más ventajoso ventajoso utilizar todo el espectro o al menos gran parte de él, para captur capturar ar la mayor mayor part parte e de la emisión radiante radiant e del objeto a medir. medir. Existe Exist en 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 c ambio ambio de radiación, radiación, mejor sería ser ía la medida de la temperatur temperat ura a y más más estrecho estrech o el control de cualquier cualqui er sistema. sist ema. 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. Consiguient Con siguientemen emente te es pref prefe erible ri ble util utilizar izar una un a 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, temperat ura, en varias vari as porciones porcion es del espectro. 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 emisiv idad espectral espectr al 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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calientes detrás del del vidrio. Esto significa que el vidrio puede puede ser usado usado como una “ventana” efectiva con un detector detector de onda corta. corta. Un detector en la región espectral entre 3 y 4 μm, puede medir y controlar la temperatura temperatu ra del interio interi or del vidrio. Pero Pero si operamos por encima de 5 μm es la superficie del vidrio vidrio la que será medida. 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 vapo v aporr de agua. El CO 2 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 obvio evitar evitar estas regiones, regiones, ya que la calibración del detector de infrarrojos variará.

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 pixels horizontales y verticales de de la imagen. Esta forma for ma de escaneado bi-dimensional requiere necesariamente de una secuencia de adquisición precisa, precis a, de manera que ning nin guna un a información nf ormación térmica quede conf confusa usa o se pierda. pierda. La electrónica de adquisición adquisición proporciona proporciona esta fiabilid fi abilidad ad captur capturando ando 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 component componentes es en movimiento. 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 continuamente captan captan la imagen imagen llegada llegada al lente. Reduciéndose Reduciéndose sustancialmente el tiempo de captación y mejorando notablemente la representación de imágenes térmicas.

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Diversi Diversidad dad de d e cámaras termográficas con variaciones en Resolución, sensibilidad sensib ilidad y demás demás caracte carac terísticas rísticas

 A excepción excepción de los detectores detectores de microbolómetros, microbolómetros, todos los demás 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 más mo mo derna adapta adapta la utilización util ización de de un pequeño pequeño y portátil ciclo térmico Stirling, que mantiene el detector frío, hasta aproximadamente –220 ºC.  Así mismo es posible encontrar encontr ar en el mercado 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.

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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 r azones han hecho de que el monitori monitorizad zado o por condició con diciónn a través t ravés de esta técnica 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: 

: 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 específicas (condición). Mediante Mediante la captación de de imágenes imá genes que muestran una modificación y evolución del estado; las imágenes debidamente tratadas y analizadas permitirán diagnosticar el tipo de fallo que sé esta esta produciendo, donde donde se produce produce y su severidad. 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 diagnóstico y predicción de fallos en motores.



: 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 f allo inminente). inminent e). 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.

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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 debilitamiento de conductos, taponamiento 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. 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 amplitud y frecue fr ecuencia. ncia. Esto ha facilitado la interpretación interpretación de los termogramas termogramas y  otorgado viabilidad viabilidad a innumerables posibilidad posibilidades es de evaluación. Este nuevo n uevo campo 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 referenc refer encia ia de: 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. analizado. El propósito de de la técnica se basa en poder poder observar distintas distint as secciones de de la forma volumétr volumétrica ica del del cuerpo radiante. radiante. Superando de esta manera manera la limitación de registro bidimensional de la termografía convencional plana, pudiéndose observar

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defectos y fenómenos en distintas partes de la superficie externa del cuerpo en una sola imagen.  Aunque existen distintas ntas soluciones soluciones planteadas, planteadas, todas pueden ser referidas refer idas a dos métodos generales de adquisición de imágenes: 

: Consiste Consi ste en la colocación 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 escondida del objeto objeto hacia la cámara cámara termográfica. Esta adquiere la imagen frontal directamente y las dos imágenes laterales a través de los espejos. De esta forma, los “termogramas de de los tres puntos de vista” vista” del objeto pueden ser tomados simultáneamente y vistos en una disposición simétrica, permitiendo observar las distintas partes superficiales en una sola imagen.



: Esta técnica técn ica ha sido diseñada para mejorar la versatilidad versatilidad la técnica del TAT. Por ello, ello, los termogramas termogramas del objeto objeto completo puede almacenarse en una revolución de éste y posteriormente analizados. analizados. El prin principa cipall problema problema de esta técnica es la distor distorsión sión 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 medicina oncológica. oncológica. Pero pese al gran potencial potencial manifestado manif estado y al poco poco aprovechamiento aprovechamiento que se le da, da, las actuales investigaciones tienen 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.

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. microon das. La técnica ha sido desarrollada para el diagnóstico diagnóst ico de tumores tu mores en el 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

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mismo. El método método esta bas bas ado en el comportamiento del cerebro al al pasar por él una serie de microondas. Estas excitan el cerebro de forma que se emita ondas ond as d de e 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. Es una técnica teórico experimental diseñada para el ensayo no destructivo de materiales, consiste básicamente en el registro de termogramas en una superficie atravesada atraves ada por pulsos rápidos de de calor calor.. Pudiéndose por la difere difer encia 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 u na fuente fu ente de pulsos de calor a través t ravés de lámparas tubo que lanzan onda on dass térmicas al objeto. objeto. Ambas, Ambas, imágenes imágenes y pulsos deben estar sinc sin cronizados y controlados controlados por un ordenador ordenador que adicionalmente realiza el análisis del proceso. Es una técnica no destructiva para el ensayo de materiales, que se utiliza en la detección y visualización visualización de defectos defectos superficiales superficiales o cercanos cercanos a esta. Habiéndose Habiéndose obtenido resultados prometedores en el estudio de defectos de fabricación, en materiales materiales como nylon, nylon , metales, plásticos, plásticos, madera, etc. Consiste en en hacer pasar un impulso de calor por el material a diagnosticar y registrar la respuesta del material mediante termogramas ter mogramas infrarro infrarr ojos. Para el anális análisisis se combinan las ventajas de de dos métodos desarrollados: desarroll ados: Modulated Ther Thermography mography (MT), que utiliza una una sola frecuencia fr ecuencia dentro del objeto en régimen estacionario y Pulsed Thermography (PT), que utiliza la respuesta a todas las frecuencias 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 transmis trans misión ión de calor en en una dimensión. dimensió n. No obstante obstant e es posible, obtener un estudio más sofisticado mediante diferentes soluciones numéricas obtenidas de

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modelos modelos matem matemáticos áticos en tres dimensiones. La técnica muestra la DFT DFT en un gráfico frecuencia–fase, otorga mejores posibilidades que con el análisis tradicional de amplitud–tiempo. amplitud–tiempo. Sin embargo, algunos algunos defectos defectos son más visibles mediant mediante e las imágenes térmicas que por el diagrama de fase, especialmente considerando el problema de aliasing  entre entr e la frecuencia de re r espuesta y de adquisició adquisición, n, 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 resul tados obtenidos, obtenidos, satisfacto satisf actorios. rios. 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 manten imiento de fusel fuselajes ajes de la industria industr ia aérea. Consiste Con siste en en entregar energía por radiación óptica modulada o pulsada en las zonas subsuperfici super ficiales ales del componente. component e. Esta energía generará ondas ondas térmicas que pueden ser ser captada captadass con una cámara termográfica. termográfica. Siendo los resultados expresa expresados dos en en función fun ción del ángulo de fase entre en tre la energía depositad depositada a y la respuesta térmica, t érmica, donde el análisis análisis por la Transformada de Fourier realizado en cada pixel, provee la magnitud y la fase de la respuesta local. 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 caracterizará su diagnóstico. diagnóstico. Es posible, mediante 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 fricció fr icciónn entre entre ellas, etc. et c.

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Sample IR-ca mera

o n ro unit

The rmal wa ve source

Lock-in module

:

Cadena de medida de la técnica Lock-in Thermography 

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 cáma cámara ra termográfica ter mográfica.. El componente componente sufr s ufrió ió la corrosión corrosión en la superficie superf icie posterior. Esta área aparece como un punto punt o bri brillant llante e en el borde borde más bajo bajo en la part parte e derecha. El ángulo de fase indica la profundidad a la que que se localiza el defecto, mientras que la magnitud indica la cantidad de ultrasonido que se ha convertido convert ido en en calor (lo que indica la magnitu magnitud d de la corrosión). corrosión).

Imágenes Imágenes de Amplitud Amplitud y Fase, Fase, a través través de calentamiento selectivo por Ultrasound Lock-in Thermography 

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La totalidad de las técnicas enunciadas han sido desarrolladas en un periodo de tiempo verdaderamente verdaderament e corto. Propiciado ropici ado por la continua evolución ució n tecnológica tecn ológica en las cámaras termográficas y la cada vez mayor pericia en el manejo de la radiación infra infr arroja. rr oja. Es por ello que, permanentemente permanentemente viene surgiendo nuevas metodologías metodologías de de Termografía Activa . Como ejemplo adicional, es de mencionar diagnóstico por Termografía mencion ar la muy  reciente recient e difusión difusión de dos técnicas, novedosas novedosas e innovadoras i nnovadoras por la conjunción unción con otras tecnologías, y, aunque su aplicación industrial se plantea como remota se prevé una acusada acusada evolución. Estas Estas técnicas son: 

: Desarrollada por la Oficina de Estudios  Aeroespaciales  Aeroespaciales de Francia ONERA ONER A y combina combina un convertidor convert idor fototérmico con una cámara termográfica, para capturar en los termogramas campos electromagnéticos.



: 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 desarr desarro ollo de estas estas metodologías. 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). lisegundo). 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 comercialmente ha permitido conseguir hasta h asta 30 imagen/s, imagen/s, mientras que sectores sectores de investigac nvesti gación ión especiales especiales han conseguido hasta 200 imagen/s con una precisión de 0.015 ºC.

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 con respecto a l a mism misma, a, indicativo indicativo del grado grado de deterior o o fallo. Esta

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“respuesta” se define como la o 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 indispe in dispensable nsable identificar: identificar: las causas de incertidumbre, incertidumbre, las fuentes de ruidos parásitos, el tiempo y condiciones de observación, así como también también el tratamiento numérico de de la informa infor mación. ción. En el caso de de la Termografía Termografía  patrón  de comparación Infrarroja el  patrón  comparación será una:

Donde la información adquirida podrá ser utilizada como criterios en forma de: Registro escalar , o magnitud valuada. Gráficos de análisis, o evolución respecto a una variable, pudiendo tenerse gráficos de tendencia t endencia y gráficos de correlación. correlación. Imágenes, representación bidimensional de la monitorización respecto a un punto y sus alrededores. o o

o

Con estas condiciones y sus características de utilización la Termografía Infrarroja como instrumento para el mantenimiento mantenimiento adquiere viabilidad, viabilidad, principalm prin cipalmente ente por sus ventajas ventajas de operación operación,, que hacen de ésta una un a técnica técn ica interes nt eresa ante nt e para el diagnóstico. diagnóst ico. Sin embargo, para el estudio y selección de síntomas idóneos de análisis, es necesario tener en cuenta cuenta las siguient siguientes es limitaciones: limitaciones:

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

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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

El rango r ango de trabajo de las cámaras cámaras termográficas: normalme n ormalmente nte está dividido en niveles intermedios que imposibilitan la lectura en amplios márgenes o temperaturas entre niveles.

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 refrige refr igeración ración emplead empleado o e incluso inclu so 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 fuen tes de radiación que que llegan al al detector. También También deben deben ser considerados los cambios en las condiciones de medida (parámetros de objeto) y la forma en que influyen infl uyen sobre sobre los porcentajes radiados radiados por cada cada una un a de estas fue f uentes. ntes. 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. 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.

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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 . De manera manera análoga aquellos aquellos factores dependientes de las características y propiedades de las partes componentes de una cámara termográfica se denominan . 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 referenc refer encia) ia) con con la temperatura del del objeto. objeto. Modificándose Modificándose de esta manera maner a 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 completo de las característ características icas del del objeto. En mediciones mediciones exteriores y  donde las condiciones de operación son distintas a las descritas, deben considerarse efectos adicionales que condicionan la exactitu exactitud d de la medid medida. a. 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 compensación utilizado util izados. s. En una condición real de medición la radiación total recibida por el detector influye sobre la medida medida y particularmente part icularmente en la precisión de la misma. misma. Puede esquematizarse 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 radiaciones de los alrededores reflejadas sobre sobre el objeto y la radiación radiación aportada a portada 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:  E t 

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= τ atm (ε o E o ) + τ atm (1 − ε o ) E amb + (1 − τ atm ) E atm

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Donde, el primer término corresponde a la emisión propia del objeto , es decir, la radiación emitida por la superficie externa del objeto afectada por su emisividad y la transmisión atmosférica. El segundo término no representa la reflexión de la radiación radiación ambiente ambiente sobre la superficie, su perficie, donde la transmitividad transmitividad del objeto es despreciable 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 ).

Obje to

ε

o

τ

o

≈

0

Rad iac ión emitida  E atm por la atm ósf ósfera  E o

 E amb

Radiación del objeto

Radiación Radiación de losa lrededores reflejad reflejad a sobre sobre el objeto

Atmósfera transmitividad transmitividad

Cám ara ara Termog ráf ic a

τa tm

refle ctividad ρ at m

Condiciones de medida en una situación general de medida

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 “ y son: La humedad relativa La distancia al objeto La temperatura atmosférica La temperatura ambiente o o o o

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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 del instrumento tanto la óptica como los elementos elementos inte int ernos rn os influirán. 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 que fue fu e calibrada. calibrada. Esto también también supond su pondrá rá una un a variación vari ación en la medida en función del tiempo transcurrido desde el encendido del equipo como consecuencia del calor producido por su propio consumo. La compensación compensación de esta rad r adiación iación no es conocida ni manipulada manipulada por los usuarios u suarios por por cuanto es una característica de la cámara termográfica y responsabilidad de su fabricante. fabrican te. Aunque un que deberá deberá tenerse en en cuent cuenta a que para para garantizar garant izar la correcta transfo transf ormación de la radiación recibida por el detector en una medida medida de temperatura con la precisión requerida, deberá:  Veri ficarse, rse, que un sistema sistema termográfico bien diseñado diseñado compensa compensa esta   Verifica radiación radiación de forma automá aut omática. tica.  Es necesario que todos y cada uno de los elementos del sistema se encuentren perfectamente , por cuanto deberá tomarse especial cuidado en mantener el equipo en estas condiciones. El efecto de las condiciones ambientales sobre las medidas realizad r ealizadas as se ha h a estudiado  y comprobad comprobado o su consecuencia consecuencia en la sensibilidad sensibilidad de la cámara cámara termográfica. Por 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 referenc refer encias ias de control.

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Software de análisis para imágenes termográficas termográficas c on IRWIN RESEARCH bajo entorn entorn o  W INDOWS INDOWS

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  seguimient segui miento o corr correspondiente. espondiente. En este aspecto, aspecto, en el pres present ente e acápite se explicitan explicit an el 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 técnica . Resulta evidente la inmediata utilidad que se tiene al diagnosticar con imágenes de Termografía Infrarroja, ya que Independiente del monitorizado cualitativo o cuantitativo

Macián, V.; Tormos, B.; Ruiz, S.; Peralta, R.W.;  Diagnosis of Diesel engine condition condition

through exhaust manifold temperature using Infrared Thermography Technique; Congress EUROPE AN AUTOMOTIVE AUTOMOTIVE EAEC 21ST - Bratisla B ratisla va 2001 2001

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la utilización de firmas térmicas por imagen es la forma más rápida e ideal para la detección de fallos. fallos . En la que las diferencias difer encias térmicas son son estimadas est imadas por comparación,  ya sea con imágenes imá genes referenciales ref erenciales o con la radiación emitida por por los alrededores. alrededores. De forma similar el diagnóstico puede ser proporcionado fácil y rápidamente, posibilitando que las tareas de mantenimiento correctivo sean realizadas concreta e inmediatamente. De esta forma de monitorización, así como las inspecciones efectuadas a motores Diesel y sistemas complementarios; algunas anomalías denunciadas por su variación de temperatur temperatura, a, que permiten comprobar comprobar la certeza e idoneidad de su aplicación. aplicación. Se muestran en las figuras siguientes como ejemplos de estas inspecciones :

Fallo en en los paneles de radiador, donde la disi pación del del calor no es es efectuada correctamen correctamen te

Peralta, R. W.; Tormos, Tormos, B. ; Ba llester, llester, S .; .; Aplicación Aplicación de la Termografía Termografía Infrarroja Infrarroja al

Diagnóstico Diag nóstico de Motores Diesel; Congre C ongreso so Español Es pañol de Mant Mantenimiento enimiento 4º – España 2000

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, la pronta aplicación de la técnica evidencia zonas con “notorio” funcionamiento anormal, es la situación común en la revisión de radiadores y elementos elementos de refrigeración. ref rigeración. Donde la inspección mostr mostr ada 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.  , la ref r efrigeración rigeración del aire de admisión admisión comprimido 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 Esta circunstancia es la que ejemplifica 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. 

Intercooler de enfriamiento, con funcionamiento inverso al de dis eño, eño, calentando calentando el el aire de admisi ón al motor. motor. 

el buen funcio fu ncionamiento namiento de elementos complementarios 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 posiblemente provocada por un desgaste en el rodamiento rodamiento de bomba. bomba. Este fallo ha sido posteriormente comprobado por el incremento de ruido producido por el componente

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Bomba Bomba d de e agua, un aumento aumento loc l ocaliz alizado ado de la tem t emper pera a tura tura denuncia el posible posibl e desga desgaste ste en en el rodamiento r odamiento 

, en algunos motores y dependiendo de sus características constructivas se puede conocer o estimar las condiciones de trabajo del lubricant lubr icante. e. La figura muestra uno de estos casos donde además además de ubicarse el punto de descarga (retorno) puede ser estimada la temperatura en la superfici super ficie e exterio exter iorr del cárter. cárt er. De esta 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.

Cárter d e aceite ac eite,, sí la l a temperatu temperatu ra de descarga del d el lubricante es elevada elevada puede p uede denot den otar ar friccione fric cioness in ternas ternas con seve se veras ras consec cons ecuu encias encias en el aceite  y los mecanis mecanis mos mos

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

, 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 problema problemass de comb co mbusti ustión ón o de de estanqueidad 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 espaciotemporales del flujo y el aumento de la cantidad de gases aguas abajo.

Colectores Colectores d e escape c on des bal anceo térmic térmico o en la salida de los gases gas es 

, una aplicación con claras ventajas es la posibilidad de diagnóstico en partes y elementos cuyo funcionamiento implica movimiento, ya sea de de traslación o de rotación. Un ejemplo práctico es el análisis de ejes de transmis t ransmisión ión articulado, articulado, en los cuales 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 comenzado su operación.

Eje de transmisión en cuyas crucetas de articulación se denuncia una temperatur temperatura a mayor mayor que el rest r esto o del compon compon ente

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

, otro ejemplo con calentamiento de piezas por fricción f ricción  y rozam r ozamiento iento es el área de contacto entre corr correa ea de transmisión transmisión y polea, polea, que hace propicia una concentración térmica y un fallo a corto plazo, como consecuencia de un impropio tensado de la misma.

Correa Correa de d e transmisión, transmis ión, el calentamien calentamiento to l ocali ocali zado zad o en en el conta contact cto o de correa correa y polea denuncia un fal lo de tensión

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 un a inspección nspecció n termogr termográfica. áfica. Esta situación tu ación se present presenta a cuando la variación 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 monitori monit orizados zados tran transit sito orios ri os en en el sistema sist ema y ejecutados ejecu tados antes de su calentamiento. calent amiento. 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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Secu Secu encia encia de imágenes termográficas en un trans transitor itorio io cualitativo cual itativo

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La magnitud en este caso es un escalar que se obtienen directamente de la variable física quasi-estática medid medida, a, es decir, la temperatura. Así mismo debe debe entenderse que es a este valor al que se le asignaran los límites de operación que permitirán durante las inspecciones ruti rut inarias narias detectar los fallo f alloss producidos eventu eventualmente almente.. 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 magnitud del parámetro. parámetro. Su elección es important importante e, ya que que a través de 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 situ aciones prefijadas. pref ijadas. Para el caso del del motor motor Diesel se escoge como punto la tubería de refrigerante que sale del motor, es conveniente tomar en cuenta las siguientes siguient es consideraciones: consideraciones:

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

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, inspección, esto est o para controlar el tiempo tiempo de ejecución y sobretodo s obretodo  verificar  verif icar la invariabilida invariabilidad d de las condiciones de operación. 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 emba embargo, rgo, se considera conveniente convenient e adoptar adoptar un incremento máximo de 5 ºC durante la realización de la inspección.

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  a   r 100%   u    t   a   r   e   p   m 80%   e    T

Salt o Térmic o

60%

100% 40%

79%

Firm a Té rmica

20%

Te mperatura medid a

0%

Cinlindro ndro1 o p unto

Metodología de diagnóstico basada en un “salto térmico” en el colector del cilindro  y detectad detectado o mediante medi ante un “cambio térmico” té rmico” de isote i sotermas rmas a lo l o largo del col ector ector

Este monitorizado se consigue a través de gráficos de análisis que utilizan la variación y  evolución evolu ción entre dos parámetros como síntoma de diagnóstico. diagnósti co. En la Termogr Termografía afía 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 análisi s por las características caracter ísticas de funcionamient fu ncionamiento o en 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 t ermográficas 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.

 Al igual que en el apartado 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.

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 Anális is termo termográfic gráfico o transitorio en el colector de escape

La condición de transitoriedad en el motor es conseguida mediante la variación en la  velocidad  velocidad de giro del motor, desde desde ralentí hasta las máximas 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 ución de temperatura. Es de resaltar resaltar la falta ta de sincronización sincronización entre 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. 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 medidas detecten el fallo, fallo, donde se produce y su severidad. severidad. La figura figur a 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.

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Secu Secu encia encia de imágenes termográficas a manera de establecer establecer una Fir ma Térmica Térmica transitoria de evolución en el tiempo

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   )    C 11 0    º    (   a   r   u    t   a   r   e 10 5   p   m   e    T 10 0 B0416-02 B0416-04 B0419-03 B0419-06 B0424-02 B0424-03 B0424-05 Promedio sin fallo

95

90

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Tiempo ( s)

Gráficas de régimen transitorio bajo condiciones de funcionamiento para el establecimiento establecimiento de la Firma Fir ma Térmica Térmica d e evolució evolución, n, en los puntos de análisi anál isis del cilindro cili ndro Nº5 del del cole colector ctor de escape

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. amplitud. Siendo más bien, que puedan ser consideradas 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:

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   )    C    º    (

18 0

  a   r 16 0   u    t   a   r   e   p   m14 0   e    T

y = 0,54x + 126,67

y = 0,81x + 99,1 12 0

Promed io sin fallo Promed io con fallo

10 0

Tende ncia SIN SIN f allo Tende ncia CON f allo

80

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 00

Tiempo ( s)

Comparación de respuestas transi torias torias para p ara la detección de fallos fal los

La diferencia de temperatura al inicio nicio del transitorio ya detecta el fallo, tal como ha sido expuesto en el monitorizado media mediante nte firma fir mass de magnitu magnitud. d. 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.

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 infr arrojo siguen siendo para aplicaciones aplicaciones mili mil itares. tares . La utiliz ut ilizació aciónn en el campo industrial no es menos importante importante ya que abarca campos 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:

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PrincipiosyfundamentosdeIngeniería Principiosyfundamento sdeIngenieríadeM deM antenimiento

Common Common A

lications lications of of TNDT TNDT Proc Procedur edures es

A pplications pplications

Procedure

a

Buildings W al alls as as se sem bl blies , m oi ois tu tu re re ev evalu at ation , r oo oo fs fs , li uid l ev evel i n tan ks ks Water emtrapent, fresco delamination

P A - PT

Components/processes Carto n sealing line inspection, auto mobile brake brake system effiency, heat dissipation of electronic modu les, les, recycling recycling process identification, identification, welding process, process, p rinte rinte d-circuits d-circuits boards, g lass lass industry industry (bottles, bulbs), metal (steel (steel castin castin Aircraft Aircraft structural component inspection, s older quality of electronics electronics components, spot welding inspec inspec tion tion

P

A - PT

Degradation of E PROM ( erasable erasable p rogra rogra mmable mmable read-only memory) memory) chips, paper structure (cockling)

A - SH

Aircraft Aircraft structural component inspection, loosening bolt detection, detection, plastic pipe in spection, rada r-absorbing r-absorbing structure investigation

A - LT

D efect detection and characterization Metal corrosion, crack detection, disbonding, impact damage in carbom fiber-reinforced fiber-reinforced plastic ( CFRP), CFRP), turbine blades, subsurface defect characterization characterization (depth, size, proprties) in composites, wood, metal,

A - PT

Def ects in adh esive an d s o t-weld ed la o int C ra rack id iden ti tificatio n, n, disbo nd nd in in g, g, imp ac act d am am ag age in C FR FR P

A - SH A - LT

C oa tin wea r, f ati u e test, closed -cr ack d etection

A -V T

Maintenance Bearings, fan and co mpresor, pipelines, pipelines, steam tr aps, refractory refractory lining, rotatin kilns, turbine blades, blades, electric instalations, instalations, as leaks

P

Medical - Veterinary Thermal coronary angiography, allergen reactions, human b reaks tumors, rheumatolo y, neuromuscular neuromuscular disorders, soft-tissue in urie urie s B loo d v es sel flo w

P A - LT

Properties Glaze th ickn ess o n cer amics, c rush test inv estigatio n Thermophysical properties (diffusivity, (diffusivity, etc), etc), underalloyed underalloyed an d overalloyed hases in coatin coatin on steel, steel, moisture, anisotro anisotro ic material material Thermal conductivity measurement in CFRP Adhesion stregth, anisotropic anisotropic material material characterization, coating thic kness kness in ceramics, ceramics, de th rofile of of thermal conductivity conductivity or diffusivity, diffusivity, moisture moisture

P A - PT A - SH A - LT

Public services Forest fire detection, people localization localization in fires fires or at n ight, monitoring monitoring o f  road traffic, target detection ( military) military)

P

Source : Adapted Adapted f rom Encyclopedia of Materials (New York: Elservier, 2001), Table 1 in the article "Thermography "Thermography techni u es or NDT" or X. Malda Malda ue. a

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For an explanation of abrevations, see nex t table

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DiagnósticomedianteTermografíaInfrarroja

Limitations imitations a nd Ca abilities abilities of TNDT TNDT P rocedur rocedures es Procedure

a

Capa bilities

L imit at ions

 All procedures procedures (generally) (generally) F ast, surface inspection Ease of deployment deployment One-side-only deployment S afety (no harmful radiations) Ease of num erical erical thermal thermal m odeling odeling Ease of i nterpretations of thermograms Great versati lity of applications S ometimes ometimes uni que tool (corrosion around rivets)

Variable Variable a missivity Cooli Cooli ng losses (convecti (convecti on/radiation on/radiation causing pe rturbing constrast) Obsorption Obsorption of infrared (IR) signalas by the atmosphere (especially (especially for di stances stances gre ater than a few meters) Difficult Difficult to get uni form heating (active procedures) Transitory Transitory nature of thermal contrast requiring fast-recording IR cameras Need of straight viewing corridor between IR camera and t arget (although it could be folded through f irst surface mirrors Limited Limited cntrast a nd limited signal/noise ratio, causing false alarms alarms (measurement (measurement of a few degrees degrees above background background at around 300 K ) Observable Observable defects defects ge nerally nerally shallow shallow

 P * Pasive thermography thermography No i nteraction nteraction with specimen specimen No physical physical contact

Works only if thermal contrast naturally present

 A -PT * Active Pulse Pulse Thermography Thermography No physical physical contact Quick (pulsed thermal stimulation: stimulation: cooling or heating) P hase hase and modulation images available with frec uency processing (such as in pulsed pulsed phase thermography) Coating wear, fatigue test, closed-crack detection

Requires Requires ap paratus paratus to indu ce the pul sed thermal thermal perturbation perturbation Computation Computation of thermal contrast requires knowledge of an a priori defect-fre defect-fre zone within t he field field of vi ew 2

Inspection Inspection surface surface li mited mited (ca. 0,25 m maximun)

 A-SH * Active Step Heating Heating No physical contact

Requires Requires ap paratus paratus to indu ce the pul sed thermal thermal perturbation perturbation Risk Risk of overheating the specimen

 A-LT * Active Loc-in Thermography Thermography No physical contact Large surface inspected (a few square meter at a time) Phase and modulation modulation i mages avail avail able Modulated ultrasonic ultrasonic heating (for some some applications, might require physical contact, contact, bath inmersion)

Requires Requires m odulated odulated t hermal pertubation Requires Requires observation for at least one modulation modulation c ycle (longer observat ion with res res pec t to to APT) Thickness Thickness of i nspected layer under the surfac e related to the modulation modulation frecuency frecuency (unknown defect depth might require multipl multipl e experimentations at different different freque ncies) ncies)

 A-VT * Active Vibrothermography Vibrothermography Closed cracks revealed

Difficult Difficult t o generate m echanical echanical l oading Thermal Thermal pa tterns appear only at s pecific fre quencies quencies Physical Physical c ontact ontact to induce thermal stimulation

Source : Adapte d from Encyclopedia of Materials (New York: Elservier, 2001), Table 2 in the a rticle rticle "Ther mography mography techniques techniques f or NDT" f or X.  Maldague.  Maldague.

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PrincipiosyfundamentosdeIngeniería Principiosyfundamento sdeIngenieríadeM deM antenimiento

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 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 también el cálculo de de la l a temperatura temperatura del Universo. Muchos satélites han utilizado utilizado la termografía infrarroja para realizar exploraciones del cielo, aumentando las fuentes astronómicas catalogadas catalogadas en un 70%. 70 %.

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DiagnósticomedianteTermografíaInfrarroja

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