Introducción a la Termografía Infrarroja
La temperatura y el comportamiento térmico de la maquinaria son factores críticos en el mantenimiento industrial. La medición de temperatura sin contacto, utilizando sensores infrarrojos, se ha convertido en una alternativa creciente frente a otros métodos convencionales. La Termografía o imágenes térmicas infrarrojas se utiliza como un método eficaz de ensayo no destructivo y forma parte importante del mantenimiento predictivo.
Teoría del Infrarrojo
Calor y Temperatura
Los términos de temperatura y calor, aunque relacionados, se refieren a conceptos diferentes:
- La temperatura: Es una propiedad de los cuerpos (actividad molecular).
- El calor: Es energía en tránsito, que fluye desde un cuerpo de mayor temperatura hacia otro de menor temperatura.
Transmisión de Calor
El flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas se llama transmisión de calor y se produce de tres formas:
Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Por ejemplo, al introducir una cuchara de metal en café caliente, se observará después de algunos minutos que la parte inferior en contacto con el café se calienta, al igual que la superior, aunque esta última no toque el líquido. La conducción del calor significa transmisión de energía entre sus moléculas.
Convección
La convección transfiere calor por medio del intercambio de moléculas frías y calientes. Es la forma en que se transmiten las diferencias de temperatura en los gases y líquidos. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir; el fluido más caliente (menos denso) asciende, mientras que el fluido más frío (más denso) desciende.
Radiación
Si aislamos completamente un cuerpo caliente de cualquier otro que pueda estar en contacto con él (es decir, hacemos vacío), podemos comprobar que la temperatura también disminuye con el tiempo y que el cuerpo pierde energía. El tipo de transmisión de energía registrado en estos casos es completamente distinto a los dos anteriores y se conoce con el nombre de radiación térmica o radiación infrarroja. Este tipo de radiación es emitida en forma de ondas por todos los cuerpos (sólidos, líquidos y gases) que no están en el cero absoluto (-273.15 °C).
Emisión Térmica de los Cuerpos Naturales
Temperatura Radiativa de un Cuerpo
Normalmente, se relaciona la medida de temperatura con un instrumento en contacto con un cuerpo determinado al que se le quiere medir la temperatura. En realidad, lo que se está haciendo es medir la temperatura cinética, que es una manifestación interna de la energía de traslación promedio de las moléculas del cuerpo. Sin embargo, los cuerpos irradian energía en función de su temperatura. Esta energía emitida es una manifestación externa del estado de energía de dicho cuerpo, que puede ser detectada mediante técnicas de teledetección y usada para determinar la temperatura radiativa del cuerpo.
Emisividad
La Emisividad es un factor que describe la eficiencia de irradiar energía de un objeto en comparación con un cuerpo negro a la misma temperatura. Por lo tanto, la emisividad es una medida de la eficiencia con la que un objeto o superficie emite radiación infrarroja.
No todos los cuerpos, al aumentar su temperatura, pueden irradiar energía de la misma forma; esta dependerá del tipo de material, de las condiciones superficiales que presente y de la temperatura.
La emisividad se define como la razón entre la potencia emisiva de una superficie cualquiera (q) y la potencia emisiva de un emisor perfecto o cuerpo negro (ql). En simples palabras, es la relación entre la radiación realmente emitida y la emisión teórica de un cuerpo negro a la misma temperatura.
Sus valores se encuentran entre 1 y 0, y es un factor importante en la medición de temperatura superficial del objeto observado. Por lo general, no se pueden esperar buenos valores en la medición de temperatura cuando la emisividad baja de un valor de 0.5.
Equipos de Medición de Temperatura por Radiación
En un principio, los pirómetros o cámaras termográficas leían la suma de las energías anteriormente descritas y asumían que ese total de energía medida era función de la temperatura real del objeto. Debido a lo anterior, la tecnología se fue desarrollando y preocupándose de mejorar una serie de dispositivos y elementos tendientes a aislar, tanto como sea posible, la energía emitida por un objeto de la energía reflejada y de la energía transmitida.
Cámaras Termográficas
La cámara infrarroja es un instrumento que no solo nos permite medir la temperatura sin necesidad de contacto, sino que también permite obtener un cuadro o escena en el rango infrarrojo del espectro electromagnético a través de una imagen térmica o termograma.
Las cámaras infrarrojas son clasificadas según el rango o respuesta espectral en que trabajan y el tipo de detector que utilizan.
Excepción Termográfica
Una excepción termográfica corresponde a un punto, zona o componente en los que se han detectado temperaturas por sobre o bajo las normales de funcionamiento, y por lo tanto representan una anormalidad.
Factores que Afectan la Medición Termográfica
Los siguientes factores pueden influir significativamente en la precisión de un análisis termográfico:
- Transparencia del objeto a medir
- La atmósfera
- El viento
- El sol
- Variación de la carga en circuitos eléctricos
Transparencia del Objeto a Medir
Cuando se habla de objetos transparentes, de inmediato se asocia al vidrio, pero también se deben considerar películas plásticas de polietileno o poliéster. En el caso de la termografía, si observamos un objeto en especial y ubicamos un vidrio o un acrílico entre el lente de la cámara infrarroja y el objeto, la energía irradiada proveniente del objetivo no podrá ser detectada por la cámara, debido a que el vidrio o el acrílico no permiten la transmisión del espectro infrarrojo (son opacos a la radiación infrarroja). Por el contrario, son excelentes transmisores en el espectro visible.
La Atmósfera
Es importante tener presente las características del medio de transmisión que se encuentra en la trayectoria de las ondas infrarrojas provenientes del cuerpo en cuestión y el elemento de medición. Para la mayoría de los gases, incluyendo la atmósfera, estos absorben poca energía y pueden ser ignorados. Sin embargo, a medida que la distancia aumenta y considerando la densidad del aire, humedad relativa y temperatura ambiente, la absorción puede ser un factor importante.
Uno de los principales factores de atenuación es la presencia de vapor de agua en el ambiente, especialmente cuando se usan termómetros de banda ancha. Esto se debe a que la porción a la que son sensibles estos equipos coincide con la banda donde el vapor de agua absorbe radiación. Otros factores que atenúan la radiación son el humo, polvo, condensación de vapores y/o absorción de radiación por algunos gases.
El Viento
No es nuevo para nosotros que, por medio de la circulación de aire, es posible disminuir la temperatura de componentes específicos como tableros eléctricos y mantenerlos dentro del rango de temperatura de funcionamiento. Por esta misma razón, el viento puede afectar nuestras mediciones termográficas y, en mediciones críticas, se torna un factor importante.
El Sol
Básicamente, los puntos expuestos directamente al sol pueden causar falsas anomalías y/o esconder puntos calientes en una superficie que muestra temperatura uniforme.
Variación de la Carga en Circuitos Eléctricos
El efecto de calentamiento cuando se presenta una falla en circuitos eléctricos se incrementa, en términos generales, con el aumento de la carga (corriente del circuito eléctrico).
La severidad de una excepción termográfica de un componente eléctrico viene dada por la diferencia de temperatura entre este y un componente similar expuesto a la misma carga.
Una variación de carga producirá una variación no lineal de la diferencia de temperatura, por lo tanto, inducirá a una evaluación equívoca de la severidad de la falla.
Ajustes Esenciales en la Termografía
El Enfoque
Una imagen fuera de foco no permite determinar de forma correcta la temperatura del objeto. Este ajuste resulta crítico cuando se trata de pequeños elementos.
Rango de Temperatura
Este rango resulta muy importante de tener en cuenta al momento de la inspección, porque de él resulta la obtención de un correcto termograma y su posterior análisis. Una buena elección del rango de temperatura nos permitirá observar lo que efectivamente tiene problemas.
Distancia
Cuando la distancia entre la cámara termográfica y el objeto a inspeccionar es muy grande, esto se traduce en una pérdida apreciable en la temperatura observada. Este efecto es mayor mientras menor sea el objeto en cuestión. En estos casos, resulta importante conocer el rango de Spot Size (Tamaño de Punto) del equipo y las características físicas del objeto.
Concepto y Funcionamiento de la Termografía Infrarroja
La Termografía Infrarroja es una técnica que permite, a distancia y sin ningún contacto, medir y visualizar temperaturas de superficie con precisión.
La Física permite convertir las mediciones de la radiación infrarroja en medición de temperatura. Esto se logra midiendo la radiación emitida en la porción infrarroja del espectro electromagnético desde la superficie del objeto, convirtiendo estas mediciones en señales eléctricas.
Los ojos humanos no son sensibles a la radiación infrarroja emitida por un objeto, pero las cámaras termográficas, o de termovisión, son capaces de medir la energía con sensores capacitados para «ver» en estas longitudes de onda. Esto nos permite determinar la energía radiante emitida por objetos y, por consiguiente, determinar la temperatura de la superficie a distancia, en tiempo real y sin contacto.
La radiación infrarroja es la señal de entrada que la cámara termográfica necesita para generar una imagen de un espectro de colores, en el que cada uno de los colores, según una escala determinada, significa una temperatura distinta, de manera que la temperatura medida más elevada aparece en color blanco.
La Termografía en el Mantenimiento Predictivo Industrial (PdM)
La gran mayoría de los problemas y averías en el entorno industrial (ya sean de tipo mecánico o eléctrico) están precedidos por cambios de temperatura que pueden ser detectados mediante el monitoreo con sistemas de Termovisión Infrarroja. La implementación de programas de inspecciones termográficas en instalaciones, maquinaria y equipos eléctricos hace posible minimizar el riesgo de una falla de equipos y sus consecuencias, a la vez que también ofrece una herramienta para el control de calidad de las reparaciones efectuadas.
El análisis mediante Termografía Infrarroja debe complementarse con otras técnicas y sistemas de ensayo conocidos, como pueden ser el análisis de aceites lubricantes, el análisis de vibraciones, ultrasonido y el análisis predictivo en motores eléctricos. Pueden añadirse los ensayos no destructivos clásicos: ensayos radiográficos, análisis de partículas magnéticas, líquidos penetrantes, etc.
Aplicaciones de la Termografía en Mantenimiento Predictivo
El uso de Cámaras Termográficas Infrarrojas está recomendado para:
- Instalaciones y líneas eléctricas de Alta y Baja Tensión.
- Tableros, conexiones, bornes, transformadores, fusibles y empalmes eléctricos.
- Motores eléctricos, generadores, bobinados, etc.
- Reductores, frenos, rodamientos, acoplamientos y embragues mecánicos.
- Hornos, calderas e intercambiadores de calor.
- Instalaciones de Frío industrial y climatización.
- Líneas de producción, corte, prensado, forja, laminado, sinterizado, tratamientos térmicos, etc.
Plantas Eléctricas y de Energía
Las fallas en plantas eléctricas pueden ser detectadas tempranamente por el aumento de las temperaturas. Con la ayuda de la termografía, estas áreas críticas pueden ser detectadas sin la interrupción del suministro de energía. No es necesario el contacto directo con el punto de medida, lo que permite realizar mediciones en partes excitadas de la planta en la mayoría de los casos.
El análisis con sistemas termográficos revela las malas conexiones y contactos, así como componentes sobrecalentados tempranamente. Las imágenes termales permiten al usuario clasificar el daño y elegir el mejor momento para ejecutar el mantenimiento.
Ventajas del Mantenimiento Predictivo por Termovisión
- Método de medición sin detención de procesos productivos, lo que ahorra gastos asociados a los tiempos muertos.
- Baja peligrosidad para el operario al evitar la necesidad de contacto con el equipo.
- Determinación exacta de puntos deficientes en una línea de proceso.
- Reduce el tiempo de reparación por la localización precisa de la falla.
- Facilita informes muy precisos al personal de mantenimiento.
- Ayuda al seguimiento de las reparaciones previas.
Otras Ventajas y Aplicaciones
- Permite detectar fugas de refrigerante o de vapor.
- Permite detectar, en losas de hormigón, columnas de acero o enfierraduras (armaduras).
- Detecta la tasa de transferencia de calor en materiales conductores y aislantes.
Justificación Económica de la Inspección Infrarroja
Durante una inspección se encuentran en promedio de 8 a 20 problemas, de los cuales un tercio son de severidad crítica, por lo cual deben tomarse acciones correctivas en un plazo no mayor a 30 días. Sobrepasado dicho plazo, la severidad de la falla (producto de las dilataciones térmicas excesivas o las pérdidas de eficiencia de los equipos) puede acarrear problemas mayores a otros componentes. Esto sin considerar el gasto extra en energía eléctrica.
Para este tipo de inspección, siempre hay que considerar los alcances económicos que conlleva, es decir, hay que hacer el análisis de contratar un experto con su correspondiente equipo, versus la compra de un equipo analizador infrarrojo que será de propiedad de la planta. Incluya también los costos asociados a las fallas súbitas producidas por problemas de aumento de temperatura en maquinaria que ocasionarán paradas no programadas, con la correspondiente baja en la productividad debida a los tiempos muertos.
Otro aspecto sensible de considerar es el problema asociado a las garantías de equipos nuevos. Las garantías, en la mayoría de los casos, no se consideran si la falla se produjo por mal uso del equipo o por un mantenimiento defectuoso.
Un caso similar ocurrirá en la eventualidad de un siniestro (incendio) en que las compañías de seguros pueden no hacer válidas las pólizas si el incendio comenzó por un recalentamiento en un equipo que debía contar con los resguardos y protecciones adecuadas.
Son estas algunas de las razones que hacen que el uso de la termografía sea una herramienta de gran utilidad dentro de las plantas industriales.