apuntes termografia infrarrojo

MANTENIMIENTO PREDICTIVO I

TERMOGRAFIA

Documento preparado por el profesor Ing. Jorge Marín basado en la bibliografía: Apuntes del centro de documentación de la Universidad Téc. de Chile-Inacap; Segmentos de memoria de título de Carlos Alberto Núñez Uribe, Univ. Téc. Federico Santa María, gráficos de www.wikipedia.com

Apuntes solo para uso académico de los alumnos asistentes a la asignatura de Mantenimiento Predictivo I, Semestre Primavera 2010.-


TERMOGRAFÍA INFRARROJA La temperatura y el comportamiento térmico de la maquinaria es un factor crítico en el mantenimiento industrial. La medición de temperatura por NO contacto usando sensores infrarrojos ha llegado a ser una alternativa creciente sobre otros métodos convencionales. La Termografía o imágenes térmicas infrarrojas se utilizan como un método eficaz de ensayo no destructivo y forma parte importante del mantenimiento predictivo. Teoría del infrarrojo Calor y temperatura: Los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: • La temperatura , es una propiedad de los cuerpos (actividad molecular). • El calor , es energía en tránsito, que fluye desde un cuerpo de mayor temperatura

hacia otro de menor temperatura TRANSMISIÓN DE CALOR El flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas se llama transmisión de calor, y se produce de tres formas: Conducción : En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a diferentes temperaturas.

Por ejemplo, al introducir una cuchara de metal en café caliente, se tendrá después de algunos minutos, que la parte inferior en contacto con el café se calienta como también la superior, aunque esta última no toque el líquido. La conducción del calor significa transmisión de

energía entre sus moléculas Convección : La convección transfiere calor por medio del intercambio de moléculas frías y calientes. Es la forma en que se transmiten las diferencias de temperatura en los gases y líquidos. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir, el fluido más caliente (menos denso) asciende, mientras que el fluido más frío (más denso) desciende.

Fuente:/www.senaelectricity.com



Radiación: Si aislamos completamente un cuerpo caliente de cualquier otro que pueda estar en contacto con el (es decir, hacemos vacío) podemos comprobar que la temperatura también disminuye con el tiempo y que el cuerpo pierde energía. El tipo de transmisión de energía registrado en estos casos es completamente distinta a los dos anteriores y se conoce con el nombre de radiación térmica o radiación infrarroja. Este tipo de radiación es emitida en forma de ondas por todos los cuerpos (sólidos, líquidos y gases) que están sobre el cero absoluto (-273.145°C o O Kelvin). ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

Nuestros ojos son sensores diseñados para detectar luz visible (o radiación visible). Existen otras formas de luz (o radiación) que no podemos ver. El ojo humano sólo puede ver una pequeña parte del espectro electromagnético. En uno de los extremos del espectro no podemos ver la luz ultravioleta, mientras que en el otro nuestros ojos no pueden ver la infrarroja.

Las radiaciones infrarrojas se encuentran entre las zonas visibles e invisibles del espectro electromagnético. La principal fuente de radiación infrarroja es el calor o radiación térmica. Cualquier objeto que tenga una temperatura por encima del cero absoluto (-273,15 ºC ó 0 K) emite una radiación en la zona de infrarrojos. Incluso aquellos objetos que pensamos pudieran estar muy fríos como el hielo, emiten radiación. Estamos expuestos a la radiación infrarroja cada día. El calor que sentimos del sol, de un fuego o de un radiador también es infrarrojo. Aunque nuestros ojos no pueden verlo, los nervios de nuestra piel pueden sentirlas como calor. Cuanto más caliente esté el objeto, mayor cantidad de radiación infrarroja emitirá.

EMISIÓN TÉRMICA DE LOS CUERPOS NATURALES Temperatura radiativa de un cuerpo: Normalmente uno relaciona la medida de temperatura con un instrumento en contacto con un cuerpo determinado al que se le quiere medir la temperatura. En realidad, lo que se está haciendo es medir la temperatura cinética que es una manifestación interna de la energía de traslación promedio de las



moléculas del cuerpo. Sin embargo los cuerpos irradian energía en función de su temperatura. Esta energía emitida es una manifestación externa del estado de energía de dicho cuerpo, que puede ser detectado mediante técnicas de teledetección y usado para determinar la temperatura radiativa del cuerpo. Para manejar el concepto de radiación, es necesario definir algunos términos: Emisividad: Es un factor que describe la eficiencia de irradiar energía de un objeto en comparación con un cuerpo negro a la misma temperatura. Por lo tanto, la emisividad es una medida de la eficiencia con la que un objeto o superficie emite radiación infrarroja. No todos los cuerpos cuando aumentan su temperatura pueden irradiar energía de la misma forma, esta dependerá del tipo de material, de las condiciones superficiales que presente y de la temperatura. La emisividad se define como la razón entre la potencia emisiva de una superficie cualquiera (q) y la potencia emisiva de un emisor perfecto o cuerpo negro (qλ). En simples palabras es la relación entre la radiación realmente emitida y la emisión teórica de un cuerpo negro a la misma temperatura. Emisividad: ε =q/ qλ Sus valores se encuentran entre 1 y 0, y es un factor importante en la medición de temperatura superficial del objeto observado. Por lo general no se pueden esperar buenos valores en la medición de temperatura cuando la emisividad baja de un valor de 0.7. CUERPO NEGRO Se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación incidente sobre él, emitiendo la máxima cantidad de radiación, cuya emisividad es igual a la unidad, y a su vez es un radiador ideal de energía. Cuando un objeto está en equilibrio térmico con sus alrededores, irradia y absorbe energía con la misma rapidez, permaneciendo constante su temperatura. Cuando el cuerpo está más caliente que sus alrededores, irradia más energía de lo que absorbe, y por lo tanto, se enfría.

Fuente: www.wikipedia.com

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Absortividad α : Es la fracción de la radiación que es absorbida por un material.

Reflectividad Γ :Fracción de la radiación incidente reflejada por una superficie. Transmisividad Τ :Fracción de la radiación transmitida por un material. Flujo radiante: Cantidad de energía radiante emitida, transmitida o recibida por unidad de tiempo. Densidad de flujo radiante Φ: Flujo radiante por unidad de área. Irradiancia : Densidad de flujo radiante incidente sobre una superficie. Emitancia radiante: Densidad de flujo radiante emitido por una superficie LEYES DE RADIACIÓN Leyes básicas de radiación, que son las siguientes: Ley de Stefan- Boltzmann Todos los objetos emiten energía radiante, cualquiera sea su temperatura. La rapidez con la cual un cuerpo emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

P=ε*σ*S*T4

Donde: P: Es la potencia radiada por el cuerpo en watts (w) σ: Constante de Stefan-Boltzmann

σ = 5,67x10-8

watt m2 K4

S: Es el área de la superficie del cuerpo

ε: Constante de emisividad la cual puede variar entre 0 y 1 dependiendo de las propiedades de la superficie. T: La temperatura en grados Kelvin. Ley de Planck Los objetos con mayor temperatura radian más energía por unidad de área que los más fríos. Por definición, un cuerpo negro es un absorbedor perfecto. Este también emite la máxima cantidad de energía a una temperatura dada. La cantidad de energía emitida por un cuerpo negro está únicamente determinada por la ley de Planck. En 1900, Max Planck descubrió una fórmula para la radiación de cuerpo negro en todas las longitudes de onda afirmando que la intensidad de radiación I (λ,T), es la energía en


unidad de tiempo por unidad de área emitida en un intervalo de longitud de onda, por un cuerpo negro a la temperatura absoluta T.

Donde I(λ,T): Es la densidad de flujo de energía por unidad de longitud de onda cuya unidad dimensional es

watt

m2 um

h : Es la constante de Planck, de valor h= 6.6256 x 10 -34

[W s2]

k : Es la constante de Boltzmann, de valor k = 1.38 x 10-23

[J K-1

]. Para cualquier curva de Planck, la emisividad espectral es 0 para X=0, aumenta rápidamente hasta alcanzar un máximo en Xmax para aproximarse a 0 nuevamente para valores de longitud elevados. Cuanto más alta sea la temperatura, el máximo de la curva se alcanza para longitudes de onda más corta. Fuente: www.eduspace.esa Ley de Wien Los cuerpos con mayor temperatura emiten un máximo de radiación en longitudes de ondas (λ) más cortas. Al aumentar la temperatura, la cantidad de energía aumenta. Se encontró que este desplazamiento obedece a la siguiente relación, llamada ley del desplazamiento de Wien:

λ max = 2897/ T Donde: λmax es la longitud de onda que corresponde al máximo de la curva, en mm, y T es la temperatura absoluta del objeto que emite la radiación. Esta fórmula expresa la observación común de que los colores varían desde rojo al naranja o al amarillo a medida que la temperatura del elemento radiante aumenta. La ley de Wien afirma que para la radiación de un cuerpo negro la longitud de onda de máxima emisión es inversamente proporcional a la temperatura absoluta. Ley de Kirchhof Existen tres fenómenos que impiden a los cuerpos reales comportarse como cuerpo negro, ellos son explicados por Kirchhof.


Cuando la energía radiante llega a un receptor, el cuerpo puede absorber y reflejar la radiación, y emitir lo que queda de está. En términos de la razón de radiación absorbida, reflejada y transmitida con respecto a la intensidad de radiación monocromática incidente en la capa, se tiene

α + Τ+Γ = 1,0 Donde: α : Es la absorsividad Γ: Es la reflectividad Τ: Es la transmisividad de la capa.

Figura: Cuerpo real Fuente: Pautas de Mantención Predictiva para el Sistema Eléctrico de Codelco Chile División Chuquicamata Aplicando la Técnica de

Termografía Autor Walter Torres Caballero – Ingeniero Ejecución Eléctrico UTFSM

Para un cuerpo negro α=1,0 ⇒ Γ=Τ=0 Para materiales opacos α + Γ =1,0 ⇒ Τ=0 Para trabajar con cuerpos reales, es necesario considerar la Emisividad.


Equipos de medición de temperatura por radiación En un principio, los pirómetros o cámaras termográficas leían la suma de las energías anteriormente descritas y, asumían que ese total de energía medida, era función de la temperatura real del objeto. Debido a lo anterior, es que la tecnología fue desarrollando y preocupándose de mejorar una serie de dispositivos y elementos tendientes a aislar tanto como sea posible la energía emitida por un objeto de la energía reflectada y de la energía transmitida Cámaras termográficas: La cámara infrarroja es un instrumento que no solo nos permite sensar la temperatura sin necesidad de contacto, sino que también permite obtener un cuadro o escena en el rango infrarrojo del espectro electromagnético a través de una imagen térmica o termográma. Las cámaras infrarrojas son clasificadas según el rango o respuesta espectral en que trabajan y el tipo de detector que utilizan.

Excepción termográfica: Una excepción termográfica corresponde a un punto, zona o componente en los que se han detectado temperaturas, por “sobre o bajo” las normales de funcionamiento, y por lo tanto representan anormalidad. Factores que afectan un análisis termográfico

• Transparencia del objeto a medir • La atmósfera • El viento • El sol • Variación de la carga en circuitos eléctricos

Transparencia del objeto a medir: Cuando se habla de objetos transparentes, de inmediato se asocia a vidrio, pero también se deben considerar películas plásticas de polietileno o poliéster. En el caso de la termografía. Si observamos un objeto en especial y ubicamos un vidrio o un acrílico entre el lente de la cámara infrarroja y el objeto, la energía irradiada proveniente del objetivo no podrá ser detectada por la cámara, debido a que el vidrio o el acrílico no permiten la transmisión del espectro infrarrojo (son opacos a la radiación infrarroja). Por el contrario son excelente transmisores en el espectro visible.


La atmósfera: Es importante tener presente las características del medio de transmisión que se encuentra en la trayectoria de las ondas infrarrojas provenientes del cuerpo en cuestión y el elemento de medición. Para la mayoría de los gases, incluyendo la atmósfera, estos absorben poca energía y pueden ser ignorados, sin embargo a medida que la distancia aumenta y considerando la densidad del aire, humedad relativa y temperatura ambiente, la Absorción puede ser un factor importante. Uno de los principales factores de atenuación es la presencia de vapor de agua en el ambiente, especialmente cuando se usan termómetros de banda ancha, esto es porque la porción ala que son sensibles estos equipos, coincide con la banda donde el vapor de agua absorbe radiación. Otros factores que atenúan la radiación son el humo, polvo, condensación de vapores y/o absorción de radiación por algunos gases. El viento: No es nuevo para nosotros que por medio de circulación de aire es posible disminuir la temperatura de componentes específicos como tableros eléctricos y mantenerlos dentro del rango de temperatura de funcionamiento. Por esta misma razón el viento puede afectar nuestras mediciones termográficas y en mediciones críticas se torna un factor importante. El sol: Básicamente los puntos expuestos directamente al sol, pueden causar falsas anomalías y/o esconder puntos calientes en una superficie que muestra temperatura uniforme. Variación de la carga en circuitos eléctricos: El efecto de calentamiento cuando se presenta una falla en circuitos eléctricos, se incrementa en términos generales con el incremento de la carga (Corriente del circuito eléctrico). La severidad de una excepción termográfica de un componente eléctrico viene dada por la diferencia de temperatura entre este y una misma componente expuesta a la misma carga. Una variación de carga producirá un variación no lineal de la diferencia de temperatura (xxxxxx) por lo tanto inducirá a una evaluación equívoca de la severidad de la falla. Ajustes El enfoque: Una imagen fuera de foco no permite determinar de forma correcta la temperatura del objeto. Este ajuste resulta crítico cuando se trata de pequeños elementos. Rango de temperatura: Este rango resulta muy importante de tener en cuenta al momento de la inspección, por que de el resulta la obtención de un correcto termográma y su posterior análisis. Una correcta elección del rango de temperatura nos permitirá observar lo que efectivamente tiene problemas Distancia: Cuando la distancia entre la cámara termográfica y el objeto a inspeccionar es muy grande, esto se traduce en una pérdida apreciable en la temperatura observada, este efecto es mayor mientras menor sea el objeto en cuestión.


La Termografía en el Mantenimiento Industrial Predi ctivo

La gran mayoría de los problemas y averías en el entorno industrial (ya sea de tipo mecánico y eléctrico) están precedidos por cambios de temperatura que pueden ser detectados mediante el monitoreo de temperatura con sistema de Termovisión Infrarroja. La implementación de programas de inspecciones termográficas en instalaciones, maquinaria, equipos eléctricos, etc. hace posible minimizar el riesgo de un falla de equipos y sus consecuencias, a la vez que también ofrece una herramienta para el control de calidad de las reparaciones efectuadas.

El análisis mediante Termografía infrarroja debe complementarse con otras técnicas y sistemas de ensayo conocidos, como pueden ser el análisis de aceites lubricantes, el análisis de vibraciones, ultrasonido y el análisis predictivo en motores eléctricos. Pueden añadirse los ensayos no destructivos clásicos: ensayos radiográficos, análisis de partículas magnéticas, líquidos penetrantes, etc.

Aplicaciones de la Termografía en Mantenimiento Pre dictivo Industrial El análisis mediante Cámaras Termográficas Infrarrojas, está recomendado para:

1. Instalaciones y líneas eléctricas de Alta y Baja Tensión. 2. Tableros, conexiones, bornes, transformadores, fusibles y empalmes eléctricos. 3. Motores eléctricos, generadores, bobinados, etc. 4. Reductores, frenos, rodamientos, acoplamientos y embragues mecánicos. 5. Hornos, calderas e intercambiadores de calor. 6. Instalaciones de Frío industrial y climatización. 7. Líneas de producción, corte, prensado, forja, laminado, sinterizado, tratamientos

térmicos, etc. Plantas eléctricas y de energía Las fallas en plantas eléctricas pueden ser detectadas tempranamente por el aumento de las temperaturas. Con la ayuda de la termografía estas áreas críticas pueden ser detectadas sin la interrupción del suministro de energía. No es necesario el contacto directo con el punto de medida. Realizar mediciones en partes excitadas de la planta es posible en la mayoría de los casos. El análisis con sistemas termográficos revelan las malas conexiones y contactos, así como componentes supercalentados tempranamente. Las imágenes termales permiten al usuario clasificar el daño y elegir el mejor tiempo para ejecutar el mantenimiento. Ventajas del Mantenimiento Predictivo por Termovisi ón

1. Método de análisis sin detención de procesos productivos, ahorra gastos asociados a los tiempos muertos.

2. Baja peligrosidad para el operario por evitar la necesidad de contacto con el equipo.

3. Determinación exacta de puntos deficientes en una línea de proceso. 4. Reduce el tiempo de reparación por la localización precisa de la Falla. 5. Facilita informes muy precisos al personal de mantenimiento. 6. Ayuda al seguimiento de las reparaciones previas.


Otras ventajas y aplicaciones

1. Permite detectar fugas de refrigerante o de vapor. 2. Permite detectar, en lozas de hormigón, columnas de acero o enfierraduras. 3. Detecta la tasa de transferencia de calor en materiales conductores y aislantes.

Alta Tensión

Oxidación de los conmutadores de alta tensión

Conexiones mal fijadas Defectos en aislantes

Conexiones sobrecalentadas Inspección en líneas de alta tensión

Conexiones de alta tensión defectuosas

Baja Tensión

Conexión de alta resistencia Daños en fusibles internos Mala conexión y daños internos

Corrosión en conexiones Fallos en ruptores internos Conexiones de cables sueltas


Mecánica

Sobrecalentamiento de motores

Bombas sobrecargadas Cojinetes calientes

Rodillos sospechosos Eje de motor sobrecalentado Motores eléctricos

Tuberías y aislantes

Tuberías obstruidas Purgador de vapor Rotura de aislantes

Inspección de chimeneas industriales

Aislamientos dañados Defectos en aislamientos

Edificios

Comprobación suelo radiante Defecto de aislamiento Humedades en muros


Ventana de vidrio sencillo entre ventanas con doble vidrio

Puentes térmicos Humedades en cubierta

Refractarios

Defecto de aislamiento Degradación del aislante Degradación del aislante

Rotura del refractante en hornos de cemento giratorios

Grietas en tubos de la caldera y formación de coke

Puntos calientes en hornos

Otras aplicaciones

Puntos calientes en robots de soldadura

Medida del nivel en depósitos Inspecciones en fabricas de papel

Inspección de componentes aeronáuticos

Inspecciones de piezas moldeadas

Distribución de temperaturas en pavimentos asfaltados


Electrónica

Fallo en chip para PC Fallo en una placa electrónica Tarjeta electrónica con sobrecalentamiento

Proceso

Detección de humedad en línea procesado de papel

Línea de extrusión de plástico Procesado de alimentos

¿Es el costo de una Inspección Infrarroja justifica ble?

Durante una inspección encontramos en promedio de 8 a 20 problemas, de los cuales un tercio de ellos son de severidad crítica, por lo cual acciones correctivas deben ser tomadas en un plazo no mayor a 30 días. Sobrepasado dicho plazo, la severidad de la falla (producto de las dilataciones térmicas excesivas o las pérdidas de eficiencia de los equipos) pueden acarrear problemas mayores a otros componentes. Aun no hemos considerado el gasto extra en energía eléctrica.

Para este tipo de inspección, siempre hay que considerar los alcances económicos que conlleva, es decir, hay que hacer el análisis de contratar un experto, con su correspondiente equipo, v/s la compra de un equipo analizador infrarrojo que será de propiedad de la planta. Incluya también, los costos asociados a las fallas súbitas producidas por problemas de aumento de temperatura en maquinaria que ocasionará paradas NO programadas con la correspondiente baja en la productividad debida a los “tiempos muertos”

Otro aspecto sensible de analizar, es el problema asociado a garantías de equipos nuevos. Las garantías, en el mayor de los casos NO se considera si la falla se produjo por mal uso del equipo o por un mantenimiento defectuoso. Caso similar ocurrirá en la eventualidad de un siniestro (incendio) en que las compañías de seguros pueden no hacer validas las pólizas si el incendio comenzó por un recalentamiento en un equipo que debía contar con los resguardos y protecciones adecuadas. Son estas, otras de las razones que hacen que el uso de la termografía sea una herramienta de gran utilidad dentro de las plantas industriales.

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