TERMOGRAFIA

Principios y fundamentos de Ingeniería de M antenimiento

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Capítulo CINCO

Diagnóstico mediante

Termografía

Infrarroja

Diagnóstico mediante Termografía Infrarroja


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Capítulo CINCO

Diagnóstico mediante Termografía

Infrarroja

Casi inmediatamente a la aparición del primer equipo para medir temperaturas a

través de rayos infrarrojos, han sido reconocidas y proyectadas sus ventajas para el

mantenimiento. Pero, debido a las limitaciones tecnológicas y constructivas, no fue

hasta los años noventa en que ha podido considerarse a la Termografía Infrarroja como

una técnica suficientemente madura y convenientemente desarrollada para integrarse

a los programas de mantenimiento4 3

. No obstante, los trabajos precedentes

principalmente realizados en laboratorio han servido de base y proporcionado bastante

información para hacer más rápida y menos dificultosa su implementación en el

campo industrial.

Desde la comercialización de estos equipos pertenecientes a la cuarta generación de

cámaras termográficas, y luego de un periodo de difusión ha comenzado una carrera

por dar nuevas y mejores perspectivas de aplicación a esta relativamente nueva pero

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

methodologies, Congress THERMOSENSE 18ª – USA 1996


definitivamente mejorada técnica de monitorizado. Aplicaciones de las más diversas

que van desde las tradicionales como la medicina4 4

, las aplicaciones eléctrico-

electrónicas4 5

, las construcciones y monumentos históricos4 6

, como también las

convencionales aplicaciones industriales4 7

, y muy especialmente por las nuevas

perspectivas de monitorizado y análisis que ha brindado, el ensayo no destructivo de

materiales4 8

. También debe hacerse referencia a aquellos campos especiales de

aplicación que han surgido como consecuencia de su versatilidad, los más nombrados

por su aplicación en la investigación son el procesado de imágenes con miras a un

diagnóstico automático, ya sea mediante Redes Neuronales o lógica difusa. También

la visualización y caracterización de llamas de combustión ya sean estas abiertas o en

cámaras de combustión en motores. Así mismo su inclusión en problemas de

modelado, análisis numérico, física fundamental o calor inverso, han permitido que la

técnica adquiera vigencia y actualidad.

Todos estos avances y desarrollos se patentizan en un notorio incremento en la práctica

de esta técnica para el mantenimiento, donde se aprecia que aun no ha llegado al

grado de utilización tan importante como las vibraciones, pero puede equipararse con

la del análisis de aceite. Estando de esta manera las demás técnicas y particularmente

la Termografía Infrarroja con la alternativa y posibilidad de evolucionar, aplicar e

implementarse definitivamente como base en el mantenimiento predictivo.

44 Jones, B.; A reappraisal of the use of Infrared thermal image analysis in medicine,

IEEE Transactions on medical imaging , vol 17 Nº6 – December 1998

45 Dong-Ho, L.; Thermal analysis of integrated-circuit chips using thermography

imaging techniques, IEEE Transactions on instrumenta tion and measurement,

1994

Snell, J.; Renowden, J.; Improving the results of thermographic inspections of

electrical transmission lines, Congress THERMOSENSE 22ª – USA 2000

46 Rahman, A.; Castro, F; Tinaut, F.; Applications of Infrared Thermography

technique on the analysis of monuments construction, thermal system and

electrical installations, ME-SELA´97 – Londres 1997

47 Sinclair, D., Infrared thermography examination of rota ting equipment,

PPMTechology Review Technical – April 1999

48 Shepard, S.; Advances in Pulsed Thecmographic NDT; Congress THERMOSENSE

23ª – USA April 2001


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El desarrollo del capítulo hace una revisión básica y suficiente de la Termografía

Infrarroja como técnica de la termometría sin contacto, en ella se incluyen conceptos

fundamentales de teoría, instrumentación y conocimiento experimental de, su

aplicación práctica.

5.1 La Radiación y la Termografía Infrarroja

La temperatura es uno de los parámetros de evaluación más utilizada en la

caracterización de fenómenos y procesos bajo estudio. Sin embargo, su medida

práctica entraña una serie de dificultades por no ser realizada directamente, sino a

través de otra variable relacionada con ella. La termometría convencional se basa en

la transmisión de calor por conducción, cuando dos cuerpos son puestos en contacto

hasta el equilibrio térmico. Una vez que es alcanzada esta situación se aprovecha

alguna otra variable física para la realización de su medida: el volumen de un

termómetro de mercurio, la diferencia de potencial de un termopar o la resistividad en

una termoresistencia.

Considerando que una adecuada elección del transductor de temperatura y su

correcta utilización, puede marcar la diferencia entre unos resultados fiables y unas

cifras equívocas, es que, no solamente debe referirse a la forma en que operan, sino a

una serie de factores como: sensibilidad, linealidad, velocidad de respuesta, precisión,

exactitud, estabilidad, resolución, etc. Es por esta razón que permanentemente se

investiga y desarrollan nuevos materiales, nuevas técnicas de fabricación; que

disminuyan la deriva, aumenten el rango de medida, y en general mejoren sus

características de operación. En el monitorizado de maquinaria y equipo industrial

también son evidentes estos avances tecnológicos como muestran algunas

investigaciones; aunque, todas ellas están basadas en la termometría de contacto y,

por tanto, son intrusivas con el proceso a medirse.

5.1.1 La Radiación Infrarroja Es ampliamente divulgado el hecho en el que Isaac Newton (“Opticks” en 1704)

descubrió que un haz de luz blanca al atravesar un prisma de vidrio, se descompone

en un haz más ancho de luz de colores. Sin embargo, es poco conocido William

Herschel que en el año 1800 descubrió la luz infrarroja, tal vez porque no es sino hasta

nuestros días que ha comenzado a utilizarse y aplicarse en la vida cotidiana.


Herschel observó que al exponer un termómetro a la luz del sol dispersada por un

prisma, subía la temperatura incluso al colocar el termómetro más allá del rojo donde

terminaba el espectro visible. Por tanto, debía haber radiación solar no visible más allá

del rojo: radiación infrarroja. Anecdóticamente, como recibimos del sol menos luz

ultravioleta que infrarroja, no alcanzó a medir el mismo efecto más allá de la parte

violeta del "arcoíris", lo cual impidió que descubriera la luz ultravioleta.

Debido a la importancia de estos hechos, revierte particular interés conocer los medios

por los que se genera la radiación térmica, la naturaleza específica de la radiación y la

forma en que la radiación interactúa con la materia.

Espectro de radiación electromagnético La radiación térmica es un proceso de propagación de la energía interna de una

sustancia emisora sea sólido, líquido o gaseoso, por medio de ondas

electromagnéticas, que Implican una doble transformación de la energía. La energía

térmica (radiada) se transforma en energía radiante, la cual es transformada de nuevo

en calor al ser absorbida por el cuerpo irradiado.

Las ondas son originadas por las partículas cargadas de la sustancia (electrones e

iones); en la que para gases y sólidos semitransparentes la emisión es un fenómeno

volumétrico, donde la radiación que emerge de un volumen finito de materia es el

efecto integrado de la emisión local a través del volumen. Es decir, todas las partículas

emiten energía. Para líquidos y sólidos la radiación es un fenómeno superficial, debido

a los muchos electrones libres sometidos a aceleraciones irregulares, por lo que su

radiación es pulsatoria, y sus ondas de variada frecuencia. Además de las propiedades

ondulatorias, la radiación también posee propiedades corpusculares, las cuales

consisten en que la energía térmica es absorbida y emitida discontinuamente y en

cantidades discretas, cuantos de luz o fotones. El fotón emitido es una partícula de

materia que posee energía, cantidad de movimiento y masa electrónica. Por lo tanto,

la radiación térmica se puede considerarla como un gas de fotones. El paso de

fotones a través de una sustancia es un proceso de absorción y subsiguiente emisión de

la energía de éstos por los átomos y moléculas de esta sustancia.


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La radiación es, de este modo, de una naturaleza doble, ya que posee propiedades

continuas de campo de ondas electromagnéticas y las propiedades discretas típicas

de los fotones. La síntesis de las dos propiedades es el concepto de que la energía y la

cantidad de movimiento están concentradas en los fotones, y de que la probabilidad

de encontrarla en determinada parte del espacio, está concentrada en las ondas.

o En cualquier caso se puede atribuir a la radiación las propiedades

características de las ondas, frecuencia y longitud de onda,

consecuentemente la radiación que se emite desde un sólido o un

líquido se origina en las moléculas que están a una distancia de

aproximadamente 1 μm de la superficie expuesta. Es por esta razón que

la emisión a un gas contiguo o un vacío se ve como un fenómeno

superficial.

o La radiación electromagnética de cualquier clase es semejante y solo se

diferencia en la longitud de onda, por lo que la energía se emite en un

abanico de frecuencias llamado Espectro Electromagnético de

Radiación.

Figura 5.01: Representación gráfica de propagación de las ondas en el

campo eléctrico y magnético


Esta separación es informal, ya que en realidad las verdaderas fronteras entre los

distintos tipos de radiación infrarroja están dictadas por las propiedades de la atmósfera

terrestre, que sólo deja pasar una pequeña parte de los tipos de radiación infrarroja.

Así, mientras que la parte más cercana al infrarrojo (λ < 1μm) atraviesa sin dificultad la

atmósfera y es estudiada con los mismos detectores que la luz visible. El vapor de agua

y el dióxido de carbono absorben la mayor parte de la luz con longitud de onda mayor

a una micra, excepto por unas ventanas en longitudes de onda bien determinadas

donde la atmósfera es transparente.

La radiación térmica se asocia a la intensidad con que la materia emite energía como

resultado de su temperatura finita. El mecanismo de emisión se relaciona con la

energía liberada como consecuencia de oscilaciones o transiciones de los muchos

Figura 5.02: Espectro electromagnético de radiación

Ra dia ción térmic a

0,1 μm 1000 μm

R. Gamma Rayos X Radio ondas

[ μm ] 0,35 0,7 5 3 6 15 100 0Lo n gi tu d d e o nd a

I nfrarroj oUltravi oleta Microondas

R ango Visible

Infrarrojo Cercano

I nfrarroj o medio

Infrarrojo l ej ano

I nfrarroj o extremado


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electrones que constituyen la materia. Estas oscilaciones, a su vez, son sostenidas por la

energía interna, y, por tanto, la temperatura de la materia. Por consiguiente, se asocia

la emisión de radiación térmica con condiciones provocadas térmicamente dentro la

materia.

5.1.2 Flujos de radiación Al analizar la radiación que los materiales reales intercambian con su entorno, en

términos generales hay que distinguir dos aspectos que complican la descripción del

fenómeno, ya que la superficie es al mismo tiempo emisora y receptora de radiación

térmica. La primera, es la naturaleza espectral de la radiación térmica que varia con la

longitud de onda y consiste en una distribución continua no uniforme de componentes

monocromáticos (una sola longitud de onda). La segunda característica se relaciona

con su direccionalidad, ya que una superficie puede emitir de forma relevante en

ciertas direcciones con lo que crea una distribución direccional de la radiación emitida.

El cuerpo negro Se define como una superficie ideal que absorbe toda la radiación incidente, sin

importar la longitud de onda y la dirección. Entonces, para una temperatura y longitud

de onda establecida, ninguna superficie puede emitir más energía. Y aunque la

radiación emitida por un cuerpo negro es una función de la longitud de onda y la

temperatura, es independiente de la dirección. Es decir, que es un emisor difuso.

Para enunciar las anteriores propiedades se ha considerado la Ley de Kirchoff, la cual

establece que un cuerpo negro puede ser también considerado un emisor perfecto.

Cu er po N e gro

Ab s orb e t od a en erg ía

Em it e a lt a e nerg ía

Figura 5.03: Cuerpo negro


En la práctica, las superficies reales no se comportan como emisores ideales para todo

el espectro de radiación, sino que solo son capaces de emitir una determinada porción

de la energía que emitiría un cuerpo negro. La capacidad de emisión de los cuerpos

reales se determina por la emisividad, que es un factor cuyo valor está comprendido

entre 0 y 1.

Emisión superficial Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que es un ente ideal que se

utiliza como referencia respecto a otros radiadores. No obstante, existen numerosas

superficies que son cuerpos negros casi perfectos, sobre todo para radiaciones de

onda larga, por lo que para casos prácticos es considerada como tales con suficiente

exactitud. Es, por tanto, conveniente elegir al cuerpo negro como una referencia al

describir la emisión desde una superficie real, y expresarla mediante la propiedad

radiativa superficial conocida como emisividad. Que es a su vez definida, como la

razón entre la radiación emitida por la superficie y la radiación que emitiría un cuerpo

negro respecto a la misma temperatura, es decir, su capacidad real de emisión.

Superficie gris. Cuando una superficie conserva constantes sus propiedades cromáticas

en todo el espectro. Este es un concepto teórico, pero que se puede aplicar con

resultados suficientemente exactos para superficies con propiedades relativamente

uniformes.

Dist ribución espe ctral par auna su perficie re al a 900 K

Cuerpo negroSuperficie real

Figura 5.04: Comparación de la emisión de un cuerpo negro y una superficie real, a

través de la distribución espectral y la distribución direccional


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Superficie selectiva. Cuando varían los coeficientes de radiación en función de la

longitud de onda. Diferenciándose las superficies selectivas frías cuando incrementan

con el aumento de la longitud de onda, debido a su poca absorbancia para la

radiación de onda corta y muy buenos radiadores para las de onda larga que emiten a

temperatura ambiental. Y las superficies selectivas calientes con inversas propiedades,

de utilidad para en colectores solares.

Superficie difusa o Lambertiana. Cuando las superficies que emitan, lo hacen con

intensidad constante en todas las direcciones, como es el caso de un cuerpo negro.

Absorción, reflexión y transmisión superficial La radiación también incide sobre una superficie desde sus alrededores, originándose

desde una fuente especial, como el sol, o de otras superficies a las que se expone la

superficie de interés. Sin tener en cuenta la fuente, se designa como irradiación G, a la

velocidad que toda esa radiación incide sobre un área unitaria de la superficie.

En la situación más común, la irradiación interactúa con un medio semitransparente.

Como se muestra en la Figura 3.05 para un componente espectral de la irradiación,

partes de esta irradiación se pueden reflejar, absorber y transmitir, donde de acuerdo a

principios de radiación y de conservación de energía, puede expresarse como una

1 =+ + τδε

Figura 5.05: Procesos de radiación asociados a un medio semitransparente

δ

τ

δ

αcuerposólido

Radiaciónincidente

α


adición de fracciones afectadas por los coeficientes de absorción (α), de reflexión (δ) y

de transmisión (τ).

Una propiedad espectral fundamental se deduce de la Ley de Kirchoff, que determina

que si un cuerpo está en equilibrio termodinámico con su entorno, su absorbancia

coincide con su emitancia:

En general la determinación de estos componentes es compleja; depende de las

condiciones de las superficies superior e inferior, la longitud de onda de la radiación, y

la composición y espesor del medio. Además, las condiciones pueden estar

fuertemente influidas por efectos volumétricos que ocurren dentro del medio.

Emisividad El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la

misma temperatura. Difiere, por tanto, de la distribución espectral planteada por

Planck, además, la distribución direccional puede ser diferente de la difusa. Por tanto,

la emisividad puede tomar valores diferentes según se esté interesado en la emisión a

una longitud de onda dada o en una dirección dada, o bien en promedios integrados

sobre longitud de onda y dirección.

Este parámetro es una propiedad radiativa de la superficie, sus posibles valores están

comprendidos entre 0 y 1, que proporciona una medida de la eficiencia con que una

superficie emite energía en relación con un cuerpo negro. Aunque para aplicaciones

prácticas puede considerarse a la emisividad como una constante propia que

depende marcadamente de cada material y de las condiciones superficiales del

mismo; se debe tener en cuenta que en realidad la emisividad es función de: la

longitud de onda, de la temperatura y del ángulo de incidencia u observación de la

radiación. Por eso es que todavía sigue investigándose no solamente su valor en

diferentes materiales, sino principalmente entender el mecanismo de variación de la

temperatura. Pudiendo, sin embargo, hacerse las siguientes generalizaciones:

La emisividad de superficies metálicas por lo general es pequeña, y alcanza

valores tan bajos como 0.02 para oro y plata pulidos.

La presencia de capas de óxido puede aumentar de forma significativa la

emisividad de superficies metálicas.

La emisividad de los no conductores es comparativamente grande, por lo

general excede de 0.6.


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La emisividad de los conductores aumenta al incrementar la temperatura; en

los no conductores dependerá del material específico.

De este modo la emisividad de los materiales puede tomar valores muy distintos en

función de la región espectral considerada. Así también, el ángulo de observación

puede tener una gran influencia sobre la emisividad aparente de una superficie, a partir

de cierto ángulo (que depende del tipo de material), la emisividad baja rápidamente,

llegando a cero para un ángulo de incidencia de 90º.

Transmisión espectral de la atmosfera La radiación de los gases es selectiva. Absorben y emiten radiación térmica solo en

una banda definida de longitudes de onda, y son transparentes en la mayor parte del

espectro. La atmósfera no presenta un comportamiento diatérmo a la radiación

infrarroja, siendo estas distintas absorciones las que forman el espectro de transmisión

de la atmósfera. Aunque debe considerarse que la absortividad varía en función de la

densidad y de los espesores de la capa del gas. Cuan mayor es la densidad y el

espesor de la capa, mayor es su absortividad.

Figura 5.06: Transmitancia infrarroja de la atmósfera


La figura muestra la curva de variación de transmisión espectral de la atmósfera y se

observa que existen dos regiones del infrarrojo térmico donde la transmisión es más

elevada, estas bandas constituyen el área espectral de trabajo de las cámaras

termográficas

5.2 Termografía Infrarroja

Los Termografía Infrarroja es una técnica relativamente moderna (su introducción

comercial se inicio a principios de los años 60), que se fundamenta en la Ley de Stefan

Boltzmann, es decir, utiliza la radiación emitida por los cuerpos por estar a temperaturas

mayores al cero absoluto, como variable relacionada con la temperatura4 9

.

Esto es posible gracias a detectores que se encuentran lo bastante desarrollados como

para permitir la captación y cuantificación de esa radiación en tiempo real. Pudiendo

de esa forma generarse imágenes térmicas que representan la distribución superficial

de los objetos observados.

Se han establecido ventajas generales, dentro las que se incluyen:

o No-contacto físico, indudablemente una condición importante en piezas y

componentes donde el material sea débil, el peso, los maquinados o las fisuras

sean limitantes.

o No-inferencia en el proceso, al ser un sistema no intrusivo de alta fiabilidad

permite monitorizar sin interrumpir funcionamientos.

o Objetos móviles, sean de rotación o traslación permite la lectura con facilidad,

identificando principalmente puntos calientes de marcada criticidad en el

funcionamiento.

o Tiempo de respuesta, mucho más rápido que los métodos de contacto debido

a la respuesta del detector, del orden de microsegundos.

o Pequeñas superficies, fácilmente realizable con la adicional característica de no

alterar el comportamiento.

o Medida simultanea, posibilidad de acceder rápidamente en muchos objetos,

más aun en medidas relativas.

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

Congress EUROMAINTENANCE 2000 – Sweden 2000


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o Atmósferas peligrosas, fácilmente en distancias menores a cien metros,

principalmente en mediciones inaccesibles por otros sistemas.

o Pero, presenta desventajas económicas como también técnicas y limitaciones

de aplicación, dentro las que se pueden nombrar:

o Temperatura superficial, no es posible medir la temperatura de partes internas,

sino solamente de las superficies externas y aquellas que puedan ser captadas

por el objetivo del sensor.

o Emisividad, se identifica como el parámetro crítico de precisión al convertir la

señal cuantificada por el detector infrarrojo en un valor representativo de la

temperatura del objeto.

o Factores de compensación, que permiten corregir el efecto de las condiciones

del entorno mediante sensores adicionales y complicados algoritmos, de

manera que sus consecuencias sobre la medida efectuada sean mínimas.

5.2.1 Detectores de radiación infrarroja Los detectores de radiación aprovechan la emisión infrarroja por los cuerpos para poder

relacionarla con la temperatura; una definición moderna y correcta de este tipo de

termometría incluye cualquier instrumento que sin contacto físico con el objeto es

capaz de interceptar y cuantificar la radiación térmica emitida por la temperatura

superficial de un determinado objeto. Sin embargo, cualesquiera sea la definición

aceptada, el principio de funcionamiento es único y esta basado en considerar toda

emisión radiante, como paquete de energía (fotones), que puede ser desviada de su

trayectoria y enfocada por elementos refractantes o lentes. Estos fotones disipan su

energía como calor al ser absorbido por un material adecuado, la única diferencia

entre fotones de distinta longitud de onda es la energía que transporta, la cual es

inversamente proporcional a la longitud de onda.

En general existen varios tipos de detectores de radiación pero todos básicamente

consisten de una serie de lentes que cumplen el objetivo de enfocar, delinear y filtrar la

luz en un detector de radiación. El cual a su vez, transforma el flujo de fotones

incidentes en una señal eléctrica la que es conducida a algún tipo de indicador

graduado de acuerdo con la temperatura. Puede entonces, establecerse que un

sistema termométrico por radiación, básicamente consiste de:


Una óptica que enfoca, filtra y selecciona la energía emitida por el objeto.

Un detector que convierte esta energía en una señal eléctrica.

Un circuito que acondiciona, y corrige la señal de acuerdo con las condiciones

de operación.

Unidades periféricas para el almacenaje, compensación y visualización de la

emisión térmica.

Los equipos actuales están todavía basados en estos conceptos, aunque la moderna

tecnología ha desarrollado sofisticados sistemas, donde su selección y empleo

depende del campo específico de utilización. Por ejemplo: el número de detectores

Figura 5.07 Esquema de operación en un sistema termométrico

por radiación Infrarroja

Re ad O ut Integrated C ircu it

Ampli-fic a dor

Re ad out meter

Rec tifica doFiltrado

Dete ctor Infra rro jo

Senso r

Unidad devisua lizac ión

Unidad detra tamiento

Unidad dea lmacenaje

Colima dor

C omponente s ópticos

Le nte

Esc áne r

C ortador

Filtroespe ctral


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ha sido incrementado enormemente, y, gracias a la capacidad de filtrado selectivo

estos detectores pueden proveer medidas eficientes. Microprocesadores electrónicos

que usan complejos algoritmos, permitiendo linealizaciones en tiempo real y

compensación a la salida del detector otorgando alta precisión en la medida. Esta

situación obliga a que necesariamente deba hacerse un estudio formal de la

aplicación, la selección de la tecnología apropiada, el método de instalación y la

compensación necesaria en la señal medida, de manera de conseguir la precisión

deseada5 0

.

Los avances tecnológicos de la Termografía Infrarroja se deben principalmente al

desarrollo de tres partes, consideradas las más importantes de una cámara

termográfica. Estas partes son la óptica de precisión, el procesado inteligente de la

señal electrónica (ROIC) y sobretodo los detectores de infrarrojos de estructura matricial.

Elementos ópticos Cuando la radiación espectral incide sobre un cuerpo, su comportamiento varía según

sea la superficie, la constitución de dicho cuerpo y la direccionalidad de los rayos

incidentes; la óptica física clasificadas y estudia estos fenómenos producidos como:

refracción, dispersión y difracción.

El sistema óptico en Termografía Infrarroja esta compuesto por un conjunto de 7 a 15

lentes, espejos o una combinación de ambos, unido en varios grupos (denominado

objetivo), donde su comportamiento en conjunto, viene a ser el de una lente positiva

simple de altas prestaciones. Los espejos no determinan la respuesta espectral del

instrumento, ya que la reflectividad no es dependiente de la longitud de onda

pudiendo ser utilizados en una amplia región del espectro. Sin embargo, las lentes

deben ser compatibles con la respuesta espectral del detector empleado, por ello se

restringe su uso a las regiones donde los materiales empleados mantienen buenas

propiedades de transmisión. La figura siguiente muestra las características de

transmisión espectral de algunos de los materiales usados en las lentes infrarrojas.

50 Dumpert, D.; Infrared op tions multiply for condition monitoring, MAINTENANCE

TECHNOLOGY Magazine – May – USA 1997


La selección de materiales a utilizarse en las lentes, es un permanente compromiso

entre las propiedades físicas del material y la respuesta de longitud de onda deseada

en el instrumento, aunque, ciertas características de diseño favorecen su uso para la

mayoría de las aplicaciones prácticas.

Tipos de lentes La termometría sin contacto ha permitido que se desarrollen una serie de lentes que

permiten enfocar correctamente y minimizar las aberraciones que se presenten. Es

posible encontrar diseños singulares y muy variados5 1

, pero los de mayor uso

actualmente son:

Lentes de difracción: Son de tecnología relativamente nueva y asociados a

los sistemas detectores de infrarrojos, por proporcionan una capacidad de

51 Radiant Optics, Inc.; IR Lens TM- What technology supports the IR Lens, Technical

papers – USA 2000

Figura 5.08: Características de transmisión espectral para varios materiales

utilizados en óptica de infrarrojos


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corrección de color, similar a la que otorga un conjunto múltiple de lentes,

pero con un único elemento corrector. Por tanto, el tamaño, el peso y la

transmisión de la lente, con respectos al sistema clásico de corrección son

mejorados ampliamente.

Lentes “Sin Re-imagen”: Se refiere a un lente que enfoca la imagen en un

único punto del conjunto de la óptica, el punto de enfoque es el detector

infrarrojo. Su diseño no considera la absorción de la radiación desviada

respecto del eje principal del detector, por ello su uso es en sistemas de

imagen donde no es necesaria la medida (inspección cualitativa).

Lentes de “Re-imagen”: Son aquellos en que la imagen es enfocada en dos

puntos dentro de la óptica; un punto es el detector (como en todas las lentes)

y el segundo punto esta situado en medio de la óptica, en un punto llamado

plano focal intermedio. Este punto se utiliza para añadir un componente que

capturará la energía de los objetos fuera del campo de visión normal de la

cámara (radiación desviada). Pueden ser utilizados en entornos donde hay

una gran variedad de objetos a temperatura muy baja o muy alta con

respecto al objeto que esta siendo medido.

ROIC (Read Out Integrated Circuit) El circuito electrónico usado en la interpretación de las señales de cada detector se

denomina multiplexor ROIC (Circuito Integrado de salida de lectura). Es un componente

que organiza y da formato a las señales procedentes en el detector de una manera

determinada. La forma en que la señal es acondicionada está determinada por dos

formas básicas de interpretar la señal del detector el CMOS (Complementary Metal

Oxide Semiconductor) y CCD (Charge Coupled Device).

Los detectores CCD requieren significativamente más potencia que sus equivalentes

CMOS y consecuentemente de un sistema de refrigeración de mayor capacidad para

disipar el calor generado. Su utilización es preferente en aplicaciones que no requieran

de medidas cuantitativas.

Procesador ASIC (Application Specific Integrated Circuit)) Se ha llamado ASIC (Circuito integrado de aplicación específica) al desarrollo de una

tecnología de empaquetamiento, a medida para los procesadores electrónicos que


ofrece prestaciones avanzadas. Son comunes hoy en aplicaciones donde haya

electrónica y el procesador ha sido optimado en todos los aspectos funcionales, para

una determinada y específica aplicación. Generalmente el empaquetamiento es en

un circuito integrado que utiliza una fracción de la potencia asociada con los

procesadores estándar de PC, no requiriendo un alto costo operativo del software

asociados con el entorno operativo de MS-DOS.

Detectores FPA (Focal Plane Array) Un detector FPA es cualquier sensor térmico que tenga más de una fila y más de una

columna de detectores-celda juntos. Esta configuración es descrita por el término

“array” (matriz) y el término “Focal Plane” (Plano Focal), que se refiere a la localización

de la matriz de detectores en el conjunto óptico. Por tanto, en un sistema FPA, se tiene

una matriz de detectores, justo en donde la imagen es enfocada. En un principio se

utilizó termopares y termopilas (grupo de termopares en una celda) como detectores

de infrarrojos. En 1950 se comenzó con el uso del Sulfuro de Plomo (PbS) para el estudio

de los infrarrojos en el rango de 1 μm a 4 μm, donde, para aumentar su sensibilidad, se

refrigeró hasta 77 K con nitrógeno líquido. Una mayor evolución de la tecnología

infrarroja se dio en 1961 con el descubrimiento del bolómetro de Germanio. Este

instrumento, cientos de veces más sensible que los detectores conocidos hasta ese

momento, similarmente trabajaba mejor en temperaturas en extremo bajas, mucho

más bajas que la temperatura del nitrógeno líquido; debiendo ser refrigerado con Helio

líquido hasta 4 K. Actualmente se utilizan detectores de antimoniuro de indio (InSb) y

HgCdTe, los cuales funcionan de forma similar al PbS, pero son mucho más sensibles a

los infrarrojos.

El rápido avance tecnológico de los detectores de radiación infrarroja impide pueda

hacerse una detallada clasificación de los actualmente utilizados en el mercado

comercial. Y aunque se prevé la introducción de nuevos materiales a corto plazo, es

posible hacer una división en cuanto a la forma de funcionamiento que tienen.

o Detectores cuánticos.- Consiste de un cristal semiconductor, donde el fotón

incidente interactúa con un electrón sujeto dentro de la malla cristalina. La

energía del fotón es transferida al electrón y si es lo suficientemente grande

permitirá que el electrón se mueva a través del cristal. Durante el tiempo en

que el electrón está libre puede producir una señal de corriente en el detector.

Este intervalo de tiempo es tan corto que es prácticamente imperceptible para

un detector térmico. Pudiendo ser considerado como un contador de fotones

sensible a todos los fotones con la energía necesaria para liberar un electrón.


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o Fotoconductores.- Son semiconductores, policristalinos fuertemente dopados,

con una conductividad eléctrica pequeña que se incrementa con la

temperatura. Cuando estos detectores son expuestos a la radiación infrarroja,

un flujo adicional de electrones y huecos se genera, reduciendo su resistencia.

Funcionan con la polarización del circuito y la medida del flujo de corriente

(dark current). La señal del detector es el incremento de corriente respecto a

esta corriente de oscuridad, cuando se expone el sensor a la radiación. Esta

señal se obtiene por la diferencia entre ambas corrientes, pudiendo ser

controlada la temperatura del sensor con una precisión del orden de 0.01 ºC.

o Fotodiodos.- Es un solo cristal semiconductor compuesto de dos regiones

dopadas de diferente manera, estando ambas en contacto. Los electrones en

la banda de conducción tenderán a fluir a través de la unión entre los dos lados

y a combinarse con los huecos del otro lado; este comportamiento no continúa

indefinidamente ya que ambos lados de la unión son normalmente,

eléctricamente neutros. Las regiones de ambos lados que combinan

electrones se denominan región de agotamiento y la diferencia de potencial

generada potencial de contacto a través de la unión.

o Detectores térmicos no refrigerados : Difirieren en los materiales utilizados ya

que su funcionamiento es similar, es decir: la radiación calienta al detector que

produce una señal proporcional al cambio de irradiación, el circuito integrado

de silicio en el que se colocan los detectores, lee las señales de cada uno de

los detectores y salen en una cadena de datos en serie. Un gran número de

detectores es necesario para proporcionar una buena resolución espacial de la

imagen. Actualmente hay dos clases de detectores no refrigerados disponibles,

aunque debido a su gran desarrollo se prevé muchos más a corto plazo.

o Microbolómetros.- Usa un óxido de metal como reóstato, el cual tiene una tasa

alta de cambio de la resistencia con la temperatura. Se trabaja normalmente

a una temperatura controlada y en corriente continua, pero una pequeña

variación de la frecuencia producida por el ruido, puede provocar importantes

desviaciones si estas no son corregidas. Son detectores no refrigerados tienen

buenas prestaciones, por lo menos iguales que los refrigerados

termoeléctricamente, pero no alcanzan el nivel de prestaciones logrado por los

fotodiodos refrigerados criogénicamente. Esto debido en gran parte, a la

respuesta lenta causada por la inercia térmica de los detectores. La masa


térmica de los microcondensadores limita su utilización a una tasa de imágenes

de 30 Hz. Los microbolómetros tiene masa térmica menor, es más rápida y

puede operar por arriba de 100 Hz. Aunque estos valores son pequeños

comparados con los fotodiodos refrigerados criogénicamente, que han

conseguido frecuencias de 1 GHz.

o FPA de Microbolómetros.- Una tecnología emergente que se introduce

rápidamente, son los detectores no refrigerados de Microbolómetros, que son

apropiadamente montados en un sustrato de silicio, de manera de formar una

matriz. Ofrecen varias ventajas, la más significativa es su capacidad de trabajar

a temperaturas cercanas a la ambiente, lo que significa que el sistema de

enfriamiento criogénico puede ser eliminado, con lo que se adquieren

beneficios en cuanto a peso, a costes y a fiabilidad. Otra ventaja es el hecho

de que trabajen en la banda del infrarrojo de onda larga, que es útil para

trabajos exteriores y aplicaciones de muy baja temperatura. Entre sus

desventajas, es importante mencionar su menor sensibilidad, su menor precisión

y estabilidad debida a la poca variación de temperatura de estos detectores,

con una baja resolución de imágenes.

o Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP).- Un detector FPA relativamente

nuevo es el QWIP, estos detectores trabajan enfriados por debajo de 65 K, en la

región de longitudes de onda larga y tienen una eficiencia cuántica entre 5 % y

10 %, ofreciendo una alta sensibilidad (0.015 °C). Contrariamente a estos

beneficios se deben considerar las consecuencias de una tecnología inmadura

e insuficientemente probada. Por eso una cuestión, todavía por resolver es la

estabilidad del material a largo plazo y la uniformidad del material. Asumidas

estas desventajas, los detectores QWIP presentan ventajas para su utilización en

el mantenimiento por proporcionar una alta calidad de imagen, y buenas

Figura 5.09: Detector FPA de Microbolómetros


Página

Página 197

características de medida, a la vez que trabajan en la región de onda larga del

infrarrojo. Estas características son muy útiles en trabajos en el exterior, donde la

irradiación solar es problemática, o en aplicaciones donde la temperatura

ambiente es muy baja.

5.3 Instrumentación por radiación infrarroja

La continua evolución de los grupos componentes de un sistema radiométrico, hace

importante deba realizarse una revisión de los diferentes sistemas termométricos por

radiación infrarroja. Aunque, debido a la gran cantidad de instrumentación disponible

en el mercado solo se hará referencia a la diferencia en el principio de funcionamiento;

y está incluye los tres métodos desarrollados a continuación:

5.3.1 Pirómetro Infrarrojo También llamados medidores puntuales, ya que la medida obtenida corresponde al

valor de temperatura promedio de una pequeña área cuyo diámetro depende de la

resolución óptica del instrumento y la distancia a la que se realiza la medida.

Algunas características propias de éste sistema termométrico, pero aplicables a la

generalidad de los diferentes pirómetros son: La distancia de medida viene establecida

por el instrumento particular, tomar medidas antes o después del enfoque establecido

pueden ser parcialmente corregidas por la relación Distancia/Diámetro. Miden la

temperatura de un cuerpo en un rango muy amplio, establecido entre 0,7 y 20 micras,

siendo preferente su utilización en objetos a elevadas temperaturas. El pirómetro debe

apuntar al objeto directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (que impide la

llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en

Figura 5.10: Comparación del tamaño de detectores de Microb olómetros y QWIP


baños de sales para tratamientos térmicos, hornos). Son dependientes y

extremadamente sensibles a la emitancia total de la superficie a ser medida.

Una particular pero conveniente clasificación de los pirómetros de radiación es la

desarrollada a continuación:

Pirómetros de Banda ancha: Llamados también de radiación total, ya que

miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación

emitida por el cuerpo. Se caracterizan por tener una respuesta entre 0.3 μm

y a límites superiores de 2.5 a 20 μm, siendo el rango de corte función

específica del sistema óptico utilizado. Debido a esta condición de trabajo,

su dependencia con la emitancia de la superficie a ser medida esta muy

comprometida, lo que obliga a que se disponga de controladores de

emisividad. Son muy sensibles a la absorción de radiación por los gases

presentes en la atmósfera y a las variaciones en el enfoque de las lentes

(calentamiento o ensuciamiento), que atenúan la radiación térmica emitida

por el cuerpo.

Pirómetros de Banda angosta: Llamado también pirómetro de color único,

ya que operan precisamente en un rango estrecho de longitud de onda.

Normalmente tienen una respuesta espectral menor a 10 μm, aunque la

generalidad de pirómetros comercializados trabajan en el rango selectivo de

8 a 14 μm. La característica principal es el uso de filtros para restringir la

respuesta a una longitud de onda seleccionada. En general, la sensibilidad

de estos pirómetros es baja debido a la reducida energía disponible. Pero

78.5 ºC

Dista nce to th e o bje t

Dia meteo f sp ot

Figura 5.11: Resolución óptica de un pirómetro infrarrojo


Página

Página 199

uno de los más importantes pasos en la termometría por radiación ha sido la

introducción del filtrado selectivo en la radiación incidente, posibilitando

conseguir medidas de elevada precisión, así como también la disponibilidad

de utilizar detectores más sensitivos y notables avances en la amplificación

de la señal.

Pirómetros de Banda partida: También llamados De dos colores, ya que

originalmente media en la longitud de onda correspondiente a diferentes

colores del espectro visible. Actualmente mide la radiación emitida por los

objetos en dos bandas de longitud de onda del infrarrojo, estableciendo una

relación entre estas dos energías como una función de la temperatura del

objeto. La temperatura medida es dependiente únicamente de la relación

entre las dos energías medidas lo que provee mayor precisión, aunque está

disminuya drásticamente cuando se miden pequeñas diferencias de

temperatura en tiempos largos. El uso de esta técnica tiende a eliminar o

reducir (por lo menos) errores de medida de temperatura causadas por

cambios de emisividad, acabados superficiales y energía absorbida por

materiales entre el objeto y el sensor.

Su aplicación es particularmente importante cuando se requiere precisión pero no se

busca repetividad en las medidas, o si el objeto emisor esta sometido a constantes

cambios físicos o químicos.

Ratio

C olimad or

Lens

Beam Split ter

D etec torλ 2

Output

D etec torλ 1

Figura 5.12 Esquema de un pirómetro de Banda partida


Pirómetros Ópticos: Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo

en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan

pirómetros de radiación parcial o pirómetros ópticos. Originalmente

utilizaban el principio del brillo óptico en el espectro rojo visible (alrededor de

0.65 μm), pero actualmente son disponibles en todo el espectro infrarrojo.

Normalmente trabajan, en la banda de onda larga, y basan su

funcionamiento en la desaparición del filamento de una lámpara al

compararla visualmente con la imagen del objeto enfocado.

Pirómetros de fibra óptica: Aunque no es estrictamente un instrumento

termométrico, utiliza la propiedad de conducir energía a través de una fibra

transparente y flexible hasta el detector de radiación. Donde se aprovechan

algunas de sus ventajas, como ser:

• Inalterabilidad ante interferencias electromagnéticas.

• Invariabilidad por interferencias de radio frecuencia.

• Se puede instalar en lugares inaccesibles de monitorizado.

• Puede ser enfocado en medidas pequeñas o localizaciones precisas.

• No conduce corrientes eléctricas.

• Su modulación se realiza por cambios de intensidad de radiación, fase,

longitud de onda o polarización.

Para la medida de la temperatura el método más empleado es la modulación de la

intensidad y los sensores conocidos como de Fibra Óptica generalmente refieren la

medida a altas temperaturas donde la radiación de un cuerpo negro es utilizada,

Red Filte r

Lens

A mmet e r

Ba tt e ry

Ey ep ieC a lib ra ted

Tungsten lamp

Slide wire

Figura 5.13: Pirómetro óptico de corriente variable


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Página 201

materiales como: fósforo luminiscente, semiconductores o cristales líquidos, son

encastrados en el extremo de la fibra óptica.

5.3.2 Escáner de línea Infrarrojo Se trata esencialmente de sistemas termométricos fijados en un sitio que permiten la

monitorización en tiempo real. La característica de escáner extiende el concepto de

medida de un punto por radiación a un perfil térmico de una dimensión.

El sensor típico en un escáner de línea utiliza un detector simple, que por su propia

construcción ésta limitado a la medida de un solo punto. Sin embargo, se combina la

detección de radiación con un sistema de barrido óptico lineal que cambia

constantemente el enfoque, permitiendo captar diferentes puntos sucesivos en la

superficie del detector y obtener así un perfil de temperaturas a lo largo de la línea. Un

circuito electrónico después del elemento detector posibilita una elevada velocidad en

la recolección de datos, su cualificación y digitalización. La resolución de un escáner

lineal es función de la velocidad de movimiento del objeto, el número de medidas por

escan, la relación de escaneo y el ancho de la línea de escaneado. La precisión y

C oup le r Lens

ANA LIZER

Optic a l de tec toc hbody

C avit y

Nar rowbandfilt e r

Th im film Met a l Coa ting

Al2O 3 Pro tec tivefilm

Sing le C rist a l Sapph ire (Al2O 3 )

Op tic a l Fibe r

Figura 5.14: Pirómetro d e fibra óptica


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

sensor.

En cualquier caso, los escáneres de línea proporcionan mejoras significativas en la

producción industrial, a través de medidas completas de superficie de objetos en

movimiento y ofrece beneficios típicos como los siguientes:

• Temperaturas uniformes del producto con un mejor control de calidad

• Velocidades de producción perfeccionada

• Fiabilidad alta del proceso

• Tiempo de vida extendida para utilidades de producción

• Número reducido de tiempos fuera de servicio no programados

• Requisitos de mantenimiento reducidos

• Mejor control de eficacia de la energía

5.4 Cámara Termográfica

Aunque la implementación de las cámaras termográficas a la industria es relativamente

reciente, la idea de adicionar otra dimensión geométrica simultánea al escáner de

línea se manejaba con mucha anterioridad. Este concepto a dado lugar a la

comúnmente denominada Termografía infrarroja, que en la actualidad se encuentra lo

bastante desarrollada como para permitir la captación en tiempo real de autenticas

Tempera t ure

Wid th o f web

Distanc e a longweb

Figura 5.15: Escáner de línea y su perfil de respuesta


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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 Infrarroja una herramienta de

gran utilidad en el amplio campo de Investigación & Desarrollo y de aplicaciones

industriales.

Longitud de onda de trabajo (Región espectral de Trabajo) Aunque pareciera más ventajoso utilizar todo el espectro o al menos gran parte de él,

para capturar la mayor parte de la emisión radiante del objeto a medir. Existen

consideraciones que invalidan esta posibilidad:

La tasa de variación de la radiación con la temperatura es no lineal, siendo

siempre mayor a menores longitudes de onda (Ley de Planck), esto permitiría

que cuan mayor sea la tasa de cambio de radiación, mejor sería la medida

de la temperatura y más estrecho el control de cualquier sistema. Sin

embargo, esto no puede ser llevado al extremo porque a una longitud de

onda corta dada, hay un límite por bajo del cual la temperatura no puede

ser medida. Consiguientemente es preferible utilizar una región limitada del

espectro.

Ningún material puede emitir tanto como un cuerpo negro a la misma

temperatura, aunque muchos materiales, pueden emitir menos cantidad de

radiación a la misma temperatura, en varias porciones del espectro. El

ejemplo de medir la temperatura en una lámina de vidrio durante el proceso

de manufactura ilustra como las características detalladas del material

pueden dictaminar la elección de la región espectral de medida:

Un detector de infrarrojos de onda corta, por tratarse de alta temperatura fallará, ya que

midiendo en la región 1 μm la emisividad espectral es cercana a cero. Además,

debido a que el vidrio es altamente transparente a la radiación el detector infrarrojo

“verá a través del vidrio” y puede dar falsas lecturas provocadas por las superficies


calientes detrás del vidrio. Esto significa que el vidrio puede ser usado como una

“ventana” efectiva con un detector de onda corta.

Un detector en la región espectral entre 3 y 4 μm, puede medir y controlar la

temperatura del interior del vidrio. Pero si operamos por encima de 5 μm es la

superficie del vidrio la que será medida.

La atmósfera normal entre el objeto y el detector de infrarrojos contiene una

pequeña pero definida cantidad de dióxido de carbono y una cantidad

variable de vapor de agua. El CO2 absorbe fuertemente la radiación entre

4.2 y 4.4 μm y el vapor de agua absorbe la radiación entre 5.6 y 8 μm y

también en la región de 2.6 a 2.9 μm. Resulta obvio evitar estas regiones, ya

que la calibración del detector de infrarrojos variará.

Formación de la imagen térmica Los sistemas más fáciles de representar imágenes térmicas tienen simplemente un

detector y un espejo rotatorio que examina la imagen enfocada por el lente, a través

del barrido de los pixels horizontales y verticales de la imagen. Esta forma de

escaneado bi-dimensional requiere necesariamente de una secuencia de adquisición

precisa, de manera que ninguna información térmica quede confusa o se pierda. La

electrónica de adquisición proporciona esta fiabilidad capturando los datos de manera

sincronizada, aunque el principal problema que se presenta es el tiempo de demora

en la operación del barrido, además de las limitaciones propias de tener muchos

sistemas componentes en movimiento.

Los nuevos sistemas térmicos eliminan la necesidad de los espejos de barrido con el

reemplazo de un sensor de infrarrojos que contiene muchos detectores (Focal Plane

Array), los cuales continuamente captan la imagen llegada al lente. Reduciéndose

sustancialmente el tiempo de captación y mejorando notablemente la representación

de imágenes térmicas.


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Sistema de refrigeración A excepción de los detectores de microbolómetros, todos los demás sensores de

radiación infrarroja requieren ser refrigerados para trabajar apropiadamente, esto

debido a que las medidas de temperatura y su precisión son dificultadas si las partes

circundantes al detector, irradian mayor energía que la radiación original.

Las primeras cámaras termográficas utilizaban gases licuados para refrigerar el

detector. Una tecnología más moderna adapta la utilización de un pequeño y portátil

ciclo térmico Stirling, que mantiene el detector frío, hasta aproximadamente –220 ºC.

Así mismo es posible encontrar en el mercado sensores refrigerados por sistemas

termoeléctricos que equivocadamente son llamados uncooled (sin refrigeración, por ser

comparativamente mucho mayores que las temperaturas criógenas), teniendo una

aplicación difundida en los instrumentos de determinación cualitativa.

Figura 5.16: Diversidad de cámaras termográficas con variaciones en

Resolución, sensibilidad y demás características


5.5 Monitorizado por Termografía Infrarroja

El hombre todavía no puede calcular mediante los "principios básicos" la radiación

térmica recibida del sol, sin embargo, puede medir sin dificultad alguna y con gran

precisión la radiación de calor recibida. Así mismo, puede predecir con cualquier

certidumbre, pero generalmente baja y por los mismos principios básicos la

refractancia al infrarrojo del aluminio pulido, pero ésta puede ser medida fácilmente y

dentro de valores porcentuales de error muy estrechos.

Estas razones han hecho de que el monitorizado por condición a través de esta técnica

sea posible y haya sido inicialmente establecida por el desarrollo tecnológico de la

instrumentación disponible en el mercado, quedando definidas las dos maneras

siguientes, que actualmente son definidas en la bibliografía especializada como

Termografía Pasiva:

Monitorizado cuantitativo: Usado en la determinación precisa de la medida

de temperatura, consiguientemente de aplicación preferente en el

mantenimiento predictivo, por el seguimiento de la temperatura (parámetro)

en diferentes partes y piezas (síntomas), bajo comportamientos y

características específicas (condición). Mediante la captación de imágenes

que muestran una modificación y evolución del estado; las imágenes

debidamente tratadas y analizadas permitirán diagnosticar el tipo de fallo

que sé esta produciendo, donde se produce y su severidad. Puede

emplearse de forma inmediata como base del monitorizado de condición,

no obstante es conveniente su empleo en el histórico y control del

comportamiento de sistemas, ya que la aplicación podrá ser utilizada para el

diagnóstico y predicción de fallos en motores.

Monitorizado cualitativo: Estimación por comparación, de la diferencia

térmica con zonas circundantes, resaltando zonas térmicamente anormales,

como:

Partes y componentes más calientes de lo que deberían estar (a

menudo indicación del área de fallo inminente). Calentamiento de

piezas por rozamiento, ubicación de puntos de lubricación

deficiente, determinación de desgastes en diversos elementos, así

como puntos de concentración de esfuerzos.

Indica también pérdidas excesivas de calor que usualmente son

síntoma de una situación defectuosa o inadecuada.


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Determinación del reparto de temperaturas por medio de curvas

isotérmicas.

Inspección y análisis en redes y circuitos hidráulicos que tengan

fluidos caloportantes, facilitando la ubicación de fugas, el

debilitamiento de conductos, taponamiento de líneas y paneles

La característica de toma de registros en forma inmediata facilita la

detección de puntos anómalos, posibilitando además de una

investigación y análisis posterior el actuar de forma inmediata a

manera de corregir la anormalidad.

Sin embargo, las condiciones de operación y sobretodo el propósito del monitorizado

han permitido que se desarrollen procedimientos alternativos, que si bien tienen su

principio en las dos técnicas anteriormente mencionadas, establecen condiciones de

operación y medida especiales de manera de hacer más notorios algunos síntomas.

5.5.1 Termografía Activa Es una innovación que influye principalmente al análisis cuantitativo, donde se cambia

el criterio de una evaluación de un dominio de magnitud térmica, a las de variación en

amplitud y frecuencia. Esto ha facilitado la interpretación de los termogramas y

otorgado viabilidad a innumerables posibilidades de evaluación. Este nuevo campo se

caracteriza por una estimulación externa en forma de pulso, paso, o modulación;

requerida para generar contrastes térmicos relevantes en un objeto térmicamente

estable.

Bajo este concepto han sido desarrolladas varias metodológicas de las cuales y debido

a su aplicabilidad práctica, sobretodo en la industria aeroespacial, se puede hacer

referencia de:

Panoramic Thermography ( PT ) Esta técnica esta desarrollada sobre el análisis de una “única imagen”, que permite la

captura continua de termogramas, siempre sobre la entera superficie del cuerpo

analizado. El propósito de la técnica se basa en poder observar distintas secciones de

la forma volumétrica del cuerpo radiante. Superando de esta manera la limitación de

registro bidimensional de la termografía convencional plana, pudiéndose observar


defectos y fenómenos en distintas partes de la superficie externa del cuerpo en una

sola imagen.

Aunque existen distintas soluciones planteadas, todas pueden ser referidas a dos

métodos generales de adquisición de imágenes:

Triple Aspect Thermography ( TAT ) : Consiste en la colocación de espejos

planos detrás del objeto a examinar, formando entre ellos y el plano medio

del objeto un ángulo que permita reflejar la radiación infrarroja desde la

superficie escondida del objeto hacia la cámara termográfica. Esta

adquiere la imagen frontal directamente y las dos imágenes laterales a través

de los espejos. De esta forma, los “termogramas de los tres puntos de vista”

del objeto pueden ser tomados simultáneamente y vistos en una disposición

simétrica, permitiendo observar las distintas partes superficiales en una sola

imagen.

Multiple Aspect Thermography ( MAT ): Esta técnica ha sido diseñada para

mejorar la versatilidad la técnica del TAT. Por ello, los termogramas del objeto

completo puede almacenarse en una revolución de éste y posteriormente

analizados. El principal problema de esta técnica es la distorsión y la

inevitable poca definición de la imagen térmica, aunque, con una mayor

frecuencia de adquisición de imágenes en la cámara pueden ser paliados.

Las características de: registro térmico mediante distribuciones continuas, el

incremento de la resolución al desarrollar la imagen sobre un eje y la gran

calidad de la imagen al desarrollar el escaneado sobre un eje central;

permiten una gran aplicación en diagnóstico clínico y principalmente en

medicina oncológica. Pero pese al gran potencial manifestado y al poco

aprovechamiento que se le da, las actuales investigaciones tienen tendencia

a aplicar la termografía activa, con una excitación de pulsos térmicos y la

evaluación de la distribución de temperaturas en el calentamiento y

enfriamiento de las superficies analizadas.

Microwave Excitation Thermography – Phantom Studies Muy recientemente han sido publicadas investigaciones en el campo de la medicina,

que combinan la Termografía Infrarroja y la emisión de ondas en el espectro de las

microondas. La técnica ha sido desarrollada para el diagnóstico de tumores en el

cerebro y aunque todavía no se ha comprobado sea inocua para la seguridad del

paciente, su principal problema es la evaluación del calor obtenido y el diagnóstico del


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mismo. El método esta basado en el comportamiento del cerebro al pasar por él una

serie de microondas. Estas excitan el cerebro de forma que se emita ondas de calor,

las cuales son recogidas mediante imágenes térmicas con una cámara termográfica.

Esta probado que el calentamiento es más acusado cuando existe una imperfección

como puede ser un tumor cerebral.

Pulse-heating Infrared Thermography ( PHIT ) Es una técnica teórico experimental diseñada para el ensayo no destructivo de

materiales, consiste básicamente en el registro de termogramas en una superficie

atravesada por pulsos rápidos de calor. Pudiéndose por la diferencia de radiación

térmica emitida por la superficie, detectar zonas con defectos interiores, la técnica ha

demostrado fiabilidad incluso con imperfecciones de dimensión muy pequeña.

Sin embargo, la dificultad que limita su aplicación es el requerimiento de una cámara

termográfica con alta velocidad de adquisición en imágenes (mínimo 25 por segundo)

y una fuente de pulsos de calor a través de lámparas tubo que lanzan ondas térmicas

al objeto. Ambas, imágenes y pulsos deben estar sincronizados y controlados por un

ordenador que adicionalmente realiza el análisis del proceso.

Pulse Phase Thermography ( PPT ) Es una técnica no destructiva para el ensayo de materiales, que se utiliza en la

detección y visualización de defectos superficiales o cercanos a esta. Habiéndose

obtenido resultados prometedores en el estudio de defectos de fabricación, en

materiales como nylon, metales, plásticos, madera, etc. Consiste en hacer pasar un

impulso de calor por el material a diagnosticar y registrar la respuesta del material

mediante termogramas infrarrojos. Para el análisis se combinan las ventajas de dos

métodos desarrollados: Modulated Thermography (MT), que utiliza una sola frecuencia

dentro del objeto en régimen estacionario y Pulsed Thermography (PT), que utiliza la

respuesta a todas las frecuencias en régimen transitorio.

Lo novedoso de esta técnica es el análisis de imágenes aplicando la Transformada

Discreta de Fourier (DFT), entre la diferencia de temperaturas de las imágenes y el

impulso de calor, donde la evolución de la temperatura en la superficie se aproxima a

la ecuación de transmisión de calor en una dimensión. No obstante es posible, obtener

un estudio más sofisticado mediante diferentes soluciones numéricas obtenidas de


modelos matemáticos en tres dimensiones. La técnica muestra la DFT en un gráfico

frecuencia–fase, otorga mejores posibilidades que con el análisis tradicional de

amplitud–tiempo. Sin embargo, algunos defectos son más visibles mediante las

imágenes térmicas que por el diagrama de fase, especialmente considerando el

problema de aliasing entre la frecuencia de respuesta y de adquisición, se tiene que no

todos los defectos responden de mismo modo en el diagrama.

Nuevos estudios utilizan la transformada de Wavelet, donde este método ha sido

probado con modelos de elementos finitos de diferentes piezas de aluminio, siendo los

resultados obtenidos, satisfactorios.

Lock-in Thermography ( LT ) Esta técnica intenta resolver la imposibilidad de hallar defectos cercanos a la superficie

con una cámara termográfica convencional, y debido a su versatilidad de operación

ha sido asimilada en el mantenimiento de fuselajes de la industria aérea. Consiste en

entregar energía por radiación óptica modulada o pulsada en las zonas sub-

superficiales del componente. Esta energía generará ondas térmicas que pueden ser

captadas con una cámara termográfica. Siendo los resultados expresados en función

del ángulo de fase entre la energía depositada y la respuesta térmica, donde el análisis

por la Transformada de Fourier realizado en cada pixel, provee la magnitud y la fase de

la respuesta local.

Ultrasound Lock-in Thermography ( ULT ) Es considerada como una evolución de la técnica LT y surge debido a la necesidad de

minimizar los errores introducidos por factores humanos al realizar una inspección.

Principalmente se refiere al análisis de las imágenes, que normalmente requieren de un

alto conocimiento de las posibles anomalías que se pueden detectar.

Bajo el concepto de que todo defecto se comporta de distinta manera ante una

solicitación específica y que este caracterizará su diagnóstico. Es posible, mediante un

calentamiento selectivo aplicado por “potencia ultrasónica” (modulada a baja

frecuencia de la onda térmica), relacionarla con el aumento de la histéresis en el fallo.

Por tanto, la aplicación de esta técnica es útil en las situaciones donde los defectos

aumenten los efectos de la histéresis como por ejemplo la corrosión, piezas bajo

oscilación que tienen fricción entre ellas, etc.


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La figura siguiente muestra como ejemplo de aplicación de la técnica, un componente

de aluminio de un avión, donde la lámpara ha sido sustituida por una fuente de

ultrasonido con amplitud modulada en frecuencia térmica, que a su vez se moduló

con el análisis Lock-in de la cámara termográfica. El componente sufrió la corrosión en

la superficie posterior. Esta área aparece como un punto brillante en el borde más bajo

en la parte derecha. El ángulo de fase indica la profundidad a la que se localiza el

defecto, mientras que la magnitud indica la cantidad de ultrasonido que se ha

convertido en calor (lo que indica la magnitud de la corrosión).

Figura 5.18: Imágenes de Amplitud y Fase, a través de

calentamiento selectivo por Ultrasound Lock-in Thermography

Figura 5.17: Cadena de medida de la técnica Lock-in

Thermography

Lock-in mo dule

Cont ro lunit

IR-ca meraSam ple

The rm al wa ve source


La totalidad de las técnicas enunciadas han sido desarrolladas en un periodo de

tiempo verdaderamente corto. Propiciado por la continua evolución tecnológica en las

cámaras termográficas y la cada vez mayor pericia en el manejo de la radiación

infrarroja. Es por ello que, permanentemente viene surgiendo nuevas metodologías de

diagnóstico por Termografía Activa. Como ejemplo adicional, es de mencionar la muy

reciente difusión de dos técnicas, novedosas e innovadoras por la conjunción con otras

tecnologías, y, aunque su aplicación industrial se plantea como remota se prevé una

acusada evolución. Estas técnicas son:

ElectroMagnetic Infrared ( EMIR ): Desarrollada por la Oficina de Estudios

Aeroespaciales de Francia ONERA y combina un convertidor fototérmico con

una cámara termográfica, para capturar en los termogramas campos

electromagnéticos.

Laser Pulse Heating: Aunque la técnica ha sido desarrollada para ver el efecto

de la fatiga térmica en superficies metálicas, lo innovador ha sido el uso de

un potente láser que permite la generación de pulsos térmicos de elevada

magnitud.

Sin embargo, también existen limitaciones técnicas que deberán ser superadas para

permitir un mejor desarrollo de estas metodologías. La más importante por su carácter

práctico e influyente en la utilidad de las inspecciones, es la sincronización entre la

frecuencia de adquisición de imágenes termográficas y el pulso de estimulación, a

veces menor a 1 milisegundo). Aunque, los modernos equipos termográficas cuentan

con un disparador trigger externo activo, a elevadas frecuencias de registro han

demostrado tener suficiente incertidumbre (16,7 ms en una cámara funcionando a

60Hz) como para invalidar los ensayos.

Otra limitación importante es la capacidad de adquisición en las cámaras

termográficas, La tecnología actual, comercialmente ha permitido conseguir hasta 30

imagen/s, mientras que sectores de investigación especiales han conseguido hasta 200

imagen/s con una precisión de 0.015 ºC.

5.6 El diagnóstico por Termografía Infrarroja El diagnóstico en la mayoría de las técnicas de mantenimiento utilizadas actualmente,

fundamenta su análisis en considerar una respuesta específica como la

correspondiente a una condición del componente en buen estado, siendo los niveles

de desviación con respecto a la misma, indicativo del grado de deterioro o fallo. Esta


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“respuesta” se define como la Firma o Patrón de comportamiento y su establecimiento

es parte de un proceso integral que permite a los especialistas o a los sistemas de

tratamiento de la información, determinar las bases del proceso de decisión para hacer

un diagnóstico.

Antes de establecer una Firma es indispensable identificar: las causas de incertidumbre,

las fuentes de ruidos parásitos, el tiempo y condiciones de observación, así como

también el tratamiento numérico de la información. En el caso de la Termografía

Infrarroja el patrón de comparación será una:

Firma Térmica

Donde la información adquirida podrá ser utilizada como criterios en forma de:

oo Registro escalar, o magnitud valuada.

oo Gráficos de análisis, o evolución respecto a una variable, pudiendo tenerse

gráficos de tendencia y gráficos de correlación.

oo Imágenes, representación bidimensional de la monitorización respecto a un

punto y sus alrededores.

Con estas condiciones y sus características de utilización la Termografía Infrarroja como

instrumento para el mantenimiento adquiere viabilidad, principalmente por sus ventajas

de operación, que hacen de ésta una técnica interesante para el diagnóstico. Sin

embargo, para el estudio y selección de síntomas idóneos de análisis, es necesario

tener en cuenta las siguientes limitaciones:

Posibilidad de captar la radiación térmica únicamente en superficies

externas, obligando a realizar medidas en componentes y partes que

puedan ser captadas por el objetivo del lente en la cámara termográfica.

Debido a la alta concentración de radiación térmica localizada en algunos

puntos, es difícil detectar un pequeño nivel adicional de radiación provocado

por averías incipientes; y cuando es detectada, aún más complicado será

poder relacionarla con alguna anomalía particular.


El rango de trabajo de las cámaras termográficas: normalmente está dividido

en niveles intermedios que imposibilitan la lectura en amplios márgenes o

temperaturas entre niveles.

5.6.1 Factores que condicionan la medida De acuerdo con acápites precedentes es evidente que existen diferentes tecnologías

en la fabricación de cámaras termográficas, consecuencia de un distinto desarrollo en

el modo de formación de imágenes, la longitud de onda de trabajo, el tipo de

refrigeración empleado e incluso la aplicación a que el sistema es destinado. Pero

cualquiera que fuese sus características, todas se ven afectadas por los mismos

factores que condicionan el cálculo de la radiación recibida por el detector.

Los factores más importantes a ser considerados cuando se realizan medidas, así como

también que no todos los factores tienen una similar contribución en las inexactitudes,

situación que justifica la complejidad de los algoritmos de corrección, ya que para

obtener una medida termográfica con precisión, deben ser compensadas todas las

fuentes de radiación que llegan al detector. También deben ser considerados los

cambios en las condiciones de medida (parámetros de objeto) y la forma en que

influyen sobre los porcentajes radiados por cada una de estas fuentes.

Es posible definir las siguientes tendencias generales:

La principal energía que alcanza al sensor es la radiada por el objeto

(notoriamente superior a elevadas temperaturas), quedando confirmada la

importancia de la emisividad del objeto y su variación con los incrementos de

temperatura.

Las radiaciones reflejadas son importantes por que tienen influencia directa

sobre la energía captada por el sensor, pero tienen particularmente mayor

influencia cuando la diferencia de temperaturas entre el objeto y los

alrededores es menor.

Los elementos internos se constituyen en los alrededores más cercanos al

sensor, siendo consiguientemente importante su aportación. Aunque, al igual

que en el caso interior se minimiza su efecto, cuando aumenta la

temperatura del objeto a medirse.

Para las condiciones de ensayo establecidas, tanto la óptica de la cámara

como las condiciones atmosféricas tienen poca influencia en la radiación

total.


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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 Factores Externos. De manera análoga aquellos factores

dependientes de las características y propiedades de las partes componentes de una

cámara termográfica se denominan Factores Internos.

Factores de corrección Externos Para la medición correcta de la temperatura superficial, las actuales cámaras

termográficas son equipadas con sofisticados algoritmos que continuamente

comparan la temperatura interna del sensor (ú otra temperatura considerada como

referencia) con la temperatura del objeto. Modificándose de esta manera la

temperatura provista al ROIC a fin de obtener precisión en la medida.

Sin embargo, esta operación de compensación esta basada en experiencias de

laboratorio, donde las condiciones de evaluación son controladas y se tiene un

conocimiento completo de las características del objeto. En mediciones exteriores y

donde las condiciones de operación son distintas a las descritas, deben considerarse

efectos adicionales que condicionan la exactitud de la medida. El desconocimiento

de la emisividad del objeto y las reflexiones o absorciones de radiación por los

alrededores se constituyen en los efectos más importantes, debido a su difícil

estimación por parte del usuario y su relevancia para los modelos matemáticos de

compensación utilizados.

En una condición real de medición la radiación total recibida por el detector influye

sobre la medida y particularmente en la precisión de la misma. Puede esquematizarse

según muestra la figura de la página siguiente, que no solamente es captada la

energía emitida por el objeto, sino que, principalmente esta afectada por las

radiaciones de los alrededores reflejadas sobre el objeto y la radiación aportada por la

atmósfera.

Considerar las principales radiaciones totales que intervienen e influyen en la medida

termográficas y su precisión, pueden ser establecidas mediante la relación energética:

( ) ( ) ( ) atmatmamboatmooatmt EEEE τετετ −+−+= 11


Donde, el primer término corresponde a la emisión propia del objeto Eo, es decir, la

radiación emitida por la superficie externa del objeto afectada por su emisividad y la

transmisión atmosférica. El segundo término representa la reflexión de la radiación

ambiente sobre la superficie, donde la transmitividad del objeto es despreciable por ser

considerado un cuerpo gris, y el tercer término es la radiación generada por la

atmósfera donde se supone a la atmósfera como un elemento sin capacidad de

reflexión (ρatm

= 0), por lo que su emisividad será (1- �atm

).

Las principales condiciones cuantificables del entorno que establecen una medida

termográfica; cuya característica común es modificar la cantidad y dirección de la

radiación térmica captada por el sensor infrarrojo, se denominan “parámetros del

objeto” y son:

o La humedad relativa

o La distancia al objeto

o La temperatura atmosférica

o La temperatura ambiente

Figura 5.19: Condiciones de medida en una situación general de medida

Obje to

Atmósferatra nsmitiv ida d τa tm

refle c tiv id ad ρat m

Cám araTermog ráf ic a

Eatm Radiac ión emitidapor la atm ósfera

Eamb Radiac ión de los a lrededoresre flejada sobre el obje to

Eo Radiación del obje to

εo

τo ≈ 0


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Página 217

Factores de corrección Internos Son factores que corresponden a la radiación emitida por el propio sistema de

termografía, y puesto que la precisión de la medida será función de la temperatura

interna del instrumento tanto la óptica como los elementos internos influirán. La

radiación procedente de los elementos internos es una consecuencia del hecho de

que los elementos presentes en el camino óptico, lentes y espejos, provocan

atenuación de la radiación y en consecuencia emiten radiación propia.

Si esta radiación interna no es compensada adecuadamente, el resultado es un error

en la medida siempre que la cámara se use en condiciones ambientales distintas a

aquellas para las que fue calibrada. Esto también supondrá una variación en la

medida en función del tiempo transcurrido desde el encendido del equipo como

consecuencia del calor producido por su propio consumo.

La compensación de esta radiación no es conocida ni manipulada por los usuarios por

cuanto es una característica de la cámara termográfica y responsabilidad de su

fabricante. Aunque deberá tenerse en cuenta que para garantizar la correcta

transformación de la radiación recibida por el detector en una medida de temperatura

con la precisión requerida, deberá:

Verificarse, que un sistema termográfico bien diseñado compensa esta

radiación de forma automática.

Es necesario que todos y cada uno de los elementos del sistema se

encuentren perfectamente calibrados, por cuanto deberá tomarse especial

cuidado en mantener el equipo en estas condiciones.

Corrección de la radiación térmica El efecto de las condiciones ambientales sobre las medidas realizadas se ha estudiado

y comprobado su consecuencia en la sensibilidad de la cámara termográfica. Por

tanto, para compensar la radiación captada por el sensor infrarrojo, corregir la

radiación generada internamente y minimizar la deriva de la medida, son necesarios

los datos registrados como complementarios al comienzo de la inspección. Los

mismos servirán en el software generalmente provisto por el fabricante como

referencias de control.


5.7 El mantenimiento por Termografía Infrarroja

Establecida la metodología y la estrategia a seguir en el monitorizado por condición

mediante la técnica de la Termografía Infrarroja, es posible su implementación y

seguimiento correspondiente. En este aspecto, en el presente acápite se explicitan el

tema y desarrollo de la aplicación de la técnica al campo de motores de combustión

interna alternativos de encendidos por compresión, debido a ser al área en la cual el

autor ha desempañado mayor aplicación de la técnica5 2

.

5.7.1 Monitorizado mediante firmas por imágenes térmicas Resulta evidente la inmediata utilidad que se tiene al diagnosticar con imágenes de

Termografía Infrarroja, ya que Independiente del monitorizado cualitativo o cuantitativo

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

through exhaust manifold temperature using Infrared Thermography Technique;

Congress EUROPEAN AUTOMOTIVE EAEC 21ST - Bratislava 2001

Figura 5.20: Software de análisis para imágenes

termográficas con IRWIN RESEARCH bajo entorno WINDOWS


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Figura 5.21: Fallo en los paneles de radiador, donde la disipación del

calor no es efectuada correctamente

la utilización de firmas térmicas por imagen es la forma más rápida e ideal para la

detección de fallos. En la que las diferencias térmicas son estimadas por comparación,

ya sea con imágenes referenciales o con la radiación emitida por los alrededores. De

forma similar el diagnóstico puede ser proporcionado fácil y rápidamente, posibilitando

que las tareas de mantenimiento correctivo sean realizadas concreta e

inmediatamente.

Imágenes térmicas en régimen estacionario De esta forma de monitorización, así como las inspecciones efectuadas a motores

Diesel y sistemas complementarios; algunas anomalías denunciadas por su variación

de temperatura, que permiten comprobar la certeza e idoneidad de su aplicación. Se

muestran en las figuras siguientes como ejemplos de estas inspecciones5 3

:

53 Peralta, R.W.; Tormos, B.; Ballester, S.; Aplicación de la Termografía Infrarroja al

Diagnóstico de Motores Diesel; Congreso Español de Mantenimiento 4º –

España 2000


Figura 5.22: Intercool er de enfriamiento, con funcionamiento inverso al de

diseño, calentando el aire de admisión al motor.

Paneles de r adiador , la pronta aplicación de la técnica evidencia zonas con

“notorio” funcionamiento anormal, es la situación común en la revisión de

radiadores y elementos de refrigeración. Donde la inspección mostrada

permite apreciar que aunque los deflectores del radiador están bien

orientados, no disipan el calor correctamente, evidenciando un fallo en las

celdas por obstrucción al paso de aire.

Intercooler de enfriamiento, la refrigeración del aire de admisión comprimido

ha adquirido generalidad en motores Diesel merced a los beneficios en

eficiencia y seguridad que provee, aunque cualquier diferencia en la

transmisión de calor al medio refrigerante limitan drásticamente estas

características. Esta circunstancia es la que ejemplifica la inspección de la

figura, en la que la tubería del refrigerante a la salida del intercooler “muestra”

una temperatura menor que la de entrada, permitiendo detallar que el

Intercooler con baja carga del motor cumple una función inversa a la de

diseño, es decir, en vez de enfriar el aire de admisión lo calentaría.

Bomba de agua, el buen funcionamiento de elementos complementarios al

motor tiene incidencia directa sobre éste; es el caso del sistema de

refrigeración y particularmente de la bomba de agua, donde un aumento

localizado de la temperatura en su carcasa puede evidenciar una fricción,

posiblemente provocada por un desgaste en el rodamiento de bomba. Este

fallo ha sido posteriormente comprobado por el incremento de ruido

producido por el componente.


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Figura 5.24: Cárter d e aceite, sí la temperatura de d escarga del lubricante es

elevada puede denotar fricciones in ternas con severas consecuencias en el aceite

y los mecanismos

Figura 5.23: Bomba de agua, un aumento localizado de la tempera tura

denuncia el posible desgaste en el rodamiento

Cárter de aceite, en algunos motores y dependiendo de sus características

constructivas se puede conocer o estimar las condiciones de trabajo del

lubricante. La figura muestra uno de estos casos donde además de ubicarse

el punto de descarga (retorno) puede ser estimada la temperatura en la

superficie exterior del cárter. De esta forma y por analogía)

puede estimarse

la temperatura del lubricante en el depósito de circulación, y este valor

elevado puede denotar grandes fricciones internas así como ocasionar una

degradación acelerada del lubricante.


Figura 5.25: Colectores d e escape con des balanceo térmico en la

salida de los gases

Figura 5.26: Eje de transmisión en cuyas crucetas de articulación se denuncia

una temperatura mayor que el resto del componente

Colectores de escape, Es posible realizar inspecciones en los colectores de

escape, en las que cualquier desigualdad de temperatura con respecto a

una referencia o incluso una diferencia muy grande entre colectores

evidencia problemas de combustión o de estanqueidad en el cilindro. Sin

embargo, aún cuando la temperatura de los gases de combustión en todos

los cilindros sea la misma, en el proceso de evacuación ésta (temperatura)

sufre variaciones como consecuencia de las fluctuaciones espacio-

temporales del flujo y el aumento de la cantidad de gases aguas abajo.

Componentes en rotación o movimiento, una aplicación con claras ventajas

es la posibilidad de diagnóstico en partes y elementos cuyo funcionamiento

implica movimiento, ya sea de traslación o de rotación. Un ejemplo práctico

es el análisis de ejes de transmisión articulado, en los cuales la mayoría de los

fallos se presentan por fricciones y rozamiento en las crucetas cardánicas,

siendo factible su detección a través del incremento de temperatura una vez

haya comenzado su operación.


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Figura 6.27: Correa d e transmisión, el calentamiento l ocalizado en el

conta cto de correa y polea d enuncia un fallo de tensión

Correa de transmisión, otro ejemplo con calentamiento de piezas por fricción

y rozamiento es el área de contacto entre correa de transmisión y polea, que

hace propicia una concentración térmica y un fallo a corto plazo, como

consecuencia de un impropio tensado de la misma.

Imágenes térmicas en régimen transitorio Una característica de los motores térmicos es la gran radiación térmica que produce,

provocando muchas veces que anomalías e incluso fallos severos sean imperceptibles

a una inspección termográfica. Esta situación se presenta cuando la variación

(incremento o disminución) de temperatura es influenciada o tiene poca incidencia

con la temperatura del área circundante, concretamente se puede hacer referencia a

componentes donde la energía reflejada es mucho mayor que la suya propia.

Haciendo que la transmisión de calor aumente rápidamente la temperatura en la

superficie analizada, camuflándose de esta manera la manifestación evidente de

anomalía en el síntoma.

Un posible diagnóstico para estos casos particulares se plantea mediante el estudio de

monitorizados transitorios en el sistema y ejecutados antes de su calentamiento. La

figura muestra la aplicación de la técnica a uno de estos casos, donde, al comienzo

de la inspección toda la superficie radiante de los paneles manifiesta un equilibrio.


Figura 6.28: Secuencia de imágenes termográficas en un transitorio cualitativo


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5.7.2 Monitorizado mediante firmas de magnitud o registro La magnitud en este caso es un escalar que se obtienen directamente de la variable

física quasi-estática medida, es decir, la temperatura. Así mismo debe entenderse que

es a este valor al que se le asignaran los límites de operación que permitirán durante las

inspecciones rutinarias detectar los fallos producidos eventualmente.

Los puntos de análisis representan el lugar donde que se realiza la lectura del

parámetro, constituyéndose en los síntomas de estudio al presentarse algún cambio en

la magnitud del parámetro. Su elección es importante, ya que a través de las

inspecciones proporcionan información del funcionamiento y permiten controlar la

evolución progresiva de alguna anomalía.

Es por estos motivos que se seleccionan puntos de referencia complementarios que

permitirán, con la utilización de la misma técnica, conocer que el motor ha conseguido

las situaciones prefijadas. Para el caso del motor Diesel se escoge como punto la

tubería de refrigerante que sale del motor, es conveniente tomar en cuenta las

siguientes consideraciones:

Para empezar la inspección la temperatura en la superficie externa de la

tubería de refrigerante debe llegar 50 ºC, de esta forma el motor habrá

alcanzado una condición de operación normal en cuanto a temperaturas y

presiones internas, principalmente en lubricantes y líquidos refrigerantes.

Se realizan dos termogramas del punto de referencia, uno al inicio y otro al

final de la inspección, esto para controlar el tiempo de ejecución y sobretodo

verificar la invariabilidad de las condiciones de operación.

De experiencias realizadas se ha podido comprobar que durante el tiempo

necesario para realizar la inspección la elevación de temperatura en el

refrigerante no presenta efecto importante sobre las condiciones de

monitorizado. Sin embargo, se considera conveniente adoptar un

incremento máximo de 5 ºC durante la realización de la inspección.


100%

79%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1Cinlindro o p unto

Tem

pera

tura

Firm aTé rmica

Te mpera turamed id a

Sa lt o Tér mic o

Figura 5.29: Metodología de diagnóstico basada en un “salto térmico” en el colector d el cilindro

y detectado mediante un “cambio térmico” de isotermas a lo largo del col ector

Monitorizado mediante firmas de Gráficos de evolución Este monitorizado se consigue a través de gráficos de análisis que utilizan la variación y

evolución entre dos parámetros como síntoma de diagnóstico. En la Termografía

Infrarroja el parámetro de variación ha quedado establecido en la temperatura a

medirse, y el otro parámetro puede ser considerado de dos formas:

Una evolución de posición que define el cambio de temperaturas del punto

analizado en función de sus alrededores o puntos siguientes, entendiéndose

que tendría un comportamiento similar al “Cambio Térmico” anteriormente

establecido. Aunque el análisis por las características de funcionamiento en

el motor es obligatorio, éstas han sido ya realizadas en este mismo capítulo

mediante los gráficos de detección para un estado Estacionario, y el

monitorizado de imágenes termográficas para estados Transitorios.

La evolución en el tiempo define un estudio transitorio, en este caso se

considerará el cambio de temperatura en cada punto de análisis

seleccionado y con una condición de funcionamiento transitoria en el motor

Diesel.

Determinación del punto y condiciones de análisis termográfico Al igual que en el apartado anterior los puntos de análisis y su determinación tienen

importancia singular, es por ello que para este tipo de monitorización se consideran los

mismos puntos y áreas, a propósito de poder determinar y controlar la evolución

progresiva de alguna posible anomalía.


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La condición de transitoriedad en el motor es conseguida mediante la variación en la

velocidad de giro del motor, desde ralentí hasta las máximas en forma rápida y

continua, mediante un golpe en el pedal de aceleración.

La respuesta térmica a este acelerón en los colectores de escape y en cada cilindro es

registrada por la cámara termográfica para posteriormente realizar el estudio de la

variación y evolución de temperatura. Es de resaltar la falta de sincronización entre el

comienzo del registro de imágenes y el comienzo de aceleración, para lo cual se debe

empezar a registrar antes del acelerón y dejar de grabar después del mismo.

Determinación de la Firma Térmica La base del diagnóstico considerada para este monitorizado será también el analizar

las desviaciones con respecto a una Firma Térmica de evolución, permitiendo que las

medidas detecten el fallo, donde se produce y su severidad. La figura mostrada a

continuación refleja las principales imágenes de una secuencia realizada para un

cilindro del motor Diesel instrumentado, donde a partir de los resultados obtenidos en

numerosas experiencias, ha sido posible establecer el diagrama de evolución para un

cilindro.

Figura 5.30 Análisis termográfico transitorio en el colector de escape


Figura 5.31: Secuencia de imágenes termográficas a manera de establecer una Firma

Térmica transitoria de evolución en el tiempo


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Del análisis de estas gráficas se observa que en cada transitorio efectuado puede

notarse una variación que aunque de forma irregular denota pulsaciones de pequeña

amplitud. Siendo más bien, que puedan ser consideradas como líneas constantes de

calentamiento por la baja dispersión de datos manifestada en el elevado coeficiente

de correlación.

El criterio de comparación más idóneo para la detección de fallos es la pendiente, que

en el establecimiento de la Firma Térmica de Evolución Transitoria es representado por

el promedio de pendientes obtenidas en cada inspección.

Para verificar la respuesta de este monitorizado ante un fallo se realizan inspecciones

transitorias sobre el motor Diesel, del análisis de las gráficas (normal vs anormal) puede

observarse que la detección del fallo por comparación de la respuesta transitoria, en el

diagrama de evolución por pendientes es mostrada en la figura, la misma permite

apreciar:

Figura 5.32: Gráficas de régimen transitorio bajo condiciones de funcionami ento

normal, para el establecimiento de la Firma Térmica d e evolución, en l os puntos de

análisis del cilindro Nº5 del colector de escape

90

95

100

105

110

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Tiempo ( s)

Tem

per

atur

a (º

C)B0416-02B0416-04B0419-03B0419-06B0424-02B0424-03B0424-05Promedio s in fallo


Figura 5.33: Comparación de respuestas transitorias para la detección de fallos

y = 0,81x + 99,1

y = 0,54x + 126,67

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 7 0 80 90 1 00Tiempo ( s)

Tem

pera

tura

(ºC

)

P romedio sin f alloP romedio con f alloTendenc ia SIN f alloTendenc ia C ON f allo

La diferencia de temperatura al inicio del transitorio ya detecta el fallo, tal como ha sido

expuesto en el monitorizado mediante firmas de magnitud. La pendiente de la

respuesta transitoria con el fallo de compresión es menor, indicando un calentamiento

de los gases más lento, así como también indicativo de que se produce el fallo y este

puede ser detectado mediante este monitorizado.

5.8 Aplicaciones de la Termografía Infrarroja El desarrollo de la termografía infrarroja ha sido muy rápido por estar estrechamente

ligado a la tecnología militar, se estima que cerca del 80 % de los desarrollos en el

mercado infrarrojo siguen siendo para aplicaciones militares. La utilización en el campo

industrial no es menos importante ya que abarca campos de aplicación muy diversos y

cada uno de ellos con características y condiciones especificas, por ello y de manera

muy general se reproducen dos tablas de reciente publicación que resumen estas

aplicaciones:


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Procedure a

BuildingsWalls assemblies, moisture evaluation, roofs, liquid level in tanks PWater emtrapent, fresco delamination A - PT

Components/proce ssesCarton sealing line inspection, automobile brake system effiency, he at dissipation of electronic modules, recycling process identification, welding process, printe d-circuits boards, glass industry (bottles, bulbs), metal (steel) casting

P

Aircraft structural component inspection, solder quality of electronics components, spot welding inspec tion A - PT

Degradation of EPROM (erasable progra mmable read-only memory) chips, paper struc ture (cockling)

A - SH

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

A - LT

D efect dete ction and characte rizationMe tal corrosion, crack detection, disbonding, impac t damage in carbom fiber-reinforced plastic (CFRP), turbine blades, subsurface defect characterization (depth, size, proprties) in composites, wood, metal,

A - PT

Defects in adhesive and spot-welded lap joint A - SHCrack identification, disbonding, impact damage in CFRP A - LTCoa ting wea r, fatigue test, closed-crack detection A -V T

MaintenanceBearings, fan and compresor, pipe lines, steam traps, refractory lining, rotating kilns, turbine blades, electr ic instalations, gas leaks

P

Medical - Vete rinaryThermal coronary angiography, allergen reactions, human breaks tumors, rheumatology, neuromusc ular disorders, soft-tissue injurie s

P

Blood vessel flow A - LTProperties

Glaze thickness on ceramics, c rush test investigation PThermophysical prope rties (diffusivity, etc), underalloyed and overalloyed phases in coa ting on steel, moisture, anisotropic materia l

A - PT

Thermal conductivity measurement in CFRP A - SHAdhesion stregth, anisotropic materia l charac te rization, coating thic kness in c eramics, depth profile of thermal conductivity or diffusivity, moisture

A - LT

Public servicesForest fire detection, people localiza tion in fires or at night, monitoring of road traffic , target detec tion (military) P

a For an explanation of abrev at ions, se e nex t table

Common Applications of TNDT ProceduresA pplications

Sourc e : A dapted from Ency clopedia of Materials (New York: Elservier, 2001), Table 1 in the article "Thermographytechniques for NDT" for X. Maldague.


Capabilities Limitations

All procedures (generally)Variable amis sivity

Cooling losses (convection/radiation causing perturbing constrast)Obsorption of infrared (IR) signalas by the atmosphere (especially for distances greater than a few meters )Difficult to get uniform heating (active procedures)

Transitory nature of thermal contrast requiring fast-recording IR camerasNeed of straight view ing corridor betw een IR camera and target

(although it could be folded through firs t surface mirrorsLimited cntrast and limited signal/noise ratio, causing fals e alarms (measurement of a few degrees above background at around 300 K )Observable defects generally shallow

P * Pasive thermographyWorks only if thermal contrast naturally present

A -PT * Active Pu lse ThermographyRequires apparatus to induce the pulsed thermal perturbationComputation of thermal contrast requires know ledge of an a priori defect-fre zone w ithin the field of viewInspection surface limited (ca. 0,25 m2 maximun)

A-SH * Active Step Heating Requires apparatus to induce the pulsed thermal perturbationRisk of overheating the specimen

A-LT * Active Loc-in Th ermography

Requires modulated thermal pertubationRequires observation for at least one modulation cycle (longer observation with respect to APT)Thickness of inspected layer under the surface related to the modulation frecuency (unknown defect depth might require multiple experimentations at different frequencies )

A-VT * Active VibrothermographyDifficult to generate mechanical loadingThermal patterns appear only at specific frequencies

Physical contact to induce thermal s timulation

Limitations and Capabilities of TNDT Procedures

Source : Adapted from Encyclopedia of Materials (New Yor k: Elserv ie r, 2001), Table 2 in the article "Ther mography techniques for NDT" for X.Maldague.

Procedure a

F as t, surface inspectionEase of deploymentO ne-side-only deploymentS afety (no harmful radiations)Ease of numerical thermal modelingEase of interpretations of thermogramsG reat versatility of applicationsS ometimes unique tool (corrosion around rivets)

N o interaction with specimenN o physical contact

N o physical contactQ uick (pulsed thermal stimulation: cooling or heating)P hase and modulation images available with frecuency proces sing (such as in pulsed phase thermography)Coating wear, fatigue test, closed-crack detection

N o physical contact

N o physical contactLarge surface inspected (a few square meter at a time)P hase and modulation images availableM odulated ultrasonic heating (for some applications, might require phys ical contact, bath inmers ion)

Closed cracks revealed


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Es importante mencionar también que los avances han permitido de la Termografía

Infrarroja el diagnóstico de enfermedades, desde alteraciones en el sistema simpático

hasta tumores cancerígenos de mama o en el cerebro. En la astronomía, que fue uno

de los primeros usos, ha permitido grandes descubrimientos mediante la observación

con potentes telescopios de muchas estrellas emiten en el campo del infrarrojo, como

también el cálculo de la temperatura del Universo. Muchos satélites han utilizado la

termografía infrarroja para realizar exploraciones del cielo, aumentando las fuentes

astronómicas catalogadas en un 70%.

TERMOGRAFIA

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