¿Qué es la termografía infrarroja?

Jonathan Trout, Noria Corporation. Traducción por Noria Latín América

La termografía infrarroja es el proceso de usar una cámara termográfica para detectar la radiación de un objeto. A continuación, analizaremos cómo funciona la termografía infrarroja y cómo usarla en el mantenimiento preventivo.

¿Qué es la termografía infrarroja?

La termografía infrarroja es el proceso de usar una cámara termográfica para detectar la radiación (calor) que proviene de un objeto, convertirla en temperatura y mostrar una imagen de la distribución de temperatura. Las imágenes de la distribución de temperatura detectada se denominan termogramas y permiten ver objetos productores de calor invisibles a simple vista.

Dado que todos los objetos por encima del cero absoluto -273.15 ºC (-459.67 ºF) emiten energía térmica infrarroja, las cámaras termográficas pueden detectar y mostrar fácilmente las longitudes de onda infrarrojas independientemente de la luz ambiental. Un ejemplo común de esto es usar gafas de visión nocturna para detectar objetos en la oscuridad. La termografía infrarroja se usa comúnmente en diversas industrias y aplicaciones que incluyen:

• Monitoreo de condición de la maquinaria.
• Diagnóstico de edificios, como humedad, techo e inspecciones de pérdida de energía.
• Imágenes médicas, que incluyen enfermedad vascular periférica, anormalidades de la tiroides y monitoreo de la condición metabólica e inflamatoria.
• Aplicación de la ley e imágenes de seguridad.
• Imagen química.
• Imágenes de ciencias de la tierra.
• Monitoreo de sistemas eléctricos.
• Monitoreo de sistemas de fluidos.

Específicamente para el mantenimiento de la planta y el monitoreo de condición, la termografía infrarroja se usa en aplicaciones tales como:

• Monitoreo de condiciones eléctricas y mecánicas de un motor.
• Inspecciones de rodamientos (fricción anormal del rodamiento).
• Monitoreo de aislamiento refractario.
• Localización de niveles de gases, líquidos y lodos.

El objetivo principal de la termografía infrarroja es confirmar que la maquinaria está funcionando normalmente y detectar patrones de calor anormales dentro de una máquina, lo que indicaría ineficiencia y defectos. La inspección de equipos mecánicos mediante termografía infrarroja es una gran ventaja para los administradores de activos encargados de la supervisión de condición. Aunque las imágenes infrarrojas son fáciles de usar, interpretar los datos que producen puede ser un poco más difícil de descifrar. Es importante no solo tener un conocimiento práctico de cómo funcionan las cámaras de imágenes infrarrojas, sino también un conocimiento básico de los procesos de radiometría y transferencia de calor.

Tipos de termómetros infrarrojos

Un termómetro infrarrojo, en su forma más básica, consiste en una lente que enfoca la radiación térmica infrarroja en un detector, que convierte la energía radiante en una señal codificada por colores. Los termómetros infrarrojos están diseñados para medir la temperatura a distancia, evitando la necesidad de tener contacto directo con el elemento que se está monitoreando. Hoy en día, hay variadas configuraciones de termómetros infrarrojos para aplicaciones específicas. A continuación, se presentan tres de los tipos más comunes de termómetros infrarrojos.

• Termómetro infrarrojo de un punto: También conocido como pirómetro, un termómetro infrarrojo de un punto se asemeja a una pistola de radar de mano y se utiliza para detectar y medir la temperatura en un punto específico de una superficie. Los termómetros infrarrojos de un punto son ideales para medir la radiación térmica en activos difíciles de alcanzar o activos que operan en condiciones extremas.

Es posible que haya visto a técnicos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, por sus siglas en inglés) que usan un termómetro infrarrojo de un punto apuntando la pistola hacia los respiraderos del techo para verificar la temperatura de un sistema de ventilación en oficina u hogar. Algunas aplicaciones comunes para usar un termómetro infrarrojo de un punto para mantenimiento preventivo incluyen:

• Comprobación de rodamientos y correas.
• Monitoreo de salas eléctricas.
• Auditorías de energía en busca de pérdida de calor.
• Sistemas de manejo de fluidos.
• Fugas de agua.
• Tableros de control.
• Monitoreo de motores rotativos.
• Operaciones de calderas y monitoreo del sistema de vapor.

Los termómetros infrarrojos de un punto funcionan utilizando el campo de visión (FOV, por sus siglas en inglés) y la relación distancia-punto (D:P). Al medir la temperatura de un activo con un termómetro de un punto, asegúrese de que el objetivo esté completamente en el campo de visión del termómetro. Además, considere la relación distancia-punto, ya que puede ocurrir un error si la temperatura de fondo varía de la temperatura objetivo. La relación distancia-punto es la relación de la distancia al objeto que está midiendo y el diámetro del área de medición de temperatura. Cuanto mayor sea el número de relación, mejor será la resolución del instrumento y menor será el área que se puede medir. Por ejemplo, un termómetro con una relación de 40 a 1 mide con mayor precisión un objeto más pequeño que uno con una relación de 10 a 1.

• Sistemas de escaneo infrarrojo: Estos termómetros infrarrojos escanean áreas más grandes y a menudo se usan en plantas de fabricación con transportadores o procesos web. Escanear objetos en una cinta transportadora o láminas de vidrio o metal que salen de un horno son aplicaciones comunes para los sistemas de escáner infrarrojo.

• Cámaras de imágenes térmicas infrarrojas: Una cámara de imágenes térmicas es un tipo avanzado de termómetro de radiación utilizado para medir la temperatura en múltiples puntos en un área grande y crear imágenes termográficas bidimensionales. Las cámaras termográficas están considerablemente más basadas en software y hardware que un termómetro de punto. La mayoría de las cámaras muestran imágenes en tiempo real y se pueden conectar a un software especializado para una evaluación con más profundidad, precisión y generación de informes. Las modernas cámaras termográficas son de mano.

Las cámaras infrarrojas de imagen térmica permiten a los usuarios alternar entre múltiples paletas de colores para ayudar a descifrar varias diferencias de temperatura.

• Paleta de hierro: La paleta de hierro es la más común. Muestra las áreas más frías en negro, áreas ligeramente más calientes en azul/púrpura, temperaturas de rango medio en rojo/naranja/amarillo y blanco para las temperaturas más altas.
• Paleta blanco y negro: A veces llamada escala de grises, esta paleta de colores muestra muy bien los detalles al mostrar solo colores de negro a blanco que pasan a través de múltiples niveles de gris. La aplicación más común para la escala de grises es la visión nocturna o las cámaras de seguridad. Raramente se usa en imágenes de maquinaria porque es más difícil distinguir la variación de temperatura cuando solo se usan dos colores.
• Paleta arcoíris: La paleta de arcoíris muestra la mejor sensibilidad térmica al mostrar las diferencias de temperatura a través de múltiples colores. Similar a la paleta de hierro, la paleta arcoíris usa más color para indicar una mayor variación de temperatura.

Otras características de la cámara infrarroja incluyen una alarma de color, “imagen en imagen” y mezcla de fusión. La alarma de color le permite seleccionar una temperatura, por lo que la cámara solo mostrará una imagen térmica en color de un activo por debajo o por encima de la temperatura seleccionada. La mezcla de fusión permite combinar la temperatura media mínima o máxima de una imagen térmica con una imagen digital estándar.

Es fácil distraerse con las características de una cámara termográfica, y muchas de esas características ofrecen información valiosa. Entonces, ¿qué debe buscar en una cámara termográfica? Las dos características más importantes que debe considerar son la resolución del detector y la sensibilidad térmica.

• Resolución del detector: La resolución del detector le indica la cantidad de píxeles que se muestran en sus imágenes. Su cámara debe incluir las resoluciones más comunes de 160×120, 320×240 y 640×480. Una cámara de imágenes 640×480 muestra una imagen compuesta de 307,200 píxeles.
• Sensibilidad térmica: Se refiere a la diferencia de temperatura más pequeña que puede detectar la cámara termográfica. Por ejemplo, una cámara que muestra una sensibilidad de 0.05 grados significa que puede distinguir la diferencia entre dos superficies con una diferencia de temperatura de cinco centésimas de grado.

Además, considere el rango de temperatura de la cámara termográfica, que es la temperatura mínima y máxima que la cámara puede medir. El rango de temperatura típico es de -20 ºC (-4 ºF) hasta 1204 ºC (2,200 ºF).

Obtenga la mejor imagen para analizar

Al igual que con una cámara réflex digital de lente única (DSLR, por sus siglas en inglés), para obtener la mejor imagen térmica de su cámara, deberá realizar ajustes. Considere ajustar el enfoque, la configuración de emisividad, la configuración de temperatura reflectante y la sintonización térmica. La emisividad se refiere a la cantidad de radiación que emite un objeto en comparación con otro, si ambos tuvieran la misma temperatura.

Como su nombre lo indica, ajustar la temperatura reflectante le permite compensar la temperatura de los objetos circundantes que pueden reflejarse en el objeto objetivo. Finalmente, el ajuste térmico de su cámara es el proceso de ajustar su rango de temperatura mientras está en modo manual. Una vez que haya ajustado la cámara al rango deseado, siempre debe mostrar ese rango. Asegúrese de ajustar estas cuatro configuraciones al realizar una medición de temperatura o al comparar la temperatura de dos objetos.

Cómo usar la termografía infrarroja

La termografía infrarroja es una herramienta valiosa para el monitoreo de la condición y el mantenimiento preventivo. No solo le permite detectar anormalidades térmicas de las máquinas, sino que le permite hacerlo de una manera no intrusiva, sin intervención y al mismo tiempo obtener resultados en tiempo real. Los termógrafos generalmente emplean uno de los tres métodos cuando realizan inspecciones térmicas: comparativa, de referencia y de tendencia térmica. Determinar qué método usar se reduce al tipo de equipo que está probando y al tipo de datos que desea ver.

• Termografía comparativa: La termografía comparativa se utiliza para medir la temperatura de componentes similares en condiciones similares. Al comparar los resultados, se obtiene información útil sobre la condición de los componentes, gracias al descubrimiento de problemas ocultos. Las comparaciones de termografía pueden ser cuantitativas o cualitativas. Las inspecciones cuantitativas miden la temperatura precisa y / o la distribución de temperatura y generalmente las realiza un termógrafo altamente capacitado.

Las inspecciones cualitativas se centran en las diferencias de temperatura en lugar de las temperaturas reales. Casi todas las aplicaciones industriales y mecánicas (90 por ciento) para la termografía moderna son cualitativas, pero el uso de mediciones cuantitativas en conjunto con mediciones cualitativas puede ayudar a determinar la gravedad de la afección y el problema en sí.

• Termografía de referencia: La termografía de referencia se usa para establecer un precedente o establecer un punto de referencia para un activo tomando lecturas de temperatura cuando el activo está en buen estado de funcionamiento. Se utiliza en comparación con otras imágenes térmicas para identificar problemas potenciales de manera temprana. Se recomienda tomar mediciones de línea de base de referencia en todos los activos críticos cuando son nuevos o se acaban de reparar.

• Termografía de tendencia térmica: Así como las tendencias muestran cambios a lo largo del tiempo, la termografía de tendencia térmica muestra cómo la temperatura se dispersa en un componente o activo a lo largo del tiempo. Es un excelente método para observar equipos mecánicos con firmas térmicas complejas o cuando las firmas térmicas se desarrollan lentamente. Un gran ejemplo del uso de tendencias térmicas es el monitoreo del aislamiento refractario de alta temperatura en una caldera a lo largo del tiempo para ayudar a determinar una programación de mantenimiento adecuado que minimice el tiempo de inactividad.

Criterios de evaluación de termografía infrarroja

Al usar la termografía infrarroja como herramienta para el monitoreo de la condición, se recomienda establecer criterios de gravedad. Los criterios de gravedad se pueden presentar en dos formas: categorías generales que identifican los niveles de temperatura o categorías específicas de máquinas o componentes. Los criterios de gravedad se desarrollan con el tiempo y con una acumulación de datos. Es una buena práctica desarrollar criterios de severidad específicos para cada categoría de equipo en función del diseño, operación, instalación, características de mantenimiento, criticidad y modos de falla de la maquinaria.

El establecimiento de criterios de gravedad en máquinas o componentes individuales se basa en una serie de factores, que incluyen el aumento de temperatura frente a los datos históricos, la determinación de la tasa de deterioro y el tiempo de falla, la importancia de la máquina o el componente para el proceso general, la seguridad, etc. Los aumentos de temperatura para máquinas críticas, componentes mecánicos, rodamientos, suministro eléctrico y más, son aplicaciones comunes utilizadas por los termógrafos para clasificar la gravedad de la temperatura o las anomalías mecánicas.

• Criterios de temperatura relativa: Los criterios de temperatura relativa son un conjunto de criterios de seguridad basados ​​en aumentos de temperatura divididos en categorías. Por ejemplo, puede tener categorías de aviso, intermedias, serias y críticas. En la categoría de aviso, es posible que tenga una regla establecida que indique que una máquina cae en la categoría de aviso cuando la temperatura se eleva 6 ºC (10 ºF) por encima de una temperatura de referencia o de línea de base. La categoría crítica puede indicar que una máquina cae dentro de la categoría crítica cuando la temperatura aumenta más de 57 ºC (104 ºF) por encima de una temperatura base de referencia.
• Criterios de temperatura absoluta: Un termógrafo puede usar criterios de material o diseño basados ​​en la temperatura máxima permisible absoluta derivada de datos publicados previamente. Los criterios de material se usan cuando el enfoque de monitoreo está en el material de la máquina, mientras que los criterios de diseño se usan cuando el enfoque del monitoreo está en su diseño. Aunque los criterios se dividen en estas dos categorías, el diseño generalmente abarca el aspecto material, lo que lo convierte en el criterio preferido cuando se trata de monitorear la confiabilidad. Si está utilizando criterios de material para medir el calentamiento de múltiples componentes adyacentes, debe emplearse el material del componente con la especificación de temperatura más baja como su “criterio de alarma”.
• Criterios de evaluación de perfil: Cuando compara diferencias de temperatura y patrones en cualquier superficie, está practicando un proceso conocido como evaluación de perfil. En el caso de la termografía, para realizar una evaluación de perfil, primero debe realizar una evaluación de severidad para determinar las temperaturas absolutas y diferenciales. Esto le indicará la condición de la máquina o componente en función de dos categorías: “como nuevo” o “fallido”. Las áreas clave de una evaluación de perfil son gradientes de temperatura, cambios históricos, diferencias localizadas, temperaturas absolutas o ubicación de anomalías, según Hitchcock.

Interpretación correcta de datos infrarrojos

Como se mencionó anteriormente, la facilidad de uso es la razón por la cual la termografía infrarroja se ha convertido en una herramienta tan ampliamente utilizada para el mantenimiento preventivo. Sin embargo, interpretar los datos y comprender las capacidades de las imágenes puede conducir a algunos errores comunes. Entre estos se incluyen:

• No comprender la resolución: Las imágenes de termografía infrarroja tienen limitaciones en lo que ven y miden. Como se discutió anteriormente, asegúrese de conocer las limitaciones de resolución antes de comprar una cámara infrarroja.
• No tener en cuenta las condiciones ambientales: El viento, la lluvia, la temperatura del aire ambiente y la luz solar son factores que influyen en la medición final de temperatura. Tome nota y tenga en cuenta cosas como el viento y la lluvia en sus reportes. Inspeccione las superficies fuera de la luz solar directa para evitar temperaturas anormales.
• No tener en cuenta los puntos fríos: Si bien es cierto que buscará puntos calientes, a veces el problema proviene de los puntos fríos. Esto es especialmente cierto con los sistemas eléctricos o de vapor. Los puntos fríos podrían indicar que no fluye corriente eléctrica a través de un condensador o que una trampa de vapor no funciona correctamente.
• Centrarse exclusivamente en la temperatura de la superficie: Debido a factores ambientales, la imagen térmica no es excelente para mostrar temperaturas precisas. Debido a esto, enfóquese en las diferencias en los patrones térmicos en lugar de la temperatura aparente. En pocas palabras, cuando se comparan múltiples componentes con termografía infrarroja, el que se ve diferente a los demás es probablemente el que está causando los problemas.

Técnicas de inspección de termografía infrarroja

Cuando se trata de técnicas de inspección de termografía infrarroja, hay varias opciones entre las que puede elegir. Su selección dependerá de las consideraciones discutidas anteriormente, incluido el conjunto de datos que necesita y lo que está monitoreando. Echemos un vistazo a algunas de las técnicas de inspección de termografía infrarroja más comunes.

• Termografía pasiva: Esta técnica de prueba implica tomar imágenes térmicas mientras la máquina está funcionando o inmediatamente después de la operación. Esto le permite recopilar datos sin una fuente de energía externa o desconectar la máquina.
• Termografía activa: Esta técnica requiere una fuente de energía externa para crear variaciones de temperatura en el componente las cuales están influenciadas por materiales y defectos interiores. Se utiliza para mostrar cómo fluye el calor a través de un componente y para localizar anormalidades en los componentes mientras está en uso.
• Termografía de destello: Esta técnica utiliza pulsos de luz para localizar espacios, inclusiones u otras obstrucciones que bloquean el flujo de calor en un componente.
• Vibrotermografía: Al introducir ondas acústicas en una máquina o componente, la vibrotermografía puede determinar dónde pueden haberse formado grietas en el material. La perturbación causada por la energía acústica crea fricción entre los dos bordes ásperos a ambos lados de la grieta. Esto produce calor, que es detectado por la cámara infrarroja.
• Termografía de bloqueo: Como muchas de las otras técnicas, la termografía de bloqueo requiere que se aplique una fuente de energía externa (luz, sonido, calor, etc.) a la superficie de un componente para revelar anormalidades debajo de la superficie. Es importante conocer la profundidad, el tamaño y la ubicación de la anomalía, así como la composición del material y las propiedades para que esta técnica sea precisa. Si bien lleva más tiempo que las técnicas discutidas anteriormente, puede penetrar componentes con paredes más gruesas.

Termografía infrarroja y mantenimiento preventivo

La termografía infrarroja es una herramienta de mantenimiento preventivo altamente recomendada en casi todas las industrias. No encontrará otra herramienta que le brinde datos tan precisos y en tiempo real sin interrumpir el flujo del proceso al apagar sus sistemas. Trabajar con termografía infrarroja en sus procedimientos de mantenimiento programados regularmente es una excelente manera de detectar rápidamente anomalías en componentes y máquinas. El uso de la termografía de referencia en un equipo nuevo o después de repararlo proporcionará un conjunto de imágenes térmicas para comparar todas las demás pruebas y le permitirá solucionar problemas más fácilmente en el futuro.

Ventajas y desventajas de la termografía infrarroja

Algunas ventajas de usar la termografía infrarroja en el mantenimiento preventivo son:

• No requiere contacto con componentes o máquinas.
• Resultados en tiempo real.
• Puede obtener datos sobre grandes superficies al mismo tiempo.
• Imágenes visuales fáciles de interpretar.
• Los datos se pueden cargar en el software para su posterior análisis.
• Las cámaras infrarrojas ofrecen una gran movilidad.
• Sin interrupciones ni interrupciones de producción para las pruebas.

Si bien el uso de la termografía infrarroja tiene muchas ventajas, siempre es una buena idea tener en cuenta algunas de las desventajas:

• El equipo de termografía infrarroja es bastante caro. Debe considerar el costo del tiempo y la mano de obra involucrados, así como los ahorros que recibirá con las advertencias de detección temprana de la tecnología infrarroja.
• La tecnología infrarroja no puede detectar la temperatura si un componente está separado por un material no transparente, como una cubierta de vidrio. Cuando se ve con una cámara infrarroja, el vidrio aparece de manera no transparente.
• Los datos infrarrojos requieren una gran experiencia y una amplia base de conocimientos para evaluar los resultados de las imágenes.