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)
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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.
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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).
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.
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Fig.4
– Espectro de emisión infrarroja de un control remoto de un televisor
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* 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.
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Fig.5
– Imagen de una cámara termográfica Flir – system
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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)
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Fig.6
– El objeto real y la imágen radiométrica
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*
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)
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Fig.7
– Imagen esquemática de una cámara Fluke (Cortesía de Fluke)
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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).
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Fig.8
– Las pezuñas calientes de
una
vaca indican que el animal está
enfermo.
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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.
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Fig.9
– Imagen de un transformador de alta tensión
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Fig.10
– Radiadores del transformador de la
Fig.9, vistos por una cámara termográfica.
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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).
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Fig.11 – Inspección de una línea de alta tensión
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Inspeccionar un tablero de baja tensión (380V/220) permite detectar
terminales flojos y el calentamento que eso produce (Fig.12)
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Fig.12
– En un tablero, un punto caliente puede
indicar un cortocircuito o mal contacto que potencialmente puede iniciar un
incendio.
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Fig.11
– Motor eléctrico con problemas en elbobinado imterno
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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.
