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Equation Chapter 1 Section 1 Autor: Francisco Javier Rodríguez Atienza Tutor: Pedro Luis Cruz Romero Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Autor: Francisco Javier Rodríguez Atienza Tutor: Pedro Luis Cruz Romero Profesor Titular Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Proyecto Fin de Carrera: Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Autor: Francisco Javier Rodríguez Atienza Tutor: Pedro Luis Cruz Romero El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii A mis familiares A mis amigos ix Agradecimientos Después de unos duros años de sacrificio, esfuerzo y mucho tiempo invertido, agradecer a todas las personas que me han acompañado hasta este momento y que me han ayudado a avanzar y a crecer. Gracias a todas aquellas personas que han aguantado mis momentos de saturación, de frustración y de agobio, que han sido muchos. Pero también gracias por haber estado ahí para compartir las alegrías y disfrutarlas conmigo. A todas y cada unas de esas personas os doy las gracias de corazón porque sin vosotros nada de esto hubiera sido posible. Especial mención para mis padres, quienes siempre me han ayudado en todo lo que he necesitado y me han dado todas las facilidades necesarias para llegar hasta este momento, enseñándome a ser la persona que soy. Para mis amigos, quienes han sabido ayudarme a desconectar siempre que ha sido necesario y quienes han disfrutado de todas mis tonterías. Y para mis profesores, quienes me han enseñado desde lo más insignificante hasta lo más complejo. Por último, me hubiese encantado que mis abuelas hubiesen podido estar conmigo para compartir este momento y que viesen en quien me he convertido. Por todo el amor que me han dado, mi agradecimiento también va para ellas. Francisco Javier Rodríguez Atienza Sevilla, 2020 xi Resumen Hoy en día, el uso de la termografía está cada vez más extendido. La utilización de cámaras termográficas, mayormente en procesos industriales, está a la orden del día ya que fundamentalmente ayuda a descubrir averías y deterioros de sistemas inapreciables para el ojo humano además de prevenirlas. La termografía funciona midiendo la temperatura de las superficies, pero ¿puede medirse la temperatura de un flujo de aire gracias al uso de la termografía? El presente TFG se centra en el análisis de la temperatura de flujos de aire gracias al uso de una cámara termográfica y de una pantalla emisiva para comprobar si se puede conocer el campo de temperaturas que posee un determinado caudal de aire proveniente de un sistema eléctrico. La estructura del TFG consta de tres partes. La primera consiste en una introducción a la termografía, desde su descubrimiento hasta sus múltiples utilidades en la actualidad. La segunda parte son los ensayos realizados con la cámara termográfica para ver si se puede conocer el campo de temperaturas de un flujo de aire. Y, por último, se han analizado los resultados obtenidos de los ensayos y se ha elaborado unas conclusiones gracias a la información que dichos resultados han aportado. xiii Abstract Nowadays, the use of thermography is increasingly widespread. The use of thermographic cameras, mainly in industrial processes, is very present today as it fundamentally helps to discover faults and deteriorations of systems that are invaluable to the human eye as well as preventing them. Thermography works by measuring the temperature of surfaces, but can the temperature of an air flow be measured using thermography? This TFG focuses on the analysis of the temperature of air flows thanks to the use of a thermographic camera and an emissive screen to check whether the range of temperatures that a given flow of air from an electrical system has can be measured. The structure of the TFG has three parts. The first one consists of an introduction to thermography, from its discovery to its many uses today. The second part is the tests carried out with the thermal imager to see if the temperature field of an air flow can be known. And finally, the results obtained from the tests have been analyzed and conclusions have been drawn thanks to the information that these results have provided. xv Índice Agradecimientos ix Resumen xi Abstract xiii Índice xv Índice de Tablas xvii Índice de Figuras xix Notación xxi 1 Introducción 1 1.1. Objetivos 1 2 La termografía 3 2.1. Historia de la termografía 3 2.2. Aplicaciones de la termografía 8 2.3. Futuro de la termografía 20 3 Cámara termográfica Fluke TiS50, 220x165 pixel, 9 Hz, enfoque fijo 0.45m. 21 3.1. Funcionamiento y características 21 3.2. Software SmartView 26 3.2.1. Instalación 26 3.2.2. Características 29 3.3. Pruebas iniciales con la cámara 30 3.2.1. Infraestructura usada en las pruebas iniciales 31 4 Aplicación de la termografía infrarroja en la observación y medición de caudales de ventilación 33 4.1. Ensayos 33 4.1.1. Infraestructura usada en los ensayos 33 4.1.2. Descripción de la instalación experimental 36 4.1.3. Comportamiento térmico del flujo de ventilación 36 4.1.4. Análisis de los resultados 41 5 Conclusiones 45 6 Bibliografía 47 7 ANEXO 49 7.1 Ficha técnica cámara termográfica Fluke TiS50 49 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3–1 Tipos de medida y rango de temperaturas. 32 Tabla 4-1. Temperaturas, en ºC, obtenidas del ensayo a 20 ºC con la cartulina negra. 38 Tabla 4-2. Temperaturas, en ºC, obtenidas del ensayo a 25 ºC con la cartulina negra. 39 Tabla 4-3. Temperaturas obtenidas del ensayo a 20 ºC con el cartón 40 xix ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración2-1. Termografía de una casa. 3 Ilustración 2-2. Ensayo de Newton. 4 Ilustración 2-3. Ensayo de Herschel. 4 Ilustración 2-4. Ejemplo de bolómetro. 5 Ilustración 2-5. Microbolómetro estándar. 7 Ilustración 2-6. Espectro electromagnético. 8 Ilustración 2-7. Distribución de la energía infrarroja emitida frente al espectro electromagnético. 9 Ilustración 2-8. Imagen térmica tomada por un dron de un aerogenerador. 11 Ilustración 2-9. Imagen térmica e imagen real del foco de un incendio. 12 Ilustración 2-10. Control de la temperatura de los pasajeros mediante una cámara térmica. 12 Ilustración 2-11. Detección y evolución de un cáncer de mama visto por imágenes térmicas. 14 Ilustración 2-12. Imagen térmica de una torre de alta tensión. 15 Ilustración 2-13. Patrón de una mala conexión, localizado, y de una sobrecarga, a lo largo del cable. 16 Ilustración 2-14. Problema de lubricación en rodamiento. 17 Ilustración 2-15. Imagen térmica de una cinta transportadora. 17 Ilustración 2-16. Sobrecalentamiento de un compresor. 18 Ilustración 2-17. Corrosión bajo aislamiento de una tubería. 19 Ilustración 2-18. Pérdida de calor por la pared de un edificio. 20 Ilustración 3-1. Cámara termográfica Fluke TiS50. 21 Ilustración 3-2. Esquema de una cámara termográfica. 22 Ilustración 3-3. Esquema con las variables para el cálculo del FOV. 22 Ilustración 3-4. Esquema estándar de un sensor FPA. 23 Ilustración 3-5. Esquema con las variables para el cálculo del IFOV. 24 Ilustración 3-6. Fusión de la imagen infrarroja y de luz visible. 25 Ilustración 3-7. Diversas combinaciones de fusión de la imagen térmica y de luz visible. 25 Ilustración 3-8. Acceso a todas las descargas de software de Fluke. 27 Ilustración 3-9. Acceso a la descarga de SmartView. 27 Ilustración 3-10. Primer paso del instalador de Smartview. 27 Ilustración 3-11. Instalador Wizard. 28 Ilustración 3-12. Ventana inicial del programa SmartView. 38 Ilustración 3-13. Ventana inicial del programa SmartView ya con la cámara conectada y subrayado en negro el icono de esta. 29 Ilustración 3-14. Imagen termográfica de una mano con las temperaturas escaladas. 30 Ilustración 3-15. Imagen termográfica de un grifo expulsando agua caliente. 31 Ilustración 3-16. Termómetro PCE-666. 31 Ilustración 4-1. Cartulina negra. 34 Ilustración 4-2. Aire acondicionado Hisense modelo AUD71UX4RFCL4. 34 Ilustración 4-3. Rejilla de ventilación. 35 Ilustración 4-4. Caja de cartón plegada. 35 Ilustración 4-5. Esquema de la realización del ensayo. 36 Ilustración 4-6. Termograma del ensayo a 20 ºC, con la cartulina negra y mínimo caudal. 37 Ilustración 4-7. Termograma del ensayo a 20 ºC, con la cartulina negra y caudal medio. 37 Ilustración 4-8. Termograma del ensayo a 20 ºC, con la cartulina negra y máximo caudal. 37 Ilustración 4-9. Termograma del ensayo a 26 ºC, con la cartulina negra y caudal mínimo. 38 Ilustración 4-10. Termograma del ensayo a 26 ºC, con la cartulina negra y caudal medio. 38 Ilustración 4-11. Termograma del ensayo a 26 ºC, con la cartulina negra y caudal máximo. 39 Ilustración 4-12. Termograma del ensayo a 20 ºC, con el cartón y mínimo caudal. 39 Ilustración 4-13. Termograma del ensayo a 20 ºC, con el cartón y caudal medio. 40 Ilustración 4-14. Termograma del ensayo a 20 ºC, con el cartón y máximo caudal. 40 Ilustración 4-15. Ensayo para determinar la capacidad de adherencia de la temperatura que tiene la cartulina negra. (1ª imagen tras estar 10 s expuesta al aire, 2ª imagen 3 s después de retirarla del aire y 3ª imagen 10 s después de retirarla del aire). 43 Ilustración 4-16. Ensayo para determinar la capacidad de adherencia de la temperatura que tiene el cartón. (1ª imagen tras estar 10 s expuesta al aire, 2ª imagen 3 s después de retirarla del aire y 3ª imagen 10 s después de retirarla del aire). 43 xxi Notación ºC Grados Centígrados s Segundos K Grados Kelvin µm Micrómetros € Euros W Watios m Metros P Potencia I Intensidad R Resistencia cm Centímetros Hz Hercio mK Milikelvin GB Gigabytes ms Milisegundos mm Milímetros ºF Grados Fahrenheit Frig/h Frigorías por hora Kcal/h m³/min Kilocalorías por hora Metros cúbicos por minuto 1 INTRODUCCIÓN En la actualidad, la termografía es una herramienta capaz de aportar una gran cantidad de información referente a cualquier tipo de sistema o elemento mediante la captura termográfica de superficies. El poder realizar dichas capturas tiene una infinidad de ventajas y usos, que veremos posteriormente, las cuales nos facilitan poder resolver tanto errores de montaje como fallos mecánicos, pasando por conexiones defectuosas entre otros. Las cámaras termográficas representan la temperatura de los objetos fotografiados, pero… ¿podrían dichas cámaras representar la temperatura de los fluidos? El profesor Fernández Gutiérrez, perteneciente al Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos de la Universidad de Málaga, ha realizado diversos ensayos experimentales para tratar de cuantificar la temperatura de flujos de aire a baja velocidad. Obteniendo como resultado la visualización de las venas de aire al comienzo de la impulsión y la medición de la temperatura del aire en cualquier punto del flujo con una precisión de ± 2º C. Para ello hizo uso de una pantalla de alta emisividad cuya función fuese la de actuar como una superficie con comportamiento térmico de acción inmediato, para permitir así la medición de las temperaturas con la mayor precisión posible, y de una cámara termográfica con una resolución de 320 x 240 píxeles. [1] 1.1 Objetivo Tras el éxito logrado por el profesor Fernández Gutiérrez, el principal objetivo de este trabajo es el de tratar de conseguir visualizar la temperatura del aire a lo largo del flujo saliente de una rejilla de ventilación conectada a un aire acondicionado mediante el uso de la cámara termográfica Fluke Tis50, con una resolución de 220x165 píxeles, junto con la ayuda de una pantalla de alta emisividad. Para llevarlo a cabo, se ha hecho uso de un aire acondicionado centralizado de hogar y se han utilizado dos tipos de pantalla, por un lado, una cartulina de color negro, y por otro, un cartón, ambos de medidas similares, 0.65x0.50 metros aproximadamente. Con estos elementos se han llevado a cabo diversos ensayos, primero con el aire acondicionado a 20 ºC, se han puesto de manera paralela al flujo primero la cartulina negra y luego el cartón, para ver la diferencia entre las medidas que se obtenían tras la realización de los dos experimentos. También se dispuso el aire acondicionado a 25 ºC y solo se usó como pantalla la cartulina negra de tal forma que, comparando los resultados obtenidos de este experimento junto con los obtenidos en el primero con la cartulina negra, se pueda ver la diferencia que hay si la temperatura es más alta y parecida en gran medida a la temperatura ambiente. Tras la realización de estos ensayos se han analizado los resultados obtenidos que han quedado reflejados en las imágenes termográficas y en las tablas en las que han quedado recogidos todos los valores numéricos. Por último, se ponen de manifiesto las conclusiones obtenidas tras analizar todos los datos recogidos en los ensayos y también al final del documento se recogen las especificaciones técnicas de la cámara termográfica que se ha usado en este trabajo y ha sido prestada por la Universidad de Sevilla. Introducción 2 2 LA TERMOGRAFÍA Se define termografía como la ciencia que permite obtener, analizar y visualizarpatrones de temperatura de objetos obtenidos mediante dispositivos de adquisición de imágenes térmicas a distancia, a través de la radiación de onda que emiten en el espectro infrarrojo. Por ello se le conoce como termografía infrarroja. Esta radiación es emitida por la superficie de los cuerpos debido a que se encuentran a una temperatura superior al 0 absoluto (0 K = - 273,15 ºC), hecho que afortunadamente ocurre siempre y que es captado mediante cámaras termográficas, cuya función es convertir dicha información en imágenes cuyos puntos representan temperaturas referenciadas mediante una paleta de colores. [2] Se muestra en la Ilustración 2-1 una imagen obtenida mediante una cámara térmica: Ilustración 2-1. Termografía de una casa. [3] 2.1 Historia de la termografía Antes de la primera década del Siglo XIX no se conocían ni el término infrarrojo ni la región infrarroja del espectro electromagnético. Fue Sir Friedrich Wilhelm Herschel, astrónomo real del rey Jorge III y músico alemán, quien hizo este magnífico descubrimiento en su afán por saber cuánto calor atravesaba los distintos filtros de color que empleaba para reducir el brillo del sol. Filtros que usaba para poder hacer observaciones de la luz solar. Mediante el ensayo de prisma de Newton, observó que los filtros dejaban pasar diferente cantidad de calor en función del color, así pensó que los colores debían tener temperaturas distintas. La termografía 4 Este ensayo de Newton consistía en hacer pasar la luz solar a través de un prisma de forma que, al penetrar la luz por una de las caras del prisma, esta se refracta hasta descomponerse en diferentes colores, debido a que el grado de separación varía en función de la longitud de onda de cada color. Los prismas actúan de este modo porque la luz, al cambiar de medio entre el aire y el cristal, cambia de velocidad. Una vez diferenciados los colores, si volvemos a hacerlos pasar por un prisma, obtendremos de nuevo luz blanca. Hecho que demuestra que el prisma en ningún momento aporta color ni lo altera, sólo separa los que están presentes en el rayo de luz original. [4] Ilustración 2-2. Ensayo de Newton. [5] Haciendo uso de estos conocimientos, Sir William Herschel hizo pasar luz solar directamente a través de un prisma de cristal para crear un espectro y medir la temperatura de cada color. Para cada color del espectro, utilizó tres termómetros con focos ennegrecidos, y también situó varios en la sala donde se encontraba, fuera de los rayos solares, para usarlos como referencia. Al medir las temperaturas individuales de la luz violeta, azul, verde, amarilla, naranja y roja, observó que todas eran mayores que los valores de control. Descubrió que dichas temperaturas crecían en progresión desde la parte del violeta hacia la del rojo. Tras revelar este patrón, Herschel midió la temperatura del punto inmediatamente más allá de la porción roja del espectro, en una región sin luz solar visible, y para su sorpresa, vio que esa región era la que mostraba la temperatura más alta. Ilustración 2-3. Ensayo de Herschel. [6] 5 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Cuando Herschel reveló su descubrimiento, llamó a esta porción del espectro electromagnético como espectro termométrico, haciendo referencia a la radiación que también se conocía como calor oscuro o rayos invisibles. No fue el astrónomo alemán el que originó el término infrarrojo, esta palabra comenzó a aparecer alrededor de 75 años después. El experimento de Herschel fue muy importante ya que era la primera vez que alguien demostraba empíricamente que había tipos de luz no visibles al ojo humano. Lo que había descubierto era una forma de luz más allá de la roja, hoy conocida como radiación infrarroja. [7] Posteriormente, su hijo Sir John Herschel, continuó investigando en torno a la posibilidad de captar esa “radiación invisible”. Basándose en la evaporación diferencial de una película delgada de aceite cuando se expone a un patrón de calor enfocado en él, consiguió que la imagen térmica se pudiese ver por la luz reflejada debido a que las interferencias de la película de aceite conseguía que la imagen fuese visible al ojo humano. Con esto logró obtener un registro de la imagen térmica en papel, consiguiendo así el primer termograma conocido, al que llamó termógrafo. Tras este hallazgo, se siguió investigando en torno a la radiación y vino de la rama tecnológica militar el siguiente gran descubrimiento. El bolómetro es un instrumento capaz de medir la cantidad total de radiación electromagnética proveniente de un objeto en todas las longitudes de onda. Fue inventado por Samuel Pierpont Langley, astrónomo estadounidense, en torno al año 1878. El primer bolómetro ideado por Langley estaba formado por un par de tiras de platino cubiertas con negro de carbón, material obtenido por la combustión incompleta de productos derivados del petróleo. Las tiras estaban dispuestas formando un puente de Wheatstone (circuito eléctrico utilizado para medir resistencias mediante el equilibrio entre brazos del sistema constituido por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado) equipado con un galvanómetro con alta sensibilidad conectado a una batería, exponiendo una de las tiras a la radiación mientras que la otra queda protegida. La radiación electromagnética calienta la tira expuesta sobre la que incide, modificando así su resistencia. Es decir, un bolómetro consiste en un cuerpo absorbente de calor que está conectado a un objeto mantenido a temperatura constante a través de un material aislante. Por ello, cualquier radiación que sea absorbida por el detector, aumenta su temperatura por encima de dicho objeto que actúa como referencia. De forma que, cuando se expone un bolómetro a radiación electromagnética, la temperatura del conductor absorbedor aumenta respecto al resto del dispositivo. Conforme ocurre este cambio, la conductividad eléctrica del absorbedor va disminuyendo, modificando por tanto el flujo de la corriente de polarización. Este cambio que se produce en el voltaje es medido por un voltímetro y, como el cambio que se ha producido ha sido debido a la radiación incidente, podemos usar el dispositivo como un sensor. [8][9] Ilustración 2-4. Ejemplo de bolómetro. [10] La termografía 6 Un par de años más tarde, el bolómetro de Pierpont Langley fue mejorado considerablemente y fue capaz de detectar la radiación proveniente de una vaca situada a un cuarto de milla, instrumento que permitió detectar a su vez un amplio espectro de radiaciones. Hubo que esperar hasta el año 1929 para que se tuviese la capacidad de tomar imágenes térmicas. Fue gracias al físico húngaro Kálmán Tihanyi que consiguió inventar la primera cámara de televisión electrónica sensible al infrarrojo, que se usó para la defensa antiaérea en Gran Bretaña. Esta cámara, denominada el evaporógrafo, fue el primer dispositivo capaz de convertir una imagen infrarroja en una imagen visible mediante evaporación diferencial o condensación de aceite en una membrana delgada. Este proceso de imagen térmica tenía varios elementos. El primero es un lente de germanio que es la que capta la radiación infrarroja y a su vez la enfoca para formar una imagen. El segundo elemento es el detector, que consiste en una membrana muy delgada de nitrocelulosa colocadaen el plano de la imagen. Además, la superficie frontal estaba recubierta de una capa muy fina de negro dorado para poder absorber mejor la radiación, y posteriormente la membrana estaba colocada en un recinto para evacuar aire. La irradiancia en la membrana, debida a la imagen enfocada por la lente de germanio, se absorbía para producir un efecto de calentamiento formando así una reproducción térmica de la imagen infrarroja. Fue ya a mediados del siglo XX cuando se empezaron a desarrollar los primeros sistemas infrarrojos, que estaban compuestos por varias unidades modulares de gran tamaño que formaban conjuntos pesados y eran laboriosos de manejar. El elemento usado como sensor era una aleación de varios elementos tales como el HgCdTe (teluro de mercurio-cadmio, material semiconductor) que, mediante el efecto fotoeléctrico, al incidir la radiación infrarroja en él, producían una señal eléctrica. Este sistema tenía un inconveniente y era el sobrecalentamiento del sensor, por lo que se necesitaba un sistema de refrigeración, que evolucionó desde los ciclos de Stirling mediante nitrógeno líquido, hasta la refrigeración termoeléctrica mediante células perltier (bomba de calor activa de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro). [5] Tras esta sucesión de descubrimientos e investigaciones fundamentalmente militares, en el año 1958 se desarrolló en Suecia la primera cámara térmica para aplicaciones militares por la empresa llamada AGA Borfost, actualmente conocida como FLIR Systems. Esta cámara fue de gran utilizad ya que permitía ver a través de la niebla, de la lluvia y de la nieve. También era capaz de ver a través del humo lo cual hizo que aumentara su interés para usos militares y que, tras este hallazgo, se indagara más en profundidad si cabe sobre la termografía y sus usos en la batalla. [7] Posteriormente, en el año 1965 se vendió la primera unidad para aplicación industrial destinada para la inspección de líneas de alta tensión, siendo este mismo año cuando se lanzó al mercado un escáner comercial. Hasta 1973 no fue cuando se introdujo la primera cámara infrarroja que pudiese considerarse portátil, hecho que no quitaba que el sistema fuese muy voluminoso y de gran peso. La tecnología utilizada en aquel momento requería llenar la cámara de nitrógeno líquido a unos cerca de -200 ºC para refrigerar el detector de infrarrojos que estaba integrado en el sistema, haciéndolos aparte de más voluminosos, muy caros. Con la finalidad de tratar de solventar este problema, las compañías Philips y English Electronic Valve (EEV) desarrollaron el tubo de vidrio piroeléctrico, que se convirtió en el núcleo de un nuevo producto para combatir incendios, utilizado por primera vez por la Royal Navy para combatir incendios a bordo. Un detector piroeléctrico es un componente optoelectrónico sensible al infrarrojo utilizado para detectar la radiación electromagnética en un rango de longitud de onda desde los 2 µm hasta los 14 µm. Ya en 1978, el grupo de investigación y desarrollo de la empresa Raytheon, entonces parte de Texas Instruments, patentó detectores infrarrojos ferroeléctricos que usaban titanato de bario y estroncio, conocido como BST, que es el material que recubre el sensor de la cámara termográfica. También ese año, FLIR se fundó como una compañía proveedora de sistemas de imágenes infrarrojas instalados en vehículos para su uso en la realización de auditorías energéticas. Tiempo después se expandiría a otras aplicaciones y mercados para la tecnología de imágenes térmicas, incluidas las cámaras térmicas estabilizadas para aviones y sistemas de imágenes térmicas para uso en seguridad terrestre, búsqueda y rescate. Raytheon demostró por primera vez la tecnología de los detectores infrarrojos ferroeléctricos al ejército en 1979. Sin embargo, no fue hasta finales de la década de 1980 cuando el gobierno federal otorgó contratos de desarrollo de alta densidad o HIDAD a Honeywell para el desarrollo de tecnología de imagen térmica 7 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. encaminado a aplicaciones militares. Raytheon comercializó la tecnología BST, mientras que Honeywell desarrolló la tecnología que revolucionó el mundo de la medida de temperatura sin contacto, los sensores de efecto térmicos o también llamados microbolómetros. [8] Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro y se utiliza como detector en una cámara térmica. Es un diminuto resistor de óxido de vanadio o de silicio amorfo con un elevado coeficiente térmico. Este resistor se coloca en un elemento de silicio con una gran superficie, baja capacidad calorífica y buen aislamiento térmico. La radiación infrarroja procedente de una gama específica de longitudes de onda golpea el óxido de vanadio modificando su resistencia eléctrica. Los cambios de temperatura de la escena provocan cambios en la temperatura del bolómetro que se traducen en señales eléctricas y se procesan en una imagen. En otros términos, estos sistemas en concreto utilizan el efecto térmico de la radiación infrarroja para modificar las condiciones eléctricas de una micro resistencia formada por un material semiconductor, y así obtener una señal proporcional a la potencia del infrarrojo recibido. Esta tecnología supuso un gran avance debido a que este nuevo sensor denominado microbolómetro, no necesita ningún tipo de refrigeración, pudiendo reducir así de manera asombrosa el tamaño y el peso de los sistemas termográficos. En la Ilustración 2-5 se puede ver un esquema típico con medidas estándar. [11] Ilustración 2-5. Microbolómetro estándar. [12] Años más tarde, tras la Guerra del Golfo de 1991, la producción de unidades térmicas aumentó y los costes disminuyeron, lo que abrió el camino para la introducción de imágenes térmicas en una gran variedad de industrias distintas. Pocos años después, en 1994, Honeywell patentó un conjunto de detectores de microbolómetro, consiguiendo así que las cámaras termográficas basadas en tecnologías BST y microbolómetro estuviesen disponibles para aplicaciones no militares. Tras esto, en 1997 se comercializó la primera cámara termográfica con un detector no refrigerado, el microbolómetro, que, debido a su resistencia a las averías y su producción menos costosa, abarató el precio de las cámaras térmicas. A partir de aquí, tras un uso fundamentalmente militar, las cámaras termográficas se empezaron a utilizar para aplicaciones industriales comerciales. Los primeros clientes industriales que descubrieron las enormes ventajas de la termografía fueron las grandes empresas productoras, pronto se descubrió que podía aportar información valiosa para el equipamiento eléctrico ya que permitía a los jefes de mantenimiento detectar una anomalía antes de que se manifestase como un problema. Evitando costosas averías y ahorrando tiempo y dinero. Gracias a que cada vez más empresas empezaron a utilizar esta tecnología, pudieron darse los primeros pasos hacia la producción en masa. El paso crucial para ello vino de la mano de BMW, uno de los fabricantes de automóviles más importante del mundo, que decidió incorporar una cámara térmica para mejorar la visión de La termografía 8 los conductores de su serie 7 de alta gama. Dado que una gran parte de los accidentes se producían durante la conducción nocturna, BMW buscó así una solución para reducir este número de accidentes. Tiempo después, el módulo de visión nocturna de BMW se ofertó como extra opcional en los modelos de la serie. La gran demanda de esta prestación de seguridad opcional permitió a grandes compañías de fabricación de cámaras térmicas aumentar significativamente su producción. Una de las consecuencias de este aumento de volumende producción fue una reducción significativa del precio de una cámara térmica, pasando de los 50 000 € a los 3 000 € por los que se puede adquirir actualmente. [11] Pero la producción en masa no sólo se vio impulsada por los bienes de consumo. Una vez más, la industria militar tuvo mucho que ver mucho en ello ya que, uno de los motores de crecimiento fueron los vehículos aéreos no tripulados. El uso de estos vehículos es cada vez más habitual en aplicaciones civiles y militares, especialmente los aviones en miniatura diseñados para volar a baja altitud, también conocidos como drones. Estos drones, que son lanzados a mano, controlados por radio y que suelen equiparse con cámaras ya sean de vídeo o termográficas, han sido el último empujón que ha tenido la termografía hasta la actualidad, dónde ya se dispone de una gran variedad de cámaras termográficas implantadas en una infinidad de procesos 2.2 Aplicaciones de la termografía Para poder analizar todas las diferentes aplicaciones que tiene la termografía, primero hay que saber qué es lo que el uso de la termografía nos ayuda a ver. El ojo humano solo alcanza a ver una pequeña región del espectro electromagnético. En un extremo no es capaz de ver los rayos gamma, la luz ultravioleta ni los rayos X. Y en el otro, no es capaz de distinguir entre los rayos infrarrojos, las microondas y las ondas de radio. Por tanto, el ojo humano solo es capaz de ver las ondas cuyas longitudes de onda se encuentran entre los 350 y los 750 nanómetros aproximadamente, como podemos ver en la Ilustración 2-6: Ilustración 2-6. Espectro electromagnético. [13] Los infrarrojos se encuentran a medio camino entre el espectro visible y las microondas del espectro electromagnético. La diferencia entre la luz visible y la infrarroja es la longitud de onda, que es mucho mayor para esta última luz y, por tanto, no puede ser captada por nuestros ojos. Otra forma de plasmar esto mismo es mediante la ley de la radiación de Max Planck formulada en 1900. Dicha ley dice que cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo, más cantidad de energía emite en cada longitud de onda y menor es la longitud de onda en la que el nivel de emisión es más alto. Ejemplificando, para una temperatura de 37 ºC, la radiación máxima se emite a unos 9,3 micrómetros y la única manera de verla es con una cámara de infrarrojos. Por otro lado, para una temperatura de unos 300 ºC, el pico de radiación estaría en torno a los 5 micrómetros y para verlo seguiríamos necesitando una cámara de infrarrojos. 9 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Sin embargo, para una temperatura de 5 500 ºC, es decir, la temperatura del sol, la radiación máxima estaría alrededor de los 0,5 micrómetros, justo en la región del espectro que nuestros ojos pueden percibir. Es decir, a medida que aumenta la temperatura de un cuerpo, la longitud de onda a la que se produce el pico de radiación se vuelve progresivamente más corta, tal y como queda representado en la Ilustración 2-7. [7] Ilustración 2-7. Distribución de la energía infrarroja emitida frente al espectro electromagnético. [14] La principal fuente de rayos infrarrojos es el calor o la radiación térmica. Por consiguiente, la termografía nos enseña la cantidad de calor que emite cada cuerpo. Ahora bien, no todos los cuerpos radian de la misma forma, entrando aquí en juego un concepto muy importante para la termografía denominado emisividad. Como se dijo al principio, todos los cuerpos emiten radiación infrarroja desde su superficie siempre que su temperatura superficial sea mayor que la del cero absoluto (0 K = -273,15 ºC). Además, lo hacen en una cantidad determinada que se relaciona directamente con la temperatura, hecho manifestado en la ecuación de la ley de Stefan-Boltzmann para la potencia emisiva superficial de radiación de un cuerpo negro: 𝑊𝐶𝑁 = 𝜎 · 𝑇𝑒 4 Donde σ es la constante de Stefan-Boltzman (5,67x10-8 W/m2K4) y Te la temperatura absoluta de la superficie. Un cuerpo negro es un objeto que tiene la capacidad de irradiar la máxima energía posible para su temperatura. Teniendo esto en cuenta, un cuerpo negro es por tanto un emisor perfecto y ningún cuerpo emite más radiación que él. Por tanto, la ley de Stefan-Boltzmann hay que corregirla en función de la capacidad real del cuerpo de emitir radiación: 𝑊𝐶𝑅 = 𝜀 · 𝑊𝐶𝑁 donde 𝜀 es el factor de la emisividad, propiedad de la superficie de los objetos que caracteriza la capacidad de emitir radiación a una temperatura determinada en comparación con un cuerpo negro cuyos valores se encuentran comprendidos entre 0 y 1, siendo este último el valor para un cuerpo negro. Factor que depende de varias propiedades de la superficie del objeto tales como la estructura superficial, la geometría, el ángulo, el material y la propia temperatura. [1] La termografía 10 Es decir, podemos relacionar directamente la potencia de la radiación emitida por el cuerpo con su temperatura superficial y, teniendo en cuenta que las cámaras termográficas lo que detectan es la radiación, conociendo la emisividad de la superficie del cuerpo observado, podemos medir temperaturas. Por último, antes de ver las cuantiosas aplicaciones de la termografía, hay que analizar porque es tan útil y que ventajas aporta su uso. Por un lado, las cámaras termográficas no necesitan la presencia de luz, lo cual hace que puedan ser usadas tanto durante el día como durante la noche o en sitios totalmente a oscuras. Aportan medidas rápidas, seguras y precisas. Se puede aplicar a elementos que estén en movimiento, a objetos peligrosos por su temperatura o por su función y hasta en sistemas contaminados. Además, ofrece una seguridad adicional al ser capaz de medir la temperatura a distancia, lo que es ideal para eliminar el riesgo en aplicaciones en las que hay piezas móviles o en entornos peligrosos. Esta tecnología ayuda a mantener la productividad ya que ofrece un diagnóstico rápido y la capacidad de medir sin tener que apagar el equipo o los procesos de producción. A priori, esto puede ser una simple utilidad más, pero para las plantas industriales es algo fundamental ya deben funcionar las 24 horas del día los 365 días al año y de no ser así, las pérdidas económicas serían inmensas, no solo por el hecho de tener que dejar de producir durante el tiempo de mantenimiento, sino por la demora hasta poner a funcionar la planta hasta el punto óptimo. Teniendo en cuenta estos aspectos y conocimientos referentes a la termografía, se puede poner de manifiesto la infinidad de aplicaciones que tiene en distintos sectores, no solo de la industria sino de la vida en general. Mejora de la visión del conductor Mencionado anteriormente, la mejora de la visión del conductor fue la aplicación que más contribuyó a la producción en masa de las cámaras térmicas. Gran parte de los accidentes que se producen ocurren por la noche, normalmente acompañados de condiciones climáticas adversas, por lo que el conductor carece del tiempo suficiente para reaccionar ante cualquier imprevisto y no puede evitar la colisión. La termografía en estos casos es un potente sistema de mejora que reduce los riesgos de la conducción nocturna y permite al conductor ver cinco veces más que con los faros tradicionales, lo que ayuda al conductor a detectar y reconocer más rápidamente los peligros potenciales que puedan aparecer en la carretera. Al permitir a los conductores ver imágenes térmicas en la carretera, con mayor alcance que el de losfaros, estos pueden detectar curvas peligrosas, obstáculos o perturbaciones en el asfalto mucho antes disponiendo así de mayor tiempo para reaccionar. También ayuda a superar la ceguera momentánea producida por el resplandor de los faros de los coches que circulan por el otro sentido, a ver a través de niebla, humo o lluvias ligeras y también a diferenciar la separación entre carriles. Al permitir a los conductores ver imágenes térmicas en la carretera, con mayor alcance que el de los faros, estos pueden detectar curvas peligrosas, obstáculos o perturbaciones en el asfalto mucho antes disponiendo así de mayor tiempo para reaccionar. También ayuda a superar la ceguera momentánea producida por el resplandor de los faros de los coches que circulan por el otro sentido, a ver a través de niebla, humo o lluvias ligeras y también a diferenciar la separación entre carriles. 11 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 2-8. Imagen térmica tomada por un dron de un aerogenerador. [16] Extinción y detección de incendios Los bomberos llevan años utilizando las cámaras térmicas para ver a través de la oscuridad total que causa el humo, así como para detectar posibles focos o puntos calientes en paredes, techo, zonas subterráneas y cavidades. El humo es una fuente muy absorbente de luz debido a que está repleto de partículas de carbonilla del tamaño de una micra. Esto puede llevar a pensar que, al absorber la luz, también puede oponerse a la radiación impidiendo su emisión y su recepción por parte de las cámaras térmicas, pero, cuando el tamaño de la partícula es significativamente más pequeño que la longitud de onda de luz utilizada por el sensor, la dispersión de la radiación se reduce enormemente haciendo posible ver a través del humo. Esta capacidad contribuye a salvar vidas ya que ayudan a los bomberos a ubicar supervivientes incluso en una habitación repleta de humo. [15] De igual forma, las cámaras térmicas también sirven a los bomberos para identificar la extensión del incendio, identificar de forma rápida el lugar, las características de este y analizar posibles fuentes potenciales de ignición con el objetivo de evitar una propagación o un nuevo foco. La capacidad de detectar diferencias de temperatura de objetos es una herramienta que, por su utilidad y eficacia, se ha convertido en un complemento fundamental no solo para bomberos, sino también para cuerpos de rescate. Su uso en operaciones de búsqueda y rescate es prácticamente idéntico al que tiene en incendios. Su objetivo es el de tratar de localizar a personas que estén en apuros, heridas o perdidas en cualquier lugar, ya sea un bosque, el mar, un desierto o una montaña. Además, las búsquedas no solo pueden realizarse con personas a pie, sino también en vehículos, a caballo y, sobre todo, vía aérea. Las cámaras térmicas, igual que ocurre en aviones y drones, también se pueden montar en un helicóptero con la finalidad de ir obteniendo imágenes térmicas de aquellas zonas de búsqueda que se están sobrevolando. [11] A pesar de estas ventajas que proporciona el uso de la termografía en operaciones de rescate, este queda restringido en operaciones de rescate en edificios en ruinas y similares. Esto es debido a que las cámaras termográficas no son capaces de ver a través de superficies, detectan la temperatura de la primera que este en su línea de visión. Además, la mayor parte de los edificios están diseñados para atrapar el calor permaneciendo aislados, por lo que rara vez una imagen térmica revela lo que está sucediendo dentro de este. La única posibilidad de que una cámara infrarroja sea capaz de detectar a una persona o una fuente de calor que haya tras una pared, es que la pared sea suficientemente delgada y fría como para que, si dicha persona permanece tras ella un periodo considerable de tiempo, su calor corporal se transfiera parcialmente a la pared y posteriormente a través de los materiales que la componen, para que pueda ser captada desde la otra cara. La termografía 12 Ilustración 2-9. Imagen térmica e imagen real del foco de un incendio. [15] Seguridad En la actualidad, casi todas las instalaciones implementan tecnologías de cámaras de seguridad de una forma u otra. Mientras que tiempo atrás el uso de una cámara térmica se consideraba un privilegio al alcance de organismos gubernamentales o patrullas fronterizas, hoy en día cada vez son más las instalaciones industriales que confían en equipos de vigilancia por imagen térmica para obtener los mejores resultados posibles en cuanto a protección e identificación. Centros comerciales, grandes almacenes, instalaciones petrolíferas, aeropuertos, puertos…, todos son vulnerables a robos e incluso a posibles ataques terroristas. Por ello, actualmente la gran mayoría se protegen utilizando cámaras térmicas. Terrorismo, vandalismo y violencia amenazan la seguridad del personal y la integridad de instalaciones públicas y privadas por lo que un sistema de seguridad basado en imágenes térmicas es clave para la protección de bienes y la reducción de riesgos. Los escáneres que hay en los aeropuertos para el control de pasajeros y de maletas no son de rayos infrarrojos, son de rayos X. Sin embargo, debido a la presente epidemia de coronavirus, en China empezaron a incorporar controles con cámaras térmicas para controlar la temperatura de los pasajeros y así poder ver quien tenía fiebre y por tanto poseer el virus, ya que la fiebre es uno de los primeros síntomas de la enfermedad. Este primer paso dado en China ha sido secundando por una gran parte de países que también han incorporado esta tecnología térmica para el control de pasajeros, por lo que no se descarta que tras la epidemia debida al COVID-19, pasen a ser todos los aeropuertos los que dispongan de estos controles y de esta tecnología para la inspección de pasajeros. [16] Ilustración 2-10. Control de la temperatura de los pasajeros mediante una cámara térmica. [16] 13 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Las cámaras de seguridad térmica funcionan extraordinariamente en áreas con poca luz y poca visibilidad, además de proporcionar la capacidad de quitar gran parte del camuflaje visual, como el follaje denso, que a menudo se encuentra cerca de las oficinas y el almacenamiento. Además, las cámaras de imágenes térmicas generalmente están integradas con sensores inteligentes y tecnología analítica avanzada, lo que ayuda a reducir una gran cantidad de falsas alarmas. Asimismo, los sistemas basados en la detección de calor son más baratos de instalar que la gran mayoría de sistemas de videovigilancia. [11] Al igual que esta tecnología se usa para proteger bienes e inmuebles, la policía y los organismos encargados de velar por la seguridad y el cumplimiento de la ley también incorporan cámaras termográficas en sus equipos de vigilancia, utilizados para localizar sospechosos, especialmente de noche, para investigar escenas del crimen y también para operaciones de rescate y redadas. Estos equipos son superiores a los dispositivos de visión nocturna, ya que no requieren luz ambiental y no se ven afectados por las luces brillantes, lo cual resulta idóneo para las misiones tácticas. Ganado y vida silvestre El seguimiento de animales, el monitoreo ambiental y la fotografía de vida silvestre son usos muy comunes de la tecnología de imágenes térmicas hoy en día. Las cámaras infrarrojas pueden equiparse con sensores inteligentes de forma que se pueden configurary dejar sin vigilancia en hábitats naturales, disparándose de forma automática en presencia de vida nocturna o de cualquier tipo de movimiento difícil de detectar. Así se puede monitorear de una forma mucho más sencilla a las diferentes especies y se puede analizar también su comportamiento y su recorrido de una manera mucho más sencilla que anteriormente. La termografía infrarroja se revela como una herramienta muy económica para aplicar en todas las fases de la cría de diferente ganado, como el vacuno, porcino u ovino. Está especialmente indicada para tareas tales como controlar a las reses durante el celo, determinar el momento idóneo para proceder a la inseminación, realizar un seguimiento del funcionamiento de los testículos, hacer un seguimiento del periodo de gestación, realizar un seguimiento del estado de las ubres, identificar inflamaciones en las extremidades, llevar a cabo un cuidado preventivo de las pezuñas y, en general, vigilar la salud de los animales en su conjunto. [17] La tecnología termográfica también es utilizada para detectar plagas. Es de gran ayuda a la hora de localizar la actividad potencial de las termitas, roedores y nidos de pequeños animales ya no solo en el propio campo, sino también dentro de las paredes o estructuras, dado que esas criaturas son de sangre caliente. El proceso de detección de plagas se muestra como defectos en el aislamiento, filtraciones de aire del exterior, conductos agrietados, pérdidas de frío y calor. [18] Medicina y veterinaria En el campo de la medicina, doctores y médicos han encontrado formas de usar las cámaras termográficas para ayudarles a proporcionar tratamientos más efectivos a sus pacientes. Imágenes médicas más precisas conducen a diagnósticos más específicos y por tanto más efectivos para sus pacientes. El ser humano es homeotermo, es decir, presenta la capacidad de mantener su temperatura corporal constante independientemente de la temperatura ambiental, y produce calor. El medio de intercambio de ese calor con el exterior es la piel, que es un órgano capaz de equilibrar las condiciones externas e internas para satisfacer las necesidades fisiológicas del organismo. Los cambios en la conductividad térmica de la piel provocados por quemaduras, ulceras o injertos pueden ser detectados y supervisados fácilmente con un sistema termográfico. Además, estos cambios en la piel también pueden ser debido a enfermedades dermatológicas por lo que estas pueden ser diagnosticadas fácilmente. En la actualidad, las cámaras térmicas se están utilizando para impedir la propagación de enfermedades tales como el COVID-19 conocido coronavirus, debido a que como se ha comentado anteriormente, uno de sus principales síntomas es la fiebre, síntoma fácil de detectar con una cámara termográfica. La termografía 14 Gracias al uso de esta tecnología en aeropuertos, puertos o sitios de gran afluencia, se pueden detectar a un gran número de personas infectadas en un intervalo de tiempo muy reducido, lo cual ayuda a evitar una rápida propagación del virus. Estos procedimientos también se llevaron a cabo en epidemias anteriores tales como el ébola o el SRAS (Severe Acute Respiratory Syndrome) contribuyendo a frenar el número de contagiados. [19] A parte de para evitar o pandemias, el uso de la termografía en la medicina se centra en prevenir enfermedades, ya que se pueden diagnosticar con mayor antelación evitando que sea tarde una vez se manifiesten síntomas más severos o difíciles de tratar. Por este motivo, estas técnicas de exploración son bienvenidas en el ámbito sanitario debido a que son métodos no invasivos, que no producen dolor al paciente y, sobre todo, no lo expone a radiación. Esto convierte a la tecnología termográfica un el sistema ideal para identificar patologías relacionadas con el sistema circulatorio o linfático, ya que las inflamaciones o la retención de líquidos provocan variaciones de la temperatura corporal. Su alta efectividad a la hora de hacer exploraciones también hace que el uso de cámaras térmicas sea uno de los recursos esenciales para la detección de tumoraciones y el seguimiento de pacientes con cáncer, fundamentalmente en el cáncer de mama, uno de los cánceres con mayor número de víctimas y uno de los principales motivos de la muerte de mujeres. Gracias al uso de la termografía y a su temprana detección, cada vez está consiguiéndose un mejor diagnóstico, que facilita que se detecte a tiempo y sean cada vez más las mujeres que lo vencen. [20] Ilustración 2-11. Detección y evolución de un cáncer de mama visto por imágenes térmicas. [21] Por otro lado, también es de gran ayuda en cuanto a ginecología, diagnóstico dental, ocular, operaciones de corazón, para ver si el cuerpo se oxigena y por tanto la sangre regula toda la temperatura corporal. Todos estos descubrimientos tienen su analogía en la veterinaria debido a las ventajas anteriormente comentadas, que es indolora y que no implica contacto físico ni manipulación del animal. Es particularmente interesante en caballos dada su cercanía con el ser humano. En este animal se utiliza para la detección de lesiones en la cruz, regiones lumbares y las patas. Junto con este ejemplo hay una infinidad más, desde el análisis de comportamiento de murciélagos hasta la respuesta corporal de delfines en situaciones de caza. [22] Debido a la importancia que la medicina tiene en la vida y a su peso sobre la sociedad, en este ámbito es probablemente, si no en el que más, en uno de los ámbitos en los que más se ha beneficiado la humanidad del uso de la termografía y del avance en esta tecnología. Aplicaciones industriales Si ya en la medicina esta ciencia tiene una infinidad de aplicaciones y cada avance supone gran ayuda, el otro ámbito en el que se tiene un provecho similar es en la industria, a todas las escalas. Es por ello por lo que las ramas en las que más aplicaciones tiene se van a ir enumerando por separado y describiendo cuales son estas. 15 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Sistemas eléctricos Fundamentalmente, la tecnología termográfica se usa en el ámbito eléctrico para inspecciones de sistemas y componentes eléctricos de todos los tamaños y formas, ya sea en busca de malos contactos, de sobrecargas, de desequilibrios, de armónicos o de problemas en las propias máquinas. La multitud de posibles aplicaciones para cámaras termográficas dentro del rango de sistemas eléctricos se puede dividir en dos categorías: instalaciones de alto voltaje y de bajo voltaje. Por un lado, en las instalaciones de alto voltaje uno de los factores más importantes es el calor. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de un elemento resistivo, se genera calor y, además, un aumento de la resistencia da como resultado un aumento de este. Con el paso del tiempo, la resistencia de las conexiones eléctricas puede aumentar debido a posibles aflojamientos o a la corrosión, por ejemplo. El correspondiente aumento de temperatura que esto conlleva puede dar lugar a apagones inesperados o incluso lesiones. Junto con esto, la energía utilizada en generar calor causa pérdidas de energía innecesarias. Si no se tiene un control minucioso, el calor puede incluso aumentar hasta el punto en el que las conexiones se derriten y se rompen, dando como resultado un posible incendio que puede acabar en explosión. Algunos ejemplos de fallos en instalaciones de alto voltaje que una cámara térmica es capaz de detectar son las oxidaciones de interruptores, las conexiones sobrecalentadas, las conexiones incorrectamente aseguradas y los defectos de aislamiento. La principal ventaja que hace que a la termografía tan útil en este tipo de instalaciones es la capacidad de realizar inspecciones mientras los sistemas están bajo carga. Esto esgracias a que las imágenes térmicas son un método de diagnóstico sin necesidad de contacto, por lo que un termógrafo puede escanear rápidamente un equipo en particular desde una distancia segura, abandonar el área peligrosa, regresar a su oficina y analizar los datos sin ponerse en peligro. Además, se pueden usar para inspecciones al aire libre en sistemas o instalaciones tales como subestaciones de alto voltaje, transformadores e interruptores etcétera. La continuidad es muy importante para los servicios públicos, ya que muchas personas confían en sus servicios. Por lo tanto, las inspecciones de imágenes térmicas se han convertido en el núcleo de los programas de mantenimiento predictivo de servicios públicos en todo el mundo. [23] Ilustración 2-12. Imagen térmica de una torre de alta tensión. [24] Por otro lado, están las instalaciones de bajo voltaje. Los cuadros eléctricos, los contadores y las cajas de fusibles se escanean regularmente con cámaras termográficas para evitar que el calor en estos sistemas llegue a puntos extremos en los que se derritan las conexiones o se incendien. Para los cuadros eléctricos, como la temperatura que interesa medir está en el interior, hay que abrir las puertas de estos cuando sea posible, debido a que como se ha comentado, solo se pueden medir temperaturas de superficies. Por eso cuando se trabaja con cuadros activos hay que asegurarse de cumplir la norma NFPA70E. La termografía 16 De acuerdo con lo que dice la Ley de Joule: 𝑃 = 𝐼2 · 𝑅 , un incremento de la resistencia de contacto da lugar a un incremento de la potencia disipada en dicho contacto, y también a un incremento de su temperatura dando lugar a un “punto caliente”, detectable con una cámara termográfica. Este incremento de la resistencia de contacto puede deberse a un fenómeno de oxidación o corrosión, tornillos que se aflojan o una presión insuficiente en los contactos móviles. [25] Además de conexiones sueltas, los sistemas eléctricos sufren desequilibrios de carga, corrosión y aumentos de impedancia a la corriente. Las inspecciones térmicas pueden localizar rápidamente los puntos calientes, determinar la gravedad del problema y establecer el marco de tiempo en el que se debe reparar el equipo. Ilustración 2-13. Patrón de una mala conexión, localizado, y de una sobrecarga, a lo largo del cable.[25] Aparte de sobrecargas y malas conexiones, gracias a las imágenes térmicas usadas en equipos de bajo voltaje, se pueden detectar conexiones de alta resistencia, conexiones corroídas, daños internos del fusible, fallos internos del disyuntor y conexiones deficientes o daños internos. Adicionalmente, la termografía también es de gran utilidad en los motores eléctricos. Debido a los transitorios de tensión y a las altas temperaturas entre otros, el barniz que aísla el devanado de los motores, transformadores, etcétera, puede ir perdiendo sus propiedades aislantes dando lugar a la aparición de corrientes de fuga que calientan aún más dichos devanados deteriorando a una mayor rapidez el aislante. Un incremento de 10 ºC sobre la temperatura nominal de funcionamiento de un motor eléctrico o un transformador, supone una disminución de su vida útil en un 50%. De igual forma, no solo se puede verificar el correcto funcionamiento del aislante en motores, sino que también sirve para comprobar el cuerpo del motor, que no tiene ninguna grieta sobre su superficie, las conexiones, el acoplamiento de los ejes o los rodamientos. [23] Ante todas estas situaciones y como sugerencia, la Asociación de Verificación Eléctrica Internacional recomienda realizar una acción preventiva de mantenimiento en los sistemas eléctricos siempre que la diferencia de temperatura: • Sea superior a 15 ºC entre dos componentes similares sometidos a la misma carga. • Sea superior a 40 ºC entre un componente eléctrico y el ambiente. Ya sea que se desee utilizar cámaras de imagen térmica para inspecciones de bajo voltaje en plantas de producción, instalaciones de oficina, hospitales, hoteles o residencias domésticas, el empleo de esta tecnología ayuda a detectar problemas en una etapa temprana, previniendo daños costosos y situaciones de peligro. [25] 17 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Sistemas mecánicos En la mayoría de las industrias, los sistemas mecánicos son como la columna vertebral de las operaciones, es por ello por lo que hay que tratar de evitar todos los posibles problemas que puedan surgirles. Estos son la excesiva fricción, la falta de lubricación o en la gran mayoría de aceite, una excesiva tensión en los ejes, la falta de alineamiento y el desgaste de las piezas. Los datos térmicos recopilados con una cámara termográfica pueden ser una valiosa fuente de información complementaria para los estudios de vibración realizados en el monitoreo de equipos mecánicos. Todos los componentes mecánicos móviles empiezan a deteriorarse en cuanto se instalan, debido a la carga que tienen que soportar, las vibraciones, la corrosión y su propio envejecimiento. Todas estas causas lo que generan es una fricción excesiva en las conexiones mecánicas ya sea en los acoplamientos, en los engranajes o en los cojinetes entre otros. Esta fricción es la que provoca un sobrecalentamiento. Es por ello por lo que, realizar termografías periódicamente, es un gran método para prevenir este aumento drástico de temperatura en los elementos eléctricos críticos. Ilustración 2-14. Problema de lubricación en rodamiento. [25] Los sistemas mecánicos también pueden calentarse si hay una desalineación en algún punto del sistema. Las cintas transportadoras son un buen ejemplo de esto. Normalmente, cuando los componentes mecánicos se están desgastando y dejando de ser tan eficientes como al principio, el calor disipado por estos aumenta. En consecuencia, la temperatura de los equipos o sistemas defectuosos incrementa rápidamente antes de que fallen. De forma que, si un rodillo está desgastado, se mostrará claramente en una imagen termográfica permitiendo así poder ser reemplazado antes de que se produzca el fallo. A continuación, se puede ver cuáles son los rodillos que en esta cinta transportadora están defectuosos y por tanto deberían sustituirse. [25] Ilustración 2-15. Imagen térmica de una cinta transportadora. [25] La termografía 18 En cuanto a los motores, estos complejos sistemas también pueden ser inspeccionados por cámaras termográficas. Los fallos de un motor tales como el desgaste por contacto de los cepillos y los cortocircuitos producidos en el armazón, generalmente producen un exceso de calor, pero no se detectan con los análisis de vibración, ya que lo más usual es que causen poca o ninguna vibración adicional. Por tanto, las imágenes térmicas ofrecen una visión general completa que nos permite establecer comparaciones de temperaturas. [23] Dada la importancia de este tipo de máquinas en la industria y lo caras que son, tratar de mantenerlas siempre en un estado óptimo y prevenir deterioros o posibles averías se convierte en una parte fundamental para esta industria. Es por ello por lo que en este ámbito la termografía es de tanta envergadura, porque puede ayudar a evitar daños muy costosos y garantiza la continuidad de la producción. Ilustración 2-16. Sobrecalentamiento de un compresor. [25]Piping Las imágenes térmicas también brindan información muy valiosa acerca del estado del aislamiento de tuberías, tubos y válvulas. La inspección del estado del material de aislamiento que rodea la tubería puede ser crucial ya que una fuga de combustible o de gas podría originar incendios o explosiones causando así grandes daños humanos y materiales. Las pérdidas de calor debido a un deterioro del aislamiento se muestran de forma muy clara en las imágenes termográficas, independientemente de que el fluido que se transporte esté a baja o alta temperatura. Hecho que permitirá repararlo rápidamente evitando así pérdidas de energía u otros desperfectos. Las válvulas de procesos son otro buen ejemplo de equipos relacionados con tuberías que a menudo se inspeccionan con cámaras termográficas. Además de detectar fugas, también se puede utilizar esta tecnología para determinar si las válvulas están abiertas o cerradas, incluso desde la distancia, permitiendo también ver si alguna esta obstruida o tiene pérdidas de flujo. De forma que los fallos más frecuentes que se detectan con una cámara termográfica son fugas en bombas, tuberías y válvulas, deterioros de aislamiento, bloqueo de tuberías y acumulaciones de material. Gracias al uso a distancia, una imagen térmica brinda una descripción general de una instalación completa de forma que pueden obtenerse verificaciones de forma simultánea de varias tuberías. [23] El vapor es otra fuente de energía muy importante cuya distribución sobre las plantas industriales también se hace mediante tuberías. Estas tuberías tienen unas válvulas especificas denominadas trampas de vapor, que son válvulas automáticas diseñadas para descargar el condensado sin pérdida de vapor. Al igual que el resto de los elementos mecánicos, están sujetos a desgastes y deterioros que normalmente se manifiestan en forma de fuga o de bloqueo de descarga de condensado. Estos problemas pueden detectarse fácilmente con el uso de las cámaras térmicas de forma que se pueda evitar cualquier tipo de deterioro a tiempo. [25] 19 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 2-17. Corrosión bajo aislamiento de una tubería. [26] Instalaciones refractarias y petroquímicas. Una amplia variedad de industrias dependen de hornos y calderas para sus procesos de fabricación, pero los revestimientos refractarios para hornos, las calderas, los incineradores, los reactores y los mismos hornos son propensos a degradarse y a perder rendimiento. Gracias a las cámaras termográficas, el material refractario dañado y la correspondiente pérdida de calor pueden localizarse fácilmente, ya que la transmisión de calor se muestra claramente en una imagen térmica. Un sector en el que la termografía está bastante incorporada es el petroquímico. Proporciona un diagnóstico rápido y preciso para el mantenimiento del horno, la gestión de pérdidas refractarias y la evaluación de la aleta del condensador. Los intercambiadores pueden verificarse para detectar posibles tuberías bloqueadas. Muchas tuberías y tubos de las craqueadoras están aisladas con piedra refractaria resistente al calor de forma que se eviten pérdidas. Aun así, las imágenes térmicas pueden ver si el aislamiento está deteriorado o sigue intacto. Todos los equipos tales como hornos, calderas, condensadores y demás, no solo tienen fallos motivados por el deterioro del aislamiento, tienen una variedad de mecanismos. Entre estos se incluye la coquización que tapa el interior de los tubos, la acumulación de escoria en el exterior de los tubos, sobrecalentamiento, desalineación del quemador y fugas del producto que llegan a prenderse. [23] Para garantizar la calidad refractaria de las instalaciones de calderas y hornos, no es suficiente con realizar inspecciones desde el exterior. El material refractario en el interior de la caldera o el horno también debe ser inspeccionado. Con los métodos convencionales es necesario cerrar la instalación para poder inspeccionar el interior, pero esto es extremadamente costoso debido a una pérdida de producción durante el tiempo de inactividad. Sin embargo, estas pérdidas no son necesarias, ya que hoy en día existen cámaras especiales de imágenes térmicas que se pueden usar para inspeccionar el interior de la instalación durante la operación, siendo en estas la cualidad de ver a través de las llamas, especialmente útil. También se usan frecuentemente las imágenes termográficas para la detección de nivel de tanque. Gracias a los efectos de emisividad o a las diferencias de temperatura entre el fluido y el aire o su recipiente, la imagen térmica muestra claramente el nivel de los diferentes depósitos. Inspección de edificios Debido a que gran parte de las emisiones de CO2 que han dado lugar al calentamiento global provienen de la quema de combustibles fósiles utilizados para calentar edificios, cada vez son más los países que establecen legislaciones para inspeccionar edificios regularmente en busca de pérdidas de calor. La termografía 20 La inspección de edificios mediante infrarrojos es un medio no invasivo de supervisión y diagnóstico del estado de las construcciones. Así, distintas patologías e incidencias pueden ser fácilmente detectadas y poder de esta manera realizar una evaluación que nos permita realizar un adecuado mantenimiento de un edificio. Gracias al uso de la termografía por tanto se pueden detectar filtraciones y fugas de aire, fallos y deficiencias del aislamiento, humedades en muros interiores y exteriores, averías del sistema de climatización y pérdidas de energía y puentes térmicos. La existencia de fugas de aire conlleva un mayor consumo de energía y puede provocar condensaciones. Aquí una cámara termográfica puede detectar los patrones característicos que se producen cuando el aire frío entra por una fuga en la construcción recorriendo una superficie. [25] Las pérdidas energéticas, que son el resultado de anomalías en la construcción, como los puentes térmicos, donde la envolvente térmica del edificio tiene una resistencia térmica menor, se manifiestan con el uso de las cámaras termográficas. El calor aprovecha los puentes térmicos para encontrar la ruta más sencilla desde los espacios calefactados hacia el exterior y algunas de las consecuencias de su existencia son problemas de condensación en las esquinas o áreas frías en la edificación. Debido a todas las utilidades que tiene el uso de las imágenes térmicas en cuanto al control del aislamiento de edificios y de su manutención, el uso de esta tecnología en este ámbito se está extendiendo y, probablemente, sea cuestión de tiempo que todos los edificios sean inspeccionados con una cámara termográfica. [11] Ilustración 2-18. Pérdida de calor por la pared de un edificio. [27] 2.3 Futuro de la termografía No hay duda en que las cámaras termográficas seguirán el mismo camino que otros productos tuvieron antes. El equipamiento se irá haciendo cada vez más compacto, la calidad de la imagen irá mejorando aún más y las cámaras incorporarán más y más prestaciones. A medida que estas vayan incorporándose a más aplicaciones orientadas a los consumidores, como la mejora de la visión de los conductores y la seguridad doméstica, el interés por el producto irá en aumento, los volúmenes de producción crecerán y los precios bajarán. Existen muchas probabilidades de que en un plazo de tiempo muy breve todos los policías, bomberos y vigilantes de seguridad dispongan de su propia cámara térmica. La mayoría de los coches, camiones, trenes y otros vehículos podría equiparse con tecnología termográfica. Después de todo, para ver en la oscuridad y para muchas otras aplicaciones útiles, la termografía es una herramienta muy superior al resto.3 CÁMARA TERMOGRÁFICA FLUKE TIS50 El equipo que se va a utilizar para llevar a cabo el trabajo es una cámara termográfica de la marca Fluke, modelo Ti S50. Tiene una resolución de 220 x 165 pixeles, mide un rango de temperatura de -20 ºC a 450 ºC y posee una tecnología sencilla y fácil de usar de enfoque fijo. Es un dispositivo portátil fácilmente manejable con un tamaño de 26.7 cm x 10.1 cm x 14.5 cm lo cual lo hace idóneo para poder acceder a lugares remotos y que además cuenta con una autonomía de la batería de 4 horas. [28] Ilustración 3-1. Cámara termográfica Fluke TiS50. [28] 3.1 Funcionamiento y características Las cámaras termográficas funciona detectando y midiendo como irradia calor un objeto, registran la temperatura de cada píxel de la imagen y asignan a cada píxel un tono de calor que contiene un determinado valor de temperatura. Un código de colores o paleta permite distinguir entre las distintas temperaturas. Normalmente estas imágenes térmicas muestran las temperaturas más frías en tonos de azul, violeta o verde, mientras que para temperaturas cálidas se les suele asignar tonos de rojo, naranja o incluso amarillo. A pesar de la popularidad de los colores, se recomiendo usar una paleta de grises para la mayor parte de las mediciones ya que es más fácil para el ojo humano distinguir cambios térmicos sutiles. El esquema principal de una cámara termográfica es el siguiente: Cámara termográfica Fluke TiS50 22 Ilustración 3-2. Esquema de una cámara termográfica. [29] El primer elemento principal de una cámara térmica es la lente, que cumple la misión de hacer llegar la cantidad adecuada de radiación al sensor. Dependiendo del modelo de la cámara, esta puede tener lentes fijas o puede disponer de la opción de utilizar adicionalmente una lente teleobjetivo o una lente gran angular. La diferencia entre estos dos tipos de lentes es que la lente teleobjetivo tiene un campo de visión reducido de forma que se centra en una sección pequeña de la imagen, de forma que se observan los detalles con mayor precisión, mientras que la lente de gran angular es adecuada para medir objetos o superficies grandes ya que su campo de visión es muy amplio y permite obtener una imagen bastante amplia. Como el cristal es mal conductor de los rayos infrarrojos, las lentes están hechas de Germanio, un metal muy costoso pero muy buen conductor de la radiación de infrarrojos. [7] Un parámetro importante de la lente es su campo de visión o FOV, que determina el tamaño en el que vamos a ver el objeto a analizar en el display de la cámara a cierta distancia. Ilustración 3-3. Esquema con las variables para el cálculo del FOV. [25] La ecuación por tanto que determina el campo de visión, en función de los parámetros anteriormente representados es: 𝐹𝑂𝑉 = 2 · 𝑡𝑎𝑛−1 ( 𝐷 2𝑓 ) 23 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Otro parámetro muy importante de una cámara termográfica es el sensor. Su tarea fundamental consiste en convertir la radiación térmica que capta la lente en señales eléctricas que se envían a un procesador que crea la imagen térmica. Los sensores pueden ser de diversos tamaños tales como 80x60, 120x90, 160x120, 240x180, 260x195, 280x210, 320x240, etcétera. El sensor más común en las cámaras termográficas de hoy en día es el FPA (Focus Plane Array – matriz de plano focal) y esto se debe fundamentalmente a la exactitud tan elevada que consigue. Un FPA es un chip de silicio con una capa adicional muy fina. Esta capa es conocida como la matriz microbolométrica que se divide en tantas filas y columnas como marque la resolución. Es decir, la cámara termográfica Fluke TIS50 tiene una resolución de 220x165, de forma que su matriz bolométrica está formada por 220 columnas y 165 filas, de forma que tiene 36 300 celdas microbolométricas o también llamados píxeles. Por tanto, un sensor FPA es una matriz detectora bidimensional y por ello un sensor de área. [25] La radiación infrarroja de onda larga, de 7 a 14 micras, causa una disminución en la resistencia eléctrica de cada una de las celdas proporcional a la radiación recibida. La lectura de este cambio de resistencia se realiza 9 veces por segundo, lo permite generar imágenes radiométricas a 9 Hz de forma que la cámara que se va a utilizar en este trabajo realiza un total de 326 700 lecturas de temperatura por segundo (36 300 x 9 = 326 700). La señal eléctrica generada por los microbolómetros tras los cambios de resistencia recogidos se envía a la parte electrónica donde se crea la imagen virtual coloreada de 220x165. Ilustración 3-4. Esquema estándar de un sensor FPA. [25] Se denomina resolución a la habilidad del sensor de reproducir ciertos detalles de imagen muy pequeños. La resolución indica el número total de píxeles o el número de filas y columnas que tiene el FPA. Conforme mayor es la resolución del sensor, más píxeles hay de forma que se capta con mayor precisión las variaciones de radiación y la hora de crear la imagen posteriormente, obtenemos mayor exactitud para determinar la temperatura de cada punto de la superficie. [30] Otra principal ventaja de este tipo de sensores es que se pueden utilizar sin problemas en temperaturas inferiores a la temperatura ambiente que haya en interiores. La combinación del número de píxeles que ofrece el sensor junto con el campo de visión de la lente (FOV), definen otro parámetro crítico de la cámara termográfica, el campo de visión instantánea o IFOV, que determina el objeto más pequeño que es capaz de ver la cámara a cierta distancia. Siendo el IFOV de esta forma el campo visual cubierto por cada píxel del sensor. [25] Cámara termográfica Fluke TiS50 24 Ilustración 3-5. Esquema con las variables para el cálculo del IFOV. [25] Siendo la fórmula para calcularlo prácticamente igual a la del FOV sin más que cambiar el parámetro D por d: 𝐼𝐹𝑂𝑉 = 2 · 𝑡𝑎𝑛−1 ( 𝑑 2𝑓 ) Por otro lado, como parámetro de las cámaras termográficas, tenemos el enfoque. Es el aspecto más crítico de una medida termométrica y es el único ajuste que no se puede corregir con el software. Un enfoque fino es crucial para mediciones de temperaturas precisas. Si se enfoca erróneamente obtendremos una medida incorrecta de la temperatura, que dependiendo ya de cada cámara podría llegar a ser de hasta 20 ºC, dejando de lado también la falta de detalles en aspectos críticos, causando así un desperdicio de tiempo y dinero de usuario. Diferentes cámaras usan diferentes formas de enfoque. Las principales formas de enfoque de Fluke son las siguientes: • Sistema de enfoque automático LaserSharp: permite a través de un láser incorporado en la cámara, situado normalmente a 2” desde el centro de la imagen para ser coherentes con cualquier imagen, enfocar cualquier objeto para obtener una imagen nítida del elemento a analizar ofreciendo así la máxima flexibilidad al usuario. • Sistema libre de enfoque: reduciendo el tamaño de la lente se aumenta la profundidad de campo, permitiendo así disponer de cámaras perfectamente enfocadas para distancias superiores a 0.45 metros. • Sistema de enfoque manual: permite un enfoque óptimo desde 0.15 metros hasta infinito. La cámara Fluke TiS50 utilizada para este trabajo tiene este último tipo de enfoque, el enfoque fijo. [25] Un parámetro
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