¿Qué es la Termografía infrarroja?

El principio de la termografía infrarroja se basa en el fenómeno físico de que cualquier cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto (- 273,15 °C) emite radiación electromagnética. Existe una clara correlación entre la temperatura de la superficie de un cuerpo y la intensidad y composición espectral de su radiación emitida. Al medir su intensidad de radiación, la temperatura de un cuerpo se puede determinar sin hacer contacto con él.

¿Cómo comenzó esta historia?

Fig.1 – El experimento de Herschel

En 1800, William Herschel realizó un experimento midiendo la temperatura de los colores del espectro visible. Descompuso la luz solar mediante un prisma y colocó termómetros en cada color del espectro visible (Fig.1). Los resultados mostraron un aumento en la temperatura desde el azul hacia el rojo. Pero  también observó una temperatura aún más alta justo más allá del extremo rojo del espectro visible, ¡Herschel había descubierto la luz infrarroja!

La luz infrarroja también se llama radiación de calor, ya que la radiación térmica de los cuerpos calientes se encuentra principalmente dentro de la región infrarroja. Cuanto más caliente está el objeto, más radiación infrarroja emite.

El espectro electromagnético

Fig.2 – El espectro electromagnético. Cortesía de Fluke

Definición de Luz infrarroja 

Luz invisible con longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 0,7 μm y 1.000 μm (1 mm). El límite inferior no está bien definido, ya que la capacidad de respuesta del ojo se reduce muy gradualmente en esa región espectral. Aunque la capacidad de respuesta, por ejemplo, a 0,70 μm ya es muy baja, incluso la luz de algunos diodos láser a longitudes de onda superiores a 0,75 μm, se puede ver si esa luz es lo suficientemente intensa. Tal luz puede ser dañina para el ojo, incluso si no se percibe como muy brillante. El límite superior de la región espectral infrarroja en términos de longitud de onda tampoco está definido con precisión; generalmente se entiende que es aproximadamente 1 mm.

El prefijo “infra” para referirse al infrarrojo, se debe a que es una radiación que se encuentra debajo de la luz roja en sus valores de frecuencia f = c/ λ.

Las diferentes regiones espectrales infrarrojas

Desafortunadamente, las definiciones de estos términos varían sustancialmente en la literatura. Pero nosotros vamos a adherir al diagrama del espectro electromagnético adoptado por Fluke, mostrado en la Fig.2, ya que en nuestra zona sus instrumentos son los más utilizados y son los que nosotros usamos en este tema.

1) La región espectral del infrarrojo cercano normalmente se entiende que oscila entre ≈ 0,7 μm y 1,3 μm. Los laser que emiten en esta región de longitud de onda son particularmente peligrosos para el ojo, ya que la luz infrarroja cercana se transmite y enfoca a la retina sensible de la misma manera que la luz visible, sin activar el reflejo protector de parpadeo. La protección ocular adecuada es muy importante.

2) El infrarrojo de onda corta se extiende de 1,3 μm a 4 μm. Esta región es relativamente segura para los ojos, ya que dicha luz se absorbe en el ojo antes de que pueda llegar a la retina. 

3) El infrarrojo medio (infrarrojo de onda media) oscila entre 4 μm y 8 μm. 

4) El infrarrojo de onda larga varía de 8 μm a 15 μm.

5) Le sigue el infrarrojo lejano, no indicado en la Fig.2, que se extiende desde 15 μm hasta 1.000 μm (1 mm), incursionando dentro de la región de las microondas.

La Ley de Stefan – Boltzman

La ley de Stefan-Boltzman relaciona el flujo de calor emitido por un cuerpo negro* con su temperatura. Fue enunciada empíricamente por el físico austríaco Joseph Stefan en 1879 y deducida teóricamente por el físico austríaco Ludwig Boltzmann en 1884.

Donde:

P: es la potencia en vatios, emitida por el cuerpo caliente.

A: es el área de la superficie que emite del cuerpo en m².

σ = 5,6703 x 10^-8  W/m² K⁴  (Es la constante de Boltzman)

T: es la temperatura en grados Kelvin del cuerpo.

e: es la emisividad del cuerpo. Para el cuerpo negro* es e = 1 y para los cuerpos reales tiene un valor entre 0 y 1.

*Recordemos la Definición de cuerpo negro:

Es un cuerpo o superficie ideal que absorbe completamente toda la energía radiante que recibe sin reflejar nada de ella y que irradia en todas las frecuencias con una distribución de energía espectral que depende de su temperatura absoluta.

Si el objeto caliente irradia energía a su alrededor más frío, a la temperatura T c, la potencia  neta emitida por el cuerpo toma la forma:

Las imágenes térmicas

La imagen térmica, también llamada termografía infrarroja, esencialmente significa  imágenes basadas en radiación térmica. Estas imágenes térmicas se obtienen mediante el uso de una cámara termográfica, tambié llamada cámara infrarroja. En algunos casos, se intenta obtener mapas de temperatura precisos, es decir, medir las temperaturas de las superficies de los objetos. En otros casos, la información cualitativa es suficiente, por ejemplo, para reconocer puntos calientes en algunos objetos, sin medir sus temperaturas.

Típicamente, la imagen térmica se aplica a objetos con temperaturas que no se desvían demasiado de la temperatura ambiente, por ejemplo, entre -50 ° C y +100 ° C.

Las imágenes tomadas con radiación infrarroja se pueden mostrar con una escala de grises, donde la apariencia se vuelve más brillante en los lugares con radiación más intensa.

Alternativamente, a menudo se usan colores falsos, con una escala de colores, que permite asociar los colores con las temperaturas. (Fig.3)

Fig.3 – Imagen infrarroja de una ventana en invierno, que exhibe temperaturas superficiales aumentadas en comparación con la pared aislada circundante, acompañada por una escala de colores con la temperatura asociada.

La resolución de las imágenes infrarrojas es a menudo bastante baja, porque los sensores infrarrojos no se pueden hacer con tantos píxeles como los de las cámaras fotográficas. Las cámaras térmicas simples pueden proporcionar una resolución* de solo 120 × 160 píxeles, por ejemplo. No obstante, Fluke dispone de cámaras infrarrojas, como las Ti401 PRO, Ti480 PRO, TiX501 and TiX580, con una resolución estandar de 640 x 480 (307,200 pixels).

Infrared spectral band: 7.5 μm to 14 μm (long wave), según las especificaciones mostradas en el siguiente link: https://dam-assets.fluke.com/s3fs-public/6012099a-en-ti401-tix501-ds-w.pdf?lL9b8ezj.RP56TUS0Zu2DVP_bVjGiTze

La zona del espectro radioeléctrico, dela Fig.2, sombreada de color gris, e indicada con la leyenda “Thermal”, es la zona en que operan las cámaras termográficas. Observe, por ejemplo, las especificaciones técnicas del link anterior y podrá ver que las cámaras cumplen con esta característica.

Las ondas más cortas del infrarrojo cercano, indicado en la Fig.2 como “Near Infrared”, que están más cerca de la luz visible en el espectro electromagnético, no emiten calor detectable y son las que se usan en el control remoto de un televisor para cambiar los canales. En la Fig.4 se muestra el espectro de emisión infrarroja de un control remoto de televisión.

Fig.4 – Espectro de emisión infrarroja de un control remoto de un televisor

* La resolución del detector indica el número de píxeles del detector en la cámara. Más píxeles, significa mayor resolución.

Funcionamientode una cámara termográfica (Traducción textual desde FLIR System)*

En la Fig.5 se muestra la imagen de una cámara termográfica.

La energía infrarroja (A) proveniente de un cuerpo es enfocada por la óptica (B)** en un detector infrarrojo (C). El detector envía la información a la plaqueta electrónica del sensor (D)*** para el procesamiento de imágenes, traduciendo los datos provenientes del detector a una imagen (E) que se puede ver en el visor, o en un monitor de video estándar, o pantalla LCD.

Fig.5 – Imagen de una cámara termográfica Flir – system

La termografía infrarroja es el arte de transformar una imagen infrarroja en una radiométrica****, lo que permite leer los valores de temperatura de la imagen. Por lo tanto, cada píxel en la imagen radiométrica es, de hecho, una medición de temperatura. Para hacer esto, se incorporan algoritmos complejos en la cámara termográfica. Esto hace que la cámara termográfica sea una herramienta perfecta para aplicaciones industriales. (Fig.6)

Fig.6 – El objeto real y la imágen radiométrica

* FLIR Systems es la empresa comercial más grande del mundo especializada en el diseño y producción de cámaras de imagen térmica, componentes y sensores de imagen. Con sede en Wilsonville, Oregón, Estados Unidos y fundada en 1978, la compañía fabrica cámaras térmicas y componentes para una amplia variedad de aplicaciones comerciales y gubernamentales. FLIR tomó su nombre del acrónimo de “Infrared con visión de futuro” (forward-looking Infrared).  La empresa creció entre 1978 y 2004 a través del desarrollo de productos y adquisiciones de compañías relacionadas. Originalmente con sede en Tigard, Oregon,  la compañía se mudó a  Portland a mediados de la década de 1990.  FLIR se asoció con Hughes Aircraft Company en 1990, con Hughes como propietario de FLIR. 

** Una gran diferencia con las cámaras ópticas es que las lentes de enfoque no pueden estar hechas de vidrio, ya que el vidrio bloquea la luz infrarroja de onda larga. Típicamente, el rango espectral de la radiación térmica es de 7 a 14 μm. Se deben utilizar materiales especiales como germanio, fluoruro de calcio, silicio cristalino o vidrios de calcogenuro de tipo especial recientemente desarrollados. A excepción del fluoruro de calcio, todos estos materiales son bastante duros y tienen un alto índice de refracción (para germanio n = 4), lo que conduce a una reflexión de Fresnel muy alta de las superficies no recubiertas (hasta más del 30%). Por esta razón, la mayoría de las lentes para cámaras térmicas tienen recubrimientos antirreflectantes. El mayor costo de estas lentes especiales es una de las razones por las que las cámaras termográficas son más costosas.

*** Un sensor de imagen o generador de imágenes es un sensor que detecta y transmite información utilizada para crear una imagen.  Lo hace convirtiendo la atenuación variable de las ondas de luz (a medida que pasan a través de los objetoso o se reflejan en ellos) en señales, pequeñas ráfagas de corriente que transmiten la información. Las ondas pueden ser ligeras u otras radiaciones electromagnéticas. Los sensores de imagen se utilizan en dispositivos de imagen electrónicos tanto analógicos como digitales, que incluyen cámaras digitales, módulos de cámara, dispositivos de mouse óptico, equipos de imágenes médicas, equipos de visión nocturna como dispositivos de imágenes térmicas, radar , sonar y otros. A medida que la tecnología cambia, las imágenes electrónicas y digitales tienden a reemplazar a las imágenes químicas y analógicas.

**** Las imágenes JPEG radiométricas tienen datos de temperatura incrustados en cada píxel y se pueden analizar con el software FLIR Tools.

Cómo funcionan las cámaras infrarrojas (Traducido de Fluke – textual)

Fig.7 – Imagen esquemática de una cámara Fluke (Cortesía de Fluke)

Todos los objetos emiten energía infrarroja, conocida como la “firma de calor”. Una cámara infrarroja (también conocida como cámara termográfica) detecta y mide la energía infrarroja de los objetos. La cámara convierte esos datos infrarrojos en una imagen electrónica que muestra la temperatura aparente de la superficie del objeto que se está midiendo.

Una cámara infrarroja contiene un sistema óptico que enfoca la energía infrarroja en un chip detector especial (matriz de sensores) que contiene miles de píxeles detectores dispuestos en una cuadrícula*.

Cada píxel en la matriz de sensores reacciona a la energía infrarroja enfocada en él y produce una señal electrónica. El procesador de la cámara toma la señal de cada píxel y le aplica un cálculo matemático para crear un mapa de color de la temperatura aparente del objeto. A cada valor de temperatura se le asigna un color diferente. La matriz de colores resultante se envía a la memoria y a la pantalla de la cámara como una imagen de temperatura (imagen térmica) de ese objeto.

Muchas cámaras infrarrojas también incluyen una cámara de luz visible que captura automáticamente una imagen digital estándar con cada pulsación del gatillo. Al combinar estas imágenes, es más fácil correlacionar áreas problemáticas en su imagen infrarroja con el equipo o área real que está inspeccionando.

La tecnología IR-Fusion® (exclusiva de Fluke) combina una imagen de luz visible con una imagen térmica infrarroja con alineación de píxel por píxel. Puede variar la intensidad de la imagen de luz visible y la imagen infrarroja para ver más claramente el problema en la imagen infrarroja, o ubicarlo dentro de la imagen de luz visible.

Más allá de las capacidades básicas de imágenes térmicas, puede encontrar cámaras infrarrojas con una amplia gama de características adicionales que automatizan funciones, permiten anotaciones de voz, mejoran la resolución, graban y transmiten videos de las imágenes, y admiten análisis e informes.

*Una foto digital está formada por una serie de píxeles (elementos de imagen). La mayoría de las fotos digitales de hoy en día utilizan un sistema "RGB de 24 bits" para colorear cada píxel. Esto significa que cada píxel tiene una graduación de 256 colores de rojo, verde y azul. Por ejemplo, el color naranja es 255 Rojo, 102 Verde y 0 Azul y el rosa claro es 255 Rojo, 153 Verde y 204 Azul. Este sistema puede producir 16 millones de colores que se aproximan a lo que el ojo humano puede percibir.

Aplicaciones

1) Cuando el aislamiento térmico se vuelve defectuoso, los técnicos de construcción de edificios pueden ver fugas de calor para mejorar la eficiencia del aire acondicionado de refrigeración o calefacción.

2) Algunas actividades fisiológicas, en particular las respuestas como la fiebre, en seres humanos y otros animales de sangre caliente, también se pueden controlar con imágenes termográficas (Fig.8).

Fig.8 – Las pezuñas calientes de

una vaca indican que el animal está

enfermo.

3)  Estas cámaras permiten a los bomberos ver áreas de calor a través del humo y la oscuridad.

4) Una de las aplicaciones comunes de la imagen térmica en energía eléctrica, es el examen de los transformadores de potencia (Fig.9). Se pueden examinar en condiciones normales de trabajo. Muchos defectos son más visibles cuando el transformador no está apagado, como el sobrecalentamiento o las piezas frías, que serían más difíciles de encontrar con los métodos de inspección normales.

La imagen infrarroja (Fig.10) muestra la pared del transformador con los radiadores. Se puede ver un radiador frío en la parte inferior izquierda, posiblemente debido a una bomba defectuosa. Esto podría ser un problema grave ya que la capacidad del transformador se reduce y otros radiadores funcionarán por encima de su temperatura de trabajo nominal.

Fig.9 – Imagen de un transformador de alta tensión

Fig.10 – Radiadores del transformador de la Fig.9, vistos por una cámara termográfica.

La imagen térmica encuentra su mejor aplicación en inspecciones de aisladores y pararrayos. Durante las condiciones normales de funcionamiento, sus pruebas serían peligrosas y la desconexión de la línea o de la instalación completa, sería muy costosa (Fig.11).

Fig.11 – Inspección de una línea de alta tensión

Inspeccionar un tablero de baja tensión (380V/220) permite detectar terminales flojos y el calentamento que eso produce (Fig.12)

Fig.12 – En un tablero, un  punto caliente puede indicar un cortocircuito o mal contacto que potencialmente puede iniciar un incendio.

Fig.11 – Motor eléctrico con problemas en elbobinado imterno

Ventajas y Desventajas del mantenimiento con imágenes térmicas

Ventajas

• Obtiene una imagen visual para poder comparar temperaturas en un área grande.

• Es en tiempo real capaz de observar objetivos en movimiento.

• Capaz de encontrar componentes deteriorados antes de la falla.

• Medición en áreas inaccesibles o peligrosas por otros métodos.

• Es un método de prueba no destructivo.

Desventajas

• Las cámaras son caras y se dañan fácilmente.

• Las imágenes pueden ser difíciles de interpretar con precisión, incluso con experiencia.

• Las mediciones precisas de temperatura son muy difíciles de realizar debido a las emisividades.

• La mayoría de las cámaras tienen una precisión de ± 2% o peor (no tan precisas como con contacto).

• La capacitación y el dominio del escaneo infrarrojo lleva mucho tiempo

• La capacidad de medir solo áreas de superficie. Las imágenes térmicas requieren habilidades especiales del personal de servicio. Las personas designadas para usarlo deben recibir capacitación en cursos especiales, para obtener el conocimiento adecuado sobre las condiciones de trabajo de las cámaras, los materiales del equipo investigado y la imagen térmica en sí.

Un personal bien entrenado y una cámara de alta calidad son imprescindibles para obtener buenas imágenes.

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