ITC_Curso_Termografía_I

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Cap ítu lo 1 NCENTER ITRAI FRARED NING Ace rca del Centro d e Formaci ó n en Termog rafía I nfra rroj a Capítu lo 1 .

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Cap ítu lo 1

NCENTER ITRAI FRARED NING

Ace rca del Centro d e Formaci ó n en Termog rafía I nfra rroj a

Capítu lo 1 . Acerca Termog rafía I nfrarroja

del

Centro

de

Formación

Capítulo 1 . Acerca d e l Centro de Formación en Termografía Infrarroja .... Acerca del Centro de Fonnación en Termografía Infrarroja

De parte del ITC ... ........ ... .... . .

Respecto a este manual

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Cómo aprender con este manual .. ....... .

Respecto a la Certificación

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Re-certificación 6 Cumplünentación del Trabajo Práctico

Objetivos del tema .

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Requisitos. Preguntas

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Propósito del Trabajo Práctico

Procedimiento .........

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otas del Estudiante

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Cap ítu lo 1

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Acerca del Centro de Formación en Term og rafía I nfra rroj a

Acerca del Centro de Formación en Te rmog rafía I nfra rroja El ITC fue constituido como centro de apoyo al termógrafo en radiación infrarroja, a través de sus medios técnicos especializados y su equipo humano, que cuenta con una amplia experiencia en el tema. Aunque las cámaras infrarrojas y el software asociado se hayan simplificado durante los años (al mismo tiempo que se han potenciado sus prestaciones), el mundo físico permanece inalterable. La compensación de aspectos tales como la emisividad y el viento, así como la correcta interpretación, precisa para la medida de temperaturas sin contacto, continúa siendo un desafío incluso para el termógrafo más experimentado. En el ITC, nos concentramos en la investigación del "mundo real", la ingeniería de aplicaciones y la formación del cliente. Nuestros centros de formación incluyen laboratorios, clases de teoría multimedia, medios de laboratorio y clases prácticas con ordenador. Traemos los desafíos de la vida real al laboratorio en actividades de simulación práctica. Intentamos siempre dar a nuestros estudiantes lo que necesitarán para llevar a cabo su trabajo de forma satisfactoria. Le damos la bienvenida a nuestras instalaciones, y en especial al maravilloso mundo del infrarrojo.

De parte del ITC Con la publicación de este libro, se introduce un nuevo estándar de calidad para la formación en el Nivel I de Termografía. Se agradece de forma especial la colaboración de Mr. Mikael Cronholm del ITC Internacional de Suecia, Mr. Gary Orlove del ITC USA, y Dr. Bernd Schonbach del ITC Alemania. Su contribución en el comienzo de este proyecto nos ayudó a identificar las cuestiones fundamentales. Además ellos establecieron los objetivos del curso, que han servido para el diseño del mismo, de la metodología y del material utilizado. En particular, Mr. Mikael Cronholm debe ser reconocido como el autor de este curso de formación. El ha transmitido su pasión por la docencia en la termografía infrarroja, para conseguir, sin duda, el más conciso y completo material hasta la fecha. Sinceramente, El Centro de Formación en Termografía Infrarroja (ITC) Estocolmo, Suecia

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Ca p ítulo 1

NCENTER ITRAI FRARED NING

Acerca del Ce ntro de Formaci ó n en Te rm og rafía Infra rroj a

Res pecto a este m a n u a l El libro que tiene en sus manos es el manual del curso para el Nivel 1 de Termografía Infrarroj a del C entro de Formación en Termografía Infrarroj a (ITC). Forma parte del conjunto que todos los estudiantes del Nivel 1 deben recibir. Está escrito de tal forma que pueda ser leído como un libro normal, no como simples apuntes de clase. La intención es que usted como lector pueda utilizar este libro durante mucho tiempo después de recibir el curso, quizá como una introducción incluso al Nivel 2, ó a otro curso de formación que pueda recibir del ITC. Para una mejor comprensión de los cursos de Nivel I, es muy recomendable revisar los contenidos del día siguiente.

Fil osofía desarrollada El conjunto del curso que contiene este manual fue desarrollado utilizando un criterio sistemático. Antes de escribir una sola palabra del manual, se definieron un conjunto de objetivos de aprendizaje, que expresan exactamente lo que el ITC supone que debe aprender el alumno de Nivel l. Nos hemos basado en la experiencia colectiva del ITC a nivel mundial para determinar lo que un termógrafo de Nivel 1 necesita. Si no se necesita, no se enseña. Esos objetivos de aprendizaje son parte del sistema de control de calidad ISO 900 1 de los sistemas FLIR en Suecia y Estados Unidos. Han controlado cada paso del desarrollo del conjunto de este curso. El material ha sido analizado de forma global para satisfacer dichos obj etivos. Todo lo que está incluido en los objetivos debe ser enseñado, y lo que no esté incluido no. Los objetivos mencionados han determinado cada parte del curso y su desarrollo, desde el comienzo hasta las propias cuestiones de examen. Durante el proceso de desarrollo, todos los conceptos han sido sistemáticamente comprobados en todos los lugares del mundo donde se imparten. Muy pocos de los contenidos son nuevos. Han sido enseñados con anterioridad a otros estudiantes: este manual no es un artículo científico que muestra nuevas teorías ó descubrimientos. Pero todo es COMPLETAMENTE NUEVO . No se ha mantenido ningún material antiguo, se ha desechado en su totalidad y se ha comenzado desde cero. Si se ha detectado que se han recortado trozos de material antiguo y tratado de pegar en el nuevo manual, sintiéndolo mucho, se han vuelto a recoger y se han echado a la basura. No encontrará ni una sola frase en este manual que provenga de ningún material antiguo. Sólo se han respetado los temas, no los textos. Este documento no es producto de "cortar y pegar" en absoluto.

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Acerca del Centro de Formación e n Termog rafía I nfra rroj a

Cómo aprender con este manual Cuando esté recibiendo este curso de formación, trate de tener algunas cosas en cuenta.

Primero Las presentaciones de clase se corresponden exactamente con los contenidos de este libro. Si mantiene abierto el manual durante las presentaciones, no tendrá que buscar en el libro cada vez que le haga falta. Puede tomar apuntes si es su costumbre, pero no es imprescindible. Todos los encabezados de la presentación se corresponden con un Encabezado en el margen de este libro, para facilitar la localización en el documento de lo que el profesor está tratando en ese momento. La totalidad de las ilustraciones fundamentales son las mismas en las presentaciones y en el libro.

Segundo Se formulan un conjunto de objetivos de aprendizaje al comienzo de cada tema. Al final del mismo hay unas preguntas, correspondientes a los contenidos de cada tema. Puede tratar de responderlas en clase, ó durante su repaso posterior.

Tercero Encontrará muchas veces frases escritas de la forma siguiente. Su profesor del ITC y su equipo de instrucción hará todo lo que puedan para conseguir que su curso de formación sea una experiencia de aprendizaje lo más interesante posible. Esto significa que es una frase particularmente importante. Puede tener carácter de axioma, ó una ley científica que es importante que recuerde, ó una expresión verbal ó una fórmula. Asegúrese de que lo entiende y lo recuerda. No al pie de la letra, si no en lo que realmente significa.

Cuarto

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Se dará cuenta de que las fórmulas están numeradas y escritas dentro de un recuadro gris, tanto en las presentaciones como en el libro. En la sección referenciada, hay una lista completa de las fórmulas y una explicación breve de cada una de ellas, en qué condiciones se cumple, y cómo y por qué se utiliza. Todas las fórmulas y ecuaciones se expresan también con palabras, por si usted no está familiarizado con las expresiones matemáticas. Para unos serán más simples las primeras, para otros las segundas, por eso se incluyen las dos.

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Capítulo 1

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Ace rca del Ce ntro de Formación e n Termog rafía I nfra rroj a

Un idades e idiomas Este manual existe en verswn de :unidades métrica y americana. Se ha traducido a múltiples idiomas. Si está leyéndolo en un idioma que no sea el suyo, compruébelo porque puede que esté disponible en su idioma original.

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Cap ítulo 1

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Acerca del Centro de Formación e n Termog rafía I nfra rroj a

Respecto a la Certificación Todos los estudiantes que siguen el Nivel 1 del ITC pueden presentarse a la correspondiente certificación. Los Termógrafos Certificados por el ITC recibirán un Certificado y una tarj eta similar a las de crédito como prueba de su nivel de certificación, cuando los requisitos que se describen sean adecuadamente cumplimentados. Los requisitos establecidos por el ITC para obtener la certificación son los siguientes: •

Participación en el curso de formación



Aprobar el examen

La participación implica que el estudiante debe seguir de forma activa el curso de formación en su totalidad. Se autorizan ausencias breves, pero se supone que el estudiante está presente en la totalidad de las clases del curso. Se describirán posteriormente más detalles del procedimiento de examen, el trabaj o práctico y sus requisitos. Re-certificación

Los certificados expedidos por el ITC son válidos durante un periodo de cinco años. Para ser re-certificado por un plazo adicional de cinco años más, los estudiantes deben demostrar una formación continua, ó una contribución profesional en el campo de la termografía. Hay dos formas de prolongar la certificación del ITC durante cinco años más: ·





Asistir a clases del ITC de certificación de su nivel de termografía, ó superior, ó asistir a un curso de re-certificación. Probar su util ización y conocimientos en termografía , según se expresa en el ITC Pub. 0048 (disponi ble en www . infraredtraininq.com )

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Cap ítulo 2

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I ntrod u cc i ó n a l a termog rafía i nfrarroj a

Capítulo 2. Introd u cción a la termog rafía i nfrarroja

Capítu lo 2. I ntroducción a la termografía infrarroja I ntroducción a la termografía infrarroja Objetivos del tema

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¿ Por qué es tan im portante la tem peratura? ¿Qué hace a la termografía tan útil?

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La termografía abarca m uchas apl icaciones . . . .. . .... ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Defin ición de termografía i nfrarroja . . . . . . Apl icaciones

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Mon itorizado de Procesos

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Pregu ntas

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Control de calidad y mon itorizado de procesos Ensayo no destructivo

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Notas del estudiante

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Investigación y Desarrollo Medicina y-veterinaria

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Cap ítulo 2

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I ntrod u cción a la termog rafía i nfra rroj a

I ntrod u cción a l a termog rafía i nfrarroj a ¿Qué e s l a termografía y cómo s e utiliza? Introducción a esta tecnología. Algunas importantes aplicaciones prácticas. Está a punto de entrar en el fascinante mundo de la termografía infrarroja. Este capítulo le introducirá en lo que es y para qué puede utilizarse.

Objetivos del tema •

Cómo se define la termografía infrarroja



Comprender los apartados que componen la termografía infrarroja



Comprender la importancia de la tem peratu ra como pará metro de control



Com prender porqué la termografía es tan útil



Ser capaz de recordar algunos ejem plos de aplicación de la termografía infrarroja

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Ca p ítulo 2

I ntroducción a la termog rafía i nfra rroj a

¿ P o r q ué es ta n i m portante l a tem peratu ra? -

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La temperatura es una variable fundamental virtualmente para cualquier situación y en todos los procesos. Esto puede sonar muy exagerado, pero es verdad. Algunos ej emplos: Si mostramos la más ligera variación de la temperatura corporal, ¡nos sentimos enfermos ! Si cocemos una torta a una temperatura demasiado elevada, sabrá mal. Esto son un par de ejemplos de la vida diaria. En la industria, nos encontramos con un montón de ejemplos más. Veamos alguno. La misma idea de proceso de producción está asociada a modificar la temperatura de un material hasta que se funde, darle la forma adecuada y luego volver a modificar su temperatura hasta que solidifica. Entonces ya tenemos el producto. La destilación, proceso típico en las plantas petroquímicas, está basada en las diferencias en la temperatura de ebullición y condensación de los diferentes componentes del crudo. Mediante su utilización, se pueden separar las diferentes fracciones del petróleo. Seguramente usted mismo podrá proponer muchos más ejemplos. Pero aquí está el auténtico desafío: trate de proponer UN único proceso en el que la temperatura sea absolutamente indiferente. La temperatura es simplemente fundamental, y tener control sobre ella implica mayor calidad, seguridad, y ahorro de dinero.

¿Qué hace a la termog rafía tan úti l? Existen tres razones que hacen de la termografía infrarroja una herramienta de utilidad fundamental.

Es sin contacto - la medida se realiza de forma rem ota Ello implica muchas ventajas, dos de ellas especialmente importantes. En primer lugar, mantiene al usuario fuera de peligro. Un ejemplo dónde esto es muy importante es en aplicaciones de mantenimiento eléctrico - los componentes en funcionamiento simplemente no se pueden tocar. Y si no está pasando intensidad, no habrá incremento de temperatura que medir. La distancia y la accesibilidad es otro problema sin solución, tanto como la medida de obj etos en movimiento ó en rotación. En segundo lugar, la termografía no es intrusiva ó afecta de ninguna forma al cuerpo a caracterizar. Sólo observamos la radiación que sale, que se emite aunque no se mida. Esto es una condición muy importante para muchas aplicaciones.

Es bidimensional Es posible la comparación directa entre áreas del mismo cuerpo: podemos medir la temperatura en dos puntos ó en cien dentro de la misma imagen, y compararlas.

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Capítulo 2

NCENTER ITRAI FRARED NING

I ntrod u cción a la term og rafía infra rroj a

Una imagen e s perfecta para hacerse la idea inicial de una situación. Con una imagen se determina enseguida dónde están los problemas, ó qué puntos tienen un especial interés. De antemano no conocemos dónde se debe realizar la medida; se puede decidir a partir de la inspección de la imagen. El análisis del campo térmico es más fácil a partir de la imagen, en este caso de la propia termografía que lo visualiza.

Se realiza en tiemp o real La toma de imágenes en tiempo real permite realizar una visualización muy rápida de procesos estacionarios. Si se utilizara película fotográfica, habría que esperar días para obtener el resultado. Algunas situaciones peligrosas podrían ser descubiertas demasiado tarde. Incluso la corta espera para obtener una imagen congelada en las cámaras infrarrojas más lentas hace que el trabaj o sea mucho más aburrido. Trabajamos a la velocidad de la luz. Ningún cuerpo puede evitar emitir su propia radiación, y con los cada vez más sofisticados instrumentos, se pueden capturar obj etos incluso de velocidad muy elevada. Las medidas con contacto directo siempre implican la presencia de una constante de tiempo que implica un cierto retraso temporal en la medida. La característica de tiempo real de la termografía infrarroja nos permite capturar rápidas variaciones del campo térmico, sin modificar la forma en que dicho campo térmico varía.

La termografía abarca muchas apl icaciones . . .

Figure 2: 1 . Diferentes disciplinas que componen la termografia

La termografía es una tecnología increíblemente diversificada que requiere conocimiento y habilidad en una gran variedad de áreas. El saber sólo cómo se toma una imagen térmica no le va a llevar muy lejos. Debe ser capaz de analizar la imagen y comprender las consecuencias de lo que ve. Esto significa la comprensión de las cuestiones que se muestran en la figura.

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Cap ítu lo 2

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I ntrod u cción a l a termog rafía i nfra rroj a

En este libro se desarrollarán las cuestiones mostradas en la citada imagen, unas más que otras. Con su propio trabajo práctico y experiencia, aún aprenderá mucho más. Una imagen i nfrarroja Para aquellos que nunca han visto antes una imagen infrarroja, seguidamente se realizará una breve explicación para ayudarle a comprenderla.

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Figure 2:2. Imagen térmica de un automóvil

Las áreas más oscuras son aquellas que irradian menos radiación térmica, y ello normalmente significa que son las zonas del cuerpo más frías. Las zonas más brillantes significan lo contrario - más radiación, y áreas más calientes. ¿Qué nos dice la imagen? Bueno, podemos descubrir muchas cosas que una imagen visual normal no nos proporciona. Parece que los faros están en funcionamiento, ó se han apagado recientemente. El coche acaba de ser utilizado, porque las ruedas están más calientes que el resto del coche. El aspecto del parabrisas nos muestra que el calefactor está en marcha, y además qué zonas del cristal calienta. El motor está en funcionamiento, ó se ha parado hace muy poco, porque el radiador aún permanece bastante caliente detrás de la rejilla frontal. Una de las pocas cosas que no se pueden conocer a partir de esta imagen es precisamente de qué color es el coche

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C a p ítulo 2

I ntroducción a la termog rafía i nfrarroj a

Definición d e termografía infrarroj a

La termografía infrarroja es la ciencia de adquisición y análisis de la información térmica obtenida mediante los dispositivos de adquisición de imágenes térmicas a distancia. Termografía significa "escritura con calor", igual que fotografía significa "escritura con luz". La imagen generada se denomina termograma ó imagen térmica. "Infrarrojo" es lo que la hace sin contacto - hay medios para generar imágenes térmicas con contacto, pero no son obj eto de este libro. La palabra "ciencia" no debe asustar a nadie. Muchos de los objetos cotidianos en nuestra vida diaria pueden ser considerados desde un punto de vista científico, según los conocimientos que utilicemos. En nuestro caso, necesitamos conocer cómo tomar termogramas y cómo analizarlos. Esto incluye el funcionamiento del instrumento y la comprensión del calor, la temperatura, la transmisión de calor. Todo esto constituye la sección de teoría de este libro. Nuestras cámaras son dispositivos de adquisición de imágenes térmicas a distancia. Es posible medir temperatura a partir de la radiación infrarroja sin generar una imagen, pero eso no es termografía.

Aplicaciones Si tenemos presente la importancia de la temperatura y la gran versatilidad y utilidad de la termografía, no nos sorprenderá la gran diversidad de aplicaciones establecidas en los últimos tiempos. Inicialmente este manual no pretende dar aplicaciones, sí servir para enseñar termografía. Pero esto no significa que se vaya a evitar hablar de aplicaciones. En este libro va a ver muchos ej emplos del mundo real, especialmente de las aplicaciones más comunes en Monitorizado de Procesos, como inspección eléctrica, edificación, y otros procesos. Monitorizado de Procesos

La termografía infrarroja puede ser utilizada para Monitorizado de Procesos, para optimizar el mantenimiento, y para conseguir producir con fiabilidad, seguridad, y al mínimo coste.

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Capítu lo 2

GITRAI NCENTER FRARED NING

I ntrod u cc i ó n a la termog rafía i nfra rroj a

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Monitorizado Las siguientes son aplicaciones de monitorizado de procesos.

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Electricidad



Edificación



Hornos y calderas



Mecanismos, fricción



Tanques y depósitos



Problemas de flujo de fl uidos

Investigación y Desarrollo

La termografía ofrece posibilidades únicas para la investigación científica y el desarrollo de producto. En la Investigación, sus aplicaciones son innumerables. En desarrollo de producto, un ej emplo importante es la verificación de diseño Medicina y veterinaria -

La no intrusividad de la termografía la hace muy útil y completamente inofensiva para aplicaciones médicas. Un animal no suele decir dónde le duele, por eso para la veterinaria la termografía constituye una herramienta muy valiosa. Control de calidad y monitorizado de procesos

Las cámaras infrarrojas están siendo cada vez más comunes en las fábricas para control de calidad y medida continua de temperatura durante el proceso de producción. Ensayo no destructivo

La radiación térmica es siempre un fenómeno superficial, pero con un poco de imaginación, con la termografía se pueden localizar fállos debajo de la superficie.

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Capítulo 3

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I ntrod u cción a la cámara Infrarroja

Capítu lo 3 : I ntrod ucción a l a cámara I nfrarroja

Capítulo 3: I ntrod ucción a l a cámara I nfrarroja

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I ntroducción a la cámara infrarroja

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Objetivos del tema

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Control de la imagen

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Fu nciones de medida

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Capturando una imagen

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Preguntas

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Notas del Estudiante

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Introducción a la cámara Infrarroja

I ntrod u cc i ó n a l a cám a ra i nfra rroj a Cómo s e utiliza l a cámara infrarroj a. Funciones básicas. La utilización de la cámara infrarroja es una habilidad que necesita práctica, como cualquier otra. Este capítulo trata de la utilización de la cámara en general, y su objetivo es darle unas cuantas ideas que facilitarán su trabajo, pero al mismo tiempo le prevendrán de cometer ciertos errores desastrosos. Los sistemas infrarroj os son diversos y su desarrollo muy rápido, por lo que los botones y controles reales no son objeto de este capítulo. En su lugar, profundizaremos en lo que es común a todos los sistemas infrarrojos. Como suplemento de la bibliografía del curso, usted recibirá una guía de la cámara que cubre las especificaciones de su equipo. Por favor observe que los objetivos a aprender en este tema están relacionados con la utilización práctica de la cámara, como se establece a continuación.

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Objetivos del tema •

I nsertar la batería y la u nidad de memoria



Conectar y desconectar



Ajuste del enfoque del visor



Enfoq ue térmico



Ajuste automático de la imagen



Utilización general del sistema de menús



Aj uste manual de la i magen (n ivel/campo)



Control de las fun ciones de medida



Congelar y almacenar imágenes

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Capítulo 3

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I ntrod u cción a la cámara I nfrarroj a

C o ntro l de la i magen Los nombres y la forma e n que se utilizan los controles puede ser diferente, pero los principios de utilización siempre son los mismos. Se utilizará siempre la terminología más reciente.

Rango de temperaturas

Campo/Nivel

Nivel

Fig ura 3: 1 . La imagen se controla seleccionando el Rango de Temperaturas, y fijando el Nivel y el Campo

Rango de Temperatura El rango de temperatura es el ajuste básico. Muchos instrumentos tienen de 2 a 5 rangos de temperatura. El rango fija las temperaturas por debaj o y por ene· a de las cuales no se puede medir. Contra menos y más anchos sean los rango�, más fácil será utilizar el instrumento. Los rangos de temperatura se pueden obtener de diferentes formas, alguna mediante combinación de diferentes métodos. La necesidad de disponer de diferentes rangos de temperaturas es la misma por lo que las cámaras fotográficas necesitan diferentes aperturas. Se debe limitar la cantidad de radiación que llega al detector, si no este se saturará, se sobrecargará de energía. Se utiliza la apertura en los sistemas más antiguos, y normalmente se controla con un diafragma mecánico ó un botón. El segundo método es intercalando un filtro en la trayectoria de la radiación, que limita la cantidad de radiación que llega al detector -justo como si fuera unas gafas de sol. El tercer método es electrónico, limitando la sensibilidad del detector. Si pretendemos aplicar todos los colores de nuestra paleta al rango entero de temperaturas de la cámara, sólo unos pocos colores se corresponderán con las temperaturas de nuestra imagen. Así acabaremos teniendo una imagen muy poco contrastada. Inténtelo en su cámara. Fije un campo muy ancho y varíe el nivel hasta que aparezca imagen. Observe el resultado.

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Ca p ítulo 3

I ntrod ucción a la cám a ra I nfra rroja

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Nivel y Camp o "Campo" es la parte del rango de temperatura que estamos utilizando. Otra forma de llamarle es "contraste térmico". Podemos hacer el campo más ancho ó más estrecho. Muchos sistemas muestran 256 colores. Esto es por razones técnicas, y también prácticas. El ojo humano es incapaz de diferenciar más colores en la misma imagen, aunque las pantallas normalmente puedan mostrar más. Así, por ejemplo, si nuestro campo está fij ado a 50 grados, los colores pueden extenderse por fuera del rango de temperaturas. Pero qué será ¿0-50, ó 2 5-75, ó 50-100? Si es 50- 100, y estamos viendo una habitación a temperaturas normales, no seremos capaces de distinguir ninguna imagen. ¡La imagen entera en su lugar tendrá el color que corresponde "por debajo de 50" en nuestra escala, que normalmente es el negro!

Campo

Figura 3:2. Nivel y campo

"Nivel" es el punto medio del campo. Otra forma de entender el nivel es como el "brillo térmico". La solución al problema presentado anteriormente es mover los 50 grados del campo hacia abajo en la escala, para hacer que los colores cubran las temperaturas de la habitación que estamos observando. Cuando lo hacemos, aún podemos encontrarnos con que no se están utilizando todos los colores de la escala. Podemos realizar un ajuste más fino todavía. Desde hace unos diez años, los instrumentos tienen una función automática que nos da un ajuste aproximado de la imagen, con que nos evitamos tener que estar demasiado tiempo buscándolo. Estas funciones no son normalmente suficientes si desea analizar la imagen adecuadamente, así que debemos ser capaces de utilizar los controles de nivel y campo. Cómo se utilizan estas funciones para el análisis de la imagen se describirá en un capítulo posterior, junto a otros métodos. Por ahora, asegúrese de que conoce la práctica y el principio de funcionamiento.

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Capítulo 3

•ICETRAIN FRARED NTERN I N G

I ntrod u cción a la cámara I nfrarroj a

Fu nciones de medida

Figura 3:3. L a isoterma sustituye cierto rango de colores de l a escala, por uno de elevado contraste

1-

Las cámaras modernas ofrecen muchas funciones que se pueden utilizar para medir temperatura. Una de las más antiguas es la isoterma. Esta función no habría soportado tantos años si no fuera tan útil y versátil, como comprenderá durante el curso.

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Figura 3:4. La medida puntual es una función simple y muy conveniente

La segunda invención históricamente es el medidor puntual. Es muy popular debido a su simplicidad. Las funciones de Área, que pueden mostrar las temperaturas más caliente, más fría ó el valor promedio dentro de un área, son también muy útiles.

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Capítu lo 3

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Intro d u cc i ó n a la cám a ra Infra rroj a

Figura 3:5. E n esta imagen, la función d e área se fija para mostrarnos l a temperatura más elevada e n el recuadro

Cuando practique usando su cámara, se familiarizará con las funciones disponibles en su cámara, y sabrá cómo utilizarlas.

Captu rando u na imagen La captura de imagen se realiza congelando, almacenándola, ó mediante las dos en orden consecutivo. Por supuesto, para el informe la imagen debe ser primero almacenada en la cámara, para después ser transferida a un ordenador y generar en él el fichero de informe para su posterior impresión.

Las "Tres Grandes Reglas" Hay tres reglas generales, independientes de la cámara que esté utilizando. Tres cosas nunca se pueden modificar después de congelar ó almacenar la 1magen: •

Rango de temperatu ra



Enfoque óptico



Composición (En las cámaras antiguas, también hay una limitación para cambiar después el nivel y el campo)

Asegúrese de que son correctos, ó obtendrá resultados pobres (¡ó ninguno!), ¡y tendrá que salir de nuevo a captar la imagen!

Ran go de temperatura Como se ha explicado anteriormente, y como en cualquier otro aparato de medida, tiene que fijar un rango de temperaturas que incluya el que pretende medir. Es cierto también para otros muchos aparatos, en los que si se fij a el rango demasiado ancho, la precisión de su medida disminuye. Para explicarlo claramente, no puede esperar medir milivoltios si fij a el rango en kilovoltios. ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Cap ítulo 3

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I ntrod u cción a la cá mara Infrarroj a

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Enfoque óp tico El enfoque óptico es importante, no sólo porque una imagen mal enfocada dice poco de un termógrafo -si no porque parece muy poco profesional. Sus informes son posiblemente lo único de su trabajo que vean otras personas, así es en él dónde da la impresión del trabajo que ha realizado. Pero eso no acaba aquí, realmente la precisión de su medida también se ve afectada por su enfoque . ¡�1alas imágenes producen malas lecturas de temperatura!

Co mp osición de la Ima gen La composición de la imagen se refiere a varias cosas. Tiene que ver en primer lugar en la forma cómo presenta su objetivo en la imagen. No lo ponga muy lejos, en una esquina. Ni tampoco demasiado cerca, de forma que se corte parte de la información importante. El fallo más común en los principiantes ,es permanecer demasiado lejos del cuerpo. El consejo general es ponerse ¡MAS CERCA! Eso sí, mantenga una distancia ¡SEGURA! Muchas veces, sin embargo, tenemos imágenes en las que el campo de visión de la cámara se encuentra infrautilizado. Y como el enfoque, la composición de la imagen no es sólo una cuestión de ver el objeto. ¡Adivine! si está demasiado lejos del objetivo (es decir, el cuerpo aparece demasiado pequeño en la imagen) ¡no puede medir la temperatura adecuadamente! En otro capítulo se tratará este problema.

D isp ositivos de almacenam iento Afortunadamente ya no se utilizan las fotografías Polaroid de antes. Ahora las imágenes se almacenan digitalmente, en floppy disks, tarj etas PC ó memorias flash. Familiarícese con el tipo de dispositivo de almacenamiento que utiliza su cámara, y asegúrese de que lleva uno cuando dej e la oficina. De hecho, es un buen consejo tener una de repuesto en caso de emergencia . . . Otra cuestión importante es asegurarse de que su ordenador puede importar este tipo de imágenes, es decir si almacena las imágenes en una tarj eta PC, su ordenador debe tener lector de este tipo de tarj etas.

Co nsejos prácticos De forma breve, sugerimos que haga caso a los dos consejos siguientes. •

¡Mantenga su pantalla lim pia!



¡Congele antes de anal izar!

Iientras esté observando un cuerpo en directo mantenga la imagen en su cámara tan limpia como sea posible. Mantenga un número mínimo de funciones actiYa ó mej or ninguna. La mayor parte del tiempo de trabajo práctico debe ser tilizado para encontrar posibles problemas ó anomalías. Como aprenderá más -arde en este curso, esta tarea no implica sólo medir temperaturas. Es por lo que debe man ener tan pocas funciones de medida en la imagen como sea posible. _

O a cosa que iende a reducir la visión en su pantalla son los menús. Mantenga os men' actiyos. puesto que utilizan espacio en la imagen. Puede � �

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Cap ítulo 3

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I ntrod u cción a la cám a ra Infra rroj a

mostrar la información cuando la necesite, lo que e s menos frecuente de lo que p1ensa. Congele (y/ó almacene) la imagen antes de analizarla. Es preferible analizar una imagen congelada, a menos que esté observando un objeto que varía con el tiempo, y sea ese proceso en sí el que quiera analizar. Puede salir de áreas poco confortables ó peligrosas si rápidamente enfoca y congela la imagen. Una imagen en calma y estacionaria es mucho más fácil de analizar. Puede utilizar todas las funciones de análisis de su cámara, sin tener que preocuparse de apuntar la cámara exactamente a su objetivo. La imagen congelada será la que después aparecerá en su informe, por tanto tómese su tiempo para estudiarla en modo congelado antes de almacenarla, y decida si es lo que anda buscando. Si no descongele, ¡ y tome otra! Trabajar de esta forma reduce el estrés de su trabajo de forma importante.

Regla: sitúese tan cerca de su obj etivo como sea posible de forma segura, pero manteniendo los elementos más importantes dentro de la imagen.

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Capítulo 4

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C i e n c i a Térm i ca Bás i ca

Capítulo 4: Ciencia Térm ica Básica Capítulo 4: Ciencia Térmica Básica Ciencia Térm ica Básica Objetivos del tema .

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Calor y temperatura -

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Moleculas en movi miento Calor

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Temperatura vs. calor

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U n idades de medida de la temperatu ra Cero absoluto de temperatura

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Escalas relativas de temperatu ra

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Preguntas

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Notas del estudiante

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Escala absol uta de temperatu ras

Las leyes de la ciencia térmica

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Temperatu ra

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Cap ítulo 4

«DITRAI NCENTER FRARED NING

C iencia Térm i ca Bás i ca

C i e n cia Térm i ca Bás i ca Conceptos de temperatura, calor

y

transmisión de calor.

En este capítulo aprenderemos definiciones importantes. La temperatura y el calor son a menudo conceptos mal interpretados, y a menudo utilizados incorrectamente - a veces se utiliza un término en lugar del otro. Para evitar confusiones posteriores, quizá también durante su profesión como termógrafo, trataremos en nuestras definiciones de ser tan precisos y estrictos como sea posible.

Objetivos del tema •

Conocer la d iferencia entre calor y temperatura



Comprender la temperatu ras



Conocer cómo se convierten temperatu ras entre d iferentes escalas



Comprender el concepto de conservación de la energ ía



Comprender el concepto de sentido del flujo de calor

d iferencia

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entre

las

escalas

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absoluta

y

relativa

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Capítulo 4

NCENTER ITRAI FRARED NING

C i e n c i a Térm i ca Bás i ca

Calor y tem pe ratu ra Moléculas e n movimie nto

Para ser capaces de comprender los conceptos de temperatura y calor, tenemos que mirar las moléculas como los bloques básicos del edificio de cualquier tipo de materia. Las moléculas de una sustancia siempre están en movimiento, en mayor ó menor magnitud.

Figura 4: 1 . ¡ Contra más calientes están las moléculas, más rápido se mueven!

Las moléculas más calientes se mueven más rápido, y las más frías más lento. Para una cierta sustancia, la velocidad de las moléculas se corresponde con un cierto nivel de temperatura. La sustancia contiene cierta cantidad de calor. Analicemos cómo se relacionan uno y otro.

Calor

Esta es la definición de calor: El calor es la energía asociada al movimiento aleatorio de las

moléculas y átomos de los que está compuesta la materia. La

cantidad

de

energía

calorífica

de

un

objeto

está

relacionada con la energía cinética total de las moléculas que lo componen.

El calor es una forma de energía

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e CENTER i N FRARED TRAI NING

Capítulo 4

C iencia Térm i ca Bás i ca

Existen muchas formas de energía. En nuestra vida diaria utilizamos la energía química de la comida con la que nos alimentamos. La energía eléctrica mueve la mayoría de utensilios y maquinaria que utilizamos. El calor se genera por transformación a partir de otras formas de energía, por ejemplo, de un proceso de combustión, ó por movimiento ó fricción. Cuando quemamos un tronco de madera, se produce una reacción química que afecta al material combustible en el tronco y al oxígeno del aire. En este proceso se genera calor. De hecho, muchos procesos industriales y de nuestra vida diaria suponen la conversión de energía, que eventualmente producirá calor como producto final. Un obj eto puede contener calor, ó mejor dicho energía térmica. El calor y la energía se miden, por ej emplo en: •

julios (J)



vatios-segundo (Ws), ó kilowatios-hora (kWh)



Newton-metro (Nm)

Temp eratura Temp eratura vs. Calor

Los conceptos de temperatura y calor son algunas veces difíciles de separar. Incluso a veces pensamos que son lo mismo, porque están muy relacionados. Pero existe una diferencia fundamental, que trataremos de ilustrar a continuación.

+ ¡+

� -----�

�------�

100 J

100 J

200 J

Figura 4:2 . La temperatura es relativa pero el calor no

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Cap ítulo 4

NCENTER ITRAI FRARED NING

C ie n cia Térm i ca Bás i ca

Si cogemos dos obj etos, cada uno a una temperatura de 100°C y que contienen 100 julios de energía, y los ponemos en contacto, la temperatura obviamente no será dos veces mayor. Sin embargo, en el conjunto final, habrá el doble de energía, respecto a cuando los cuerpos se encontraban separados. Por tanto, la temperatura es una medida relativa que compara unos cuerpos con o ros. El calor es una magnitud "contable", que se puede medir en términos absolutos. Defi nición de temperatura La temperatura es una medida de la velocidad media de las moléculas y átomos que componen la materia.

La temperatura nos ayuda a definir en qué condiciones se encuentra un objeto. Contrariamente a la energía, que es una medida absoluta, la temperatura es relativa. Nos dice cómo se encuentra un obj eto en relación a otro. Deberíamos pensar acerca de la temperatura como un determinado nivel en una escala, mientras que el calor es algo que se puede contar. Comparemos dos montones de manzanas: utilizaremos la temperatura para describir la altura de los montones, y el calor para caracterizar el número de manzanas en cada montón. El que los montones sean grandes no implica que sean altos. La temperatura no es una forma de energía. Si lo fuera, ¿por qué utilizar unidades diferentes? La temperatura y la energía están relacionadas, pero no son lo mismo. La temperatura de un objeto aumentará ó disminuirá (normalmente) cuando la energía térmica de un cuerpo aumente ó disminuya, por tanto la temperatura es la consecuencia de más ó menos energía. Pero la temperatura no nos dice cuánta energía almacena un cuerpo, ¡ sólo al nivel que se encuentra! ("lo alta que está") . Y contra más alta esté, más fácil es que se caiga. La temperatura de un cuerpo nos dice la facilidad que tendrá para ceder calor a otros objetos, lo que no está relacionado con cuánta energía contiene. Una taza de agua hirviendo contiene menos energía que una bañera de agua tibia, pero si la tiramos dentro de la bañera, el agua de la taza cederá energía a la bañera. La temperatura se mide en kelvin (K) , ó en grados Celsius (°C) . Cuando consideramos, por ejemplo, la congelación ó la licuefacción, se aporta ó se absorbe energía del cuerpo sin un cambio en su temperatura. A esto se le llama "calor latente", y será objeto del Nivel 2 .

U n idades de medida de la tem peratu ra Existen muchas unidades para medir la temperatura. En este manual se utilizan dos de ellas, una absoluta y otra relativa.

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e TRAICENTER i N FRARED NING

Capítu lo 4

C iencia Térm i ca Bás i ca

Cero absoluto de temperatura

¿Cuánto frío es puede l legar a hacer? ¿Existe un límite en la cantidad de frío posible? Sí, lo hay. ¿Qué es lo más frío que podemos imaginar? El cero absoluto. Si consideramos el hecho de que la temperatura está relacionada con el movimiento molecular, el mínimo movimiento imaginable es que estén quietas, es decir, que no exista en absoluto movimiento. Cuándo alcanzamos ese estado y algo está quieto, no puede estar más quieto, ¿verdad? Así la temperatura de cero absoluto es ese punto teórico en que las moléculas no se mueven en absoluto. Decimos teórico, porque dicha temperatura no se da en los procesos naturales, ni siquiera en los puntos más oscuros del espacio exterior, donde tenemos los puntos naturales más fríos de nuestro universo (2. 7 K) . Utilizando el hecho de que para los gases existe una relación lineal entre la temperatura y la presión, por extrapolación es posible obtener un punto en el que las moléculas están absolutamente quietas. Este punto puede incluso ser calculado, aunque nunca se ha podido alcanzar. Escala absoluta de temperaturas

El cero absoluto es el punto de comienzo lógico para las escalas de temperatura absoluta, y así es como estas se definen - comienzan en el cero absoluto. La escala kelvin es el estándar mundial, y su unidad es el kelvin, (K) . Existen otras escalas de temperatura absoluta, pero nosotros siempre utilizaremos el kelvin.

Escalas relativas de temperatura

Hablando con rigor, si construimos una cinta métrica, no tiene mucho sentido situar el cero en otro sitio que no sea uno de sus extremos. Pues realmente eso es lo que ocurre con las escalas de temperatura relativas. En una escala relativa de temperaturas se utiliza como cero un punto diferente al cero absoluto, por ej emplo el punto de congelación del agua, o también del agua salada. El punto de referencia debe ser escogido de forma que pueda ser fácilmente accesible, y no debe estar afectado por factores externos como la presión ó la altitud. Las razones para escoger un punto particular de referencia están determinadas por la disciplina en la que trabajaba su inventor. La escala de temperatura relativa más común es la escala Celsius. La unidad es el grado Celsius, COC) . (Nota: en el sistema de medida inglés, la escala de temperatura relativa son los grados Fahrenheit) .

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Cap ítulo 4

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C i e n c i a Térm i ca Bás i ca

Las escalas de temperatura relativa están convenientemente adaptadas para su so diario- expresar la temperatura ambiente en kelvin puede ser incómodo; -end.Tíamos que decir doscientos noventa y tres, en vez de veinte.

Comp arac ión de escalas de temperatura =-a:; escalas Celsius y kelvin tienen orígenes diferentes, pero las variacione � · - en o mismo, i.e. el tamaño de un grado Celsius es igual al tamaño de un ?a -o �elvin (lC0 = l K) . (Nota: la escala Farenheit tiene un tamaño de grado -: _ere -e al Celsius ó el Kelvin) .

La co -ersión entre una temperatura expresada en kelvin a Celsius, ó viceversa, es realmen e muy simple. Todo lo que hay que hacer es sumar ó restar 273, de acuerdo a la figura posterior, y de esa forma se obtiene la temperatura aproximada en la otra escala.

1 00 o c

-273 o c celsius

3 73 K

El agua hierve

273 K

El agua se congela

OK

Cero absoluto

kelvin

Figura 4:3. Conversión de temperaturas Celsius y kelvin

Como se puede observar, los grados Celsius y kelvin se transforman fácilmente entre sí, puesto que el tamaño de ambas escalas es el mismo. Pero transformar por ejemplo Fahrenheit (°F) es algo más complicado, puesto que además los puntos de referencia son diferentes. El modo de transformación entre las diferentes unidades de temperatura puede consultarse en la sección de referencia, con las correspondientes fórmulas de conversión y tablas de equivalencia.

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Ci e n c i a Térm i ca Bás i ca

Las leyes de la ciencia térm ica Conocer la ciencia térmica es importante para comprender la transmisión de calor, que a su vez es fundamental para un termógrafo. La ciencia térmica describe el comportamiento del calor, y existen una serie de reglas estrictas en dicho comportamiento. Hay muchas de esas leyes que pueden ser expresadas en forma académica, pero nosotros trataremos de simplificarlas, y nos concentraremos en dos de ellas. Las llamaremos "Conservación de la energía" y "Sentido del flujo de calor".

Conservación de la energía La primera ley de la ciencia térmica que aprenderemos será la siguiente. La suma de la energía total contenida en un sistema cerrado permanece constante.

Algunas veces también se conoce como principio de conservación de la energía, que es otra forma de decir lo mismo: la Energía no puede ser creada ó destruida, sólo se transforma. En la realidad no existe ningún sistema absolutamente cerrado. Pero si recordamos el principio de conservación de la energía, se pueden entender fácilmente los sistemas que no son cerrados. Si la energía no puede ser creada ni destruida, toda la energía que se aporte a un sistema debe poder contabilizarse de alguna forma.

Energía en un sistema "cerrado" Para ilustrar la primera ley de la termodinámica, podemos realizar el siguiente experimento. Sabemos por la mecánica que la energía potencial es el producto de la masa por la constante de la gravedad por la altura. Si establecemos la referencia en el punto más bajo de nuestro sistema, podemos calcular la energía potencial utilizando la fórmula descrita. El cuerpo se mantiene en su lugar debido a una fuerza que iguala su peso, llamada F en la figura. Cuando arroj amos el cuerpo, i.e. la fuerza F desaparece, y la energía potencial se convierte en energía cinética, i.e. energía de movimiento (que puede calcularse como el producto de la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado) . Justo antes de que nuestro obj eto alcance el nivel cero, toda la energía potencial se ha convertido en energía cinética. ¿En ese momento qué ocurre? Sabemos que el objeto se parará de forma brusca, y toda su energía cinética debe de convertirse en alguna otra cosa. En este caso, se convertirá en calor y sonido. Y finalmente el sonido también se convertirá en calor. La cuestión fundamental es que no hay pérdida ó desaparición de energía.

Sentido del flujo de calor La segunda ley de la ciencia térmica que aprenderemos será la siguiente.

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NFRARED TRAIICENTER NING

Cap ítulo 4

C i e n c i a Térm i ca Bás i ca

El calor fluirá de forma espontánea desde las zonas calientes

hacia las más frías, y esta es la forma en que se transfiere calor de un cuerpo a otro.

Observe que dice que el calor fluirá. No es una posibilidad. Si existe una diferencia de temperatura entre dos puntos, existirá un flujo de calor. La diferencia de temperatura es lo que produce el flujo de calor. Recuerde lo que se ha dicho anteriormente; la temperatura nos dice con qué facilidad un cuerpo puede ceder calor. Contra más alta sea la temperatura de un cuerpo, más fácil e que suministre calor a otro. Aprovecharemos para refutar lo que "todo el mundo sabe", que el calor tiende a ubir. El calor no sube, va de los lugares más calientes a los más fríos. Siempre. El porqué pensamos que el calor sube es una cuestión que trataremos posteriormente.

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Capítulo 5

I ntrod u cción a l a tra n s m isión d e cal o r

C a p ít u l o 5 : I ntrod ucción a la transmisión de calor 5:

I ntroducción a l a transmisión de calor

"ón a la transmisión d e calor

Co

1 2

s del tema

2

e ra nsmisión de calor

3

cción

4

Determ inación del calor transmitido por cond ucción

5

Con d u ctividad

6

Ejemplos de cond ucción

7

Transmisión de calor en condiciones estacionarias y transitorias

12

Calor específico

14

Convección

17

Evaporación y condensación

20

Transmisión de calor por rad iación

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Preguntas

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Notas del estudiante

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Cap ítu lo 5

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I ntrod u cción a la tra n s m isión de cal o r

I ntrod u cc i ó n a l a tra n s m i s i ó n de ca l o r Cómo intercambian calor los cuerpos En los capítulos anteriores hemos aprendido que si existe una diferencia de temperatura entre dos puntos, también habrá un flujo de calor entre ellos. El calor no es algo que se quede donde lo dej as. Es imposible dejarlo quieto en un sitio. Fluirá de acuerdo a sus propias leyes de comportamiento. Ahora es el momento de saber cómo se transfiere el calor, y cuáles son sus reglas de comportamiento.

Objetivos del tema •

Comprender la transmisión de calor



Cond ucción Com prender qué cuatro factores afecta a la conducción y de qué forma



Convección Convección Natu ral y Forzada



Rad iación, com prender los conceptos de Emisión Absorción



Conocer la diferencia entre procesos de transferencia de calor estacionarios y transitorios



Conocer cómo afecta el calor específico a los procesos de transferencia de calor transitorios



Comprender cómo la evaporación y la condensación pueden afectar a la temperatu ra superficial del cuerpo que estamos caracterizando

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Cap ítulo 5

I ntrod u cci ó n a l a tra n s m isión d e cal o r

os

d e tran s m i s i ó n de ca l o r

• • •

--=--.:.:- _ a. �ón y condensación son ambos ejemplos de un concepto más amplio, -o e or latente, que no comentaremos aquí. Para los objetivos de este - : _ =- 2 caremos evaporación y condensación separados del concepto de calor �: =-:::2. p e stD que es importante considerar sus efectos en algunas aplicaciones - : :::: :::: a s cie ermografía. --

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E a po ra c i ó n/con densación .. ....



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Convección

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Rad iación

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Conducción

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Figura 5 : 1 Modos de transmisión de calor

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Cap ítulo 5

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I ntrod u cci ón a la tra n s m isión de cal o r

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Con d u cción La conducción d e calor e s la transmisión directa de energía térmica entre moléculas, cuando estas chocan entre sí.

El calor y la temperatura están relacionados con el movimiento molecular. Cuando dos moléculas se acercan suficientemente y entran en contacto, la que tiene mayor temperatura posee mayor movimiento molecular. De esa forma transmitirá parte de esa energía a la molécula que se mueve más lenta. Este proceso puede continuar como una reacción en cadena entre moléculas. Si, por ej emplo, calentamos una barra de metal por uno de sus extremos, el calor se transferirá molécula a molécula hasta llegar al extremo más frío. Es importante recordar que las moléculas, que son muy pequeñas, tienen realmente que ponerse en contacto unas con otras para que se produzca la conducción. Por ejemplo, si estamos utilizando una sartén de cocina, y su base no es completamente plana, no habrá contacto directo entre la sartén y la zona de calentamiento. El aire intermedio en reposo transmitirá calor, pero de forma mucho menos efectiva que si los dos metales se encontrasen en contacto directo. La transmisión de calor por conducción se produce en cualquier situación en la que se ponen en contacto moléculas con diferente temperatura. Puede tener lugar entre diferentes objetos que están en contacto, y en el interior de los obj etos. No importa el tipo de materia. La conducción tiene lugar en sólidos, líquidos y gases. Y con pocas excepciones, es el único modo de transmisión de calor que se produce dentro de un sólido. (Algunos sólidos pueden transmitir radiación, pero estos materiales son poco comunes y realmente muy caros. Las lentes de su cámara infrarroj a son un buen ejemplo.) El hecho de que sólo exista transmisión de calor por conducción dentro de un sólido supone que es muy importante su comprensión para los termógrafos. La inmensa mayoría de las cosas que vemos con nuestra cámara son sólidas . A menudo los campos, térmicos que analizamos son causados por transmisión de calor por conducción.

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Capítu lo 5

I ntrod u cci ó n a la tra n s m isión de cal o r

D eterminación del calor transmitido p o r conducción

Para determinar el calor transmitido por conducción, es decir, cuánto calor se transmite en ciertas circunstancias, necesitamos conocer qué factores intervienen y cómo afectan. En forma escrita: El valor del fluj o de calor en condiciones estacionarias es directamente proporcional a la conductividad térmica del objeto, a la sección transversal a través de la que fluye el calor, y a la diferencia de temperatura entre los puntos del cuerpo

considerado.

Es

inversamente

pronorcional

a

la

longitud, ó distancia entre ambos puntos.

Fórmula para conducción

la

determinación

del

calor

transmitido p or

Si expresamos lo mismo utilizando una fórmula: Fórmula n úmero

1

El resultado del cálculo utilizando esta fórmula es P. Sus unidades son vatios (W) , y es la medida de una potencia calorífica, i.e. la magnitud del flujo de calor. Esta fórmula es válida en condiciones estacionarias; el significado de "condiciones estacionarias" se explicará después en este capítulo.

_ Í,:k 4

Cuatro factores afectan a la transmisión de-c. lor por conducción. Son los siguientes: •

Conductividad térmica del materi



Area de la sección transvers 9:(ADiferencia de temperatu r T1 �T-2

• •

'

a(

.

-/'

(W/m*K)

/) Longitud de la trayectoria de-co nlu cci � �K)

1

·

Potencia y energía Por tanto P no expresa energía. La fórmula de conducción nos da la potencia calorífica, entre dos puntos ó superficies con una diferencia de temperatura. Para obtener energía, ó trabajo, es necesario multiplicar potencia por tiempo. La unidad es el julio (J) , que es lo mismo que vatios-segundo (Ws); 1 julio = 1 vatio­ segundo. Para que el flujo de calor continúe con la misma potencia, se debe aportar energía de forma continua. Si no la diferencia de temperatura comenzará a reducirse.

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Ca p ítu lo 5

«DITRAI NCENTER FRARED NING

I ntrod u cción a la tra n s m isión de cal o r

Si consideramos un edificio con calefacción con una fuga de calor constante de, digamos, 1 500 W, la energía necesaria para calentar el edificio durante 24 horas será: 24 horas * 60 minutos/hora * 60 segundos/minutos * 1 500 W 1 2 9 600 000 W- segundo

=

ó,

24 horas * 1.5 kilovatios = 36 kilovatios-hora (36 kWh)

Conductividad

La conductividad térmica, k, es una propiedad que depende del material. Sus unidades son vatios por metro y kelvin (W/m*K) . Los materiales tienen diferente facilidad para conducir el calor. A mayor conductividad, mayor facilidad para conducir energía. Algunas veces se utiliza el concepto de "resistencia térmica". Es el inverso de la conductividad, ó 1/k. Un buen material aislante tiene una baj a conductividad, y por tanto una elevada resistencia térmica. Valores de conductividad térmica

Mejor conductor

Material

Conductividad (W / m* K)

Cobre

40 1

Aluminio

237

Acero

52

Hielo puro

2.04

Ladrillo

1

Vidrio (ventana)

0.9

Agua

0.6

Madera

0.14

Fibra de vidrio

0.04

Aire (en reposo)

0.025

Argón

0.018

Xenón

0.0051

--

-

Figura 5:2 Valores de conductividad para algunos materiales. (Procedente de varias fuentes, sólo mostrado como ejemplo). Estos valores pueden modificarse con la temperatura y otros factores .

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Capítulo 5

-

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I ntrod u cció n a la tra n s m i s i ó n de ca l o r

Como s e puede observar, l a conductividad varía mucho de unos materiales a otros. La diferencia entre el cobre y el xenón es casi de 80 000 veces. Aunque todos los metales tienen conductividades elevadas, este parámetro también puede variar mucho de unos metales a otros. El cobre es unas ocho veces más conductor que el acero, por ej emplo. El agua tiene baja conductividad, lo que puede sorprender porque normalmente se utiliza cuando se quiere enfriar algo rápidamente. Pero como veremos después, esto se debe a otros motivos. Los gases poseen baj a conductividad. Pero son un caso especial, porque la conductividad se ve afectada por la presión (y por la pureza del gas). Esto dificulta la comparación entre valores de conductividad para los gases. Ej emplos de conducción

Echemos una mirada a los cuatro factores envueltos en la conducción del calor, y cómo afectan a la potencia calorífica transmitida, P.

Ejemplo 1: Conductividad

Figura 5:3 Ejemplo de pared con diferencias de conductividad entre los paneles, de material aislante y la estructura soporte, de listones de madera

Este termograma muestra la pared aislada de un edificio, visto desde el interior del mismo. El edificio, interiormente calefactado, se encuentra en un entorno exterior más frío. Las paredes tienen un espesor uniforme, lo que significa que la distancia/espesor (d) en nuestra fórmula de conducción es igual para la toda la superficie que estamos observando (excepto en los rincones). Lo mismo hay que decir respecto a la diferencia de temperatura (T¡-Tz) . Si observamos áreas de igual superficie (A, en la fórmula) este parámetro no afectará al calor transmitido. Utilizando los valores de la tabla anterior, tenemos:

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Capítulo 5

NCENTER ITRAI FRARED NING

I ntrod u cción a la tra n s m isión de ca l o r



Material aislante k=0.04



Soportes de madera k=0 . 1 4

Esto justifica la imagen que observamos. Los pilares de madera conducen energía en mayor magnitud que el material aislante, y por tanto su superficie interior estará más fría. Los rincones están también más fríos, y aunque esto también está relacionado con las diferencias de conductividad, existen además otros factores. El rincón actúa como puente térmico con el exterior, además de que la circulación de aire es menor cerca de los rincones, por lo que este fluido no calienta con tanta efectividad la superficie.

Ejemplo 2: área de la pared Supongamos que tenemos dos casas con calefacción en invierno. La temperatura del aire exterior es - l 0°C (263 K) , y el interior de ambas casas se encuentra a una confortable temperatura de 20 oc (293 K) . Ambas casas tienen el mismo espesor (0.2 m) y están hechas del mismo material (k=0.05 W/m*K) . La diferencia es el tamaño; la casa más pequeña tiene una superficie de paredes de 120 m2 Y la casa más grande tiene una superficie de paredes de 480 m2.

Figura 5:4 Casas grande y pequeña - diferentes superficies de paredes

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Capítulo 5

•ITRAI NCENTER FRARED NING

I ntrod u cci ó n a la tra n s m isión de ca l o r

Utilizando la Fórmula número 1 , podemos hacer los siguientes cálculos.

Casa pequeña 293 K - 263 K

D iferencia de temperatura,

Casa grande =

30 K

293 K - 2 6 3 K

=

30 K

(T1-T2) Espesor

de

la

pared

1

0.2 m

0.2 m

Conductividad, k

0 . 0 5 W/m*K

0.05 W/m*K

Superficie de paredes, A

1 2 0 m2

480 m2

Cálculo: P

0 . 0 5 * 1 20*30/0. 2

0 .05*480*30/0. 2

900 W ó 0 . 9 kW

3600 W ó 3 . 6 kW

(longitud

trayectoria

de

conducción, L)

=

k*A*(T1-Tz)/L

Fugas de calor, P

Figura 5:5

Las fugas de calor a través de la casa más grande son, no es de extrañar, cuatro veces mayores. Por tanto, necesita una potencia de calefacción cuatro veces mayor. Por supuesto, sólo se han contabilizado las fugas de calor por conducción a través de las paredes. A esto hay que añadir las fugas por el tejado y el terreno. Si el edificio tiene infiltraciones de aire, estas también contribuyen a las fugas. Otra fuga de calor es la ventilación, que se necesita para mantener unas condiciones de aire confortables. Si añadimos todas estas fugas (ignorando las fugas por convección y radiación) , y multiplicamos por el tiempo y el coste de la energía, obtendremos lo que cuesta la calefacción de ambas casas. El cálculo de las pérdidas de calor, incluyendo todos los términos, es también relevante cuando se diseña el sistema de calefacción del edificio - para asegurarse de que tenemos suficiente potencia de calefacción para calentar la casa, incluso cuando se alcancen las temperaturas más baj as. Si es necesario refrigerar el edificiO el cálculo es similar, sólo que la diferencia de temperatura tiene sentido contrario, es decir el sentido del flujo de calor será el opuesto.

Ejemplo 3: diferencia de temperatura El café recién hecho de una taza está más caliente que el aire encima de él. Se conduce calor a través de las paredes laterales de la taza, en una magnitud mayor si el café está caliente. De hecho, encima del café, la temperatura es virtualmente la misma que en el resto de la habitación, por tanto no hay diferencia de temperatura, y no se produce transmisión de calor. Excepto por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la taza, el resto de factores son los mismos (conductividad, área, y espesor) .

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Capítu lo 5

NCENTER ITRAI FRARED NING

I ntrod u cción a la tra n s m isión de ca lor

A causa de las diferencias e n l a magnitud del calor transmitido, podemos ver el nivel de café en la taza -desde el exterior.

Figura 5:6 Taza con café caliente, en imagen visual e infrarroja

Ejemp lo 4: Longitud de la trayectoria de conducción El termograma muestra un "torpedo de fundición". Es un depósito de acero en forma de cigarro puro recubierto de material aislante en su interior (resistente a la alta temperatura) . Se mueve sobre raíles, justo como los vagones de un tren. Se utiliza para transportar acero fundido en una metalurgia, desde una zona del proceso de producción a otra. La fábrica suele disponer de varios torpedos para esta misión, y en un momento dado hay algunos en reparación, debido al desgaste continuo del refractario. Por razones de seguridad es importante dejar fuera de servicio estos elementos antes de que exista riesgo de quemado de la pared de acero. Pero por motivos económicos, sólo se deben dej ar fuera de servicio cuando sea estrictamente necesario.

Figura 5:7 Torpedo de fundición con desgaste en el aislante refractario

Se carga el torpedo desde su parte superior, según la flecha de arriba. Cuando el acero fundido toca la parte inferior del recipiente, provoca un desgaste mayor en

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Capítulo 5

I ntrod u cción a la tra n s m isión de ca l o r

l a parte en que contacta, como reflej a l a flecha inferior. L a reducción de l a zona de refractario provoca la zona caliente que se localiza en la parte inferior. De manera esquemática, sería como se muestra:

E!

V

• • • • •

Pu nto cal iente

Ai re frío en el exterior

Figura 5:8 Sección transversal del torpedo de fundición con desgaste del material refractario

La zona donde el refractario está más desgastado presenta una longitud característica de conducción más corta (Lz < Ll) , lo que significa que la potencia de calentamiento es mayor, con lo que aparece una zona caliente en el citado lugar. Menor L implica temperatura T más elevada.

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Cap ítulo 5

ei-CTRAINENTER FRARED NING

I ntrod u cción a la tra n s m isión de cal o r

Transmisión de calor en condiciones estacionarias y transitorias

AT Figura 5:9 En condiciones estacionarias, lo que entra ha de ser igual a lo que sale - la potencia de calentamiento debe ser igual a la potencia de enfriamiento

Condiciones estacionarias y transitorias representan las dos situaciones típicas en transmisión de calor. Cuando hay condiciones estables, sin cambios de temperatura y con un flujo de calor constante se habla de "estado estacionario" . Esto significa que las potencias de calentamiento y de enfriamiento son iguales - lo que entra es igual a lo que sale, A y B coinciden, y por tanto �T. Observe que en estas condiciones se transmite calor. Si además las temperaturas son iguales (�T = O) se habla de equilibrio térmico, y no habrá transmisión de calor, pero esta situación no debe ser confundida con la de estado estacionario.) Un proceso transitorio es aquel en el que tienen lugar tanto cambios de temperatura como de flujo de calor. Si la potencia de calentamiento es mayor que la de enfriamiento, el cuerpo se calentará - su temperatura se incrementará. Si la potencia calorífica se anula, el cuerpo comenzará a enfriarse hasta alcanzar de nuevo la temperatura ambiente.

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Capítulo 5

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I ntrod u cció n a l a tra n s m isión d e ca l o r

C o d ici o n es transitorias

Tem peratu ra

Enfriamiento

Tiempo

Fig ura 5 : 1 O En los procesos transitorios, la temperatura cambia con el tiempo

En realidad, los procesos estacionarios son poco frecuentes. Supongamos el ejemplo de una casa. Cuando se pone el sol el aporte de energía asociado al calentamiento solar desaparece. Si la casa tiene calefacción, dicho sistema tiene que aportar calor en mayor magnitud que la energía cedida debido al enfriamiento natural. Si lo que se tiene es aire acondicionado, deberá limitarse su potencia de enfriamiento. Si entran personas, el calor corporal modificará las condiciones, etc. Nuestra fórmula de conducción sólo es válida en condiciones estacionarias. Mortunadamente, aunque sean tan poco frecuentes, la fórmula sigue siendo muy útil. Podemos suponer condiciones estacionarias para un instante concreto, ó durante un periodo de tiempo promedio. Pero debemos tener bien claro que en cualquier caso se trata de una aproximación, en muchos casos perfectamente razonable.

Estado estacionario lo que entra es : igual a lo que sale

Condiciones transitorias:



• • •







50

45 40 35

30 25

Condiciones transitorias



-

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Capítulo 5

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I ntrod u cción a la transmisión de calor

Figura 5 : 1 1 Gráfico temporal d e variación d e temperatura d e u n equipo controlado con u n termostato. Cuando el equipo se conecta, se produce un calentamiento hasta que el termostato comienza a controlar la potencia de calentamiento para mantener la temperatura estable, lo que se consigue de forma adecuada entre las dos l íneas verticales de puntos. Al final el equipo se desconecta con lo que comienza el proceso de enfriamiento natural.

Calor específico El concepto de calor específico expresa la habilidad de un material para almacenar energía térmica. Las unidades normalmente utilizadas son kJ/kg*K. Que se leen como kilo-julios por kilogramo y kelvin. Es la cantidad de energía térmica requerida para incrementar en un grado kelvin la temperatura de un kilogramo de materia. El calor específico es también una medida de la inercia del material, i.e. con qué rapidez reacciona el material a los cambios de temperatura. Un cuerpo con elevado calor específico reaccionará con mayor lentitud a los cambios de temperatura. Ampliaremos la tabla de conductividades mostrada anteriormente con algunos valores de calor específico

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Capítulo 5

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I ntrod u cción a l a tra n s m is i ó n de cal o r

Va l ores

de

Material

calor

Conductividad (W / m* K)

específico

Calor específico (kJ / kg * K)

Cobre

401

0.39

Aluminio

237

0.90

Acero

52

0.46

Hielo puro

2.04

2

Ladrillo

1

0.75

Vidrio (de ventana)

0.9

0.84

Agua

0.6

4. 1 8

Madera

0.14

1 . 80 . 2 . 80

Fibra de vidrio (Lana de roca)

0.04

.

Aire (en reposo)

0.025

.

Argón

0.018

.

Xenón

0.0051

.

Figura 5 : 1 2 Valores de conductividad y calor específico para determinados materiales (procedente de varias fuentes, sólo mostrado como ejemplo.)

Si observamos los tres primeros metales, podemos resaltar algunas conclusiones interesantes. El cobre tiene la conductividad térmica más elevada de los tres, pero el menor calor específico. El aluminio tiene una conductividad térmica intermedia, pero el calor específico máximo - doble que el cobre. El agua tiene un calor específico muy elevado. Así es un material excelente para almacenar calor. Nuestros océanos son inmensos depósitos de calor, y son los responsables de la regulación de la temperatura en la Tierra, durante todo el día y a lo largo de todo el año. Los lugares cerca de grandes masas de agua tienen un clima más estable que aquellos que se encuentran tierra adentro. En Novosibirsk en el centro de Siberia, la temperatura media varía de +35°C en verano a -53°C en invierno. Esto supone una variación de temperatura de 88 K. Observe que cuando hablamos de diferencia de temperatura ó "delta T," en este libro, siempre se utiliza la unidad kelvin.

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Ca p ítulo 5

ICENTER NFRARED TRAI N I N G G

I ntrod u cción a la transmisión de ca l o r

El calor específico para l a madera varía según sus características, posiblemente sobre todo por el contenido en agua. No se da ninguna información acerca de los gases. Su calor específico depende de la presión. Los valores para los gases no pueden ser comparados por tanto con otros materiales. La fibra de vidrio es una combinación de vidrio y gas, por lo que tampoco se da información para este material.

Cal or específico y procesos transitorios En termografía, el calor específico es importante durante los procesos transitorios. Algunos buenos ejemplos son: la detección de humedades en cubiertas, ó la indicación del nivel de un tanque a temperatura ambiente.

Figure 5 : 1 3 Indicación del nivel de un tanque

Este tanque contiene agua destilada, y no posee ningún sistema propio de calentamiento ó enfriamiento. Por la posición de la sombra en la foto, concluimos que el sol incide desde la izquierda. Hay un brillo solar arriba a la izquierda de las banderas, más visible aún en la imagen infrarroja. Las imágenes fueron tomadas a mediodía, estando el agua todavía fría debido al enfriamiento nocturno. El agua tiene un calor específico muy elevado - una elevada inercia térmica. El sol calienta el tanque rápidamente en la zona en la que sólo hay aire detrás de la pared del tanque, pero en la zona que hay agua el cambio es mucho más lento, por lo que al final se puede ver claramente el nivel de agua.

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Capítulo 5

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I ntrod u cción a la tra n s m isión de cal o r

Co nvección Convección e s e l modo d e transmisión d e calor e n un fluido que está en movimiento debido a fuerzas gravitatorias, ú

otra fuerza externa, por lo que dicho fluido transmite calor de un lugar a otro.

La convección es un modo de transmisión de calor que se basa en el transporte de masa dentro de un fluido - un líquido ó un gas. La convección tiene lugar dentro del fluido. La transmisión de calor que tiene lugar entre un fluido y la superficie de un sólido, ó en la superficie de fluidos que no se mezclan, corresponde a conducción (ó también puede deberse a radiación) . En la zona cercana al sólido, existe siempre una fina capa de fluido estacionario, llamada capa límite, donde la transmisión de calor dentro del fluido tiene lugar exclusivamente por conducción. Es muy importante para un termógrafo comprender la transmisión de calor por convección, porque aunque siempre solemos estudiar sólidos, los campos de temperatura en los sólidos se ven muy afectados también por la convección. Puesto que la mayoría de gases son invisibles para la cámara infrarroja, en las pocas ocasiones en los que se puede visualizar el proceso de convección directamente es en la superficie de los líquidos. En muchos casos, el efecto de la convección se muestra indirectamente en la superficie de los sólidos. Con un experimento sencillo se pueden mostrar las corrientes de convección en el interior de un cubo con agua caliente. Si consideramos un fluido con diferencias de temperatura en su interior, en las zonas donde el fluido está más caliente, las moléculas están más alej adas entre sí. Ello se debe al mayor movimiento molecular - cuando las moléculas chocan entre sí son lanzadas más lejos. Y si las moléculas están más alej adas entre sí, eso significa que el volumen de líquido más caliente tiene menor densidad. De forma inversa, las zonas más frías del fluido presentan una densidad mayor. Las diferencias de densidad dentro del fluido provocan a su vez diferencias en la magnitud de la fuerza de gravedad. Las partes más frías se ven más afectadas por la gravedad que las calientes. Por tanto, las zonas más frías tienden a hundirse, y las más calientes a elevarse. Cuando esto ocurre, tiene lugar una circulación de fluido. Este proceso transfiere calor de un lugar a otro. Si abrimos una ventana de una casa con calefacción en un día frío, saldrá aire caliente y entrará aire frío. El aire frío y caliente se mezclan, con lo que la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior disminuirá - por tanto se ha producido un flujo de calor. Y tal como nos dicen las leyes de la ciencia térmica, el calor irá de lo más caliente a lo más frío. La expresión "el calor sube" es por tanto un malentendido. Los fluidos calientes se elevan, pero el calor siempre va de la zona más caliente a la más fría.

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Capítulo 5

I ntrod u cció n a l a tra n s m isión d e ca l o r

Figura 5 : 1 4 Circulación e n e l interior d e u n fluido. El fluido más frío es e l más oscuro.

El proceso descrito se llama convección natural, porque es la fuerza de gravedad la que provoca el movimiento en el fluido. Cuando hablamos de convección forzada, nos referimos a una situación en la que el fluido se ve afectado por otras fuerzas además de la gravedad, como por ejemplo un ventilador, una bomba ó el viento.

Ejemplo 1: enfriam iento provocado p or el viento Aquí se muestra un disruptor lleno de aceite. La imagen de la izquierda está tomada con viento, mientras que la derecha sería de un día en calma.

Figura 5 : 1 5 Un disruptor con viento (izquierda) y en calma (derecha).

La flecha muestra una conexión caliente en la zona superior de un componente. Está claramente caliente, y se detectará incluso con viento. (Otra cuestión es decidir la gravedad del problema - esto es muy difícil con viento). Se sospecha que algunas otras conexiones están calientes (marcadas con el círculo) , pero no es fácil decir si realmente presentan problemas ó no. El círculo de la derecha en los termogramas muestra una conexión que difícilmente puede distinguirse como caliente bajo condiciones de viento. Su interpretación es muy difícil.

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Capítulo 5

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I ntrod u cción a la tra n s m isión de cal o r

E n la imagen de l a derecha, algunos d e los puntos sospechosos son confirmados como conexiones calientes - el círculo del medio y a la derecha. Los círculos de la izquierda marcan una conexión que puede estar caliente. Necesitaría ser in estigada en más profundidad. La conclusión fundamental es que el viento puede modificar fuertemente la s ribución de temperaturas. Las inspecciones con fuerte viento deben evitarse, porque es posible no reconocer problemas, ó malinterpretarlos. Un concepto equi ocado es que en los días con viento se puede obviar el efecto del mismo rilizando el método de la diferencia de temperatura, i.e. buscando delta-T entre conexiones . Esto no es cierto, porque el viento enfría más la conexión más e - · ente, con lo que el delta-T también variará. ·

Ejemp lo 2: infiltraci ones de aire � -= · damente se muestra una imagen de un edificio con calefacción, en el que =xis-en infiltraciones de aire. Esto es un ejemplo de flujo de calor de convección � · sible que puede visualizarse a través del efecto de enfriamiento que provoca so· re la superficies sobre las que incide.

15

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ra 5: 1 6 Termograma e imagen visual de infiltración de aire

El aire frío crea un patrón térmico característico en el suelo y las paredes, al infiltrarse en el edificio como consecuencia de la diferencia de presiones entre el interior y el exterior del edificio.

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Capítulo 5

I ntrod u cción a la tra n s m isión de ca l o r

Evaporación y condensación Al proceso por el que un líquido se trasforma en gas, le llamamos evaporación, y cuando es el gas el que se transforma en líquido condensación. Cuando esto ocurre hay un intercambio de energía asociado exclusivamente a dichos procesos. Cuando hay evaporación en una superficie, esta se enfría. Esto nos es muy familiar, porque todo el mundo sabe que cuando te moj as la mano con agua, sientes frío - porque el agua se evapora y absorbe energía de la mano. Cuando el agua hierve se está produciendo vapor sin incremento en la temperatura del agua. Así, el calor del fogón provoca ebullición, y no un cambio en la temperatura del agua. El calor es finalmente cedido al aire por el vapor de agua. Cuando el vapor se condensa de nuevo en forma de agua líquida, el calor que ha absorbido lo cede de nuevo. Y esto es origen de confusión, porque intuitivamente nos parece que al haber humedad, tiene que estar además frío. Pero el agua se evapora de nuevo, no en tanta cantidad como la que se ha condensado. Cuando dejamos una bebida fría sobre una mesa, se calienta por conducción desde la mesa, convección con el aire y radiación de los obj etos de alrededor. Pero probablemente la mayor fuente de calentamiento es la condensación del vapor de agua contenido en el aire sobre la superficie exterior del vaso. Consecuencias de la evaporación El efecto de enfriamiento asociado a la evaporacwn (y de calentamiento por condensación) puede ser mal interpretado por los termógrafos. En los casos no tan obvios, donde no se ha encontrado la zona moj ada que se enfría por evaporación, la zona fría resultante puede ser interpretada como algo distinto. Esto es especialmente normal en aplicaciones en edificios. Si miramos la superficie de un edificio desde el exterior, debe estar seca. Si observamos cuerpos calientes, como paredes de hornos ó conexiones eléctricas, se mostrarán mucho menos calientes -o nada- si está lloviendo. El agua de lluvia por supuesto está más fría que el componente, y por tanto lo enfriará. Pero el enfriamiento evaporativo posterior tendrá un efecto mucho más intenso

Figura 5 : 1 7 Zona fría en el pavimento debida a la evaporación

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Capítulo 5

•ITRAI NCENTER FRARED NING

I ntrod u cción a la tra n s m isión de ca l o r

i observamos esta escena d e l a calle, observamos en el termograma una zona fría cerca del coche. De la foto concluimos que hay agua en el pavimento que se está secando, y al evaporarse enfría la superficie.

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Cap ítulo 5

ICENTER N FRARED TRAI N I N G G

I ntrod u cción a la tra n s m isión de cal o r

Tra n s m i s i ó n de ca lor por rad iación La transmisión d e calor por emisión y absorción de radiación

térmica se denomina transmisión de calor por radiación.

La molécula ha jugado un papel muy importante en el análisis realizado hasta el momento sobre transmisión de calor. En conducción, las moléculas chocan entre sí y se transfieren la energía cinética; en convección las moléculas pueden moverse libremente - como respuesta a la fuerza de la gravedad ó a otra fuerza exterior. La transmisión de calor por radiación es completamente diferente en ese sentido, porque no requiere ningún medio material. De hecho, como mejor se transmite la radiación térmica es en ausencia total de moléculas - en el vacío.

-

--

Radiación térmica La radiación térmica es una forma de radiación electromagnética. En el siguiente capítulo hablaremos acerca de los diferentes tipos de radiación electromagnética. En este apartado, nos concentraremos en la transmisión de calor por radiación térmica. Los cuerpos emiten radiación térmica como consecuencia de su temperatura. Puesto que todos los objetos tienen una temperatura, todos emiten radiación térmica. A mayor temperatura, mayor cantidad de radiación térmica será emitida. Algunos materiales son mejores, más eficientes en este proceso. La cantidad de radiación térmica emitida por un cuerpo a una temperatura concreta, depende fuertemente del tipo de material que lo constituye. La radiación térmica se propaga fácilmente a través de los gases, pero con mucha mayor dificultad, ó incluso bloqueada por la mayoría de líquidos y sólidos. Transmisión de calor por radiación

--

Más ca l iente

Más frío

Figura 5 : 1 8 Transmisión de calor por radiación

La transmisión de calor por radiación se lleva a cabo por emisión y absorción de radiación térmica. Todos los cuerpos emiten y absorben radiación térmica al mismo tiempo. El calor neto transmitido es la diferencia entre lo que se ha absorbido y lo que se ha emitido. ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítulo 6

•ICETRAINFRARED NTERN I N G

El espectro e l ectro m ag n ético

Capítu lo 6 : El espectro electromag nético

Capítulo 6 : El espectro electromagnético El espectro electromagnético Objetivos del tema Ondas

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1

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2

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Luz visi ble

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Longitudes de onda

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El espectro electromagnético Transmisión atmosférica Preguntas

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Notas del estudiante

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2 3 4 5 5 7

9

1O

Ca p ítu lo 6

ICENTER N FRARED TRAI N I N G G

El espectro e l ectro m a g n ético

El espectro e l ectromag n ético Para qué utilizamos las diferentes longitudes de onda, encuentra la radiación infrarroj a.

y

dónde se

La radiación electromagnética cubre un vasto espectro de diferentes tipos de radiación, que utilizamos para una amplia variedad de aplicaciones. En este capítulo se intenta dar una perspectiva sobre el espectro infrarrojo que utilizamos en termografía. Además se tratará de dar al lector una idea de donde se sitúa la zona infrarroj a dentro del espectro electromagnético global.

Objetivos del tema •

Conocer cómo se clasifican los d iferentes ti pos de radiación



D iferentes longitudes de onda



Conocer cómo se relacionan la luz visi ble y el infrarrojo



Com prender qué significan las onda corta y larga



Conocer las longitudes de onda aproxi madas de ambas



Comprender la razón por la cual se utilizan cámaras de longitudes de onda corta y larga

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Capítulo 6

•ITRAI NCENTER FRARED NING

E l espectro e l ectromag nético

O n d as Todos tenemos al menos una visión intuitiva de lo que es una onda. Podemos hacer "surf' sobre las olas, ó hacer "la ola" en un estadio durante un partido importante, ó recibir ondas de radio con nuestro aparato de radio. Esta es una definición algo más complicada de lo que es una onda: "Una

perturbación

ó

variación

que

transfiere

energía

progresivamente de un punto a otro en un medio y que puede tener la forma de una deformación elástica, una variación de presión,

intensidad

magnética

ó

eléctrica,

de

potencial

eléctrico ó de temperatura." Diccionario Webster

Lo primero de todo, hay que corregir al diccionario en un pequeño detalle - la energía electromagnética no necesita un medio material para su propagación. Pero, dej ando eso a un lado, tratemos de entender lo que significa esta definición. Echemos una mirada a una onda creada por una piedra arroj ada en un estanque.

Figura 6 : 1 Ondas concéntricas creadas por una piedra arrojada al agua

Cuando la piedra impacta sobre la superficie, esa es la "perturbación". Cuando llega al agua, inicialmente empuja la superficie hacia abajo, pero la fuerza de la gravedad determina que la superficie ha de ser plana (ó con la misma curvatura que la tierra realmente), por eso empuj a la superficie del agua de nuevo y llena la cavidad que había hecho la piedra. Una vez el agua se ha puesto en movimiento, rebasará el nivel plano y se levantará sobre la superficie, pero la gravedad volverá a empuj ar sobre ella, y así más y más. De esta forma se ha generado un movimiento oscilatorio, y la energía cinética está presente en el ITC N1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Ca p ítu lo 6

•ITRAI NCENTER FRARED NING

El espectro e l ectromag n ético

-

movimiento del agua (" . . . una deformación elástica . . . variación de presión . . . ") . Esta energía se moverá hacia afuera desde el punto donde impactó la piedra. Pero el agua realmente no presenta ningún movimiento radial. (Si ves a la gente haciendo la ola en el estadio, ellos no se mueven de los asientos que tienen asignados; no van corriendo alrededor del estadio . . . ) Hay muchas formas de describir una onda, e.g. por frecuencia, amplitud, longitud de onda, velocidad, etc. Nosotros utilizaremos la velocidad y la longitud de onda. En termografía, las ondas electromagnéticas se caracterizan normalmente por su longitud de onda, A, (lambda) . Lo que este concepto significa se muestra en la gráfica siguiente.

Figura 6:2 Definición de longitud de onda, A. (lambda)

La longitud de onda es la distancia de un pico al siguiente, o lo que es lo mismo, de un paso por cero al próximo. La unidad más común para la longitud de onda es el micrómetro, 11m (1 11m = 10-6 m = 111000 mm) . También se le llama a vec� s "micra". Otra unidad para la longitud de onda cuando es muy pequeña es A, {mgstrom (1Á = 10-10 m = 1/10 000 000 m). Las ondas electromagnéticas viajan a una velocidad muy elevada, a la que se conoce como velocidad de la luz. Varía en función del medio, por lo que usualmente se define para el vacío. La velocidad de la luz se escribe como una e minúscula, y en el vacío es e = 2 . 997925 * 108 m/s, ó aproximadamente 300000 km/s. Luz visible

La luz visible es muy similar a la infrarroja en diferentes aspectos. La luz blanca visible es una mezcla de longitudes de onda y cuando vemos, por ejemplo, algo azul, es porque el cuerpo tiene la habilidad de reflej ar más la parte azul del espectro, que el resto de longitudes de onda. Así, el oj o humano percibe los colores, que se corresponden con un rango de longitudes de onda muy estrecho. Los límites del oj o son aproximadamente 0.4 J.lm (violeta) a O. 7 11m (rojo) . Entre ambos se encuentran el resto de colores del espectro visible, como vemos en el arco iris.

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Capítulo 6

NCENTER ITRAI FRARED NING

El es pectro el ectro m ag nético

Longitude s de onda --- ·.:::.::: � ----- - l- -. -"=-

�ddio

Figura 6:3 Bandas de longitudes de onda

Las longitudes de onda que más se utilizan son: •

Gamma



Rayos



Ultravioleta



Visible



Infrarrojo



Microondas



Ondas de rad io

X

En esta lista, los rayos gamma tienen la longitud más corta, que se va incrementando hacia abajo en la lista. Las bandas de longitudes de onda son aproximadas, y la terminología utilizada es diferente según la disciplina estudiada (astronomía, termografía, militar, etc.)

El espectro electromag nético Las bandas de longitudes de onda no se definen de forma brusca, cambian gradualmente y se superponen unas con otras. Las definiciones están basadas en el uso que le damos, más que en sus características físicas. La luz visible lo es porque podemos verla. Existen variaciones entre individuos, y diferentes especies de animales. Existen también varias definiciones acerca de lo que significa infrarrojo, y hay incluso algunas sugerencias de cómo llamar a las diferentes partes del infrarrojo.

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Cap ítu lo 6

eiTRAI NCENTER FRARED NING

El espectro e l ectro m ag n ético

3*1 0 1 8 Hz

3*1 016 Hz

*1 014 Hz

10 11m

1 ¡.¡m

0,4

10 ¡.¡m

Wavelength A.

[IJm]

Figura 6:4 El espectro electromagnético El esquema de la figura anterior pretende dar una idea de cómo están situadas las diferentes longitudes de onda. No parece necesario en este punto memorizar las longitudes de onda característica de cada una de ellas, pero podría ser interesante recordar lo siguiente: •

Visible: 0 .4-0 . 7 ¡..tm



Near I R - I nfrarrojo Cercano: 0 . 8- 1 . 7 ¡.J m



Short wave - Onda Corta : 1 . 0 - 2 . 5 ¡..t m



Mid wave I R - Onda Med i a : 2-5 11m



Long wave I R - Onda Larga: 8- 1 4 11m

La onda media puede llegar a 5.6 ¡...tm , pero no suele definirse nunca por debajo de 2 . La onda larga puede comenzar ligeramente por debajo de 8, y con un límite máximo que puede estar por arriba ó debajo de 14 (12 es un número común) . Radiación térmica La radiación térmica es un concepto más amplio que el infrarroj o. Es la radiación que tiene la capacidad de transmitir calor por emisión y absorción. No sólo la radiación infrarroj a tiene la capacidad de transmitir energía térmica. De hecho, la radiación que recibimos del sol tiene su intensidad más elevada en la parte visible del espectro. ITC N1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítulo 6

NCENTER ITRAI FRARED NING

El espectro e l ectro m ag n ético

Se considera radiación térmica la parte del espectro electromagnético que empieza en algún punto dentro de la banda ultravioleta, y continúa en los rangos visible e infrarrojo. De nuevo, determinar las cifras exactas donde comienza y termina la radiación térmica es difícil, y realmente no es necesario. Si las ondas de radio calentaran, seríamos achicharrados por el mundo de comunicación inalámbrica que nos rodea. Los hornos de microondas pueden calentar comida, pero el proceso se basa en excitar directamente las moléculas de agua. Los cuerpos secos no son afectados térmicamente por las microondas . Los rayos Gamma y los rayos X son igualmente dañinos para nosotros, pero no nos afectan térmicamente. Si nos exponemos a ellos, inicialmente no sentiremos nada, pero enfermaremos conforme la dosis se incremente. Transmisión atmosférica

En termografía, utilizamos los términos onda media (MW) y onda larga (LW) . Para explicar por qué utilizamos estos rangos de ondas en termografía, necesitamos observar la forma en que la atmósfera transmite la radiación. Transm ission , 't

[%]

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 1 0% 0% 2

3

4

5

6

7

8

9

10

Figura 6:5 Transmisión atmosférica en diferentes longitudes de onda

El gráfico muestra la transmisividad de la atmósfera, para diferentes longitudes de onda a largas distancia. Se ha representado para una distancia de una milla náutica (1852 m), a temperatura de 1 5 . 5°C, con una humedad relativa del 70%, y a nivel del mar. El área bajo el gráfico es la proporción que queda de la radiación emitida por el cuerpo a una distancia de una milla náutica. Podemos ver que en la parte visible, se transmite alrededor del 60 %. Para los rangos de longitudes de onda media y larga del infrarrojo se transmite un porcentaje más elevado que en el rango visible.

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Ca p ítu lo 6

OITRAI NCENTER FRARED NING

E l espectro e l ectrom ag nético

Pero para las longitudes de onda entre los rangos de onda media y larga, prácticamente no se transmite nada. Toda la radiación es absorbida por la atmósfera. Si construyéramos una cámara para esta banda de longitudes de onda, no veríamos el cuerpo obj etivo, sino algo así como un promedio de la atmósfera entre la cámara y el cuerpo. La radiación que no atraviesa la atmósfera se suele llamar parte atenuada. La atenuación de la atmósfera es mucho más pequeña para distancias más cortas. A una distancia de 10 m, por ejemplo, es ciertamente mucho menor que lo que se muestra en el gráfico. Es suficiente, sin embargo, para hacer que esta banda de atenuación atmosférica sea totalmente inaceptable para termografía.

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Capítulo 7

NCENTER FRARED - eiTRAI NING

I nterca m b i o de e n erg ía por rad iación

Capítu lo 7 : I ntercambio de energía por radiación

Capítulo 7 : I nterca mbio de energ ía por radiación I ntercambio de energ ía por rad iación Objetivos del tema

2

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2

Radiación incidente

. . .

. .

....

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

.4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Propiedades de la rad iación - saliente

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Objetivos de la vida real Preguntas

. . . . . . .

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Propiedades de la rad iación - incidente

C uerpos negros

1

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Modos de intercambio de energ ía por rad iación

Radiación saliente

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1O

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12

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

Notas del estudiante

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Ca p ítulo 7

NCENTER ITRAI FRARED NING

I nte rca m b io de en erg ía por rad iación

I n tercam b i o de energ ía por rad iación Cómo l a energía es intercambiada por medio d e l a radiación térmica. Para ser capaces de comprender, analizar una imagen infrarroj a, y llegar a medir temperatura a partir de la radiación, primero debemos comprender cómo se comporta la radiación. Necesitamos saber qué ocurre cuando la radiación incide sobre la superficie de un obj eto, y de qué se compone la radiación procedente del mismo.

Objetivos del tema •

Comprender la rad iación incidente y saliente



Conocer los componentes d e cada una de ellas



Comprender las relaciones entre las mismas



Comprender cómo las propiedades de un objeto afectan a la radiación incidente y saliente



Saber qué es un cuerpo negro



Qué propiedades tiene

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Ca p ítulo 7

•ITRAI NCENTER FRARED NING

I ntercam b i o de e n erg ía por rad iación

M odos de i nterca m b i o de energ ía por rad iación Nos importa conocer cómo s e comporta la radiación y cómo s e intercambia. Utilizaremos una terminología bastante particular a partir de este momento y para evitar cualquier posible confusión, hemos de comenzar aclarando algunas definiciones. ¿En qué formas se puede intercambiar radiación entre los cuerpos? Seguidamente se enumeran un conjunto de definiciones, en la forma más simple que se pueden expresar: •

Emisión - rad iación producida



Absorción - rad iación reten ida



Reflexión - radiación reflejada



Transmisión - radiación que se deja pasar a través

También utilizaremos algunas letras griegas tanto como componentes de las ecuaciones como sufijos, para caracterizar los modos de intercambio de radiación que hemos definido. Seguidamente se explican para aquellos que no estén familiarizados con el alfabeto griego.

es la letra griega epsi lon



s,



a,

es la letra griega alfa



p,

es la letra griega rho



1',

es la letra griega tau

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Cap ítu lo 7

ICEN FRARED TRAI N I N G N TER G

I nterca m b i o de e n erg ía por rad iación

Rad iación i n c ide nte La radiación incidente es toda la radiación que llega a un cuerpo desde su entorno.

En el siguiente diagrama, la radiación incidente se denomina WINcm. Es la radiación total que llega a un cuerpo desde una fuente, ó más normalmente, de un conjunto de fuentes.

Radiación tota l sobre el objetivo. ¿Qué le ocu rre a esta rad iación i ncidente?

wINC

i Absorción !

,/-

wr; i Reflexión !

--

i Transmisión !

Objetivo Figu ra 7 : 1 Cómo la radiación incidente se divide en varias componentes

Cuando la radiación WINcm llega a la superficie objetivo, sólo puede ocurrirle tres cosas. Una cierta parte será absorbida, y el cuerpo retendrá esa energía. Esta parte se conoce como Wa en el diagrama. Otra parte será reflej ada, la llamada WP en el diagrama. Esta parte no afecta al cuerpo objetivo de ninguna forma. También tendremos algo de radiación transmitida, W,. Es la que pasa a través del objeto, y tampoco le afecta en absoluto. Nuestra conclusión es que de la radiación total incidente sobre un cuerpo, una cierta proporción será: •

Absorbida (



Reflejada



Transmitida

/

/

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Cap ítulo 7

•ITRAI NCENTER FRARED NING

I nterca m b i o de energ ía por rad iación

E s fácil darse cuenta de que esto tiene mucho que ver con lo que s e h a aprendido anteriormente, que la energía no puede ser creada ó destruida. En esta ecuación, se ha contabilizado toda la energía incidente. Propiedades de la radiación - incidente

La siguiente pregunta es qué controla este comportamiento. ¿Cómo sabremo qué proporción de radiación será absorbida, reflej ada y transmitida? Todo depende de las propiedades del objeto. En un párrafo previo hemos hablado acerca de la radiación, de qué le ocurre cuando incide sobre un obj etivo. Es consecuencia de las propiedades de radiación del objetivo. Un cuerpo tiene una cierta capacidad ó habilidad para: •

Absorber - llamada Absortividad ,



Reflejar - llamada Reflectividad ,



Transm itir - llamada Transm isividad , 1 (tau )

a

p

(alfa)

(rho)

L a suma d e los tres siempre será l . S i lo expresamos como una fórmula: Fórmula número 2 a + 1 + p = l

Esta es una fórmula muy importante, y es fundamental comprender todas sus consecuencias.

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Capítulo 7

eiTRAI NCENTER FRARED NING

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I nterca m b i o d e energ ía por rad iación

Rad iación sal iente La radiación saliente

es toda la radiación que deja la

superficie de un cuerpo, independiente-mente de su fuente original.

Las radiaciones incidente y saliente son diferentes en un aspecto muy importante. Cuando hablamos de radiación incidente no importa realmente de dónde viene dicha radiación, sólo que viene de una fuente diferente del propio obj etivo. Con la radiación saliente hay que analizar la radiación que viene de tres fuentes específicas. La primera parte de la radiación saliente con la que vamos a trabajar es la que origina el cuerpo por sí mismo.

Prop iedades de la radiación - emisión En termografía infrarroj a, la parte más importante de la radiación saliente es la parte emitida. Por tanto examinaremos la radiación emitida separadamente, antes de comentarla en combinación con las otras componentes de la radiación saliente. Un cuerpo tiene cierta eficiencia ó habilidad para: •

Emitir - llamada emisividad ,

e (epsilon)

Emisivida elevada

Figura 7:2 L a misma temperatura, diferente emisividad

Emisividad red ucida

Este cuerpo tiene una emisividad más elevada e n l a parte izquierda que en la derecha. Aunque la temperatura es la misma en ambos lados, se emitirá más radiación hacia la izquierda. Esto significa que las pérdidas reales del obj eto serán mayores en el área de la izquierda. Si observamos este cuerpo con la cámara infrarroj a, el lado izquierdo parecerá estar más caliente.

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Capítulo 7

«DITRAI NCENTER FRARED NING

I nterca m b i o de e n erg ía por rad iación

Radiación emitida

Figura 7 : 3 Un objeto emite radiación térmica en todas direcciones

La radiación (WE) se emite en todas direcciones. La cantidad de radiación que se emite depende de la temperatura del cuerpo y de su emisividad. Todos los cuerpos tienen temperatura y emisividad, por tanto todos los objetos emiten radiación infrarroj a. A mayor temperatura se emitirá más radiación. Lo contrario también es cierto ­ a temperaturas más bajas, los cuerpos emiten menos radiación. La emisividad se comporta de forma similar. Un cuerpo con mayor emisividad irradiará más que otro de baja emisividad, incluso si la temperatura es la misma. Lo que determina la potencia irradiada por el cuerpo es la combinación de los dos factores, temperatura y emisividad.

Otras fuentes de radiación . . . Ya sabemos que la radiación saliente es toda la energía que abandona la superficie de un cuerpo, independientemente de su fuente original. Acabamos de comentar la primera de estas componentes, que es la energía emitida por el objeto por sí mismo. Las otras dos fuentes son los objetos que se encuentran delante ó detrás del cuerpo, el cual reflej ará su radiación, ó permitirá que pase a su través.

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Capítu lo 7

NCENTER ITRAI FRARED NING

I nterca m b i o de e n e rg ía por rad iación

Radiación saliente Reflexión de la fuente de calor

Tra nsmisión de la fuente de ca lor

Reflexión



Tra smis·I Ó n ==---..... Em isión Cuerpo objetivo

Transm isión ..·

1

Reflexión

--

1 Rad i ación sa l iente

Las tres vienen de fuentes d iferentes ! F i g u ra

7:4 Las tres fuentes de rad iación saliente del cuerpo

En el esquema anterior, tenemos tres fuentes de radiación, la del objetivo por sí mismo, una fuente delante, y otra detrás. Suponemos que estamos mirando el objetivo de derecha a izquierda. La radiación saliente del objetivo es una combinación de la que genera el objetivo por sí mismo, la que viene de la fuente de calor que se refleja en el objetivo, y la que procede de la fuente de calor de transmisión y pasa a través del objetivo. Este tiene una temperatura y emisividad, de la cual depende la potencia de radiación proveniente del obj etivo. La potencia de radiación de las otras dos componentes no depende de la temperatura del objetivo, sino de las emisividades de la fuente de reflexión y transmisión respectivamente. La magnitud de las componentes reflej ada y transmitida, dependen de la reflectividad y transmisividad del objetivo mismo.

-

Radiación saliente De lo que se acaba de comentar, se concluye lo siguiente: la radiación saliente puede tener tres fuentes diferentes. De la radiación total saliente de un cuerpo, una cierta proporción será: •

Emitida, por el objeto por sí m ismo



Reflejada, desde una fuente enfrente del cuerpo



Transmitida , desde una fuente detrás del cuerpo

·-

Si se expresa en forma de ecuación, quedará como sigue: wf. + Wp + w,

= WsALI = 100%

Esta ecuación es muy similar a la que se ha formulado respecto a la radiación incidente. La única diferencia entre las expresiones es cambiar WINcm por WsALI ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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-

Capítu lo 7

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I nterca m b i o de e n erg ía por rad iación

y

Wa. por Ws . Pero no e s todo. No debemos olvidar que l a radiación saliente procede de tres fuentes diferentes. Propiedades de la radiación - saliente

Un cuerpo tiene una cierta capacidad ó habilidad para:

e (epsi lon )



Emitir - l lamada emisividad ,



Reflejar - llamada reflectividad , p ( rho)



Transmitir - llamada transmisividad ,

"C

(tau)

La suma de las tres es siempre 1 Si se escribe como fórmula: Fórmula n úmero 4

c + p + 't = l

Em isividad y absortividad La

capacidad

ó

habilidad

de

un

cuerpo

para

absorber

radiación incidente coincide con su capacidad para emitir su propia energía en forma de radiación

Esta afirmación es la expresión verbal de algo que es fundamental en la ciencia de la radiación. Dice que si un cuerpo es bueno para absorber radiación, también es bueno para emitir su propia energía como radiación. Y por supuesto también es cierto lo opuesto - un cuerpo que absorbe poco también emite poco. Un "mal absorbedor" opaco es de hecho un buen reflector, por tanto un buen reflector será un mal emisor. Consecuentemente si se desea mantener algo caliente, el recubrirlo con papel de aluminio puede funcionar de la misma forma que aislarlo con un material de baja conductividad. La baj a emisividad permite que se escape menos calor en forma de radiación. Fórmulas de rad iación Ahora podemos resumir las fórmulas a las que hemos llegado durante el estudio realizado acerca del intercambio de energía por radiación. Como veremos pronto, en la vida real se presentan situaciones que pueden simplificar algunas de las cuestiones que hemos tratado. Pero las siguientes fórmulas se pueden aplicar siempre: Fórmula n úmero 2

a + p + 't = 1 Fórmula n úmero 3 ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Ca p ítulo 7

NGENFRARED •ITRAI TERN I N G

Interca m b i o de energ ía por rad iación

Fórmula número 4

c + p + 1" = 1

C uerpos negros Un cuerpo negro es un radiador ideal. Los cuerpos negros no existen en la vida real. El concepto es útil para explicar científicamente algunos fenómenos. Los simuladores de cuerpos negros son muy importantes en termografía, puesto que son utilizados para la calibración de los sistemas de medida infrarroj a. Un simulador de cuerpo negro se comporta de forma muy similar a un cuerpo ideal negro dentro de su aplicación habitual.

C uerpo negro - absorción Figura 7:5 Modelo de u n simulador de cuerpo negro, que absorbe toda la radiación incidente

Un cuerpo negro ideal absorberá el 1 00% de la radiación incidente, lo que significa que ni reflej a ni absorbe ninguna radiación. Para un cuerpo negro: a = 1 (y p + 't" = O) C uerpo negro - emisión

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Capítu lo 7

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I ntercam b i o de energ ía por rad iac i ó n

Figura 7 : 6 Modelo d e simulador d e cuerpo negro con una eficiencia del 1 00%

Un cuerpo negro emite el 100% de su energía, lo que significa que no existe ningún otro objeto que sea capaz de emitir más energía. Para un cuerpo negro:

E

= 1 (y p + T = O)

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Capí

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lo 7

I n tercam b i o d e en erg ía por rad iac i ó n

Cuerpos reales En la vida real . . . En las medidas reales durante el trabajo práctico, j amás encontraremos cuerpos negros. Nuestros objetivos no serán por tanto cuerpos negros, sino "cuerpos reales". Los cuerpos reales pueden tener todas las características que hemos mencionado en este capítulo, esto es la habilidad de emitir, absorber, reflej ar, y transmitir radiación infrarroj a. La mayoría de los obj etos no son transparentes, sino opacos, i.e. 1 = O. Para nosotros los termógrafos esto es una suerte, porque como veremos más tarde, se requieren condiciones especiales para poder medir temperatura a partir de la radiación infrarroja sobre un cuerpo transparente. Cuando se cumplen todas estas condiciones, nuestra fórmula para radiación quedará: Fórmula número

5

c+p= 1

T

wt�

..._ ,.. -.._

a

E



wf,

Rad i ación sa l iente ......

Figu ra 7:7 la radiación saliente de un cuerpo opaco consiste de radiación emitida y reflejada

Esto es válido para cuerpos reales no transparentes. Para este tipo de objetos, debemos considerar siempre que del cuerpo sale radiación procedente de DOS fuentes -reflej ada y emitida. Es muy importante recordarlo y comprenderlo, no sólo para ser capaces de medir la temperatura, sino también para interpretar correctamente la imagen infrarroj a, lo que será objetivo del próximo capítulo.

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eTRAICENTER i N FRARED NING

Cap ítu lo 8

I nte rp retación de la i m ag e n té rm i ca

Capítu lo 8 : I nterpretación de la imagen térm ica

-

Capítu lo 8 : Interpretación de la imagen térmica

1

I nterpretación de la imagen térmica

2

Objetivos del tema

2

·

Principio de funcionamiento de la cámara

3

Visual versus infrarrojo

4

La imagen térm ica

5

Temperatu ra aparente

6

Temperatu ra aparente y emisividad

8

Efectos de la emisividad

9

Preguntas

11

Notas del estud iante

12

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Capítulo 8

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I nterpretación de la i m agen té rm i ca

------- --

I nterpretación de la i magen térm i ca ¿Qué ve realmente la cámara? ¿Qué representa una imagen infrarroj a? Cuando miramos una imagen térmica, obviamente utilizamos la misma referencia que para la imagen visual. Esto es algo que nuestras mentes necesitan cambiar. Es un proceso largo, cualquiera que tenga experiencia puede ratificarlo, y realmente no acaba nunca. Volviendo a mirar imágenes tomadas hace diez años, podemos descubrir cosas que no habíamos visto hasta el momento, ó hacer un análisis completamente diferente de lo que vemos, simplemente porque hemos aprendido a desarrollar una nueva forma de ver las imágenes térmicas. Intenta dejar a un lado el espectro visual y sumérgete en el infrarrojo.

Objetivos del tema •

Comprender qué representa una imagen infrarroja



Con ocer el sign ificado del térm ino "temperatura aparente"



Comprender cómo una em isividad baja ó alta pueden cam biar el aspecto de una imagen

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Capítulo 8

•ICETRAIN FRARED NTERN I N G

I nte rp retació n de la i m agen té rm i ca

P ri n c i p i o de fu n c i o n a m iento de l a cámara La cámara convierte la radiación infrarroja invisible en una imagen visible. La cámara mide la radiación infrarroj a que es irradiada desde el cuerpo que estamos mirando. La radiación infrarroj a atraviesa las lentes, y es enfocada en el detector, de forma muy parecida a como la radiación visual impresiona la película en una cámara fotográfica.

Figu ra 8:1 Principio de funcionamiento de una cámara infrarroja

El detector genera una señal eléctrica de algún tipo, que varía con la intensidad de la radiación infrarroj a que incide sobre él. Observe: la intensidad, nada más. La señal eléctrica es amplificada y digitalizada, y procesada por la electrónica de la cámara. Es entonces cuando se convierte en una imagen que es visualizada en el visor, y que podemos ver como una imagen infrarroj a.

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Capítu lo 8

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I nte rpretación d e l a i m agen té rm i ca

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Visual vers us i nfrarrojo Hay dos diferencias fundamentales entre mirar una imagen infrarroj a ó una visual.

l . La visual está compuesta principalmente por la reflexión de la radiación procedente del entorno, mientras que la infrarroj a es una combinación de emisión del objeto y reflexión del entorno 2 . La visual e s color e intensidad, el infrarrojo e s sólo intensidad Cuando miramos algo con nuestros ojos, vemos principalmente radiación reflej ada. A menos que algo esté muy caliente - al menos 500°C - lo que vemos es luz visible procedente de otra fuente, que es reflej ada en el cuerpo. La fuente de luz visible puede ser una bombilla ó el sol. Los colores que vemos son reflejos también. Una copa azul, por ej emplo, tendrá la habilidad de reflej ar más la parte azul de la luz visible, y absorbe el resto de colores.

Reflexión de luz visible

Rad iación del

Figura 8:2 L a imagen visual e s radiación reflejada, l a infrarroja e s radiación procedente d e l propio cuerpo

Aunque también tenemos reflejos en el infrarrojo, la parte reflejada es algo que tratamos de compensar. Preferimos objetivos con elevada emisividad, que no reflejan mucho. Esto es porque lo que nos interesa principalmente es la propia emisión del objetivo; la parte reflej ada es normalmente un estorbo. La cámara infrarroj a no distingue diferencias dentro de la banda de longitudes de onda a la que es sensible. Una cámara de onda larga, por ej emplo, utiliza el rango de ondas 8 - 1 2 ¡..tm y no sabe si la radiación que incide sobre el detector viene de 8, 9, 10, 1 1 , ó 12 ¡..tm . La suma toda - la intensidad de radiación. La imagen utilizará una escala falsa de grises ó colores, en la cual un extremo de la escala significa la intensidad de radiación más elevada, y el otro extremo la más baja. -

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e TRAICENTER i N FRARED NING

Capítulo 8

I nterp retación de l a i m ag e n térm i ca

La imagen térm ica ¿Qué es una imagen térmica? Es una imagen de la intensidad de radiación térmica. Otro fallo muy común es suponer también que es una imagen de la distribución de temperaturas. No lo es. Veamos un par de ej emplos. Ellos nos mostrarán que lo que vemos en la imagen no es nunca una distribución de temperatura, es siempre intensidad de radiación.

Figura 8:3 Taza azul con impresiones en oro en imagen visual y el infrarrojo

La figura muestra las imágenes de una taza azul, en el espectro visual y en el infrarrojo. En la imagen visual, la taza reflej a más la parte azul del espectro visible. En una imagen en blanco y negro parecerá más oscuro. La impresión dorada aparece ligeramente amarillenta y presenta un brillo metálico. En una imagen en blanco y negro sería algo más blanco. Todo lo que vemos es reflexión. En la imagen térmica, la taza azul tiene una emisividad más elevada, y por tanto irradiará más que los motivos dorados, que tienen una emisividad más baja. La temperatura superficial, sin embargo, ¡es muy similar en las zonas azules y en las doradas ! La imagen térmica realmente muestra las diferencias en la intensidad de radiación, pero no diferencias de temperatura. En este caso, es una diferencia en la emisividad la que provoca el contraste en la imagen térmica, no una diferencia de temperatura. Tanto la taza azul como los motivos dorados impresos reciben la misma cantidad de radiación de los obj etos de alrededor en la habitación. Esa radiación será reflejada en la parte azul y dorada de la taza. En el iLfrarroj o, la radiación térmica procedente del entorno también será reflej a da; más de las zonas doradas y menos de la parte azul de la taza.

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Ca p ítu lo 8

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I nterpretación d e l a i m agen térm i ca

_______ ,--

Figura 8:4 I magen visual e infrarroja de la misma escena

Aquí tenemos una imagen de una ventana, en el espectro visual y en el infrarrojo. Hay un hombre con una cámara infrarroj a enfrente de la ventana, pero en la imagen visual lo único que vemos en la ventana es lo que hay afuera del edificio. En la imagen térmica, podemos ver el reflej o del hombre. El hombre representa una radiación reflej ada más elevada que el resto de la habitación, razón por la que en la ventana aparece 1 . 5 grados Celsius más caliente en el reflejo. La propia ventana está toda ella por supuesto a la misma temperatura, exceptuando quizá la zona próxima al marco, que está algo más fría. ¡Pero la radiación saliente del área de reflexión es realmente mayor! Así de nuevo, lo que podemos ver en la imagen térmica representa intensidad de radiación, no temperatura. Temperatura apare nte

Ya estamos listos para definir un concepto importante que utilizaremos frecuentemente más tarde, denominado temperatura aparente. Temperatura aparente - defi nición Temperatura aparente es la lectura no compensada a partir de una cámara infrarroj a, que contiene toda la radiación incidente sobre el instrumento, independientemente de su fuente.

La imagen térmica será siempre una imagen de temperatura aparente. La temperatura aparente es diferente de la temperatura real - que está relacionada con el movimiento de átomos y moléculas. La temperatura aparente es una lectura de temperatura no compensada, justo como la ve el instrumento infrarrojo. Para obtener una lectura de temperatura real a partir de un instrumento infrarroj o, debemos compensar la influencia de varios factores. Más tarde trataremos cómo se hace esto correctamente. El término "temperatura aparente" es válido para otros tipos de instrumentos también, no sólo para los que adquieren imágenes .

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Capítu lo 8

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I nte rp retació n de l a i m agen té rm i ca

Temperatura aparente "medida" Algunas veces nos interesa cuantificar la temperatura aparente. Para "medir" temperatura aparente, se fijará la emisividad a 1 . 0 y la distancia a O metros, lo que significa que no se lleva a cabo ninguna compensación. Compensación Para ser capaces de medir temperatura (lo que trataremos más tarde) , debemos compensar la imagen de temperatura aparente de diferentes formas. Se realiza la compensación fij ando lo que usualmente llamamos parámetros de obj eto. Todos los instrumentos infrarrojos con capacidad de medida real tienen un menú para la introducción de aquellos parámetros, aunque estos pueden diferir ligeramente entre los diferentes instrumentos. Traduciendo la imagen Cuando se ha realizado la compensación, ¡es importante recordar que lo que la cámara está viendo no ha cambiado! La imagen que está mirando en el visor aún es una imagen de temperatura aparente. Debemos aprender a traducir la imagen en nuestras mentes, porque la cámara no lo hace por nosotros. Figura 8:5 Dos ejemplos diferentes de compensación de parámetros de objetos para la misma imagen

Aquí hay dos versiones de la misma imagen térmica, con dos combinaciones diferentes de valores para los parámetros de obj eto. (¡Ninguno de ambos ha de ser necesariamente correcto!) La diferencia en dichos parámetros cambia drásticamente las lecturas de temperatura en las tres zonas que están marcadas en la imagen. Pero la imagen aún parece la misma. Algunas de las temperaturas aparentes que vemos son cercanas a la temperatura real, y otras están muy lejos. Un termógrafo necesita aprender cómo separar la temperatura real de la falsa. Esto supone un largo proceso de aprendizaje. A partir de ahora, trataremos de proporcionarle trucos y pistas para evitar errores en la interpretación, mostrando la forma de aprender con más rapidez.

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Capítu lo 8

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I nte rpretación de la i m agen té rm i ca

Temperatura aparente y emisividad

Una conclusión importante a partir de la sección previa (Intercambio de energía por radiación) es que siempre vemos radiación procedente de dos fuentes diferentes, el objetivo por sí mismo y la reflexión de los alrededores. Veamos qué significa esto. Necesitamos tres tazas de metal brillante, y un poco de cinta aislante. Pegaremos un trozo de cinta en cada taza. Una taza debe estar vacía y las otras dos llenas con agua caliente y fría, respectivamente. El montaje debería parecerse a esto.

Figura 8:6 Montaje experimental

Condiciones supuestas: • • •

e = 0.95 / Taza: e = 0 . 10 / Cinta:

Habitación: t = 20°C

Tendremos una taza que estará más fría, otra más caliente y otra exactamente a la misma temperatura que la habitación, independientemente de cuál sea esta. La pregunta es ¿cómo aparecerán en la imagen térmica? La cinta con emisividad más alta ¿parecerá más caliente, más fría ó a la misma temperatura que la taza brillante, de baj a emisividad? Debe responder con sinceridad. Rellene la tabla inferior. No se preocupe por si se equivoca - muy poca gente acierta la primera vez .

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Capítulo 8

•ITRAI NCENTER FRARED NING

I nterpretació n de la i m agen té rm i ca

Ponga una marca en cada recuadro de cada fila, en la columna que dice cinta indique cómo aparecerá la cinta en relación a la superficie brillante!

-

La cinta aparecerá:

Más

Más fría

Igual

Temperatur a real de 1 taza: 50°C

-

20°C (ambiente) l0°C

-

-�

-

Figura 8:7 L a solución d e l experimento no s e da en este man ual . . .

Efe ctos d e l a emisividad

Como hemos visto, la emisividad juega un papel fundamental en termografía. La forma en que aparece una superficie depende mucho de su emisividad, no sólo de la temperatura. Sería más apropiado en este punto resumir el efecto de la emisividad como sigue.

Con un obj etivo de alta emisividad; •

La tem peratura aparente del objetivo será cercana a su temperatura real



Puede confiar en lo que ve . . .

Con u n obj etivo d e baja emisividad; •



La temperatu ra aparente del objetivo será cercana a la temperatu ra aparente de los cuerpos de alrededor No puede confiar en lo que ve .

Si usted quiere una regla sencilla y fácil de recordar, trate de recordar esto.

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Ca p ítulo 8

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I nte rp retación de l a i m agen té rm ica

Figura 8:8 ¡ ¡Y no lo olvide!!

Por supuesto esto no es una "ley" científica No es ninguna "ley". Pero una emisividad baj a es muy perjudicial en termografía. Un cuerpo de baj a emisividad s e parecerá siempre a los alrededores. Si e l cuerpo está más caliente que los alrededores, parecerá más frío de lo que realmente está, y si está más frío que los alrededores, parecerá más caliente de lo que realmente está. Se podría decir que los cuerpos de baj a emisividad tratar de camuflar su temperatura real en la imagen térmica.

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Capítulo 9

NCENTER ITRAI FRARED NING

Técn icas de análisis de la i magen térm ica

Capítu lo 9: Técnicas de anál isis de la i magen térm ica

Capítulo 9: Técnicas de análisis de la i magen térm ica Técnicas de análisis de la imagen térmica Objetivos del tema G radiente térm ico

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Utilidades de la cámara para comprender mejor la imagen

2 3 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Paletas de color

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Perfiles de temperatu ra

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Anál isis de la i magen - campos térmicos d ifíciles de interpretar Reflejo de una fuente puntual Preguntas

2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ajuste térmico Isoterma

1

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Notas del estud iante

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1O 13 15 16 23 24

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Cap ítulo 9

eiTRAI NCENTER FRARED NING

Técnicas de anál isis de la imagen térm ica

Técn i cas d e a n á l isis de la i m agen térm i ca Cómo utilizar las funciones y técnicas más experimentadas para mejorar su habilidad en el reconocimiento y análisis de las imágenes térmicas. Cuando se utiliza una cámara fotográfica para documentar algo, normalmente es suficiente con conseguir una buena imagen. Una imagen térmica es algo completamente diferente de una imagen visual, por lo que es necesario aprender nuevos métodos para analizarla. El análisis de una imagen requiere conocimientos teóricos y experiencia práctica. Esta última se adquiere con el tiempo, pero para ello es necesario un mínimo conocimiento teórico previo.

--

Para comenzar, le enseñaremos algunas de las técnicas más útiles. Los que se van a describir son métodos que han sido desarrollados a lo largo de mucho tiempo y que recogen la experiencia de múltiples termógrafos. Una de las cosas más sorprendentes de la termografía es que siempre se puede aprender algo más.

Objetivos del tema •

Comprender qué es u n gradiente térmico



Saber cómo uti lizar los aj ustes térm icos para comprender mejor la i magen



Saber cómo utilizar la isoterma para comprender mejor la imagen



Saber cómo uti lizar la paleta de colores para comprender mejor la imagen



Ser capaz de identificar reflexiones puntuales y d iferencias de emisividad que causan una interpretación falsa de la imagen térm ica

--

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Capítu lo 9

'l...�

ICENTER N FRARED TRAI NING

Técnicas de análisis de la imagen térm ica

Gra d i e nte térm i co Un gradiente térmico

es

una variación

de temperatura

gradual con la distancia.

Un gradiente térmico indica a menudo la existencia de transmisión de calor por conducción. Muchos de los objetivos en termografía son sólidos opacos, y en ellos la transmisión de calor sólo se produce por conducción. Es por esto por lo que es tan importante aprender a analizarlos. Un gradiente térmico nos muestra el sentido del flujo de calor, y nos dirige así hacia la fuente de calor. La presencia ó ausencia de un gradiente térmico nos dará claves mu importantes para analizar las imágenes térmicas. r� ;-.-e_ '--=--- ,_--=e--=---=

,

·

, :e-= --=

_.. -

84,4°C

IR01 80 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

li01 -

80

-

-

-

- ---

- -

-- --

60 - - -

-

--

- - - -

-

--------

70

-

-

- - -

-

60

Line

M in

Max . . .

Figura 9 : 1 Ejemplo de gradiente térmico en una fundición

Esta pieza de una máquina se calienta por radiación desde la parte superior por el efecto de un molde de fundición. Podemos ver cómo el calor es conducido desde el punto donde se absorbe el calor, hacia el interior de la máquina. En este caso particular, el calentamiento de la estructura de la máquina provoca una expansión térmica no uniforme que puede provocar fugas en el molde. Es necesario reducir el gradiente térmico, para reducir las citadas diferencias en el grado de expansión del molde.

Uti l idades de la cámara para comprender mejor la imagen El análisis de la imagen térmica implica a menudo el estudio de sus patrones térmicos. Los patrones ó distribuciones térmicas son a veces difíciles de ver, por lo que el instrumento contiene varias utilidades que le pueden ayudar a comprender mejor dichas distribuciones térmicas. Aprender a utilizarlos le proporcionará más habilidad para entender lo que está mirando en la imagen. Las utilidades más importantes para mej orar la comprensión de la distribución térmica en su cámara son •

Aj uste térmico ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Ca p ítulo 9

GITRAI NCENTER FRARED NING

Técnicas de anál isis de la imagen térmica



Isoterma



Las paletas de color

Otra herramienta más que a menudo es muy importante es •

Función de variación lineal de temperatura

Aj uste térmico Ajuste térmico significa ajustar la escala de colores sobre el cuerpo que se quiere analizar, con el objetivo de optimizar el contraste sobre el mismo

Para el ajuste térmico se utilizan los controles de Nivel y Campo de la cámara. Cuando se ha seleccionado qué parte de la imagen es más interesante, hay que fij ar los controles de Nivel y Campo de forma que todos los colores de la barra de color cubran esa parte de la imagen, y sólo esa parte. Las zonas menos interesantes de la imagen pueden quedar fuera de escala, y por tanto se verán normalmente como negras ó blancas.

Figura 9:2 I magen ajustada automáticamente. La imagen entera está enfocada térmicamente

Si se utiliza el ajuste automático que tienen muchas cámaras, obtenemos una imagen en la que prácticamente todas las partes de la imagen están cubiertas por los colores de la escala. Algunas veces los extremos de la imagen están ligeramente fuera de la escala. Si miramos a la imagen anterior, la conexión caliente en la esquina superior derecha tiene el color más brillante de la escala, mientras que el fondo es negro ó prácticamente negro. Esto permite ver la ITC N1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítulo 9

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Técnicas de anál isis de la imagen térm ica

imagen entera, y así tenemos una vista general de lo que estamos mirando. La imagen entera está ajustada térmicamente. Mirando la imagen, sospechamos del cable de la izquierda. Parece un poco más caliente que el del centro. La causa podría ser una carga demasiado elevada. ¿O puede ser algo más? Echemos una mirada, colocando más colores en esa parte de la imagen. Aparecerá algo como esto.

Figura 9:3 Imagen enfocada térmicamente sobre el cable de la izquierda

La escala de colores ha sido comprimida. El fondo está totalmente negro y la zona caliente de la esquina está blanca. El cable de la izquierda tiene ahora mucho contraste, y podemos ver que el calentamiento está concentrado en una zona del mismo cable. Esto sugiere que realmente es un problema interno del cable, un incremento de la resistencia causado, por ejemplo, porque se han roto algunos de los filamentos.

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Ca p ítu lo 9

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Técn icas de anál isis de la imagen térmica

Ajuste térmico - ejemplo Las dos siguientes imágenes muestran un interruptor de alta tensión con una anomalía. La cámara ha encontrado que la temperatura más baj a son -26°C, y por tanto el campo se ha abierto hasta cubrir dicha temperatura.

Figu re 9:4 La misma imagen, con ajuste automático (izquierda) y enfocada térmicamente en el componente (derecha). Una imagen con ajuste automático con un cielo despejado (frío) de fondo presenta un campo demasiado ancho

Esto significa que el contraste en la parte de la imagen que nos interesa es demasiado pobre. En la imagen de la derecha el campo es más estrecho y el nivel ligeramente más alto lo que da mayor contraste. Esta imagen es más fácil de analizar, porque la imagen térmica está mucho más contrastada. Es muy importante adquirir habilidad con el enfoque térmico, porque una imagen con ajuste automático no siempre muestra lo que se necesita ver, y es posible que no pueda observar problemas que están ahí, en la imagen, pero escondidos. El ajuste térmico forma parte del análisis que el termógrafo lleva a cabo durante su trabajo práctico, antes de almacenar la imagen para escribir el informe. La necesidad de contraste puede no ser tan importante en el informe. Cuando ya se ha hecho el análisis, debe realizarse un ajuste térmico adecuado para el informe antes de almacenar la imagen. Isoterma La isoterma sustituye algunos colores de la escala por otro de elevado contraste. De esta forma marca un intervalo de igual temperatura aparente.

Lo primero de todo - la palabra "isoterma" puede ser mal interpretada. La propia palabra parece significar que marca una única temperatura. ¡No es verdad! Muestra un intervalo de igual temperatura aparente. Ya estamos advertidos del hecho de que los colores en la imagen no representan temperatura por sí mismos. La isoterma sólo sustituye esos colores por otro color

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Técn i cas de anál isis de la imagen térm ica

de elevado contraste, y por tanto la isoterma tampoco representa temperatura. La isoterma se puede desplazar hacia arriba ó hacia abajo en la escala, y puede ser ensanchada ó estrechada según convenga.

Figura 9:5 La isoterma sustituye ciertos colores por otro de elevado contraste

Y el contraste es de nuevo el elemento clave. Si miramos imágenes térmicas débiles, hay que ayudar a los ojos a verla. Podemos utilizar la isoterma para seguir el flujo de calor, incluso para descubrir si existe. Si la isoterma se extiende uniformemente por toda la superficie del cuerpo, significa que no existe flujo de calor a través de la superficie del obj eto (no significa que no pueda haber flujo de calor desde ella, si está más caliente que su entorno, pero eso es otra cuestión) . Un cable eléctrico con una distribución térmica diferente a los demás, puede estar caliente por soportar una fuerte carga eléctrica. Pero si está demasiado caliente, también puede significar que la carga es excesivamente elevada, o que existe alguna mala conexión eléctrica. Se puede utilizar la isoterma para determinar la localización exacta del punto más caliente. Esta función nos mostrará dónde puede haber una fuente de calor por debajo de la superficie que estamos mirando, o dónde se encuentra la parte más delgada del aislamiento que recubre a la pieza objeto de nuestro estudio. La isoterma es una función con dos posibilidades. En este capítulo la utilizaremos para analizar distribuciones térmicas. En muchas cámaras, es también una función de medida de temperatura, pero esto lo estudiaremos más tarde.

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Técnicas de anál isis de la imagen térmica

La isoterma de intervalo es el tipo más común de los utilizados. Su cámara puede disponer de diferentes tipos de isoterma. Consulte el manual de su cámara para más detalles, ó inténtelo por usted mismo, ¡y aprenda a aprovechar esta función! Seguidamente se exponen diferentes ejemplos de cómo se puede utilizar la isoterma. Anál isis con isoterma - ejemplo

1

Se muestra la imagen térmica del aislador de un transformador de alto voltaj e. Al primer vistazo, sin enfoque térmico, la imagen no muestra excesiva información. Utilicemos la isoterma, y veamos si nos muestra algo más.

Figure 9:6 Aislador de alto voltaje de u n transformador -

--

Figure 9:7 El mismo aislador colocando la isoterma a diferentes niveles

En la imagen de la izquierda, la isoterma se concentra en el punto de conexión. Este punto está generando calor. En la segunda imagen, la isoterma muestra el nivel de aceite dentro del aislador.

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Anál isis con isoterma - ejemplo 2 Esta imagen muestra un contactar que está controlando un compresor de aire. Analicémoslo mediante la isoterma.

Figura 9:8 I magen térmica del contactar

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Figura 9:9 I mágenes térmicas del contactar con isotermas en diferentes posiciones

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La imagen izquierda muestra que hay un gradiente térmico a lo largo del cable . El cable cerca del contactar está más caliente. ¿Puede ser síntoma de un mal contacto, quizá? Si miramos la imagen de la zona de la derecha, no lo parece. La zona más caliente se encuentra fuera del cuerpo del contactar, y existe una zona caliente en el cuerpo entre los puntos de conexión. Esto puede significar que la fuente de calor está dentro del contactar. Puede haber varias razones - una mala conexión interna, ó superficies de contacto quemadas en un par de ellos. Deberíamos sugerir que el contactar sea sustituido ó extraído para comprobarlo ó repararlo. Isotermas - distribuciones térmicas La forma de una zona caliente ó fría puede darnos claves acerca de lo que está escondido debajo de la superficie que estamos mirando. Si estamos observando un edificio y vemos un rectángulo a temperatura diferente, con un tamaño igual a una pieza de aislamiento, podemos llegar a la conclusión de que una de estas piezas se ha desprendido.

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Figura 9: 1 0 Gradientes térmicos mostrados gracias a una isoterma

Este es un ej emplo de qué podemos ver. El gradiente térmico es mayor en la zona de la izquierda - la isoterma es más delgada. A la derecha, la temperatura decrece con más lentitud, y el punto caliente se desplaza en dicha dirección. Para alguien con conocimientos de cómo está diseñado el depósito y cómo trabaja, esta observación puede ser significativa. Paletas de color La paleta de color de la imagen asigna diferentes colores para marcar niveles específicos de temperatura aparente. Las

paletas

pueden

dar

mayor

ó

menos

contraste,

dependiendo de los colores que utilicemos.

La imagen térmica puede presentarse con un máximo de aproximadamente 256 colores ó grises al mismo tiempo. En una escala continua de grises empezamos, por ejemplo con negro en un extremo de la escala, que se irá aclarando paulatinamente en cada uno de los 256 pasos hasta llegar a ser completamente blanco. Esto significa que habrá muy poco contraste, por ejemplo, entre los matices 93 y 94 de gris. Con una imagen en color, tenemos más libertad para utilizar colores, lo que nos dará un contraste más elevado. Para dar a la imagen un aspecto suave que no moleste cuando se mira, los colores deben estar correctamente combinados entre sí. No escoj a una paleta porque le pareció buena en una ocasión y a partir de ese momento la utilice para todo. Cambie la paleta durante el análisis y vea si se produce algún cambio en la imagen. A veces puede sorprenderse de los resultados que consigue simplemente cambiando la paleta. Si una de las paletas fuera la mejor para cualquier aplicación, la cámara sólo tendría esa paleta. Las paletas que utiliza la gente habitualmente llegan incluso a depender del país ó del tipo de industria. Alguien comienza a utilizar una, otro le sigue, y al final se convierte en una especie de "tradición". La gente se acostumbra y se siente mejor utilizándola. No hay nada malo en eso. Depende de usted si quiere seguir lo que hacen los demás ó le gusta pensar por sí mismo. La cuestión principal es que el que lea su informe acepte lo que utiliza. Pero no se auto ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítulo 9

Técnicas de anál isis de la imagen térm ica

limite cuando está trabaj ando. Lo que usted utilice para su propio análisis y lo que use en el informe pueden ser totalmente diferentes entre sí. Paletas con diferente contraste

Gama de fusión del hierro

Gris

Arco i ris 900

Figura 9: 1 1 Ejemplos con diferentes colores

En la figura se muestran varios ejemplos de paletas de colores. En muchas cámaras hay al menos seis ó más, y algunos más en el paquete de software. Puede haber algunas ligeras diferencias de aspecto y de nombre. Lo fundamental, sin embargo, es que permiten conseguir diferentes efectos de contraste en la imagen. Selección de la paleta ¿Cuál hay que utilizar? Esta la regla práctica que proponemos: •

Uti l ice paletas de elevado contraste sobre objetivos de bajo contraste térm ico



Util ice paletas de bajo contraste sobre objetivos de elevado contraste térm ico

Sobre una superficie muy grande con pequeñas diferencias de temperatura, debe utilizarse una paleta de elevado contraste. Un ej emplo podría ser la pared de un edificio con pérdidas de calor, ó un suelo con fugas de agua. Las distribuciones térmicas pueden ser débiles sobre una superficie plana. Las anomalías eléctricas normalmente presentan un elevado contraste por ellas mismas, y si los componentes tienen una forma complicada y están rodeados por cables y otros objetos, una paleta de elevado contraste puede hacer difícil interpretar la imagen. Las personas reaccionan de forma diferente a las paletas de colores. Algunos piensan que unas son más intuitivas que otras, -hay gente que piensa lo contrario. Inténtelo por sí mismo y vea cómo funcionan. ITC N1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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La impresión en papel es una cuestión diferente también asociada con la paleta térmica, sobre todo cuando es posible que un informe que ha sido preparado en color pueda ser impreso en blanco y negro. La paleta del hierro se imprime bien en blanco y negro. Está diseñada para proporcionar una escala continua de grises automáticamente. Muchos otros colores pueden presentar un aspecto extraño cuando se imprime en grises.

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Técn icas de análisis de la imagen térm ica

Perfiles de temperatura El perfil proporcionara la evolución de temperatura a lo largo de una línea en la imagen

La función de perfil de temperatura no es muy complicada de entender. Simplemente es un diagrama con temperatura en el eje vertical y distancia en el eje horizontal. Es una función muy útil cuando su utilización es apropiada. u a 9 : 1 2 Los perfiles de temperatura muestran la variación horizontal y vertical de temperatura dentro de la

zona caliente de la imagen

En los casos donde existe una distribución térmica a lo largo de una dimensión del cuerpo, como en los rollos de una manufactura de papel, el uso de la función de perfil de temperatura es muy adecuada.

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Figura 9: 1 3 Utilización de la función d e perfil de temperatura en una manufactura d e papel

En esta imagen, podemos visualizar las irregularidades en el rollo de papel, conforme sale de la máquina correspondiente. Estas irregularidades corresponden a problemas en la calidad del papel, por lo que la imagen térmica es de una gran ayuda a los operadores de la máquina para ajustar el proceso de

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•ITRAI NCENTER FRARED NING producción, uniforme.

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y

de esa forma consegmr una distribución térmica mucho más

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Técnicas de análisis de la imagen térmica

An á l isis d e la i m agen - ca m pos térm i cos d ifíci les de i nterpreta r En termografía, hay un gran número de cuestiones que pueden causar error en nuestro análisis. En este capítulo abordaremos dos de los más comunes. Aprenderemos cómo reconocerlos y trabajar con ellos: •

Reflejos y fuentes pu ntuales



Diferencias de emisividad

Hablemos un poco de la palabra "reflejo". Si se pone enfrente de un espejo verá su propia imagen. Si no está justo enfrente, ¿eso significa que no habrá ningún tipo de reflejo? ¡Por supuesto que no! Se reflej ará la pared (o cualquier otra cosa) detrás de dónde usted se encuentra. Esto es igual en la imagen térmica. Si sostiene algo caliente enfrente de una superficie brillante, verá su reflejo en la imagen térmica. Si quita la fuente de calor, la superficie reflejará otra cosa. Siempre habrá algo que se refleje sobre su objetivo. Para conseguir una imagen más fácil de analizar, preferimos una superficie que irradie de forma uniforme sobre nuestro objetivo. Si no es así, podemos tener el reflejo de una fuente puntual. Lo que normalmente llamamos un "reflejo" es más estrictamente un punto con radiación saliente muy diferente del área de alrededor- un reflejo puntual. Observe la palabra "diferente". Un reflejo puntual puede estar más caliente ó más frío que el área de alrededor. Los reflejos puntuales pueden ser muy molestos, porque pueden parecer una anomalía. Un ej emplo es cuando tratamos de encontrar conexiones calientes en un sistema eléctrico.

Figura 9 : 1 4 Reflejos causados por el propio operador (observe las manos y la cara). La imagen derecha es á enfocada a doble distancia del objetivo y con un ángulo ligeramente diferente

La imagen de la izquierda presenta un "punto caliente" en la barra del medio que puede parecer una conexión a alta temperatura para un ojo poco experimentado. En la imagen de la derecha podemos ver que realmente se trata del reflejo del propio operador. Dicha imagen está tomada con un ángulo diferente y con doble distancia focal.

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Técnicas de análisis de la imagen térmica

Las fuentes de reflejos puntuales pueden ser muchas y muy diferentes. ¡No únicamente el sol! El propio operador es una fuente muy normal de reflejo. ¡ Sitúese de forma que no se encuentre justo enfrente del objetivo! Los ángulos de entrada y salida de una reflexión especular son siempre iguales. Esto le puede ayudar a localizar el reflejo de una fuente puntual, y sobre todo a evitarlo.

Sa l ida Figura 9: 1 5 Los ángulos d e entrada y salida d e u na reflexión especular son exactamente iguales

Si la superficie es difusa, el reflejo será disperso, y saldrá de la superficie no como un haz concentrado, sino en todas direcciones. Así el reflej o de la fuente puntual será mucho más débil. Muchas superficies reflejan mucho más en el infrarrojo que en el visible. Esto supone que una superficie que parece difusa en el espectro visual puede comportarse como un espejo en el infrarrojo. Reflej o de una fuente puntual

¡Si se mueve con usted, es un reflejo!

Figura 9: 1 6 El reflejo de u n a fuente puntual desaparece cuando el ángulo cambia

Si cambia su ángulo de visión del objetivo, y el "punto caliente" desaparece, este era el reflejo de una fuente puntual.

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Fig u ra 9: 1 7 Cuando el ángulo cambia, el reflejo se desplaza

En estas dos imágenes, el reflejo se ha movido de izquierda a derecha cuando la cámara ha cambiado de ángulo de visión.

Figura 9 : 1 8 Una mayor emisividad da una lectura más real

No debe sorprendernos encontrar más reflejos sobre superficies de baja emisividad. Ya hemos aprendido antes que una superficie así tiende a enmascarar su temperatura real con el reflejo del entorno. Mirando el objetivo con nuestros ojos podemos saber qué zonas del mismo tienen emisividad baja ó alta, y por tanto cuáles tienen una temperatura aparente más cercana a la real. En este caso, el cable y la pequeña etiqueta en la barra presentan una elevada emisividad, con lo que presentan una temperatura aparente similar. Se puede creer en las superficies con alta emisividad, el resto pueden y deben ser ignoradas.

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Técn icas de anál isis de la imagen térmica

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Figura 9 : 1 9 Un calentamiento real suele crear u n a distribución térmica suave, u na reflexión no

Aquí la ausencia de gradiente térmica revela un reflejo. Un punto caliente real genera un gradiente térmico suave, un reflejo presenta una distribución térmica abrupta, fuertemente discontinua. Para evitar reflejos puntuales Estas son algunas reglas para saber encontrar, •

y

evitar reflejos puntuales

No se sitúe directamente enfrente de su objetivo , evite reflejarse usted mismo



Muévase alrededor, si el punto caliente tam bién se mueve , se trata de u n reflejo



Utilice el hecho de que el ángulo de incidencia y el de sal ida son iguales, con el objetivo de determinar la fuente , de esa forma puede evitarla



Use u n trozo de cartón o similar para apantallar la fuente de reflejo



Busque gradientes térmicos, u na zona cal iente real muestra gradientes, u n reflejo n o



Busque partes d e l objetivo con alta emisividad . Estos muestran menos reflejos y una temperatu ra aparente más cercana a la real

Diferencias en la temperatura aparente Esta es una imagen térmica en la que aparecen varias temperaturas aparentes diferentes.

Cable : Emisividad elevada, muestra una temperatura más cercana a la real Pieza de unión: Baja emisivida, refleja el transformador caliente en la zona de abajo (en los flancos! Barra : Baja emisividad, refleja la pared fría detrás del operador

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Técnicas de análisis de la imagen térmica

Figura 9:20 Temperaturas aparentes diferentes

Las preguntas son: •

¿Por qué la imagen tiene este aspecto?



¿Por qué tenemos estas temperaturas aparentes?



¿Y qué temperatura aparente creemos?

El objetivo . . . Seguidamente tenemos un esquema del aspecto de nuestro objetivo. Esta vez, evitamos el reflejo del operador -no estamos mirando directamente al obj etivo. Hay cables conectados a la barra. Esta barra procede de un transformador seco aislado, que normalmente presenta una temperatura superficial elevada. Detrás del operador hay una pared de hormigón fría.

Ca bles Pieza de u nión del ca ble Ba rra de . conex1on ,

Tra nsfo rmador seco a islado (ca l iente) Pa red Figura 9:21 Diferentes fuentes de reflexión y diferentes emisividades dan temperaturas aparentes distintas

Reflexión de varias fuentes Podemos obtener las siguientes conclusiones acerca de la temperatura que leemos. El cable de emisividad elevada muestra una temperatura cercana a la real. La zapata de conexión, de baja emisividad está reflejando el transformador justo en el ángulo, y parece caliente. La barra refleja la pared detrás del operador, y parece fría. En realidad, todos ellos tienen la misma temperatura, cercana a la temperatura aparente que leemos en el cable. Todos los obj etos siempre reflejan algo.

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Cap ítu lo 9

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Técnicas de análisis de la imagen térm ica

Diferencias de emisividad - ejemplo

1

Un cambio brusco de emisividad provocará un cambio brusco en la Imagen térmica, aunque no se modifique la temperatura real.

Figura 9:22 Diferente aspecto de las partes pintada y no pintada de las barras de un cuadro eléctrico

Esta imagen sirve de nuevo como ejemplo; las zonas pintadas y no pintadas presentan un aspecto diferente. La zona pintada mostrará una temperatura más cercana a la real. No existe ningún gradiente térmico en esta imagen, por lo que concluimos que no hay ninguna anomalía.

-

Diferencias de emisividad - ejemplo 2 Figura 9:23 Cambio brusco en la i magen térmica debido a un cambio de emisividad

En esta imagen hay una conexión caliente. Se muestra por el gradiente térmico existente desde la conexión baj ando por la barra. El gradiente térmico se interrumpe debido al cambio de emisividad en la zona donde la barra no está pintada.

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Capítu lo 9

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Técnicas de anál isis de l a i magen térmica

D iferencias de emisividad - ejemplo 3

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Fig ura 9:25 Objetivo frío pero reflejando un entorno más caliente

Esta imagen térmica parece un poco extraña, si no se conocen las circunstancias en las que se ha tomado. Los cables no presentan carga, en absoluto. Están en el compartimiento de un generador de emergencia alimentado por un motor diesel que está en marcha. Esta prueba provoca el calentamiento de la sala y por tanto de la caja de conexiones que vemos en la imagen. Pero los cables, que tienen un calor específico mayor, permanecen fríos. Las zonas de baj a emisividad reflejan el entorno que está más caliente.

D iferentes fuentes de reflexión Hasta este momento hemos tratado con reflejos puntuales. Estos pueden crear imágenes térmicas difíciles de interpretar. Pero también a veces superficies grandes con diferentes niveles de radiación térmica pueden llevar a situaciones complicadas de entender. -

Una de dichas "superficies" es el cielo. Un cielo claro presenta una temperatura aparente muy baja. Cuando está nublado, sin embargo, la temperatura es cercana a la del terreno, ligeramente más baja.

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Técnicas de análisis de la imagen térmica

Fig u ra 9:26 Conexiones de un transformador observadas desde diferentes posiciones

De la imagen visual está claro que hace un buen día, soleado. Se ven las sombras de los componentes eléctricos sobre el edificio del generador, que está detrás. El termograma de la izquierda fue tomado en la misma dirección que la foto. Las barras verticales que sostienen las dos líneas de potencia parecen frías . Esto se debe a que el cielo, que está frío, se refleja sobre ellas. La imagen es muy difícil de analizar. El termo grama de la derecha se tomó desde una posición entre el transformador y el edificio del generador. En esta imagen es la pared del edificio la que se está reflejando en lugar del cielo. La imagen térmica es ahora más fácil de analizar. Existe una pequeña anomalía térmica en la conexión de la izquierda, que es la de la derecha en las otras dos imágenes.

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Cap ítulo 1 0

ITRAI NCENTER FRARED N I NG

C u a l itativo y C u a ntitativo

Capítulo 1 0 : cual itativo y cuantitativo

Capítu lo 1 0 : cual itativo y cuantitativo Cual itativo y Cuantitativo

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2

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3

Cuantitativo

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Comparación de técnicas cualitativas y cuantitativas Criterios de clasificación de fallos

Datos de referencia

4

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7

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Notas del estudiante

3

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Eje mplos de criterios de clasificación

P regu ntas

1

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Objetivos del tema Cual itativo

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Capítulo 1 0

NCENTER ITRAI FRARED NING

C u al itativo y C u a ntitativo

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C u a l itativo y C u a ntitativo Dos principios de análisis distintos La razón por la que la termografía es una herramienta tan útil y especial es la posibilidad de trabajar con imágenes. El hecho de que veamos la imagen térmica y así localizar posibles anomalías es muy importante. Una lectura única de temperatura, por sí sola nos aporta mucha menos información. En este capítulo comentaremos cuándo y por qué puede ser necesaria una medida de temperatura, y cómo podemos hacerla más útil. La cuestión está orientada principalmente hacia aplicaciones de Monitorizado de la termografía infrarroj a.

Objetivos del tema •

Definir y ser capaces de expl icar las d iferencias entre los métodos cual itativo (comparativo) y cuantitativo (medida)



Saber en qué cond iciones debe utilizar métodos cual itativos y cuantitativos



Ser capaz de aplicar criterios de clasificación previos a un resultado cuantitativo



Comprender el objetivo de los datos de referencia

=

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Capítulo 1 0 �

GITRAI NCENTER FRARED NING

C u a l itativo y C u a ntitativo

C ua l itativo Seguidamente se define la termografía cualitativa La termografía cualitativa se basa en el análisis de la

imagen térmica para revelar y localizar la existencia de

anomalías, y evaluarlas.

Con la termografía cualitativa se puede utilizar la imagen para encontrar y evaluar posibles problemas. Si no los encontramos, no hemos hecho nuestro trabajo, por eso es muy importante. Es también la razón por la que dedicaremos tantos contenidos de este manual a aprender cómo evaluar imágenes. Siempre hacemos análisis cualitativo. Siempre que miramos estamos analizando, aunque sólo sea durante una fracción de segundo. Si algo parece normal, miramos otra cosa. Si hay algo sospechoso, lo analizamos en mayor profundidad. Algunas veces, pero no siempre, pasamos al análisis cuantitativo.

Cuantitativo Esta es la definición de termografía cuantitativa: La

termografía

cuantitativa

utiliza

la

medida

de

temperatura como criterio para determinar la gravedad de

un problema, y así establecer la prioridad de su reparación.

Cuando se localizar una anomalía, nos gustaría saber cuál es su gravedad. Normalmente no tenemos bastantes recursos para tratar de reparar todos los problemas que encontramos. Si ese fuera el caso, la termografía cualitativa sería suficiente, y la medida de temperatura no sería realmente necesaria. Queremos clasificar los problemas de forma que podamos abordarlos en el orden de importancia que tengan para el proceso de producción y la seguridad de las personas y del propio equipo. Debe señalarse, sólo para evitar malas interpretaciones, que porque algo no se ponga al principio de la lista, no significa en absoluto que deba ser ignorado. La termografía cuantitativa nos proporciona varios criterios de severidad para determinar la gravedad de un problema. Otros criterios incluyen: carga, equipo, importancia en el proceso de producción, seguridad y factores ambientales como la velocidad del viento.

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Capítulo 1 0

eiTRAI NCENTER FRARED NING

C u a l itativo y C u a ntitativo

Comparación de técnicas cualitativas y cuantitativas

Seguidamente se presenta una rápida comparación de las características de los dos principios.

Cualitativo •

Analiza PATRONES TERMICOS en la imagen



Determina SI hay alguna anomalía



Determina DONDE está



Sólo temperatura aparente



Normalmente se lleva a cabo primero

Cuantitativo •

Utilizado para ayudar a CLASIFICAR la seriedad de una anomalía



Implica medida de temperatura



Se realiza compensación



No siempre es relevante

A continuación, mostraremos algunos ejemplos de análisis cualitativo y cuantitativo.

Ejemplo

1:

cualitativo

Figura 1 0: 1 Suelo del baño con sospecha de fugas de agua

En este primer caso, estamos mirando el suelo de un baño. Queremos responder la siguiente pregunta: ¿HAY una fuga de agua en el suelo del baño? Si la hay, ¿DOND E está? Analizamos la imagen, descubriendo algo sospechoso. Eso es lo importante; la temperatura de la fuga de agua no es lo importante. El nivel de temperatura de la fuga de agua no nos interesa, porque no nos aporta información de interés para clasificar el problema.

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Capítulo 1 0

GITRAI NCENTER FRARED NING

C u a l itativo y C u antitativo

En este ejemplo, sólo es relevante el análisis cualitativo.

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Cap ítu lo 1 O

eiTRAI NCENTER FRARED NING

C ua l itativo y C ua ntitativo

Ejemplo 2 : C ualitativo En este segundo caso, tanto el análisis cualitativo como el cuantitativo van a ser relevantes. Las primeras preguntas son: ¿HAY una conexión caliente en el transformador? Si la hay, ¿DONDE está?

Figura 1 0:2 Conexión en un transformador con una imagen térmica sospechosa

La imagen que vemos es relevante. La conexión está caliente y hay un gradiente térmico a lo largo del cable. Esta imagen por sí misma es sospechosa. Ejemplo

2:

Cualitativo

Para analizar el problema más detalladamente, compararemos con la fase adyacente.

Figura 1 0:3 Comparación con un componente "normal"

Encontramos que la imagen de las dos conexiones es completamente diferente, lo que confirma nuestras sospechas previas. La conexión más fría no muestra la distribución térmica sospechosa, y concluimos que corresponde al estado normal. La carga en este caso es cercana al l OO%. Ejemplo 2 : Cuantitativo Aún tenemos que responder a la pregunta: ¿Es muy grave? ¿Debe ser reparado? Ahora es cuando el análisis cuantitativo comienza. La temperatura de la conexión caliente, comparada con la "normal" es relevante.

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eiTRAICENTER N FRARED NING

Cap ítu lo 1 0

C u a l itativo y C u a ntitativo

Figura 1 0:4 Temperaturas medidas en ambas conexiones

Haremos medidas de temperatura en ambas conexwnes, pero, ¿con eso qué decidimos?

C riterios de clasificación de fal los La utilización de criterios de clasificación de fallos nos ofrece una aproximación sistemática al establecimiento de prioridades de reparación. Si clasificamos las anomalías que hemos encontrado, seremos capaces de abordar primero las más graves. Siempre que utilice criterios de clasificación en un informe, dichos criterios deben de ser descritos y explicados en una sección específica del informe, de forma que el usuario del mismo pueda consultarlos. Hay muchos criterios de clasificación, publicados por diferentes organizacione . Los criterios varían de una industria a otra, según el país ó el tipo de componente (eléctrico, mecánico, etc.). Algunos documentos con copyright deben ser comprados para poder utilizarlos. Si se siente capaz, puede generar su propio conjunto de criterios para su compañía. Los criterios deben ser acordes con los recursos de que dispone para corregir los problemas. Deben generar una distribución razonable de anomalías entre las diferentes categorías que define. Si no es así, muchos de los problemas caerán por ejemplo, en la categoría de "urgente". Antes de clasificar la anomalía: una corrección de la carga, viento, etc . , será necesario una medida directa ó indirecta. Estos procedimientos son de aplicación específica, y no serán desarrollados en este manual. Un buen criterio de clasificación debe cumplir dos cuestiones: •

Debe ser operativo, i.e. describir qué acción llevar a cabo cuando se cumplen unas cond iciones específicas.



Debe especificar bajo qué condiciones y para qué equipos es vál ido.

En la sección de referencias de este manuah encontrará ejemplos de vanas fuentes. Pueden variar según la versión de manual que tenga.

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Cap ítu lo 1 0

eiCENTER TRAIN FRARED NING

C u a l itativo y C u a ntitativo

-

-

Delta T Un Delta T es una medida de diferencia de temperaturas entre la temperatura actual del componente estropeado, y alguna temperatura de referencia. La medida del Delta T es utilizada para determinar cuánto se aleja la anomalía del valor "normal". A esto le llamamos una medida cuantitativa, comparativa. Se necesita establecer una referencia de lo que se considera como "normal". Algunas veces se utilizan especificaciones del fabricante, ó datos históricos. En los equipos eléctricos, la referencia es a menudo el componente correspondiente de otra fase, suponiendo que la carga sea la misma. Se supone que el componente de referencia tiene la temperatura que el componente estropeado debería tener si estuviera en perfectas condiciones.

-

-

-

Ej emplos de criterios de clasificación

Clasificación de Fallos (ejemplo) de acuerdo a su gravedad. De esta forma se podrá determinar la prioridad de su reparación. C lase "A" - U na anomalía m u y grave q u e req u iere atención i nmed iata

Ejemplo: Temperatura absoluta por encima de 80 °C, Q delta T por encima de 30K

Clase " B " - U na anomalía seria que necesita atención tan pronto como sea posible Ejemplo: Delta T entre 5-30K

Clase "C" - U na anomalía que req u iere mon itorizado y com probación, pero que se reparará cuando sea conveniente Ejemplo: Delta T hasta 5K

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Capítu lo 1 0

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C u a l itativo y C u a ntitativo

Es necesaria la comparación Siempre necesitamos comparar con algo. En muchos casos comparamos sin ser conscientes de ello. En termografía eléctrica, podemos comparar unas fases con otras, una conexión caliente con el cable que se encuentra cerca, o la línea que entra con la que sale. En aplicaciones de aislamiento (edificación, refractarios), debe haber varios componentes similares, ó al menos disponer del patrón térmicos que suponemos normal. Si un punto en particular se desvía del patrón normal, deberíamos de poder darnos cuenta. Algunas veces podemos quedarnos parados tratando de adivinar qué ocurre. ¿El componente está normal ó presenta una anomalía? Sin nada tangible para comparar y sin experiencia en el tipo de componente, es difícil decidir.

Necesidad de datos de referencia

55 50 45 40 35

Aquí tenemos un ejemplo de cómo podríamos aplicar este tipo de razonamiento. Figu ra 1 0:5 Fotografía e imagen térmica de una bomba con rodamientos sospechosos

Los rodamientos de esta bomba parecen sospechosos. Hay un gradiente térmico en ellos y una temperatura de 57°C. ¿Pero están realmente mal? La medida cuantitativa necesita ser comparada con algo. La distribución térmica podría ser normal, si el fluido que se bombea estuviera enfriando el alojamiento de los rodamientos por su parte inferior. En este caso se dispone de otras dos bombas como referencia. Así es como están.

1C

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Capítu lo 1 0

NCENTER ITRAI FRARED NING

C u a l itativo y C u a ntitativo

55 50

35

45

30

25

40

--

35

-

Fig ura 1 0:6 Bombas de referencia, una desconectada y la otra funcionando correctamente

La bomba izquierda está claramente desconectada y la otra está en funcionamiento. Comparemos el aloj amiento de los rodamientos de la bomba derecha con la sospechosa.

Figura 1 0:7 Alojamiento de rodamientos de la bomba normal y de la defectuosa

Concluimos que existe una anomalía en la bomba sospechosa, porque tanto la imagen térmica como el nivel de temperatura son diferentes. Si la carga es la misma, las temperaturas deberían también coincidir. Si la carga es diferente, la imagen térmica es aún prueba suficiente de que hay algo mal en la bomba sospechosa. En este caso tenemos dos bombas trabajando juntas en las mismas condiciones de carga. Si este es el caso, debemos aprovecharlo. Pero si no tenemos la suerte de tener objetos similares uno al lado del otro, necesitamos datos históricos.

Regla práctica: para facilitar la comparación, mantenga los mismos ajustes de Nivel y C ampo para todas las imágenes infrarroj as. Datos de referencia

Los datos históricos son lo que llamamos datos de referencia. Deben ser adquiridos de forma sistemática y consistente, comenzando en el mismo momento en que se quiere aplicar la termografía dentro del programa de mantenimiento. La situación ideal es disponer de un equipo que se acaba de instalar, ó que se acaba de reparar para empezar a recoger los datos de referencia. Se supone que estos equipos estarán funcionando normalmente, y eso es precisamente lo que ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítu lo 1 0

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C u a l itativo y C u a ntitativo

queremos utilizar. Pero cuidado: es común que muchas personas piensen que puede haber problemas incluso en equipos acabados de instalar. El estudio de los datos de referencia puede también servir como parte del test de recepción de nuevos equipos. Recomendamos la termografía como otro ensayo más en los tes de recepción de equipos. Cuando recoge los datos de referencia, es importante registrar también cualquier información importante: velocidad del viento, temperatura del aire, calentamiento solar, condiciones de carga, etc. Todo depende del tipo de componente y de dónde se instale. En aplicaciones de seguimiento de una evolución temporal, la línea de referencia llega a ser una parte integral del propio proceso. Siempre será capaz de revisar los datos anteriores. Si alguna vez se pregunta a sí mismo: "¿Cómo debería verse?" necesita datos de referencia. Es importante que empiece a recogerlos cuanto antes.

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•ITRAI NCENTER FRARED NING

Capítu lo 1 1

Téc n i cas de M e d i d a Infrarroj a

Capítu lo 1 1 : Técnicas de Medida I nfrarroja Capítulo 1 1 : Técnicas de Medida I nfra rroja

1

Técnicas de Medida Infrarroja

4

Cómo se cali bra la cámara

6

Objetivos del tema

6

Energía irradiada y tem peratura

7

Ley de Stefan-Boltzmann para cuerpos negros Calibración

7 8

Comprobación de calibration

11

Pregu ntas

13

Compensación de la influencia del entorno

14

Objtivos del tema

14

Condiciones de medida

15

Radiación sal iente

15

I nfl uencia de la atmósfera

15

Atmósfera

17

Radiación reflejada

18

Temperatu ra aparente reflejada

18

Pregu ntas

23

Compensación de la em isividada y cá lculo de la temperatu ra

24

Objetivos del tema

24

Ley de Stefan-Boltzmann para Cuerpos Reales

25

Cálculo de la temperatura

27

Pregu ntas

28

Utilidades de medida de la cámara

29

Objetivos del tema

29

Fu nciones de medida de su cámara

30

I soterma

30

Medidor pu ntual

33

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Capítu lo 1 1

Téc n i cas d e M e d i d a I nfrarroja

Are a

34

Variación de tem peratu ra

34

Preguntas

36

Emisividad

37

Objetivos del tema

37

Factores que afectan a la em isividad

38

Efectos sobre la em isividad

38

Material - no metales

39

Material - metales

39

Estructura su perficial

40

Geometría

40

Angulo

42

Longitud de onda

43

Temperatu ra

44

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ITRAI NCENTER FRARED N I N G G

Cap ítulo 1 1

Téc n i cas de Med ida Infrarroja

Pregu ntas

45

Ensayo de potencia de error

46

Objetivos del tema

46

J ugando a "¿qué pasa si?"

47

Resu ltados del ensayo de potencial de error

48

Ejercicio opcional: Ensaye su propia cámara

50

Pregu ntas

52

Evite "dar por cierto lo que sería deseable"

53

Objetivos del tema

53

P regu ntas

56

Emisividad y temperatura aparente reflejada

57

Objetivos del tema

57

Tem peratu ra aparente reflejada

58

Tablas de emisividad

61

Estimación de emisividad

62

Medida de la emisividad

62

Pregu ntas

66

Resol ución espacial

67

Objetivos del tema

67

Detectores y pixels

68

Tamaño d � l objetivo para la medida

70



__.

La solu ción para pequeños objetivos

71

Pregu ntas

73

Notas del estud iante

74

---

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Capítu lo 1 1

Téc n i cas de Med ida I nfra rroja

Téc n i cas de Medida I nfrarroj a Cómo medir temperaturas a partir de l a radiación Hasta este momento, hemos aprendido mucho de termografía y de cómo analizar una imagen y utilizar los resultados. Con lo que hemos aprendido hasta el momento, estamos listos para hacer análisis cualitativo con nuestro equipo y obtener buenos resultados. Para mucha gente eso no es suficiente - queremos también medir temperaturas. Además esta sección nos proporcionará mayor comprensión de la termografía en general, y de nuestra habilidad para analizar la imagen. La medida de temperaturas utilizando la radiación infrarroj a puede ser muy fácil ó casi imposible. La emisividad es de nuevo el factor fundamental. De principio, podemos afirmar que el grado de dificultad para medir temperatura varía de cero a infinito. El grado de dificultad es cero si estamos observando un cuerpo con emisividad de uno - un cuerpo negro. Con emisividad cercana a uno, la medida será fácil. Por otra parte, si la emisividad es cero, la medida de la temperatura será completamente imposible. El grado de dificultad será infinito, porque no sale radiación del cuerpo. Y contra más cerca de cero esté la emisividad, más cerca de infinito estará la dificultad para medir. Es importante que sepamos esto - debemos conocer la calidad de medida que es razonable esperar. Dependerá de varios factores - nuestra experiencia, el objetivo y el entorno. A mayor experiencia seremos capaces de trabaj ar con objetos más difíciles. No debemos esperar ser capaces siempre de obtener una buena medida de temperatura. Algunas veces la situación es imposible, independientemente de quién lo intente. Esta sección es muy larga, por lo que ha sido subdividida en partes más manejables - poco a poco se aprende más fácilmente. Cada subsección tiene sus propios Objetivos y Preguntas al final, como ha sido costumbre hasta el momento.

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Capítulo 1 1

Técn i cas de Med ida I nfrarroj a

Técnicas de Medida I nfrarroja - Apartados Se ha subdividido en las siguientes áreas: •

Calibración de la cámara



Compensación d e los efectos del entorno



Compensación de la em isividad y trad ucción a temperatu ra



Selección de las herramientas de medida de la cámara



Emisividad - factores de influencia



Error potencial de la medida



Delta T y cómo evitar el "síndrome de pensam iento positivo"



Estimación de la em isividad y de la temperatura aparente reflejada



Resol ución espacial y tamaño del objetivo

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•ICETRAIN FRARED NTERN I NG

Capítu lo 1 1

Técn i cas de Med i d a I nfra rroja

Cómo se ca l i bra l a cá mara Cómo se relaciona la radiación con la temperatura. Como muchos otros dispositivos de medida, la cámara necesita ser calibrada para medir correctamente la temperatura. La calidad de la medida no puede ser mayor que la de la calibración. Por tanto, una buena calibración es fundamental, y es algo que compramos con el equipo, y que más tarde utilizaremos. En este capítulo explicaremos brevemente cómo se lleva a cabo la calibración. Pero antes veamos qué hace posible que se pueda medir temperatura a partir de la radiación infrarroj a.

O bjetivos del tema •

Comprender cómo está relacionada la radiación em itida con la tem peratu ra



Conocer cómo se genera una cu rva de calibración



Describir cómo hacer una sencilla com probación de calibración

-=

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Capítulo 1 1

eiTRAI NCENTER FRARED NING

Téc n i cas de M e d i d a Infrarroj a

E n erg ía irrad i ada y te m peratura Algo que debemos recordar acerca de la medida de temperatura a partir de la radiación, es que la cámara sólo es c�az de ver intensidad de radiación electromagnética, en una cierta banda de longitudes de onda. A partir de esto tratamos de medir algo completamente diferente -temperatura. La temperatura está relacionada con el movimiento de las moléculas dentro de nuestro objetivo. Y además queremos medirla a distancia. La razón por la que se puede medir una cosa utilizando la otra es porque ambas están relacionadas por leyes físicas. Hay una relación fija y predecible entre la potencia de radiación infrarroj a de un cuerpo y su temperatura. Sin esa relación fij a y predecible, no podríamos medir temperatura. Sería como tratar de medir una distancia con una cinta métrica de chicle. Sabemos que la radiación se incrementa con la temperatura -pero la cuestión es: ¿Exactamente cuánto? Lo explica una ley científica, llamada Ley de Stefan­ Boltzmann. Ley de Stefan-Boltzmann para cuerpo s negros

- ·

La Ley de Stefan-Boltzmann relaciona la temperatura con la energía irradiada, y es una ecuación muy interesante. Nos dice cuánta radiación emite un cuerpo negro a una cierta temperatura. Y está a nuestra completa disposición. Es una relación fija entre radiación y temperatura. Ahora veamos como utilizarla. Si suponemos que el cuerpo es un cuerpo negro, y que tiene una temperatura absoluta T, calcularemos una potencia de radiación llamada WeN, utilizando la Ley de Stefan-Boltzmann.

-

- -

1

T

�·

Figura 1 1 : 1 Fuente de radiación teórica de cuerpo negro

Fórmula n úmero 6 WcN T4

= cr *

Si observamos la fórmula, vemos que la temperatura absoluta T está elevada a la cuarta potencia. Así, se tiene que multiplicar la temperatura absoluta por sí ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítulo 1 1

GITRAI NCENTER FRARED NING

Téc n i cas d e Med i d a I nfrarroj a

misma cuatro veces. Temperatura absoluta significa que las unidades han de ser kelvin (K) . El resultado serán W/m2 (vatios por metro cuadrado). Tenemos otro factor, cr (la letra griega sigma), llamada la constante de Stefan-Boltzmann. Por ahora podemos entender esa constante como un factor de corrección, y no es necesario recordar su valor. El valor de dicha constante es cr = 5.67 * 1 0-s W/m2*K4. Con esta fórmula podemos calcular, por ejemplo, la potencia irradiada por las paredes de la habitación en la que nos encontramos (ignorando, por ahora, el hecho de que no es un cuerpo negro perfecto). Si las paredes están a 20°C, eso supone una temperatura absoluta de 2 93K. Esa temperatura absoluta multiplicada por sí misma cuatro veces, y después multiplicada por nuestra constante cr (sigma) , da 4 1 9 W/m2• Esto significa que cada metro cuadrado de pared alrededor de nosotros irradiará 41 9W. Si se lleva a cabo un ligero ' aumento de temperatura, hasta 50°C, ¿qué ocurre? Sí, en la escala absoluta es un pequeño incremento, de 293K a 32 3K. El resultado del cálculo es 6 1 8W/m2. Un fuerte incremento respecto a 419. La razón es, por supuesto, que la temperatura está elevada a la cuarta potencia, por lo que un pequeño cambio en la temperatura conduce a un fuerte cambio en la potencia irradiada. Si hacemos el cálculo para un buen número de temperaturas diferentes, y representamos el resultado mediante un gráfico de barras, aparece algo como 3000

2500

� e o "'

-o "' a:

2000

'

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11 11 o N '

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T; m p e ra tu re (C e ls i u s )

o CD

o CXl �

o o N

esto. Figura 1 1 :2 Potencia irradiada por un cuerpo negro a diferentes temperaturas

Desde 90°C (363 K) hasta 130°C (403 K), por ej emplo, la potencia irradiada se incrementa desde 1000 hasta 1500 W/m2. El incremento en temperatura (40 K) es sólo de un 1 1% (Recuerde, para calcular porcentaj es utilizamos kelvin.)

Cali bración

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•ITRAI NCEFRARED NTERN I N G

Capítulo 1 1

Téc n i cas d e Med ida Infrarroj a

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Por tanto, si lo que la cámara ve, que es radiación infrarroj a puede relacionarse con la temperatura, ya somos capaces de calibrar nuestro instrumento. La calibración de la cámara se realiza en un laboratorio, baj o condiciones ambientales controladas, co un gran número de fuentes de referencia de cuerpo negro. Las fuentes de referencia son simuladores de cuerpo negro con una emisividad muy elevada, cercana a 1 .0. Las fuentes están certificadas según estándares internacionales.

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-

-



Laboratorio de cali bración Figura 1 1 :3 Estación de calibración en la factoría FLI R de Suecia

Las fuentes de referencia de cuerpo negro están distribuidas en un semicírculo. La cámara se fij a en medio de una mesa rotatoria, conectada a un sistema de control automático de la estación de calibración .



-

..

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Capítulo 1 1

ICENTER N FRARED TRAI N I N G G

Técn i cas d e M e d i d a Infrarroj a

�1

Cámara IR



Figura 1 1 :4 Mirando las fuentes de referencia

La cámara se apunta a las fuentes de referencia una detrás de otra, y cada fuente de referencia genera una señal en la cámara. El valor de esta señal es registrado para cada temperatura.

Figura 1 1 :5 Obtención de u na curva de calibración

Los puntos de nivel de señal y lectura de temperatura son representados en un diagrama y ajustados a una curva. Esa curva se carga en la memoria de la cámara, y será utilizada para relacionar la radiación con la temperatura. Así, cuando una potencia de radiación concreta incide sobre el detector y causa una

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Capítulo 1 1

Téc n i cas de Med ida Infrarroja

señal de un nivel específico, la curva será utilizada para convertir dicha señal a la correspondiente temperatura. Comprobación de �alibración

Una sencilla comprobación de calibración se puede realizar sin fuentes de referencia de cuerpo negro. Sin embargo, debe tener cuidado de no confiar demasiado en los resultados. Nunca puede sustituir un serviCIO de mantenimiento regular de su instrumento. La regularidad de la comprobación puede variar de cámara a cámara. Consulte el departamento correspondiente para las recomendaciones específicas. También puede tener su propio sistema de control de calidad que especifica ciertos intervalos. Y no puede recalibrar su cámara por sí mismo - si está fuera de calibración, debe ser enviada al servicio de reparación. Una comprobación de calibración no puede garantizarle que la cámara está en buenas condiciones, pero sí le puede indicar si está ciertamente mal. Debe disponer de una instalación adecuada y de un procedimiento para llevarlo a cabo satisfactoriamente. Debería utilizar un equipo específicamente diseñado para esta medida, y estar absolutamente seguro de que no ha habido ningún cambio entre los diferentes ensayos. A lo largo de esta sección se destacarán cuáles son los factores fundamentales a tener en cuenta.

Figura 1 1 :6 Equipo necesario para la comprobación de calibración

Para que la comprobación sea útil, necesita hacer una medida de referencia cuando la calibración de la cámara es correcta. Esto le permitirá tener en cuenta errores sistemáticos tanto en su equipo como en el procedimiento de calibración. Antes de nada compruebe su equipo y procedimiento con una cámara cuya calibración conozca que es correcta, y posteriormente podrá utilizar su propio equipo y ensayo para comprobar la cámara. Si su procedimiento de calibración no tiene la exactitud de la cámara, ¡es necesario que mejore el procedimiento! Primero de todo necesita un objetivo. Puede ser un bote de metal cualquiera- un cazo que ya no se utilice puede ser adecuado. Tiene que ser metálico. Si es de plástico tendrá una conductividad térmica demasiado pequeña, y las temperaturas en las superficies interior y exterior pueden ser diferentes. Cree ITC N 1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Capítulo 1 1

Téc n i cas de Med i d a Infrarroja

una zona con emisividad elevada, que sea lo suficientemente grande para poder medir a la distancia que usted prefiera (sabrá cuál ha de ser el tamaño mínimo al final de este capítulo) . Puede pintarlo con una pintura negra mate ó utilizar cinta eléctrica con emisividad elevada y conocida. Nuestra siguiente tarea es conseguir mantener el cuerpo a dos temperaturas conocidas, que han de ser bastante diferentes de las del entorno, y mantenerlas razonablemente estables. Una buena referencia es el punto de fusión del hielo, que estará alrededor de 0°C. ¡Pero asegúrese de que el hielo se está fundiendo! Los cubos sacados directamente del frigorífico están bastante más fríos. Y asegúrese de que hay bastante hielo para conseguir una mezcla de agua y hielo. Con unos cuantos cubitos no es suficiente. El punto de fusión del hielo cambia según su contenido en sales, pero el agua del grifo será suficiente. Seque el agua condensada sobre la superficie exterior del bote. Durante las medidas la superficie exterior debe permanecer seca. El agua hirviendo está a una temperatura alrededor de 100°C. La temperatura exterior del cazo será ligeramente más baja. Su test de referencia se lo mostrará. El agua ha de estar hirviendo enérgicamente. No es suficiente con unas cuantas burbujas subiendo desde la superficie de calentamiento. ¡ Evite que condense agua sobre las lentes de la cámara! Utilizar un termómetro (de vidrio ó un termopar de buena calidad) no es una mala idea. Es un instrumento auxiliar útil para el equipo de cambio de estado descrito. Si el instrumento está fuera de calibración, normalmente lo está en gran magnitud. Si las dos medidas son razonablemente correctas, su calibración debería ser correcta. Consulte el manual de su cámara para conocer la exactitud de su cámara. Si la exactitud, es, digamos +/- 2C, una lectura para agua hirviendo de 98- 102°C estaría dentro de las especificaciones.

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Capítu lo 1 1

Téc n i cas de Medida I nfra rroja

C o m pe n sación de la i nfl uen cia del ento rn o Cómo compensar e l efecto d e la radiación d e los obj etos alrededor de nosotros y del obj etivo. En este capítulo trataremos dos temas: la reflexión del entorno y la atenuación de la atmósfera. Siempre hay algo de aire entre la cámara y el objetivo, a este aire le llamamos la "atmósfera". La atmósfera irradia por sí misma, y absorbe parte de la radiación que emite y reflej a nuestro objetivo. Tenemos que calcular la magnitud de este efecto, y cómo puede ser tenido en cuenta de forma adecuada. Una parte de la radiación que llega a la cámara infrarroj a se origina en otros objetos diferentes al cuerpo que estamos observando. Esta radiación no tiene nada que ver con la temperatura del mencionado cuerpo. Debemos encontrar una forma de calcular la magnitud de este efecto, de forma que podamos eliminarlo para cálculos posteriores.

Objetivos del tema

-



Com prender cómo la atmósfera afecta a la medida de temperatu ra



Conocer qué parámetros de la cámara están relacionados con la atmósfera



Comprender qué es la temperatura aparente reflejada



Comprender de dónde viene la temperatu ra aparente reflejada



Conocer qué parámetros de la cámara están relacionados con la tem peratu ra aparente reflejada

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C o n d i ci o n es de med i d a Se utilizarán las siguientes hipótesis acerca de nuestro objetivo y de lo que está alrededor del obj etivo. El objetivo debe ser opaco, i.e. con transmisividad nula. Si puede transmitir radiación infrarroj a, no podremos medir su temperatura, excepto bajo circunstancias especiales que serán tratadas en el Nivel II. Esto lo comprenderemos perfectamente al final de esta sección, pero por ahora hay que creérselo! El objetivo tiene una temperatura que queremos conocer, y una emisividad E, que debemos conocer ó estimar. Como consecuencia de su temperatura y emisividad, irradiará una cierta cantidad de radiación infrarroj a. El objetivo tiene una reflectividad p, que la cámara puede calcular como 1 - E . Está situado en alguna clase de entorno que irradiará hacia el objetivo. Como consecuencia de eso, el objetivo reflejará una cierta cantidad de radiación. Habrá una atmósfera, ó para entendernos mej or, una cierta cantidad de aire entre la cámara y el objetivo. Radiación saliente

En la sección previa acerca del intercambio de energía por radiación hemos concluido que si el objetivo es opaco, tendrá una emisividadlabsortividad, y una reflectividad.

Rad iación e mitida

Rad iación reflejada Figura 1 1 :7 Radiación saliente de u n objetivo opaco

Esto significa que nuestro obj etivo tendrá una radiación saliente que se compondrá de: •

Rad iación emitida por el objetivo por sí mismo



Radiación reflejada del entorno

Influencia de la atmósfera

La atmósfera es un cuerpo que transmite radiación entre el objetivo y la cámara. La banda de longitud de onda de la cámara se escoge donde la transmisividad ITC N1 Man ual de Curso - Rev. 1 . 1

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del aire es muy elevada. Incluso así, la transmisividad no es uno. La atmósfera transmite gran parte de la radiación procedente del objetivo, y absorbe una pequeña parte de la radiación saliente del objetivo. Por tanto hay una pequeña pérdida cuando la radiación saliente del objetivo atraviesa la atmósfera. Ambas componentes, la parte emitida por el objetivo y la parte que es reflejada del entorno son igualmente afectadas por la atmósfera. La atmósfera además también emitirá su propia radiación, porque si puede absorber, también puede emitir .



Radiación tra nsm itida

Cá m a ra IR Figura 1 1 :8 Radiación que llega a la cámara infrarroja

Componentes de la radiación La radiación que llega a la cámara infrarroj a será •

Emisión de la atmósfera



Emisión del objetivo , menos lo que absorbe la atmósfera



Reflexión del entorno, menos lo que absorbe la atmósfera

Compensación del efecto del ambiente Hay dos cosas del ambiente de medida que necesitamos compensar: •

La atmósfera



La rad iación reflejada

Las estudiaremos de forma separada.

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Atmósfera

Empezando con la atmósfera, debemos responder dos cuestiones. ¿Cuánta atmósfera hay entre la cámara y el objetivo, y qué densidad tiene? Hay varios factores que afectan a la influencia de la atmósfera, de los que los más importantes son: •

Distancia



Tem peratura del aire



Humedad relativa

El factor distancia es fácil de entender; contra más atmósfera haya, más emitirá y absorberá. La temperatura del aire tiene dos efectos . La radiación de la atmósfera en sí misma es una de ellas. Contra más caliente esté el aire, más irradiará. El otro efecto de la temperatura del aire está relacionado con la humedad relativa. Una gran parte de la atenuación del aire se debe al vapor de agua que contiene, y lo que nos importa es la cantidad absoluta de moléculas de agua en la atmósfera- el número real de moléculas que tiene que atravesar nuestra radiación es lo que nos dice qué dificultad se encontrará. La humedad relativa por sí misma no nos dice cuánta agua hay en el aire. Expresa la humedad como un porcentaj e de una cantidad máxima, ó punto de rocío. Con un 100% de humedad habrá condensación en el aire, lo que quiere decir que se ha alcanzado el punto de rocío para las condiciones particulares que tiene el aire. Si aumentamos la temperatura sin añadir moléculas de agua al aire, la humedad relativa se reducirá, pero la dificultad para atravesar la atmósfera para la radiación infrarroj a será la misma. Habiendo dicho todo esto, si fij amos diferentes valores de humedad relativa en nuestras cámaras, descubriremos fácilmente que este parámetro tiene muy poco efecto sobre la medida, considerando distancias y temperaturas de aire con las que normalmente trabaj amos. Será suficiente así con una estimación de poca precisión de la humedad relativa. La idea fundamental es que si introducimos estos tres parámetros en la cámara, esta realizará todos los cálculos necesarios. Así la cámara finalmente tendrá en cuenta el efecto de la atmósfera. Parámetros de la cámara Estos parámetros pueden llamarse de forma distinta según la cámara. Consulte el manual de su cámara para comprobarlo. Algunas cámaras pueden no disponer de alguno de estos parámetros. La distancia es el más común. La temperatura de aire algunas veces se asume igual a la temperatura aparente reflej ada (aunque NO es lo mismo), que es el parámetro que trataremos a continuación. Esto significa que la cámara utiliza por defecto el valor de la temperatura aparente reflej ada para la temperatura del aire, lo que puede ser correcto ó no. El error introducido debe estar en el lado de la compensación de la atmósfera, donde afecta menos, y no en el lado de la compensación del reflejo, que es una cuestión muchísimo más importante. ITC N1 Manual de Curso - Rev. 1 . 1

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Nombres comunes de estos parámetros son: •

Distancia, e . g . D obj



Tem peratura del aire , e.g. Tair, Tatm



H u medad relativa , e . g . Rel H u m

Descubra como s e llaman e n s u cámara. Radiación reflej a da

Ahora que ya nos hemos ocupado del efecto de la atmósfera sobre los cálculos de nuestra temperatura, es el momento de tener en cuenta la componente reflejada. Debemos determinar qué se está reflej ando en nuestro obj etivo. ¿Una pared? ¿El cielo? ¿La pared de un horno? ¿El armario eléctrico a lo largo de la habitación en la que estamos?

em peratu r pa rente rv"CTIC, a d a

Figura 1 1 :9 La fuente de radiación reflejada es lo que llamamos temperatura aparente reflejada

Temperatura aparente reflej ada

A menudo la medida de este parámetro crea bastante confusión, en parte porque su nombre es algo ambiguo. En este documento utilizamos el término temperatura aparente reflejada, porque pensamos que describe bien lo que queremos decir. Muchas cámaras utilizan el nombre T -ambient, ó T amb . Esto es lo que ha provocado que mucha gente piense que es la temperatura del aire alrededor del objetivo, alrededor de la cámara, ó entre los dos. No es en absoluto.

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Utilizar el nombre T-entorno también produce confusión. ¿Qué entendemos por entorno? ¿Lo que está detrás del objetivo ó del operador? No importa mucho cómo le llamamos, si no más bien lo que entendemos que es. Seguidamente damos una definición que trata de explicar lo que entendemos bajo todos los nombres descritos. Temperatura aparente reflejada - definición La

temperatura

aparente

reflej ada

es

la

temperatura

aparente de los objetos que se reflej an en el cuerpo que se está caracterizando.

Parámetros de la cámara Un nombre lo bastante corto para adaptarse al menú de todos los instrumentos es Trefl. Este es el que utilizaremos aquí. Es también el que aparece en los menús de los últimos modelos de instrumentos de FLIR Systems. Muchas cámaras utilizan en sus menús Tamb . El mismo parámetro es utilizado a veces para la temperatura atmosférica ó temperatura del aire (como se ha comentado anteriormente), pero no permitamos que esto afecte a nuestra estimación de Trefl. La temperatura del aire tiene poco efecto sobre el resultado de la medida. Si la temperatura aparente reflej ada y la temperatura del aire son diferentes, esta última debería ser completamente ignorada. En su lugar introduzca el valor correcto de la temperatura aparente reflej ada.

Lo que es realmente la temperatura aparente reflejada La definición nos da tres importantes criterios:

1 . Es temperatura aparente; lo que sign ifica que estamos tratando una magn itud de radiación 2. Procede de los cuerpos de alrededor 3. La fuente de reflexión debe presentar un á ngulo adecuado de incidencia sobre el objetivo , para llegar a ser parte de la radiación saliente hacia la cámara El criterio número uno excluye la temperatura absoluta, por una buena razón. Si la fuente tiene una emisividad baja, significa que no "irradiará" a esa temperatura. Y la radiación que no es emitida por la fuente de reflexión nunca llegará a reflej arse en ningún cuerpo. El segundo criterio significa que aunque el aire es un "objeto" que contribuye con una pequeña parte a la temperatura aparente reflejada, dicha temperatura no está limitada al aire. Los cuerpos sólidos irradiarán mucho más y será esta radiación la que reflejará nuestro objetivo. El significado del tercer criterio es algo más dependiente de las características de reflexión del cuerpo objetivo. Si es casi especular, la fuente de reflexión se situará en un ángulo muy concreto con respecto al obj etivo. Podremos fácilmente

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determinar qué obj eto se está reflejando exactamente. Si por otra parte el cuerpo objetivo es difuso, recibirá reflejos de cualquier dirección, y los reflejará asimismo en todas direcciones. Reflexión especular vs. difusa

Figura 1 1 : 1 O La reflexión especular tiene el mismo ángulo de i ncidencia y de salida

-

Figura 1 1 : 1 1 La reflexión d ifusa se dispersa en todas direcciones

En la banda del infrarroj o, un objetivo con un carácter predominantemente reflexivo (alta reflectividad y baja emisividad) producirá más reflejos especulares que en la banda visible. Muchos objetivos que nos parecen difusos en el visible se comportan como auténticos espejos cuando los vemos a través de la cámara infrarroj a. Es importante recordarlo cuando tratemos de determinar la fuente del reflejo. La estimación de la temperatura aparente reflejada se enseñará más tarde a lo largo de este capítulo.

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Compensación de la reflexión Puesto que la parte reflejada de la radiación que llega a la cámara no tiene nada que ver con la temperatura del cuerpo objetivo, debemos calcular su valor y restarlo del total. Queremos dej ar únicamente la radiación que viene del objetivo por sí mismo, ni más ni menos. La cámara utilizará la reflectividad del objetivo, y la temperatura aparente reflejada para calcular la magnitud de la componente reflej ada. Escrita en forma de ecuación, queda como sigue. (No es necesario recordarla, se suministra sólo para aclarar conceptos.) Wrefl =

--.� ------. P

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