curso termografia

7/27/2019 Curso Termografia

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INDICE

1. INTRODUCCION 1-1

2. TEORIA INFRARROJA 2-1

2.1. Calor y Temperatura 2-1

2.2. Transmisin del calor 2-1

2.2.1. Conduccin 2-1

2.2.2. Conveccin 2-2

2.2.3. Radiacin 2-3

2.3. Espectro Infrarrojo 2-3

2.4. Energa Infrarroja 2-5

2.4.1. Cuerpo Negro. Ley de Stefan Boltzman 2-5

2.4.2. Ley de Wien 2-6

2.4.3. Cuerpo Real 2-8

2.5. Factores que afectan un anlisis termogrfico 2-8

2.5.1. Emisividad. 2-8

2.5.2. Vidrios Acrlicos y Espejos 2-10

2.5.3. La Atmsfera 2-10

2.5.4. El Viento 2-11

2.5.5. El Sol 2-12

2.5.6. Variacin de la carga en circuitos elctricos 2-12

2.5.7. Medicin directa e indirecta 2-13

2.5.8. Ajustes 2-14

2.6. Cmaras Infrarrojas 2-162.6.1. Respuesta Espectral 2-16

2.6.2. Detectores 2-17


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3. APLICACIONES 3-1

3.1. Areas Elctricas 3-1

3.2. Areas Mecnicas 3-1

3.3. Estructural 3-1

3.4. Imgenes Termogrficas 3-2

3.4.1. Excepcin Termogrfica 3-2

3.4.2. Definicin de prioridades 3-3

3.4.3. Imgenes Demostrativas 3-4

4. LA INSPECCION 4-1

5. INFORME TIPO 5-1

6. TABLA DE EMISIVIDADES 6-1

7. ACTIVIDADES DE EXPERIMENTACION 7-1

7.1. Concepto de energa emitida 7-1

7.2. Observaciones indirectas 7-3

7.3. Los efectos de distancia, ngulo y viento. 7-5


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INTRODUCCION.

Este curso corresponde a una introduccin a las tcnicas de inspeccin

termograficas, orientado al mantenimiento predictivo.

A nivel industrial, la competencia por obtener productos de mejor calidad y a

menor costo hacen necesario contar con herramientas o servicios que permitan

detectar la condicin en que se encuentran los componentes y equipos de

produccin. En la ejecucin de estas funciones, los equipos de termografa de alta

resolucin cobran actualmente gran importancia, ya que con ellos es posible dar

seguimiento al comportamiento y condicin de operacin de los equipos

industriales.

Los equipos de termografa transforman la radiacin infrarroja que emiten las

superficies de los cuerpos, en una imagen visual compuesta por diferentes

tonalidades de grises o colores, las que representan diferentes temperaturas.

Por tratarse de un mtodo que nos permite conocer la temperatura a partir de laradiacin infrarroja del cuerpo, la inspeccin no requiere de contacto fsico, lo que

permite aplicar esta tcnica a equipos en funcionamiento o sistemas elctricos

energizados, sin revertir riesgo para el usuario. Adems la hace una tcnica

verstil y rpida.

La determinacin de la temperatura presente en la superficie de un cuerpo,

mediante la observacin de la energa irradiada, es una forma indirecta de

medicin de la temperatura, y por lo tanto se encuentra afectada por la emisividad

de la superficie inspeccionada, humedad de la atmsfera, temperatura ambiente,

etc. Estos factores y su influencia en las indicaciones de temperatura son

considerados en este curso.

Para comenzar este curso es bueno revisar algunos conceptos bsicos

relacionados con la Termografia Infrarroja y aplicaciones.


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2.0 TEORIA INFRARROJA.

2.1. El Calory la Temperatura.

Los trminos temperatura y calor, aunque relacionados entre si, se refieren a

conceptos diferentes.

Hasta el siglo XVIII se pensava que el calor era un fluido invisible, al que se le dio

el nombre de Calrico. Este apareca al quemar una sustancia y se transmita de

una a otra.

El calor.En nuestros tiempos se sabe que el calor es una forma de energa que se

origina en el movimiento de roce o de colisin entre molculas de una

sustancia. El calor se expresa en Caloras y Kilocaloras.

De aqu se deduce que si un cuerpo se calienta, aumenta el roce y choque de

sus molculas: por lo tanto aumenta la energa cintica y la velocidad de ellas.

A la inversa, si logramos disminuir la energa cintica de las molculas,

disminuye el movimiento de ellas y por lo tanto el cuerpo se enfra.

La temperatura.

Temperatura es un concepto que va asociado al concepto de cantidad de calor,

sin embargo, no son sinnimos.

La temperatura de un cuerpo es la medida de su estado relativo de calor o fro.

Para medir temperatura se utilizan distintas escalas, en la que contamos la

Celsius (C), la escala Fahrenheit (F) y la escala Kelvin (K).

Donde: T C = 5/9 (T F - 32) .-

T F = (9/5) C + 32 .-

T K = T C + 273.16 .-


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2.2. TRANSMISION DEL CALOR.

El flujo de energa entre dos cuerpos a diferentes temperaturas se llama

Transmisin del Calor, y se produce de tres formas.

2.2.1. Conduccin.

En los slidos, la nica forma de transferencia de calor es la conduccin y tiene

lugar cuando se ponen en contacto dos cuerpos que estn a diferentes

temperaturas. La conduccin del calor significa transmisin de energa entre sus

molculas.

Por ejemplo, al introducir una cuchara de metal en caf caliente, se tendr pasado

algunos minutos, que la parte inferior en contacto con el caf se calienta como

tambin la superior, aunque esta ultima no toque el lquido,

Figura 2.1. Ejemplo de propagacin de calor por conduccin.

2.2.2. Conveccin.

La conveccin transfiere calor por medio del intercambio de molculas fras y

calientes. Es la forma en que se transmiten las diferencias de temperatura en los

gases y lquidos. Si se calienta un lquido o un gas, su densidad suele disminuir, el

fluido ms caliente (menos denso) asciende, mientras que el fluido ms fro (ms

denso) desciende.


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Figura 2.2. Ejemplo de propagacin de calor por conveccin.

2.2.3. Radiacin.

Si aislamos completamente un cuerpo caliente de cualquier otro que pueda estar

en contacto con l (es decir, hacemos el vaco) podemos comprobar que la

temperatura tambin disminuye con el tiempo y que el cuerpo pierde energa. El

tipo de transmisin de energa registrado en estos casos es completamente

distinto al de los dos anteriores y se conoce con el nombre de radiacin trmica o

radiacin infrarroja. Este tipo de radiacin es emitida en forma de ondas portodos los cuerpos (Slidos, lquidos y gases) que no estn al cero absoluto

(-273.145 C).

Figura 2.3. Ejemplo de propagacin de calor por radiacin.


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2.3. ESPECTRO ELECTROMAGNETICO.

El espectro electromagntico es algo ms familiar de lo que nosotros podramos

pensar. Por ejemplo la luz que nuestros ojos ven es en realidad parte de este

espectro.

El espectro electromagntico se divide de forma arbitraria en un determinado

nmero de regiones de longitud de onda, llamadas bandas, que se distinguen por

los mtodos que utilizan para producir y detectar la radiacin (Figura 2.4.).

No hay una diferencia fundamental entre la radiacin en las diferentes bandas del

espectro electromagntico. Todas estn gobernadas por las mismas leyes y lasnicas diferencias son las derivadas de las diferentes longitudes de onda.

Figura 2.4. Espectro Electromagntico.

La termografa utiliza la banda espectral de infrarrojos (Infrared). En el extremo de

las longitudes de ondas cortas la frontera la establece el lmite de la percepcin

visual, en el rojo profundo. En el extremo de las longitudes de ondas largas se

junta con las longitudes de onda de radio denominadas "Microondas".

El espectro visible se ubica entre los 0.38 micrones y los 0.78 micrones

aproximadamente.


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En el espectro electromagntico ilustrado en la figura 2.5, se observa que la

radiacin infrarroja o espectro de calor est comprendida entre los 0.78

micrmetros y 100 micrmetros aproximadamente.

Figura 2.5. Espectro Infrarrojo.

La banda de los infrarrojos se subdivide a menudo en cuatro bandas ms

pequeas, cuyas fronteras son:

Infrarrojo cercano: 0.75 - 3 m.

Infrarrojo medio: 3 - 6 m.

Infrarrojo lejano: 6 - 15 m.

Infrarrojo extremo: 15 - 100 m.

Aunque las longitudes de onda se expresan en m (micrmetros), a menudo se

utilizan otras unidades para medir la longitud de onda en esta regin espectral, por

ejemplo las micras (), los nanmetros (nm) y los Angstroms (A).

10000 A = 1000 nm = 1 = 1 m.


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2.4. ENERGIA INFRARROJA.

Slo energa irradiada es detectada por dispositivos termogrficos Infrarrojos. Laenerga irradiada desde un objeto puede ser el resultado de su propia temperatura

(E), energa infrarroja reflejada (R) o energa infrarroja que puede estar siendo

transmitida (T) a travs del objeto.

ENERGIA DETECTADA = E + R + T

Para la mayora de los slidos la transmitancia es cero, cuerpos opacos, por lo

que la energa detectada se puede definir como:

ENERGIA DETECTADA = E + R

Figura 2.6. Componentes de la energa irradiada.

2.4.1. CUERPO NEGRO. LEY DE STEFAN BOLTZMAN.

Un cuerpo negro se define como un objeto que absorbe toda la radiacin que

incide sobre l a cualquier longitud de onda.

En presencia de un cuerpo negro, la energa detectada por el dispositivo

termogrfico infrarrojo sera igual a la emitida por el cuerpo.

ENERGIA DETECTADA = E


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Esto ultimo representa en simples palabras la ley de Stefan Boltzman, la cual

indica que la cantidad de energa emitida por un cuerpo, esta en funcin de la

emisividad (), la temperatura en grados Kelvin y la constante de Stephan -

Boltzman. ( 4212

1067051.5Kcm

Wx

= )

Cuerpo Real:4

TE =

Cuerpo Negro:4

TE = (En un cuerpo negro la emisividad es uno)

2.4.2. LEY DE WIEN.

La ley del desplazamiento de Wien, afirma que la intensidad mxima de la

radiacin trmica emitida por un cuerpo negro ideal, se desplaza con el aumento

de la temperatura hacia la regin de longitudes de onda ms corta.

La ley de Wien dice:

El producto de la temperatura absoluta de un cuerpo negro por la longitud de

onda para la cual la radiacin emitida es mxima, es igual a una constante.

( )KmxTmax

= 310898.2

Por ejemplo, a una temperatura de 200K un cuerpo emite luz visible pero la

intensidad en el extremo rojo (baja frecuencia, alta longitud de onda) del espectro

visible es mucho mayor que la azul (alta frecuencia, baja longitud de onda) y el

cuerpo aparece rojo brillante. A 3000 K, la temperatura aproximada de un

filamento de una lmpara incandescente, la cantidad relativa de luz azul ha

aumentado, pero predomina an la componente roja. A 6500K, que es

aproximadamente la temperatura del Sol, la distribucin es casi uniforme entre

todas las componentes de la luz visible y el cuerpo aparece blanco brillante. Por

encima de 10000K se emite luz azul con mayor intensidad que roja y un cuerpo

(estrella caliente) a esta temperatura se ve azul.


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Figura 2.7. Curvas de un cuerpo negro a varias temperaturas.

En consecuencia, el Sol, con una temperatura superficial de, aproximadamente

6500 K, tiene un mximo a una longitud de onda de 0.5 micras(m), la cual se

encuentra aproximadamente en el centro del espectro visible. Por otra parte la

Tierra, con una temperatura superficial de unos 300 K, tiene un mximo cerca de

los 10 a 12 m en la regin del IR.


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2.4.3. CUERPO REAL.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro perfecto.

A los cuerpos reales, tres procesos les impide comportarse como un cuerpo negro

ideal. Estos son:

Una fraccin de la radiacin incidente puede ser absorbida.

Una fraccin de la radiacin incidente puede ser reflejada.

Una fraccin de la radiacin incidente puede ser transmitida.

2.5. FACTORES QUE AFECTAN UN ANALISIS TERMOGRAFICO.

2.5.1. EMISIVIDAD.

Analicemos el siguiente ejemplo:

2.8. Ejemplo del efecto de la Emisividad.

Esta lata de cerveza acaba de ser retirada del refrigerador, como es de suponer al

ser inspeccionada con una cmara termogrfica esta debe mostrar en toda su

superficie una misma temperatura y observarse mas fra respecto al ambiente.

Como poder explicar este punto caliente en la superficie de la lata?


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En la foto visual se puede observar que parte de la pintura en la superficie de la

lata ha sido quitada. El aluminio al desnudo tiene una emisividad diferente

comparado con el aluminio pintado. La cmara termogrfica solo permite un valor

de emisividad a la vez por lo que la zona sin pintura aparece estar mas caliente

que el resto de la lata.

Ejemplos como este muestran como el parmetro de emisividad puede causar

falsas lecturas durante una inspeccin termogrfica en terreno.

De lo anterior podemos concluir que, no todos los cuerpos cuando aumentan obajan su temperatura pueden irradiar energa de la misma forma, esta depender

del tipo de material, de las condiciones superficiales que presente y de la

temperatura.

La emisividad es una medida de la eficiencia con la que un objeto o

superficie emite radiacin infrarroja.

La emisividad se define como la razn entre la potencia emisiva de una superficiecualquiera (q) y la potencia emisiva de un emisor perfecto o cuerpo negro (q), en

simples palabras la relacin entre la radiacin realmente emitida y la emisin

terica de un cuerpo negro a la misma temperatura. Por ejemplo, si un objeto tiene

el potencial de emitir 100 unidades de energa, pero solo emite 90 unidades en un

medio real, este objeto tendr una emisividad de 0.90.

Emisividad: = q / q

Sus valores se encuentran entre 1 y 0, y es un factor importante en la medicin de

temperatura superficial del objeto observado.

Por lo general no se pueden esperar buenos valores en la medicin de

temperatura cuando la emisividad baja de un valor de 0.5.


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Dentro de las aplicaciones de la termografa en la industria y fuera de ellas, es

muy posible que se necesite inspeccionar cuerpos cuya emisividad es

desconocida para el termografista. Sin embargo es posible conocerla por medio de

un simple procedimiento:

Cuando las condiciones elctricas y mecnicas lo permitan, se toma un trozo de

huincha plstica adhesivo negra y se coloca sobre el objeto a ser medido. Usando

la cmara infrarroja y configurando la emisividad en 0.98, se mide la temperatura

sobre la huincha. Posteriormente en un lugar del objeto sin huincha se mide la

temperatura y se ajusta la emisividad hasta que la lectura coincida con la

temperatura anterior.

La tabla mostrada a continuacin ilustra en forma aproximada algunos valores de

emisividad de materiales normalmente utilizados.

Tabla 2.1. Valores de emisividad.


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Relacionarse con el parmetro de emisividad no es tan difcil como parece. Es

importante indicar y recordar que medidas exactas de temperatura son difciles de

obtener por medio de cmaras termograficas o termometros lser, esto ultimo

debido a que resulta muy difcil medir la emisividad de cada objeto dentro del

campo de visin de la cmara termografica. En muchas aplicaciones e

inspecciones resulta mucho ms importante obtener la diferencia de temperatura

(Delta T) entre dos dispositivos, lo cual me puede indicar la existencia de

problemas.

Sin embargo en inspecciones en que el mas mnimo cambio de temperatura

puede significar un problema, el valor de emisividad resulta critico y es de gran

importancia poder determinar un valor lo mas exacto posible.

2.5.2. VIDRIOS, ACRILICOS Y ESPEJOS.

Si observamos un objeto en especial y ubicamos un vidrio entre el lente de la

cmara infrarroja y el objeto, la energa irradiada proveniente del objeto no podr

ser detectada por la cmara, debido a que el vidrio no permite la transmisin del

espectro infrarrojo (Es opaco a la radiacin infrarroja). Por el contrario el vidrio es

un excelente transmisor en el espectro visible. Anlogo es el caso de los acrlicos.

Los espejos de primera superficie o elementos de baja emisividad, son excelentes

reflectores de las radiaciones infrarrojas, por lo que es posible reflejar en ellos

sitios u objetos de difcil acceso, teniendo como resultado una nula o muy poca

distorsin.


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Figura 2.9. Transmisin del espectro infrarrojo en el vidrio.

2.5.3. LA ATMOSFERA.

Es importante tener presente las caractersticas del medio de transmisin que se

encuentra en la trayectoria de las ondas infrarrojas provenientes del cuerpo encuestin y el elemento de medicin, en nuestro caso particular la cmara

infrarroja. Para la mayora de los gases, incluyendo la atmsfera, estos absorben

poca energa y pueden ser ignorados, sin embargo a medida que la distancia

aumenta y considerando la densidad del aire, humedad relativa y temperatura

ambiente, laAbsorcin puede ser un factor importante.

La figura 2.9, ilustra las caractersticas de transmisin de la Atmsfera. Se

observan dos intervalos bien definidos de alta transmisin, conocidas como

Ventanas Atmosfricas ubicadas entre los 3 a 5 micrones (onda corta) y entre los

8 a 12 micrones (onda larga).


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Figura 2.10. Transmisin del espectro infrarrojo en la Atmsfera.

2.5.4. EL VIENTO.

No es nuevo para nosotros que por medio de circulacin de aire es posible

disminuir la temperatura de componentes especficos como tableros elctricos y

mantenerlos dentro del rango de temperatura de funcionamiento. Por esta misma

razn el viento puede afectar nuestras mediciones termogrficas y en mediciones

crticas se torna un factor importante.

La figura 2.10, muestra como la temperatura se ve afectada por el viento conforme

la velocidad de ste aumenta.


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Figura 2.11. Temperatura vs. Viento.

2.5.5. EL SOL.

Bsicamente los puntos expuestos directamente al sol, pueden acusar falsas

anomalas y/o esconder puntos calientes en una superficie que muestratemperatura uniforme.

2.5.6. VARIACION DE LA CARGA EN CIRCUITOS ELECTRICOS.

El efecto del calentamiento cuando se presenta una falla en circuitos elctricos, se

incrementa en trminos generales con el incremento de la carga (Corriente del

circuito elctrico).

La severidad de una excepcin termogrfica de un componente elctrico viene

dada por la diferencia de temperatura entre este y una misma componente

expuesta a la misma carga.


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Una variacin de carga producir una variacin no lineal de la diferencia de

temperatura (T) y por lo tanto inducir a una evaluacin equivoca de la severidad

de la falla.

Por ejemplo, se encontr una conexin con 10C en su T de sobre temperatura

cuando el circuito se encontraba con una carga del 30%, al incrementarse la carga

a un 100%, la temperatura del componente aumentara de la siguiente forma:

veces33.330

1002

=

Por tanto la temperatura sera:

( ) CC = 3.331033.3

La siguiente tabla muestra como cambia la criticidad de la excepcin cuando de un

30% de carga se pasa a un 100%:

Tabla 2.2.

% de Carga T (C) Criticidad

30 % 10 C Rutina

100 % 33.3 C Emergencia

2.5.7. MEDICIN DIRECTA E INDIRECTA.

Bsicamente se habla de medicin directa, cuando la inspeccin se desarrolla en

equipos que pueden ser observados directamente, por el contrario una medicin

indirecta resulta cuando existe una aislacin trmica entre la cmara y el objeto.

Generalmente la deteccin de sobre temperaturas en estructuras aisladas estn

asociadas a problemas crticos. (Ver experimento N 2)


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2.5.8. AJUSTES.

El enfoque. Una imagen fuera de foco no permite determinar de forma

correcta la temperatura del objeto. Este ajuste resulta critico cuando se trata de

pequeos elementos.

a) Imagen Fuera de foco. b) Enfoque correcto.

Imagen 2.12. Chip en placa madre.

Rango de temperatura. Este rango resulta muy importante de tener encuenta al momento de la inspeccin, por que de el resulta la obtencin de

un correcto termograma y su posterior anlisis. Una buena eleccin del

rango de temperatura nos permitir observar lo que efectivamente tiene

problemas.

Figura 2.13. Mala eleccin de rango de temperaturas para imagen 2.11.

75,2

>86,1C

113,0C

47,3C


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Distancia. Cuando la distancia entre la cmara termogrfica y el objeto a

inspeccionar es muy grande, esto se traduce en una perdida apreciable en

la temperatura observada, este efecto es mayor mientras menor sea el

objeto en cuestin. En estos casos resulta importante conocer el rango de

Spot Size del equipo y las caractersticas fsicas del objeto.

Tres formas de solucionar este problema son:

1. Usar un lente apropiado.

2. Acercarse al objeto, si las condiciones de seguridad lo permiten.

3. El uso de ambas.

a) Uso de lente de 16 FOV b) Uso de Lente de 8 FOV

Imagen 2.14. Efecto del uso de diferentes lentes a una distancia de 10 mt.

Max

38,2

Max

38,2

>40,7C

41,9C


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2.6. CAMARAS INFRARROJAS.

La cmara infrarroja es un instrumento que no solo nos permite sensar latemperatura sin necesidad de contacto, sino que tambin permite obtener un

cuadro o escena en el rango infrarrojo del espectro electromagntico a travs de

una imagen trmica o termograma. Cmo se logra esto?

La radiacin infrarroja emitida por el objeto inspeccionado, es captada por el

detector de la cmara termogrfica.

Figura 2.15. Generacin de una Imagn Termogrfica.

Este detector, para el caso de las cmaras termogrficas no enfriadas esta

compuesto por un gran numero de sensores microbolmetros, dispuestos

generalmente en una arreglo de 320 (H) y 240 (H), esto ultimo da la resolucin de

cada termograma.


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La energa infrarroja que incide en cada uno de estos sensores, los hace cambiar

de temperatura y generar una seal elctrica representativa a esa temperatura

que luego por medio del software de la cmara, dependiendo tambin del rango

de temperatura seleccionado y escala de colores elegida, se representa por medio

de un termograma a colores, en el cual a cada pixel corresponde un valor de

temperatura.

Las cmaras infrarrojas son clasificadas segn el rango o respuesta espectral en

que trabajan y el tipo de detector que utilizan.

2.6.1 RESPUESTA ESPECTRAL.

La radiacin infrarroja transmitida en la atmsfera obtiene sus mximos

porcentajes de transmisin desde 2,0 a 14,0, en intervalos bien definidos, estas

ventanas atmosfricas (Seccin 2.5.3.) son la base para la construccin de

detectores infrarrojos. Las cmaras infrarrojas comerciales se extienden en este

rango, porque la atmsfera en estas longitudes de onda permite la transmisin de

radiacin infrarroja con poca atenuacin.

Los rangos de longitudes de onda en que trabajan los detectores de las cmaras

infrarrojas, se conocen como Respuesta Espectral de Cmara .

Las cmaras infrarrojas son clasificadas en tres categoras bsicas de respuesta

espectral, que son:

ONDA CORTA 2,0 a 5,6

ONDA LARGA 8,0 a 14,0

BANDA ANCHA 2,0 a 14,0


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2.6.2. DETECTORES

En aplicaciones de Mantenimiento Predictivo se usan comnmente dos tipos de

cmaras termogrficas

Con un solo detector: Se construyen a partir de materiales semiconductores

fotovoltaicos o fotoconductivos, los cuales deben ser enfriados para obtener la

respuesta espectral necesitada y proveer una buena resolucin. El detector

responde a un cambio en la temperatura sensada, por lo que se hace necesario

realizar un barrido a travs del cuerpo a medir, de esta manera es posible obtener

un termograma de la superficie sensada. Este barrido ha sido simulado en

algunas cmaras, por un sistema de corte mecnico entre el detector y el cuerpo a

medir.

Conjunto Focal plano (FPA):

Corresponde a un conjunto de Sensores dispuestos en forma vertical y

horizontal: por ejemplo 512 x 512, esto significa que hay 262144 sensores

individuales en el conjunto. Existen algunas cmaras de este tipo que llegan a

tener sobre 2000 por 2000 detectores, lo que genera sobre 4000000 de bits de

informacin. Estas cmaras de gran resolucin producen imgenes de excelente

calidad.

Las Cmaras FPA se clasifican en sistemas enfriados y no enfriados.

Conjunto Focal Plano con Enfriamiento: Dependiendo del nmero de Sensores

(InSb Cryogenically - cooled detector), se obtienen excelentes resoluciones,

debido a que el enfriamiento elimina el ruido generado por la actividad molecular

(movimiento de electrones) de los mismos sensores y su entorno a temperaturas

sobre el cero absoluto. Finalmente estos sistemas logran mejor resolucin,

rapidez y gran calidad en las imgenes reproducidas.


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El enfriamiento puede venir de las siguientes fuentes:

1. Compresor de gas (comnmente Argn o Nitrgeno),

2. Nitrgeno lquido

3. Una ciclo cerrado de enfriamiento

4. El enfriamiento termoelctrico.

Los balances comparativos se han experimentado con cada mtodo. Cada uno de

estos ha marchado bien y con durabilidad a travs de los aos.

Las desventajas de las cmaras termogrficas con enfriamiento es que presentan

un alto consumo de energa, un largo tiempo para entrar en funcionamiento (10

minutos) y un corto MTBF (Mean Time Between Failure) alrededor de miles de

horas.

Conjunto Focal Plano sin Enfriamiento: La resolucin de estos sistemas queda

determinada nicamente por la cantidad de Sensores Microbolmetros que

componen el conjunto (Uncooled Microbolometer detector). Adems, la

construccin de estas cmaras queda limitada a la categora de onda larga (8 - 14

), esta banda espectral provee una mejor penetracin a travs del humo, smog,

polvo, vapor de agua, etc.

Estas cmaras tienen como ventaja que comienzan a trabajar inmediatamente son

encendidas (30 segundos), bajo consumo, menos costosas comparadas con las

que poseen enfriamiento y un largo MTBF.


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3.0 APLICACIONES.

La termografa es un mtodo no destructivo de evaluacin y control muy flexible en

el sentido de que sus aplicaciones pueden ser muy diversas.

Las principales reas de aplicacin de la termografa infrarroja aplicada al

mantenimiento predictivo industrial se encuentran en:

3.1. AREAS ELCTRICAS.

1. Lneas de Transmisin y Distribucin de alta y media tensin.

2. Sub. Estaciones y Playas de Distribucin de alta y media tensin.

3. Barras Colectoras.4. Estaciones de Generacin.

5. Cubculos de Control.

6. Transformadores.

7. Redes de distribucin elctrica de baja tensin.

8. Otros.

3.2. AREAS MECNICAS.

1. Acoples y rodamientos.

2. Alineamiento de mquinas rotatorias.

3. Correas transportadoras y transmisoras.

4. Lneas y colector de vapor.

5. Vlvulas.

6. Aislamiento de tuberas.

7. Refractarios.

8. Intercambiadores de calor.

9. Hornos.

10. Otros.

3.3. ESTRUCTURAL.

1. Techumbres.

2. Aislamientos en hornos.

3. Aislamientos en edificios y casas.

4. Tanques de almacenamiento.

5. Otros.


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3.4. IMGENES TERMOGRAFICAS.

Como se ha visto, la termografa infrarroja es un proceso de inspeccin o

monitoreo que utiliza el principio de la energa infrarroja irradiada para la

adquisicin de informacin sobre la temperatura del objeto en cuestin y generar

un termograma o imagen termogrfica, la cual muestra el mapa de temperaturas

del objeto.

Resulta importante entonces, a la hora de realizar una inspeccin termogrfica

poder interpretar adecuadamente lo captado por la cmara infrarroja y poder

determinar con seguridad la presencia de problemas relacionados con la

existencia de sobre temperaturas.

3.4.1. EXCEPCION TERMOGRAFICA.

Una excepcin termogrfica es una diferencia de temperatura entre el punto con

problemas y una referencia o temperatura normal de operacin del equipo. El valor

de esta diferencia (T), determina la criticidad de la excepcin.

CRITICIDAD

Delta Temperatura (T).Componentes elctricos descubiertos.

Equipo Baja Tensin Equipo Alta Tensin

Rutina : menos de 15.0 C Rutina : menos de 20.0 C

Intermedia : de 15.1 C a 23.0 C Intermedia : de 20.1 C a 30.0 C

Seria : de 23.1 C a 30.0 C Seria : de 30.1 C a 40.0 C

Emergencia : ms de 30.1 C Emergencia : ms de 40.1 C


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3.4.2. DEFINICIN DE LAS PRIORIDADES.

RUTINA : Poca probabilidad de falla inmediata, reparar en la prximaparada de planta.

INTERMEDIA : Reparar dentro de 2 a 4 semanas, inspeccionar fsicamente,observar cambios de cargas, cambiar componentes falladosde ser necesario.

SERIA : Reparar dentro de 1 a 2 das, reemplazar componentefallado, inspeccionar los componentes vecinos, analizar las

causa de la falla.

EMERGENCIA : Reparar inmediatamente, reemplazar componente fallado,inspeccionar todos los componentes relacionados, analizarfalla.

Importante es sealar que dependiendo de la aplicacin estos grados de criticidadpueden cambiar.


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3.4.3. IMGENES DEMOSTRATIVAS.

Imagen 1: Prensa salida fase S de Trmico con temperatura.

215 67.4

>150,0C

49,7C

*63,4C


30/57

Imagen 4: Problemas en planta EW.

Imagen 4.

Imagen 5: Correa de transmisin con sobre temperatura..

Imagen 5.

Imagen 6: Rodamiento del motor con temperatura.

Imagen 6.

108,0 75,653,5

Zapato del Operador

*>109,0C

*122,0C


31/57

Imagen 7: Fuga de calor en manto de Precipitador.

Imagen 7.

Imagen 8: Problemas en refractario Torre Condenadora.

Imagen 8.

Imagen 9: Embancamiento en ducto de Extraccin de gas.

Imagen 9

Max

84,4

Max

84,4

Max

78,6

Max

78,6

>86,2C

93,0C

153,5C

*


32/57

Imagen 10: Bushings con problemas.

Imagen 10.

Imagen 11: Problemas en desconectador de Alta Tensin.

Imagen 11.

116,2

25,7

111,6

>122,0C

43.7

>43.7C

47.9C

*


33/57

4.0 LA INSPECCION.

La mayora de las Inspecciones Termogrficas se llevan a cabo en instalaciones

elctricas, mecnicas y estructuras.

4.1. Sistemas y Equipos Elctricos.

La Mantencin predictiva de sistemas y equipos elctricos, representan la

principal aplicacin de la tcnica. En las instalaciones elctricas, la deteccin de

un componente defectuoso se basa principalmente en la elevacin anormal de su

temperatura. En los inicios del problema se manifiesta con una pequea alza detemperatura la cual con el paso del tiempo o con un incremento de la carga

circulante, alcanza niveles de temperatura que pueden producir un acelerado

deterioro del componente. La gran mayora de las fallas en sistemas elctricos se

presentan debido a:

Incremento de la resistencia elctrica, producto de malas conexiones,

suciedad, corrosin, soltura, adelgazamiento del conductor. (I2R Loss)

Bajo condiciones de operacin estndar, cada componente tendr una cierta

resistividad asociada. Cuando este valor de resistividad cambia por alguno de

los motivos ya mencionados, el componente comienza a calentarse. Es cuando

debe ser identificado y reparado.

Sobrecargas.

A medida que la carga aumenta en un circuito elctrico, la potencia de salida

se incrementa al cuadrado de la carga, y la temperatura de la totalidad del

circuito y sus componentes se incrementa. Por ejemplo una carga uniforme en

un sistema trifsico, resulta en una temperatura uniforme para cada fase. Una

anomala es identificada cuando la totalidad del componente y la temperatura

del conductor es muy alta, indicando esto un problema de sobrecarga. Una

condicin de desbalance tambin puede ser un problema y se identifica cuando

los conductores no muestran una temperatura equitativa.

Cortocircuitos.


34/57

Cuando ocurre un corto circuito en las lneas de alta tensin, por lo general

generan resultados desastrosos. Sin embargo, en circuitos de baja tensin

estos pueden ser detectados, por lo general la seccin en corte causar un

excesivo flujo de corriente, con la resultante de un sobre calentamiento.

Es posible encontrar tambin temperaturas inferiores a las normales de

operacin, con esto es posible determinar circuitos abiertos o componentes sin

operar como condensadores fuera de servicio.

Armnicas.

Las armnicas son corrientes o voltajes, mltiplos de la frecuencia bsica de

servicio (50 Hz 60 Hz) entregada por el servicio de energa elctrica.

Posiblemente los armnicos mas perjudiciales son los Armnicos impares.

Estos armnicos sumados a la frecuencia bsica, pueden causar severos

niveles de sobre voltaje, sobre corrientes y sobre temperaturas.

En este caso el enemigo es el incremento de la temperatura producido por

estos armnicos.

Durante una inspeccin termogrfica, tambin es posible encontrar problemas

en Celdas de Electro Obtencin. En estas se producen corto circuitos por

contacto entre nodo y ctodo por mala distribucin del material en la

superficie de la placa. La corriente elctrica que circula en este tipo de falla,

produce un sobre calentamiento en las placas.

Condiciones para la Inspeccin.

La carga debe ser normal, o al menos en un 40%.

El viento y corrientes de aire deben ser mnimos.

Poner especial atencin al inspeccionar conexiones donde estn presente

objetos brillantes (Baja Emisividad).

Tomar en cuenta el efecto de la temperatura ambiente.

En inspecciones a sistemas a la intemperie (Alta Tensin), se recomienda

realizarlas cuando la luz solar no incida directamente en los componentes.

4.2. Sistemas y Equipos Mecnicos.


35/57

La identificacin de problemas debido a friccin (Falta de lubricacin en

rodamientos, acoplamientos y ejes desalineados), degradacin, perdida dematerial o bloqueos, entre elementos mecnicos es la causa ms comn a

detectar mediante termografa infrarroja en aplicaciones mecnicas, esto

principalmente debido a que la tcnica permite el monitoreo cuando el equipo se

encuentra en funcionamiento y bajo plena carga. La mayora de los problemas se

producen en mquinas rotatorias (Bombas, Motores, Rodamientos, Poleas,

Ventiladores, Ejes, Correas transportadoras, etc.)

En aplicaciones mecnicas, la termografa resulta ser mas til para localizar

Areas de Problemas mas que un punto especifico. El calentamiento es

generalmente causado por un componente que no es visible directamente por la

cmara. El calor se conduce por el material y es esto ultimo lo que la cmara

sensa. Otros equipos como analizadores de vibracin, analizadores de aceite,

Ultrasonido, pueden ser utilizados mas tarde para un anlisis mas profundo.

Motores y Generadores.

Los motores elctricos son equipos muy utilizados dentro de procesos en los

que se necesite transformar energa elctrica en mecnica. En un programa de

mantencin predictiva, un registro de las temperaturas de operacin de motores

y generadores son una informacin valiosa. Todos los motores tienen una

temperatura mxima de operacin (Generalmente entregada por el fabricante).

Condiciones como un inadecuado flujo de aire (Ventilacin), desbalance del

voltaje de alimentacin, problemas en rodamientos, falla en la aislacin interna,

problemas en el rotor o estator, pueden incrementar esta temperatura de

funcionamiento.

La tabla 4.1, muestra las temperaturas mximas de funcionamiento para motores,

de acuerdo a la especificacin VDE 0530.

Tabla 4.1.


36/57

Clase Temperatura Interna C Temperatura Externa C

A 105 85

B 130 110

F 155 135

H 180 160

La temperatura mxima de operacin de los motores elctricos est determinada

por el tipo de material aislante con que fue construido, el cual se degrada

rpidamente cuando es sometido a temperaturas elevadas. As por cada 10C de

aumento sobre la temperatura mxima nominal, la vida del motor se ve reducida

en un 50%.

Correas.

Correas de accionamiento en motores pueden generar sobre temperatura por

desgaste, mal ajuste entre accionamientos y la correa produciendo esto ultimo

una excesiva friccin o excesiva tensin de la correa. Nuevamente es

recomendable considerar la temperatura ideal de funcionamiento (Datos delFabricante)

Rodamientos.

Los rodamientos son los componentes ms comunes en los equipos

mecnicos, de ah la importancia de conocer su comportamiento trmico.

Problemas en rodamientos se encuentran por lo general en base a la

comparacin; comparando un rodamiento con otro bajo similares condiciones

de carga. Las causas de sobre calentamiento en rodamiento se originan por

exceso de friccin en los elementos de rodadura o por problemas de

lubricacin. La principal ventaja de la inspeccin termogrfica a rodamientos, es

lo rpido que se puede chequear componentes daados, lo cual puede venir

acompaado de un anlisis de vibraciones para determinar de forma mas

precisa cual es la causa de la falla.


37/57

Conjunto Pion-Corona.

Debido a la importancia que tienen los molinos en el proceso de produccin de

concentrado de cobre, es necesario realizar un monitoreo completo de sus

componentes, donde se incluye el chequeo del alineamiento del sistema de

transmisin motriz, el cual consiste tpicamente en un mecanismo de engranaje

helicoidal de pin corona. Al producirse un engranaje incorrecto entre el pin

y la corona, se produce una friccin y desgaste anormal entre los dientes, lo

que provoca un sobre calentamiento de estos.

4.3. Estructuras.

Dentro de las inspecciones a Estructuras, se encuentran la observacin del nivel de estanques y zonas

calientes en mantos de hornos (Fundiciones), esto ultimo se produce por fallas del material refractario al

interior del horno, tambin podemos incluir en este tem la inspeccin a maquinaria pesada, especialmente a

sus partes mviles, como tambin a neumticos y motores.


38/57

INFORME TIPO.

Area o Planta Sala de Control Fecha captura 07/08/2003Equipo IR Cmara Inframetrics PM 380 Hora captura 12:05 hrs.

Emisividad 0.85 Termografista Cristian Retamales C.

Ubicacin ExcepcinDescripcin Excepcin

AREA Area 52

TAG -

DESCRIPCION Braker Principal

COMPONENTE Prensa/ Cable

POSICION Salida fase S.

OTRA ID Gabinete 52 - 8403 L.P.

Se observa sobre temperatura enprensa de salida fase S. Esto productode soltura y/o suciedad en la conexin.Se observa cable quemado.

Imagen Trmica Prioridad

EMERGENCIAReparar inmediatamente, reemplazarcomponente fallado, inspeccin acomponentes vecinos, analizar causa defalla.

Registro de Temperaturas

Excepcin 121.4 C

Referencia 41.5 C

Ambiente 20 C

Temperatura 79.9 C

Imagen Visual Parmetros ElctricosFase o Circuito

Fase S

Carga Actual 130 Amp.

Carga Nominal(Int) 200 Amp.

Voltaje 380 Volts.

Recomendaciones

Verificar corriente por fases. Deshacer conexiones. Limpiar superficies de contacto. Rehacer terminacin del cable. Rehacer conexiones.

121.4

117.941.5

>132.8C


39/57

TABLA DE EMISIVIDADES.


40/57


41/57


42/57


43/57


44/57


45/57

PRUEBAS DE LABORATORIO.

7.1. Experimentos relacionados con la Emisividad.

7.1.1. Efecto de la caracterstica superficial en la radiacinemitida por un cuerpo.

7.1.2. Concepto de energa emitida/reflejada.

7.2. Parmetros que afectan la radiacin infrarroja.

7.2.1. Observaciones indirectas.

7.2.2. Efecto distancia.

7.2.3. Efecto del ngulo de observacin.

7.2.4. Efecto viento.

7.2.5. Efecto humedad.

7.3. Otros.

7.3.1. Uso de bolso protector.

7.3.2. Spot Size o definicin de una cmara.


46/57

7.1. Experimentos relacionados con la Emisividad.

7.1.1. Concepto de energa emitida.

Demostracin para el caso de placa de cobre con una superficie natural y su

superficie pintada de negro. (Prueba sorpresa)

7.1.2. Concepto de energa emitida/reflejada.

Como se sabe, la energa infrarroja registrada por un termograma es la suma de la

energa irradiada por un objeto mas la energa reflejada. La relacin entre ambas

esta dada por la emisividad. La temperatura del objeto se puede inferir si se

conoce la energa irradiada.

El objetivo del experimento es observar la energa infrarroja emitida desde un

material de muy baja emisividad (Hojalata estaada aprox. 0.1) en comparacin

con otro de alta emisividad (Huincha aisladora negra, aprox. 0.98), para diferentes

temperaturas de los cuerpos.

Se presentan tres casos:

A) Alta Temperatura del cuerpo. (Cuerpo ms caliente que el ambiente)

La temperatura de la huincha negra (e0.98) representa una buena

aproximacin a la temperatura real del objeto mientras que el resto de la

superficie (e0.1) refleja la temperatura ambiente junto a una pequeaproporcin de la temperatura real del objeto.

La imagen muestra que la temperatura observada en la huincha es mucho mas

alta que el resto de la superficie.


47/57

B) Temperatura ambiente. (Cuerpo a la temperatura del ambiente)

En este caso la temperatura observada en la huincha y en la superficie son

idnticas (Idealmente). Como la huincha representa la temperatura del objeto,

la cual es la temperatura ambiente y el resto de la superficie refleja la

temperatura ambiente se vera una imagen sin contrastes.

C) Baja temperatura. (Cuerpo a una temperatura inferior a la del ambiente)

La temperatura en la huincha se observa menor que en resto de la superficie.La superficie sigue reflejando la temperatura ambiente mientras que la huincha

representa la baja temperatura que en ese momento presenta el objeto.

Conclusiones.

Para poder diferenciar dos objetos, de igual emisividad, dentro de un mismo

termograma, estos deben presentar diferencia en su energa irradiada

(Diferente temperatura)

Con el objeto de poder determinar en forma segura la presencia de anomalas,

esta diferencia en la energa irradiada debe ser generada por temperaturas

diferentes, no por emisividades diferentes.

Cada una de las tres superficie mostrada en la figura 7.1. tiene una distribucin

uniforme de temperatura, pero la energa irradiada no es uniforme debido a la

diferencia de emisividades entre la lata y la huincha aisladora negra.


48/57

Figura 7.1.2.A.Resultado visual del experimento.

Figura 7.1.1. - 2Explicacin grfica del experimento.

Figura 7.1.2.B.Explicacin grfica del Experimento.

34,6

17,8

16,7

16,9

14,4

16,4

>35,2C


49/57

7.2. Parmetros que afectan la medicin.

7.2.1. Observaciones indirectas.

Cuando se realiza una inspeccin termogrfica, es frecuente encontrar estructuras

aisladas o conductores elctricos dentro de canaletas las cuales ocultan el origen

o fuente de calor. La inspeccin termogrfica solo nos permite observar

temperaturas de las superficies expuestas al punto de observacin.

Este experimento muestra como una fuente de calor dentro de una tubera, que

correspondera a una alta criticidad, induce al termografista a subestimarla por ver

disminuida su criticidad o simplemente no acusar falla, al observar la superficie

con una temperatura inferior.

Se presentan dos casos:

A) Superficie exterior con alta emisividad.

En la superficie de la tubera se observa un punto caliente, lo que indica la

existencia de una fuente calrica en su interior, en este caso un cautn a

aproximadamente 250 C. Sin embargo la temperatura en la superficie no

refleja en lo absoluto la criticidad de la excepcin.

a) Medicin en Tubera galvanizada pintada negra.

Figura 7.2.1.A. Medicin de fuente de calor de forma indirecta.

34,8

*>35,6C

*


50/57

B) Superficie exterior con baja emisividad.

En la superficie de la tubera se observa solo reflejo del entorno.

b) Medicin en Tubera galvanizada sin pintar

Figura 7.21.B. Medicin de fuente de calor de forma indirecta.

7.2.2. Efecto de la distancia.

Dentro de los diferentes parmetros que afectan una medicin con cmaras

termograficas infrarrojas, esta el efecto de la Atmsfera (Humedad, presin,

contaminantes, etc.) existente entre la cmara y el objeto. Como se ha comentado,

la distancia puede afectar el valor de la temperatura dentro de un termograma.

Como se vio, este efecto se puede solucionar acercndose con la cmara al

objeto, siempre que las condiciones lo permitan.

Si se tiene un objeto de temperatura conocida (Plancha de cobre 15x15cm), y se

mide la temperatura con la cmara infrarroja para diferentes distancias entre

cmara y objeto, se obtiene un grfico de este tipo:

Reflejos

*>22,2C

*


51/57

En el grfico se observa que a medida que la cmara infrarroja se ubica cada vez

mas lejos del cuerpo, la temperatura observada disminuye.

El objetivo de la actividad es estimar el efecto que tiene la atmsfera en las

temperaturas detectadas por la cmara IR.

7.2.3. Efecto del ngulo de observacin.

Otro factor importante a considerar, es saber de que manera el ngulo entre la

superficie observada y la cmara IR, afecta en la temperatura medida.

Conociendo la temperatura de una placa de observacin, montado en un

genemetro, es posible evaluar la variacin de la temperatura medida, respecto al

ngulo de observacin.

Temperatura v/s Distancia en Placa de Cu pintada negra de 15 x 15cm.

84

84.5

85

85.5

86

86.5

87

87.5

88

88.5

89

89.5

90

90.5

91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Distancia (mt)

Temperatura(C)

Temp. Placa

TVS - 700


52/57

El resultado de las observaciones con diferentes ngulos y diferentes distancias

de observacin es:

Se observa, para el caso de 1mt, la temperatura se mantiene estable hasta

aproximadamente entre los 30 y 40, comenzando en ese punto su descenso.

Para el caso de 4mt, El descenso comienza ya a los 10.

Temperatura vs Angulo

68

70

72

74

76

78

80

82

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Angulo (En grados)

Temperatura(C)

Temperatura Placa

Cmara a 1mt

Cmara a 4mt


53/57

7.2.4. Efecto del Viento.

En la observacin de cuerpos que puedan estar expuestos a circulacin de aire o

viento (Instalaciones Industriales a la intemperie, sistemas elctricos areos, etc.)

hay que tomar en cuenta el efecto de enfriamiento que est puede tener sobre

ellos. Esto es, si se observa una lnea elctrica y se detecta un punto de

temperatura, hay que evaluar que condiciones de viento existan al momento de la

inspeccin. Un viento intenso puede reducir la temperatura (enfriar) el objeto

observado, a tal punto que solo presente un pequeo diferencial respecto a la

temperatura ambiente. Por lo tanto, una excepcin que sin circulacin de aire seria

calificada como seria, puede aparecer al observador como intermedia o rutina

dependiendo esto de la velocidad del viento.

Actividad Practica:

Ver de que manera el viento afecta la temperatura de un cuerpo, al medirse con

una cmara IR.

Al enfocar la cmara hacia un cuerpo con temperatura, como por ejemplo un

cautn, se observara como la temperatura comienza a descender a medida que se

aplica viento.

Como lo muestra la grfica 2.10, se puede comprobar que a mayor velocidad del

viento, menor es la temperatura observada. (Seccin 2.5.4)


54/57

7.2.5. Efecto de la Humedad.

La humedad atmosfrica existente en el trayecto de la medicin (Cmara IR a

objeto observado) tambin afecta el resultado de la temperatura medida por la

cmara IR.

A mayor humedad, mayor es la reduccin en la lectura.

Figura 7.2.5.A.Imagen visual del montaje experimental.

Figura 7.2.5.B.Resultado en imgenes termogrficas del experimento.

Max

78.0

Max

78.0

*>87.0C

*85.2C


55/57

7.3. Otros.

7.3.1. Uso de bolso protector.

En aquellas aplicaciones en las que las condiciones ambientales son adversas

(Exceso de polvo, contaminantes, gases, etc.) es factible proteger la cmara IR a

travs de su introduccin dentro de un bolso de polietileno. (Ejemplo una bolsa

ZIPLOCK)

Temp eratura vs Distancia (Con Bo lso Protector)

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Distancia (mt)

Temperatura(C)

Temperatura Placa

Sin Bolsa

Bolsa Ziplock

Bolsa B asura Delgada

Bolsa Basura Gruesa


56/57

7.3.2. Tamao de Punto o "Spot Size"

Una de las caractersticas importantes de una cmara termogrfica es el Spot

Size. El Spot Size, corresponde a la definicin de la resolucin superficial y esta

relacionado con el numero de pixeles dentro de la imagen que definen el valor de

temperatura en una determinada rea, o punto de esta.

La relacin entre el tamao del cuerpo y la distancia en que se mide

correctamente la temperatura del mismo, define el Tamao de Punto o Spot Size.

Utilizando un verificador de Tamao de Punto de 2cm de dimetro.

Temperatura v/s Distancia en Spot de 2cm.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Dsitancia (mt)

Temperatura(C)

Temp. Placa

TVS - 700

PM - 380


57/57

Del grfico se concluye que para un cuerpo de 1.9 cm de dimetro, la cmara

utilizada en el experimento puede obtener una lectura confiable de temperatura

hasta aproximadamente los 5 metros, luego decrece considerablemente.

curso termografia

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