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Universidad Nacional de Mar del Plata.
Facultad de Ingeniería.
Departamento de Ingeniería Eléctrica - Electromecánica
Mediciones Eléctricas II
Práctica de Laboratorio
Tema: Termografía
Cátedra: Mediciones Eléctricas II Área Medidas Eléctricas – UNMDP
Profesor Adjunto: Ing. Guillermo Murcia
Jefe Trabajos Prácticos: Dr. Ing. Jorge L. Strack
Ayudante Graduado: Ing. Juan. F. Martínez
Ayudante Graduado: Ing. Hernán Antero
Ayudante Graduado: Ing. Fausto Gelso
Ayudante Alumno: Leonardo Ricciuto
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Termografía - 2 -
MEDICIÓN TERMOGRÁFICA
1. Objetivo del Trabajo Práctico
Realizar mediciones termográficas sobre diferentes equipos industriales e interpretar
las fotografías a fin de determinar los rangos de temperaturas medidos y extraer conclusiones.
2. Fundamento Teórico:
2.1 Definición de termografía:
La termografía es un método de medición pasivo, sin contacto, en el que se mide la
distribución de la temperatura en las superficies, con el uso de una cámara termográfica. La
cámara termográfica mide la radiación infrarroja de onda larga en el campo de visión y utiliza
los resultados para calcular la temperatura del objeto medido.
Estos resultados se plasman en una imagen virtual coloreada (imagen térmica). Así se
hace visible la distribución de la temperatura en la superficie del objeto. Cada píxel de una
imagen térmica representa un punto de temperatura en la superficie del objeto medido.
El procesamiento de la imagen virtual coloreada considera la emisividad de la superficie del
objeto medido y la temperatura reflejada. Ambas variables se pueden ajustar manualmente en
la cámara termográfica.
La termografía es una tecnología de medición de última generación por lo que
respecta a la producción de imágenes.
2.2. Breve historia de la cámara termográfica
Después de que Herschel descubriera la radiación infrarroja en el siglo XIX, los
primeros logros técnicos alrededor de 1920 posibilitaron la medición de dicha radiación. Pero
no fue hasta tiempo después cuando la radiación se convirtió de forma automática en
temperatura.
Durante la Segunda Guerra Mundial, las propiedades de la radiación infrarroja se
usaron principalmente para temas militares con la invención de los misiles guiados por
infrarrojos. Tras la guerra, el desarrollo avanzó rápidamente. La empresa Sueca AGA lanzó al
mercado la primera cámara termográfica para propósitos civiles y comerciales en 1960.
Las primeras cámaras eran pesadas, grandes y poco manejables. No fue hasta los 80s
cuando aparecieron las primeras cámaras termográficas cómodas y manejables. Muchos
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avances técnicos, un progreso importante en el campo de la tecnología informática y la
llegada de la era digital en la mitad de los 90s provocaron la rápida evolución de las cámaras.
La posibilidad de adquirir instrumentos de elevadas prestaciones a un precio cada vez más
barato permitió a la termografía acceder a un espectro muy amplio de aplicaciones civiles.
2.3. Componentes de una cámara termográfica
Objetivo: El objetivo de una cámara
termográfica es un sistema óptico que
incorpora varias lentes individuales. Estas
lentes definen el campo de visión en el que la
cámara puede detectar la radiación infrarroja.
La lente también cumple la misión de hacer
llegar la cantidad adecuada de radiación
infrarroja al detector (sensor).
Como ya se ha mencionado, el tipo de
objetivo determina el campo de visión de la
cámara termográfica. En termografía, se
distingue habitualmente entre objetivo angular
y teleobjetivo.
El objetivo angular (por ejemplo 32° x
23°), es particularmente adecuado para medir
objetos o superficies termográficamente
grandes, porque de un solo vistazo se obtiene
una imagen bastante amplia.
El teleobjetivo por el contrario, tiene
un campo de visión más acotado (por ejemplo
9° x 7°) y por tanto se centra en una sección
pequeña de la imagen. Los detalles se
identifican mucho mejor con un teleobjetivo.
Las imágenes térmicas se pueden tomar incluso
a grandes distancias.
Como ocurre con casi todas las
cámaras termográficas, las lentes están
fabricadas en germanio, uno de los pocos
materiales que es muy permeable a (capaz de
transmitir) la radiación infrarroja. No obstante,
este material es muy sensible y se ralla con
facilidad, por lo que las lentes se deben tratar
con sumo cuidado.
Sensor: La perfección gradual de los
sensores también ha contribuido a la actual
expansión mundial de la termografía.
La tarea del sensor en una cámara
termográfica consiste en convertir la radiación
térmica en señales eléctricas. Estas señales se
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envían a un procesador que crea una falsa imagen visible coloreada a partir de las mismas.
La tecnología de medición por infrarrojos usa un gran número de sensores con una
amplia gama de características, tanto por lo que respecta a su estructura como a la evaluación
electrónica de los datos.
Al día de hoy, el sensor más comun entre las cámaras termográficas es el FPA (focal
plane array - matriz de plano focal). Un FPA tiene una estructura compleja y a menudo
exprime la electrónica asociada al límite. Para expresarlo con sencillez, un FPA es un chip de
silicio con una fina capa adicional. Esta capa fina también se conoce como la matriz
microbolométrica y se subdivide en filas y columnas, algunas cámaras termográficas
disponen de 19,200 microceldas (160 x 120 píxeles).
Un FPA es una matriz detectora bidimensional y por tanto un sensor de área. Cada
una de las 19,200 microceldas representa un bolómetro independiente; un bolómetro tiene la
propiedad de generar una señal eléctrica mediante cambios de resistencia, según el nivel de
radiación infrarroja recogida.
Esta señal se envía a la electrónica, donde se crea una imagen virtual coloreada. Con
un FPA se pueden tomar varias termografías por segundo, lo que supone una tasa de refresco
de la imágen de 9 Hz aproximadamente (según el modelo).
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2.4. Resolución y exactitud
Resolución es la palabra usada para definir la habilidad del sensor de reproducir
ciertos detalles de imagen muy pequeños. La resolución se indica como el número total de
píxeles o el número de filas y columnas del FPA.
La exactitud indica la cercanía del resultado de la medición al valor verdadero del
parámetro. La exactitud, según el modelo, puede ser de ±2 °C o ±2 % de la lectura, lo que sea
mayor.
2.5. Marcas de medición y distancia: FOV, IFOV, IFOVmeas
Para obtener una lectura correcta y determinar la distancia de medición apropiada (z),
se deben tener en cuenta varios parámetros.
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El IFOVmeas (measured instantaneous field of view) es la designación del objeto más
pequeño cuya temperatura se puede medir de forma precisa con una cámara termográfica. Al
IFOVmeas también se le llama marca de medición.
Ejemplo de objeto de medición La cabeza de 1.3 mm de un alfiler se mide (círculo rojo = objeto
visible más pequeño) contra un muro, a una distancia de 1 m.
Caso real La cabeza del alfiler solo llena parte del píxel / bolómetro del
detector. Consecuentemente, la temperatura medida por el
bolómetro no corresponde ni con la temperatura del alfiler ni con la
de la pared.
El bolómetro solo hace un cálculo del promedio de los dos valores.
Caso ideal El objeto medido cubre caso por completo un píxel entero del
detector. La temperatura medida por el bolómetro está muy cercana
a la temperatura verdadera de la cabeza del alfiler.
Regla general: IFOVmeas = 3 x IFOV Sólo si un objeto es tres veces mayor que el tamaño del objeto
visible más pequeño un píxel del detector queda cubierto por
completo. En este píxel se detecta la temperatura verdadera del
objeto medido.
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El IFOV (instantaneous field of view), también conocido como IFOVgeo (resolución
geométrica), es la medida de la habilidad del detector de resolver detalles en conjunción con
el objetivo.
La resolución geométrica se representa en mrad y define el objeto más pequeño que se
puede representar en la imagen del visualizador, según la distancia de medición. En la
termografía, el tamaño de este objeto corresponde a un pixel.
El valor representado en mrad corresponde al tamaño del punto visible [mm] de un píxel a
una distancia de 1m.
El campo de visión (FOV: field of view) de la cámara termográfica describe el área
representada y localizada por el detector. La cantidad se expresa en ángulos,
independientemente de la distancia. El campo de visión depende del objetivo usado.
En la práctica, un ángulo amplio – o sea, usando un objetivo gran angular – es importante si
se quiere obtener un campo de visión amplio.
Por el contrario, un teleobjetivo dispone de un ángulo más estrecho y visualiza un área
mucho más reducida, por lo que el FOV es más pequeño.
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2.6. Rango de medición
El rango de medición de una cámara termográfica indica las temperaturas de los
objetos que puede llegar a medir. Fuera del rango establecido, normalmente no se puede
asegurar la exactitud de las lecturas. Por ejemplo un rango típico de medición puede ser de -
20ºC a +280ºC. Y para su óptima utilización, el rango de medición de las cámaras se
subdivide en rangos intermedios, como de -20 °C a +100 °C y de 0 °C a +280 ºC.
2.7. Escala
Las temperaturas medidas en una termografía se emparejan con los colores de la
escala. La función de auto escalado posibilita la adecuación automática de la escala a los
valores actuales.
El valor de temperatura medido más bajo y más alto se ajustan como los valores límite
de la escala, que se actualiza constantemente. De este modo, la imagen que se obtiene en
tiempo real está en constante modificación para mostrar siempre la imagen virtual coloreada
más óptima.
2.8. Representación virtual en colores / paletas
Una manera sencilla de convertir la radiación infrarroja detectada en una imagen
visual es representarla en varios miles de escalas de grises diferentes.
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No obstante, el ojo humano solo puede distinguir varios cientos de escalas de grises
frente al millón de colores que distingue. Por este motivo, las imágenes en escala de grises de
la cámara se convierten en imágenes en color mediante colores virtuales, lo que facilita al ojo
humano distinguir los detalles mucho más fácilmente.
La paleta de hierro es una de las paletas más habituales. Imita una lógica que todos
hemos aprendido de jóvenes. El hierro frio y sólido tiene un color oscuro. Incandescente, es
rojo. Cuando se funde, el hierro tiene un color de amarillo a blanco. Por tanto, podemos
establecer una regla general: a mayor temperatura, un color más claro. La paleta Hierro está
pensada para interpretarse exactamente igual.
2.9. Parámetros del objeto / superficie de medición
Cuando se realiza una termografía, básicamente siempre se debe medir en un punto
del que conozcamos su emisividad.
Prácticamente la totalidad de las sustancias orgánicas, pinturas, recubrimientos,
papeles, plásticos, minerales, etc. se pueden medir sin dificultades con una cámara
termográfica. La emisividad de todos estos materiales es más o menos del 0,95 y además no
depende de la temperatura.
Por el contrario, los metales con superficies pulidas y brillantes o con estructuras
cambiantes son más difíciles de medir. Normalmente, su emisividad es baja y se ve alterada
si la temperatura de los objetos medidos también cambia. Para poder medir correctamente, es
necesario aplicar algún tipo de recubrimiento, como pintura o cinta adhesiva de emisividad.
El color del material no influye notablemente en la radiación infrarroja emitida por el objeto
medido. Esta depende solo de la temperatura y no del color de la superficie del objeto.
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Consecuentemente, un radiador pintado de blanco emite exactamente la misma cantidad de
radiación infrarroja de onda larga que un radiador pintado de negro.
2.10. Aplicaciones en el campo de la ingeniería
Electrotermografía:
Comprobación de sistemas de extra bajo voltaje, p.ej. transformadores, relés,
terminales y alimentadores
Comprobación en sistemas de bajo voltaje, p.ej. resistencias, fusibles o motores
eléctricos
Comprobación en sistemas de alto voltaje, p.ej. cajas de cables, diferenciales,
convertidores o aisladores
Cuidados y mantenimiento de cuadros eléctricos
Identificación de componentes y conexiones defectuosas
Cuidados y mantenimiento de líneas y torres de alta tensión o subestaciones
Monitorización del calor generado en componentes eléctricos, fusibles o circuitos
impresos
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Termografía industrial:
Mantenimiento preventivo de plantas y máquinas mientras están en funcionamiento
Comprobación en motores, cojinetes, bombas y ejes
Monitorización de aislamientos técnicos, p.ej. en tuberías de vapor caliente o hornos
Comprobación de la temperatura en motores y rodamientos
Monitorización del nivel en tanques, depósitos, etc.
Comprobaciones en la producción del moldes por inyección de plástico
Monitorización de procesos, p.ej. en la industria siderúrgica
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2.11. Normativas acerca de especificaciones técnicas
Las normativas y directrices para la termografía se dividen en dos categorías:
Especificaciones técnicas de las cámaras termográficas:
o DIN EN 13187 – Normativa europea sobre el rendimiento térmico de los
edificios y la detección de irregularidades térmicas en los cerramientos
mediante métodos por infrarrojos
o DIN 54191 – Normativa alemana sobre la comprobación no destructiva de
instalaciones eléctricas mediante comprobaciones por termografía
o VdS Requisitos mínimos para cámaras termográficas – El VdS
Schadenverhütung GmbH establece estos requisitos mínimos que las cámaras
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termográficas deben cumplir para asegurar una investigación termográfica
efectiva en equipamiento eléctrico.
o CNPP Especificaciones Técnicas de las Cámaras por Infrarrojos – descripción
de los requisitos técnicos mínimos para cámaras termográficas por el French
Centre National de Prévention et de Protection (Centro Nacional Francés para
la Prevención y Protección)
Especificaciones para la formación y cualificación de los operarios que trabajan en el
campo de la termografía.
o DIN EN 473 – Normativa europea sobre comprobaciones no destructivas -
Cualificación y certificación de personal relacionado con la NDT (non
destructive testing - comprobacionesno destructivas)
o DIN 54162 – Normativa alemana sobre comprobaciones no destructivas -
Cualificación y certificación de personal relacionado con la comprobación
mediante termografía - Principios generales y específicos para los niveles 1, 2
y 3
o ASNT SNT-TC-1A – Normativa americana de la American Society for
Nondestructive Testing (Sociedad Americana para las Comprobaciones No
Destructivas), sobre las comprobaciones no destructivas, la cualificación y la
certificación de personal relacionado con la comprobación mediante
termografía.
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Medición Eléctrica de Magnitudes no Eléctricas - 14 -
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
TEMA:
MEDICIÓN TERMOGRÁFICA
Se realizarán mediciones termográficas a través de una pistola en diferentes
equipos industriales que operan en laboratorios de la facultad, teniendo en
cuenta las premisas expuestas en la introducción teórica.
Se descargarán las fotografías termográficas tomadas por la pistola y se
presentarán en el informe.
Se analizarán las mismas a fin de determinar los rangos de temperatura de cada
una de ellas y en función del mapa térmico se extraerán conclusiones.
Informe a cargo del alumno:
Cada comisión deberá presentar un informe que contenga la siguiente información
como mínimo:
1. Una breve introducción.
2. Detallar los instrumentos utilizados.
3. Presentar los gráficos correspondientes.
4. Anotar los pasos realizados y cualquier circunstancia no prevista en este
informe.
5. Elaborar conclusiones.
