En general, el trabajo de los sistemas mecánicos genera calor; sin embargo, cuando es demasiado puede originar averías. La termografía infrarroja, al realizar lecturas de equipos completos, permite detectar estos aumentos en etapas tempranas, con el fin de corregir los desperfectos y evitar daños graves.
Por Alejandro Jáuregui
La temperatura y el comportamiento térmico de la maquinaria son factores críticos en el mantenimiento industrial. Para medirlos, se han desarrollado algunas alternativas, entre las que se encuentra el uso de sensores infrarrojos.
La termografía es un método eficaz que se debe de tomar en cuenta como parte del mantenimiento predictivo. Su rama de estudio se refiere la ciencia de adquisición y análisis de la información térmica obtenida mediante los dispositivos de captura de imágenes térmicas a distancia, llamadas técnicamente termogramas.
Existen tres razones que hacen de este factor una herramienta fundamental: no es necesario entrar en contacto, es bidimensional, y se realiza en tiempo real, a diferencia de un termopar o un RTD. El hecho de que no requiera entrar en contacto directo con la maquinaria hace más sencillo su uso en áreas donde la medición sería peligrosa o imposible de realizar.
Ahora bien, su aplicación se observa en distintas áreas, desde el monitoreo de procesos eléctricos, de edificación, hornos y calderas, hasta en desarrollos de investigación o médicos, pues todos comparten un objetivo: calidad y monitoreo de procesos.
Antecedentes
El astrónomo Sir Frederick William Herschel descubrió la existencia de la radiación infrarroja en 1800. Su curiosidad por la diferencia térmica entre los colores de la luz le llevó a dirigir la luz solar a través de un prisma de cristal para crear un espectro; posteriormente, midió la temperatura de cada color.
Lo que descubrió fue que dichas temperaturas crecían en progresión, desde la parte del violeta hacia la del rojo. Tras revelar este patrón, Herschel midió la temperatura del punto inmediatamente más allá de la porción roja del espectro, en una región sin luz solar visible.
En un principio, la tecnología infrarroja (IR) era utilizada para la guerra; pero en 1930, en Alemania, inició el desarrollo de un sistema de visión nocturna (Nachtsichtgeraten). Los primeros prototipos, fabricados por la empresa AEG, fueron probados en 1939 para uso en las unidades antitanque.
Desde entonces, la tecnología termográfica empezó a evolucionar, y en la actualidad, los dispositivos se han convertido en sistemas compactos fáciles de usar, convirtiéndose en una de las herramientas de diagnóstico más valiosas para el mantenimiento predictivo.
Termómetros de infrarrojos y cámaras termográficas
Los termómetros de infrarrojos son fiables y muy útiles para lecturas de la temperatura de un solo punto; sin embargo, al analizar componentes o zonas de mayor tamaño es fácil ignorar aquellos esenciales que puedan fallar y necesiten reparación.
Ahora bien, una cámara termográfica puede analizar motores, componentes o paneles completos, por lo que detecta todos los riesgos de recalentamiento, por pequeños que sean. Con un termómetro de IR puntual, resulta difícil detectar problemas críticos.
En el caso de las cámaras termográficas, éstas escanean cada uno de los componentes, con el objetivo de ofrecer de manera instantánea el diagnóstico del problema, los cuales son:
- Termómetro de IR, medición de temperatura en un punto
- FLIR i3 (cámara económica), temperatura en 3 mil 600 puntos
Mientras que con un termómetro de infrarrojos es posible medir la temperatura de un punto, las cámaras termográficas pueden medir temperaturas en toda la imagen. Algunas opciones disponibles en el mercado poseen una resolución de imagen de 60 por 60 pixeles, lo cual equivale a usar 3 mil 600 termómetros de IR al mismo tiempo.
Ventajas
Al detectar anomalías que suelen ser invisibles a simple vista, la termografía permite realizar correcciones antes de que se produzcan costosos fallos en el sistema. Al descubrir estos puntos calientes con una cámara termográfica, se puede llevar a cabo una medida preventiva.
Resulta, entonces, un fiable instrumento de medición a distancia, capaz de analizar y visualizar la distribución de temperatura de superficies completas de equipamiento eléctrico y maquinaria con rapidez y precisión.
Con prever qué componentes están a punto de averiarse, se logra precisar en qué momento adoptar las medidas correctivas; por desgracia, los peores problemas permanecen ocultos hasta que es demasiado tarde. En una termografía, los inconvenientes saltan a la vista inmediatamente, pues se combinan los programas de mantenimiento predictivo con herramientas de diagnóstico de alta confiabilidad.
Funcionamiento y parámetros en cámaras termográficas
Normalmente, tales equipos se usan en inspecciones de mantenimiento predictivo, pues son potentes herramientas no invasivas para la supervisión y el diagnóstico del estado de componentes e instalaciones.
Una cámara termográfica registra la intensidad de la radiación en la zona infrarroja del espectro electromagnético y la convierte en una imagen visible. Cualquier otro tipo de radiación electromagnética, como la infrarroja, es invisible para el ojo humano, por lo que los encargados de obtener las mediciones de temperatura IR se llaman microbolómetros, destinados a la medición de radiación electromagnética y de partículas subatómicas de alta energía. Son especialmente eficaces para mediciones en el rango espectral de entre 200 micrómetros y 1 milímetro de longitud de onda.
Los infrarrojos están a medio camino entre el espectro visible y las microondas del espectro electromagnético, donde el calor es la fuente principal de radiación de infrarrojos. Cualquier objeto con una temperatura superior al cero absoluto (-273.15 grados centígrados) emite radiación en la región infrarroja.
Para interpretar los termogramas correctamente, el operador necesita conocer los distintos materiales y las circunstancias que influyen en las lecturas de temperatura de la cámara termográfica. Algunos de los factores más importantes que influyen en las lecturas de temperatura son los de compensación:
Conductividad térmica
Los materiales poseen propiedades térmicas diferentes; a esto se le denomina conductividad térmica. La diferencia en la conductividad térmica de dos materiales puede provocar importantes diferencias de temperatura en ciertas situaciones.
Emisividad
Es la capacidad de un cuerpo para emitir infrarrojos, depende en gran medida de las propiedades de los materiales del cuerpo. Es muy importante establecer la emisividad correcta en la cámara, de lo contrario, las mediciones de temperatura no serán correctas. Un buen método para configurarlo correctamente consiste en usar un trozo de cinta con una emisividad conocida, el cual se coloca en el material de la superficie del objeto y se deja ahí durante unos minutos, lo suficiente para que adquiera la temperatura de la superficie del objeto; así se determina la temperatura exacta de la cinta. Dado que esta temperatura es la misma que la del material de la superficie, el operador puede cambiar la configuración de la emisividad, de forma que la lectura de temperatura sea igual a la lectura de temperatura de la cinta de calibración en el momento anterior.
Temperatura reflejada
Algunos materiales reflejan la radiación térmica del mismo modo que un espejo refleja la luz visible. Entre ellos se pueden identificar los metales no oxidados, especialmente si se han pulido. Las reflexiones pueden provocar una interpretación incorrecta de la termografía.
Temperatura ambiente
Una elevada temperatura ambiente puede ocultar puntos calientes al calentar el objeto en su totalidad, mientras que una temperatura ambiente baja podría enfriar los puntos calientes hasta una temperatura inferior a un umbral determinado previamente. Tales patrones, provocados por la luz solar, no se deben confundir con los generados por transferencia de calor; asimismo, los flujos de aire refrigeran el material de la superficie, reduciendo las diferencias de temperatura entre las áreas calientes y las frías.
Temperatura externa
Las influencias externas en la temperatura de la superficie también se pueden encontrar en el interior. La temperatura ambiente puede influir sobre la temperatura de la superficie del objeto, pero también hay otro factor: el control del clima. Los sistemas de calefacción crean diferencias de temperatura que pueden generar patrones térmicos incorrectos; mientras que los flujos de aire frío de ventiladores o sistemas de aire acondicionado pueden tener el efecto contrario: refrigerar el material de la superficie mientras los componentes situados por debajo de la superficie permanecen calientes, lo que puede provocar que no se detecten posibles defectos.
Usos de la termografía
Los datos térmicos recopilados con una cámara termográfica pueden ser una fuente muy valiosa de información complementaria para los estudios de vibración y la supervisión de los equipos mecánicos.
Su uso en sistemas mecánicos detecta anomalías tempranamente por el aumento de las temperaturas. Como los sistemas mecánicos, por lo general, involucran movimiento rotativo, es factible determinar que el calor excesivo es producido por la fricción (lo cual indica la posibilidad de rodamientos dañados o defectuosos), lubricación inadecuada, desalineación, desbalance o simplemente el desgaste normal. El monitoreo de las condiciones de funcionamiento evita interrupciones inesperadas, por tanto, las imágenes térmicas permiten clasificar el daño y elegir el mejor tiempo para el mantenimiento.
Las cintas transportadoras son un buen ejemplo: si un rodillo está gastado, aparecerá claramente en la termografía, indicando que debe cambiarse. Cuando los componentes mecánicos se deterioran y pierden eficiencia, suelen disipar más calor; como resultado, los equipos o sistemas defectuosos aumentan rápidamente su temperatura antes de averiarse. Al comparar periódicamente lecturas de una cámara termográfica con el perfil de temperatura de una máquina en condiciones de funcionamiento normales es posible detectar una gran cantidad de fallas.
Igualmente, se pueden inspeccionar motores mediante una cámara termográfica, esto gracias a que los fallos en el motor, como los signos de desgaste en el contacto de las escobillas y los cortocircuitos en los armazones, suelen producir un calor excesivo antes del fallo, pero son imposibles de detectar mediante un análisis de vibraciones. Esto sucede porque con frecuencia generan poca o ninguna vibración.
La termografía, entonces, ofrece una visión completa y permite comparar las temperaturas de distintos motores. Otros sistemas mecánicos que se supervisan con cámaras termográficas son conexiones, transmisiones, cojinetes, bombas, compresores, correas, turbinas y cintas transportadoras.
La inspección de edificios con cámaras termográficas es una forma potente y no invasiva de supervisión y diagnóstico del estado de los edificios. La tecnología termográfica se ha convertido en una de las herramientas de diagnóstico más valiosas para las inspecciones, gracias a que una cámara termográfica puede identificar problemas en una fase temprana, de forma que se puedan documentar y corregir antes de que se agraven y resulten más costosos de reparar.
Una inspección para el diagnóstico de edificios con una cámara termográfica permite:
- Visualizar las pérdidas de energía
- Detectar un fallo o defecto en el aislamiento
- Localizar fugas de aire
- Encontrar humedad en el aislamiento, en los tejados y muros, tanto en la estructura interior como en la exterior
- Detectar moho y áreas mal aisladas
- Localizar puentes térmicos
- Localizar filtraciones de agua en tejados planos
- Detectar roturas en tuberías de agua caliente
- Detectar fallos de construcción
- Encontrar averías en el tendido eléctrico y en la calefacción urbana
- Detectar fallos eléctricos
Asimismo, ofrece información muy valiosa respecto del estado del aislamiento de conductos, tuberías y válvulas. La inspección del estado del material de aislamiento que rodea las tuberías puede ser vital para optimizar energía en distintas instalaciones.
La técnica para medir el factor anterior consiste en verificar la temperatura de los elementos de la instalación a partir de la radiación infrarroja emitida por ellos. Su mayor ventaja es que se realiza con la instalación en servicio, y sólo basta una carga discreta para que los resultados ofrezcan confianza.
Los valores obtenidos en la medición se extrapolan a las condiciones de referencia. La información proporcionada es muy clara, con fotografías térmicas y convencionales para que las acciones correctivas no ofrezcan duda.
Ahora bien, las pérdidas de calor por un aislamiento defectuoso se detectan con mucha claridad en la termografía, lo que permite reparar rápidamente el aislamiento y evitar importantes pérdidas de energía u otros daños.
Las válvulas de proceso son otro buen ejemplo de equipamiento de tuberías que se suele inspeccionar con cámaras termográficas. Además, para la detección de fugas, una cámara termográfica también se puede utilizar para determinar si la válvula se encuentra abierta o cerrada, incluso a distancia.
Una actividad más en la que se emplea este método es la visualización óptica de gases, que presenta varios beneficios en comparación con el uso de los tradicionales sniffers, ya que pueden supervisar un área más amplia más rápidamente y en zonas de difícil acceso para herramientas de medida por contacto. Lo anterior es posible gracias a que el infrarrojo muestra la fuga con una pluma de vapor en la imagen infrarroja; una vez encontrada, se puede cuantificar, incluso, su concentración.
Una aplicación más se puede encontrar en una gran variedad de industrias donde se emplean hornos y calderas en sus procesos; sin embargo, las tuberías refractarias de hornos, calderas, estufas, incineradoras, equipos de craqueo y reactores tienden a la degeneración y a la pérdida de rendimiento. Mediante el uso de una cámara termográfica, el material refractario dañado y la correspondiente pérdida de calor se pueden localizar con facilidad, puesto que la transmisión de calor se observará claramente en la termografía.
Los intercambiadores de calor también se pueden inspeccionar para detectar conductos obstruidos. No obstante, el equipamiento de hornos y calderas también suele presentar fallas en otros mecanismos. Algunos ejemplos de esto son el coque que penetra en las tuberías y obstruye el flujo del producto; la acumulación de escoria en el exterior de los tubos; el recalentamiento y el calentamiento inferior al deseado; el impacto de la llama en las tuberías por una alineación incorrecta del quemador, y fugas de producto que se inflaman y provocan daños graves en el equipo.
El ambiente interior tiene un efecto considerable sobre la sensación de bienestar y confort. Las bajas laborables por enfermedad en una empresa se deben, en gran parte, a un ambiente interior erróneo. La termografía puede ofrecer información valiosa acerca del estado de las salidas de aire acondicionado, radiadores o sistemas de ventilación, y dicha información que proporciona la cámara permite optimizar los ambientes de trabajo y evitar lugares expuestos a corrientes de aire.
Por otra parte, el moho no afecta únicamente a las construcciones, también suponen riesgos para la salud y provocan alergias a los ocupantes. Las esporas del moho poseen las mejores condiciones de crecimiento cuando la humedad del aire ambiente se reúne y llega a precipitarse en forma de gotas. Tanto las substancias minerales de la pared como los papeles pintados son excelentes medios de cultivo para los hongos. Gracias a las nuevas tecnologías que incorporan algunas cámaras, la visualización de puntos de condensación es más fácil de identificar, ya que en pantalla, mediante una alarma de color en la imagen, se muestran los puntos amenazados por enmohecimiento, así como las zonas que están o pueden estar afectadas.
Consideraciones al adquirir una cámara
La compra de una cámara termográfica es una inversión a largo plazo. Desde el momento en que se comienza a utilizar, la seguridad de instalaciones completas y del personal puede depender de ella, por lo que hay que tomar en cuenta algunas características:
Equipamiento
Cada usuario tiene necesidades distintas. Por ello, es muy importante que el fabricante pueda ofrecer una gama completa de cámaras termográficas, desde modelos básicos económicos, hasta modelos avanzados de gama alta, para que se pueda elegir el que se ajusta mejor a las diversas necesidades
Software
Independientemente del uso que se le dé a las cámaras termográficas, será necesario un software para analizar las termografías y crear informes de las conclusiones para los clientes o la dirección. Por tal motivo, se debe elegir una cámara termográfica que se pueda combinar con el software adecuado para su aplicación
Accesorios
Al comenzar a utilizar una cámara termográfica y descubrir todas las ventajas que ofrece, es posible que las necesidades cambien. Así pues, es preciso que el sistema se adapte a dichas necesidades. El fabricante debe ofrecer distintos tipos de lentes, pantallas, entre otros componentes
Mantenimiento
Aunque la mayor parte de las cámaras termográficas que se usan para inspecciones predictivas no necesitan mantenimiento, es recomendable que se disponga de un centro de mantenimiento cercano, en caso de que algo le ocurra a la cámara. Las cámaras termográficas también se deben volver a calibrar cada cierto tiempo. En ambos casos, en lugar de tener que enviar la cámara al otro extremo del mundo, es preferible contar con un centro de reparación cercano para volver a disponer de la cámara en el menor tiempo posible
Formación
La termografía no se limita a saber cómo se maneja la cámara; es preciso elegir un proveedor que pueda ofrecer una buena formación y asistencia para aplicaciones cuando sea necesario
Inspecciones térmicas
Enumerar el equipamiento que desee supervisar será el primer paso por seguir en una inspección. En muchos contextos corporativos, esa lista ya se encuentra disponible; lo único que se debe hacer es eliminar aquellas entradas de la lista que no son adecuadas para inspecciones termográficas.
El siguiente paso consiste en asignar prioridades en la lista. Casi todas las empresas conservan registros de mantenimiento y producción que muestran qué equipamiento tiene una mayor tendencia a fallar y, por tanto, debe ser inspeccionado más cuidadosamente.
El equipamiento esencial se debe supervisar con más frecuencia y atención que el equipamiento que puede permanecer temporalmente fuera de servicio sin afectar la funcionalidad del proceso completo. Basándose en esta información, se pueden comenzar a programar las inspecciones térmicas.
Antes de comenzar a diagnosticar los problemas de un equipamiento, se requiere contar con material de referencia; por lo tanto, es recomendable que se realicen termografías de todo el equipamiento por inspeccionar.
Esto se debe realizar durante el funcionamiento normal, y en ciertos casos es posible que deban realizarse varias termografías de una sola pieza del equipamiento, especialmente si tiene componentes esenciales o subsistemas con tendencia a fallar. Tales imágenes servirán como material de referencia inicial, por lo tanto, resulta imprescindible documentar.
Cuando se disponga de una base de datos de imágenes de referencia, se puede determinar qué temperaturas son aceptables para cada pieza del equipamiento y definir un umbral de alarma de temperatura.
Si se han realizado y documentado correctamente todas las mediciones de temperatura de referencia, es factible comenzar a inspeccionar el equipo. Si una pieza del equipamiento está lista para la inspección térmica, se establece la alarma de temperatura correcta e inicia la inspección. Si la alarma se activa, esta pieza del equipamiento será analizada a detalle.
Habrá que considerar que la alarma de temperatura no implica que no sea necesario analizar con atención las termografías, pues el operador de la cámara necesita comprender la física de la tecnología termográfica y el funcionamiento del equipamiento inspeccionado.
Cuando se haya inspeccionado todo el equipo, hay que volver a la oficina para realizar el análisis de las imágenes y resumir las conclusiones en un informe.
La compra de una cámara infrarroja cambia de persona a persona. Para algunos, el costo tendrá una posición más dominante, mientras que para otros, algunas características clave o el deseo de crecer en la carrera profesional a través de entrenamientos acreditados podrán ser más importantes. La mayoría, sin embargo, espera un alto nivel de calidad y valor.
En general, existen dos requerimientos para generar resultados reproducibles, exactos y precisos. Es indispensable que existan correcciones en una cámara, tanto para emisividad como para temperatura reflejada. Si se compra una cámara infrarroja que no tenga en la pantalla o configuración un lugar para capturar los valores de emisividad y temperatura reflejada, seguramente los reportes más críticos serán incorrectos. Así como en la compra de una cámara digital, cuantos más pixeles ofrezca, mayor resolución tendrá, y por lo tanto, más nitidez.
Otro factor por considerar es la facilidad para manipular la batería, pues esto se traducirá en menos pérdida de tiempo. Es mejor comprar una cámara infrarroja que permita insertar o quitar una nueva batería; si se compra una cámara infrarroja con un compartimiento de batería sellado, entonces se deberá preparar la cámara para retornarla al fabricante en caso de tener un problema o de que se necesite instalar una nueva batería.
La exportación de imágenes en formato JPEG es otro punto por considerar; de esta manera no será necesaria la adquisición de un software. Igualmente, es preferible buscar un equipo ergonómico y ligero, porque una cámara que pesa mucho puede causar dolores en los brazos y espalda del operador.
La interfaz física de las cámaras infrarrojas es fundamental para su facilidad de uso. Aunque esto parezca una paradoja, es común que un botón de más o un teclado puedan tornar la utilización más sencilla. Algunas cámaras infrarrojas también poseen funcionalidad de teclados (o bien pantallas táctiles).
Algunas cámaras infrarrojas requieren diversos pasos para llevar a cabo una tarea sencilla, y algunas operaciones sencillas las podrán dificultar por medio de menús difíciles de utilizar, por lo que conviene probar el equipo con el objetivo de conocer su funcionamiento y disipar dudas.
Las cámaras infrarrojas ven en la oscuridad, pero las cámaras visuales requieren condiciones de buena iluminación y alta resolución para que se generen imágenes nítidas y claras. A fin de documentar correctamente un trabajo se necesitarán ambas imágenes, por lo que la iluminación se convierte en un factor valioso en lugares con poco acceso de luz.
La seguridad, la conveniencia y la facilidad de uso se pueden complementar con un puntero de rayo láser integrado, y en el mercado existen modelos con esta característica extra, lo que permitirá tener las manos libres y lejos de cualquier peligro en caso de evaluar una zona crítica; también servirá para apuntar un área de interés e indicarla a algún compañero, supervisor o cliente. Puede ayudar a orientar un objetivo con precisión y ver hacia dónde se dirige la lente de la cámara infrarroja. Lo anterior es ideal para que se obtenga mejor certeza en entornos oscuros, aun cuando se está cerca del objetivo.
Actualmente, la mayoría de las cámaras infrarrojas vienen con un software gratuito para hacer el análisis de sus imágenes, el cual ayuda en la creación de reportes o informes. Éstos generalmente se presentan a clientes consumidores y comerciales en una amplia gama de inspecciones, tales como auditoría de energía, inspecciones eléctricas, investigación para detección de fugas de gas, análisis de revestimientos e investigaciones de mantenimiento predictivo.
Los programas freeware o software gratuito representan un nivel de introducción útil, aunque muchas personas descubren rápidamente que necesitan de más funciones en el mismo software; para ello, será preciso buscar actualizaciones y capacitación, por lo que es vital tomarlo en cuenta.
Otro aspecto es el aseguramiento del manejo de una imagen que permita mover la caja térmica alrededor o cambiarla de tamaño, ya sea hacerla mayor o hacerla menor. Las capacidades de fusión más avanzadas permiten que se alargue y se redimensione el PIP térmico utilizando un puntero directamente en la pantalla, así que se debe cuidar este aspecto.
En un nivel superior, algunas cámaras infrarrojas permitirán la selección de una combinación de imágenes visibles y térmicas en una imagen compuesta, a lo que comúnmente se le llama isoterma y puede traer resultados excepcionales.
Finalmente, contar con una cámara con un amplio rango de temperaturas será de gran utilidad, gracias a que la operación será más eficiente al momento de inspeccionar.
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Alejandro Jáuregui Saavedra
Es ingeniero en Control y Automatización por el Instituto Politécnico Nacional. Dentro de su trayectoria profesional ha tenido una sólida formación en el diseño, construcción, conservación y mantenimiento de dispositivos, equipos y sistemas de control industrial. Tiene, además, un amplio conocimiento en software especializado y una gran experiencia en el control de procesos, así como en la generación y desarrollo de proyectos. Actualmente es asistente Directivo en Dominion Industrial y ofrece capacitación en cámaras termográficas FLIR.
