Comprendiendo el espectro electromagnético y la radiación infrarroja

Para comprender el concepto de la termografía infrarroja, empecemos entendiendo estos principios fundamentales. El espectro electromagnético abarca una amplia gama de radiación, desde ondas de baja frecuencia como las ondas de radio hasta ondas de alta frecuencia como los rayos gamma. En medio de este espectro encontramos las ondas de luz visible que nuestros ojos pueden detectar. Sin embargo, más allá del espectro visible, existen otras formas de radiación invisibles para nosotros, como la radiación infrarroja.

La radiación infrarroja, también conocida como IR, es un segmento del espectro electromagnético ubicado justo después de la luz visible. Este tipo de radiación se caracteriza por su capacidad de transportar energía térmica y su interacción única con la materia. Cuando la temperatura de un objeto supera el cero absoluto (-273.15°C), este emite radiación infrarroja proporcionalmente a su temperatura. Cuanto más caliente está el objeto, más intensa es la radiación infrarroja emitida.

La termografía infrarroja aprovecha las propiedades de la radiación infrarroja para capturar imágenes térmicas de objetos y superficies. Los sistemas de termografía utilizan cámaras sensibles al infrarrojo para convertir las diferencias de temperatura en imágenes visibles, donde los colores representan niveles de calor variables. Estas imágenes térmicas permiten visualizar patrones de temperatura en tiempo real y brindan información valiosa sobre el comportamiento y estado de materiales, estructuras y equipos.

Es importante destacar que la termografía infrarroja tiene aplicaciones extensas en diversas industrias. Desde inspecciones de mantenimiento predictivo de maquinaria hasta diagnósticos en proyectos de construcción e identificación de problemas en sistemas eléctricos y electrónicos, la termografía infrarroja se ha convertido en una herramienta indispensable para optimizar procesos y evitar fallas costosas.

En conclusión, comprender el espectro electromagnético y la radiación infrarroja constituye la base para entender cómo la termografía infrarroja puede revelar información valiosa normalmente invisible a nuestros ojos. Mediante esta técnica podemos identificar anomalías térmicas, reducir el desperdicio de energía y tomar decisiones informadas en entornos industriales y de mantenimiento.

La Física detrás de la transferencia de calor y la termodinámica

La transferencia de calor y la termodinámica también son fundamentales para entender el funcionamiento de la termografía infrarroja.

La transferencia de calor es el proceso mediante el cual la energía térmica se desplaza de un objeto o sistema a otro debido a una diferencia de temperatura. Existen tres formas principales de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

En la conducción, el calor fluye a través de un medio sólido, como el calor que viaja por una barra de metal caliente. En la convección, el calor se transfiere mediante un fluido, como aire caliente ascendiendo desde una fuente de calor. Finalmente, en la radiación, el calor se transmite en forma de ondas electromagnéticas, como la radiación infrarroja utilizada en termografía infrarroja.

La termodinámica es la rama de la física que estudia las propiedades del calor y su conversión en trabajo mecánico. En termografía infrarroja nos centramos principalmente en dos leyes fundamentales de la termodinámica:

La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de conservación de la energía, establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo puede cambiar de forma. Esto implica que la energía térmica en un sistema se conserva, transfiriéndose únicamente de un lugar a otro.

La segunda ley de la termodinámica se relaciona con la dirección del flujo de calor y la eficiencia en convertir calor en trabajo. Esto permite comprender cómo se distribuye el calor en un objeto o sistema y cómo afecta su desempeño y eficiencia.

Conocer estos principios físicos es necesario para realizar termografías efectivas y precisas. Al entender cómo se transfiere el calor en objetos o estructuras, podemos interpretar correctamente las imágenes térmicas obtenidas durante una inspección e identificar áreas de interés, como puntos calientes o anomalías térmicas, que pueden indicar problemas potenciales en equipos o sistemas.

Conceptos básicos relacionados con los principios de la termografía infrarroja

La Termografía Infrarroja considera los principios básicos de la física, enfocándose en la termodinámica y el electromagnetismo.

Energía

Todos los objetos poseen energía potencial y energía cinética. La energía potencial es aquella almacenada en los objetos, como la energía eléctrica. La energía cinética es la energía del movimiento, como la energía cinética molecular, que permite la vibración molecular y define el estado del material.

Energía interna o energía térmica

La energía interna es la suma de la energía cinética y la energía potencial eléctrica.

Temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas en relación con el instrumento utilizado para medirla. Define el estado de un cuerpo en cuanto a su capacidad para transferir energía a otros. La temperatura depende de la energía cinética promedio por molécula, mientras que la Energía Térmica Interna total es la suma de toda la energía cinética aleatoria de las moléculas.

En ciencia, la medida estándar de temperatura está basada en la escala de temperaturas absolutas, donde el cero representa la temperatura teórica en la cual cesa todo movimiento molecular. En el Sistema Internacional, las unidades se expresan en Kelvin. Para convertir temperaturas de Celsius a Kelvin, podemos usar la siguiente fórmula:

K = °C + 273.15

Calor

El calor se define como energía cinética en tránsito debido a la diferencia de temperatura de las moléculas, según la Segunda Ley de la Termodinámica. Cuando esta energía deja de fluir, se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. El calor se expresa en unidades de energía Joules (J) en el Sistema Internacional. El Joule está relacionado con otras unidades previamente usadas para el calor, como las calorías y la Unidad Térmica Británica (BTU).

1 cal = 4.186 J
1 BTU = 1055 J

Transferencia de calor

La transferencia de calor es el proceso mediante el cual la energía térmica se mueve de un objeto o sistema a otro debido a una diferencia de temperatura. La teoría de transferencia de calor implica fundamentalmente el entendimiento y aplicación de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica. En resumen, la transferencia de calor es el mecanismo mediante el cual la energía térmica se transfiere entre objetos o sistemas, siguiendo los principios de conservación de energía y el flujo natural de calor de regiones calientes hacia regiones frías.

Puntos calientes (Hotspots)

Un punto caliente es una zona en el termograma que indica una temperatura más alta que el resto del termograma. Los puntos calientes se generan físicamente por un incremento de resistencia en el área de contacto, donde también aumenta la potencia disipada. Esto se conoce como el efecto Joule y se gobierna por la siguiente ley:

P = I² × R

Los puntos calientes generan ciclos de incrementos de temperatura que pueden llevar a la falla de los componentes involucrados. El momento exacto en que esto puede ocurrir es impredecible; sin embargo, la Termografía Infrarroja ofrece un servicio predictivo que permite una identificación oportuna.

Una alta temperatura ambiental puede ocultar los puntos calientes cubriendo todo el objeto, mientras que una baja temperatura ambiental puede enfriarlos por debajo de un umbral predeterminado. Estos patrones causados por la luz solar no deben confundirse con los generados por transferencia de calor. Además, el flujo de aire enfría el material superficial, reduciendo las diferencias de temperatura entre áreas calientes y frías. Los mecanismos que permiten la transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro se rigen por los principios de conducción, convección y radiación.

Conducción

En la Termografía Infrarroja, la conducción es una forma de transferencia de calor que ocurre a través de un medio sólido, similar al calor que viaja por una barra metálica caliente. Implica la transferencia de energía térmica desde regiones de temperaturas más altas hacia regiones de temperaturas más bajas mediante contacto físico entre moléculas, alcanzando un equilibrio térmico donde la energía y temperatura se vuelven uniformes a través del material. Tanto la diferencia de temperatura como el material mismo juegan papeles importantes en este proceso. La conducción es única ya que es el único mecanismo de transferencia de calor que puede tener lugar en un sólido, líquido o gas siempre que exista una diferencia de temperatura presente.

En muchos casos, la energía medida en la primera milésima de pulgada de una superficie resulta de la conducción. La Ley de Fourier para la conducción nos permite deducir que la conductividad (k) y el espesor del material (d), o la distancia que debe viajar la energía, influyen en la diferencia de temperatura observada (∆T) en la superficie del objeto:

q' = -k × ∆T/d

Convección

En la termografía infrarroja, la convección es un método de transferencia de calor que ocurre a través de un fluido, como el aire caliente que asciende desde una fuente de calor. La convección implica la transferencia de energía desde regiones de mayor temperatura hacia regiones de menor temperatura a través del movimiento de un fluido. Este proceso incluye diferencias de temperatura, un medio fluido y diferencias de presión. A diferencia de la conducción, la convección implica la transferencia de calor mediante el movimiento de moléculas dentro de un fluido o entre un sólido estacionario y un fluido en movimiento.

La convección representa un desafío para la termografía infrarroja, ya que interrumpe la mayoría de los modelos térmicos en la superficie de los objetos, haciendo que esta técnica sea menos efectiva en algunos casos. Además, puede reducir la radiación detectada por la cámara, haciendo que problemas de temperatura leve desaparezcan completamente de la imagen térmica. Asimismo, la convección tiende a disminuir no solo la temperatura absoluta calculada sino también la diferencia de temperatura calculada entre componentes.

En termografía infrarroja, la convección se identifica como una imagen térmica tenue y desigual. En el caso de una zona calentada por convección, el termograma puede aparecer en forma de llama, sin límites claros de los objetos. Debido a sus efectos sobre la imagen térmica y la distorsión que causa en las mediciones de temperatura, la convección es un factor que debe considerarse cuidadosamente y ser compensado durante las inspecciones infrarrojas.

Radiación

La radiación térmica es la radiación electromagnética emitida por un objeto como resultado de su temperatura; no requiere la presencia de un medio material y es estrictamente un fenómeno superficial. Consiste en la emisión de energía a través de ondas electromagnéticas alternantes.

Radiación infrarroja

La radiación infrarroja es la emisión de energía a través de un gas o vacío desde todos los objetos cuya temperatura está por encima del cero absoluto, usando ondas electromagnéticas alternantes. Esta transferencia de energía desde objetos (sólidos o líquidos) con temperaturas más altas hacia objetos (sólidos o líquidos) con temperaturas más bajas se conoce como transferencia de energía por radiación electromagnética. La radiación electromagnética se genera por la aceleración y desaceleración de partículas atómicas cargadas. La energía electromagnética se transporta como una onda con velocidad, longitud de onda (λ) y frecuencia (f). Todas las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (c), que es una constante conocida de 3×10⁸ metros/segundo, descrita por la siguiente fórmula:

λ = c / f

La longitud de onda de la zona infrarroja del espectro electromagnético se encuentra entre 1 y 1000 micrones. Todos los cuerpos por encima del cero absoluto emiten continuamente energía infrarroja mediante radiación electromagnética y ganan energía cuando están en presencia de un medio adecuado al absorber radiación infrarroja proveniente de otros objetos. La radiación infrarroja no penetra más allá de una milésima de pulgada en la mayoría de los materiales sólidos o líquidos.
La radiación infrarroja viaja a través de gases y el vacío. Si proviene del sol, puede afectar la calidad de la medición debido a reflejos en componentes metálicos y sobrecalentamiento de los componentes.

Los instrumentos desarrollados para la Termografía Infrarroja, conocidos como cámaras térmicas, solo "detectan" la radiación infrarroja; no miden directamente temperaturas, sino que miden la energía térmica radiada y convierten esta información en valores de temperatura.
La energía total irradiada (ETI) percibida por un sistema infrarrojo puede tener como fuente emisión (E), radiación (R) y transmisión (T). Por tanto, la energía incidente en su detector y que forma la imagen en su pantalla puede expresarse como:

ETI = E + R + T = 1 unidad o 100%

En realidad, la mayoría de los objetos observados no tienen un valor de transmisión, por lo que podemos usar la fórmula como:

ETI = E + R = 1 unidad o 100%

El estudio de la radiación infrarroja se basa en teorías y leyes relacionadas con un objeto teórico conocido como cuerpo negro.

Un cuerpo negro es un objeto teórico que emite la máxima cantidad de energía en todas las temperaturas y longitudes de onda. Por lo tanto, es un emisor y absorbente perfecto de energía.

Las leyes de radiación infrarroja se basan en el comportamiento de un cuerpo negro.

Ley de Stephan-Boltzmann (Joseph Stephan 1879, Ludwig Boltzmann 1884).
Stephan y Boltzmann determinaron que la cantidad de energía radiada por un objeto es proporcional a la temperatura del objeto (en Kelvin) elevada a la cuarta potencia. Esto significa que un pequeño cambio en la temperatura representa un gran cambio en la energía radiada, explicando por qué los sistemas infrarrojos son tan sensibles a pequeños cambios de energía. La fórmula para determinar la cantidad de energía emitida por un objeto debido a su temperatura absoluta es:

Q = 5.67×10^-8×T⁴

Ley de Viena (1893).
La Ley de Viena determina la longitud de onda, en micrones, en la cual un objeto emite la máxima cantidad de energía a una temperatura específica en Kelvin:

λ^max = 2898 / T(Kelvin)

Ley de Planck (1900).
La Ley de Planck describe la distribución espectral de la energía emitida por un objeto a cualquier temperatura específica y en todo el rango de longitudes de onda. Se representa gráficamente mediante las llamadas curvas de Planck.

Emisividad

Comprender el concepto de emisividad y su aplicación en las mediciones con termografía infrarroja está directamente relacionado con la precisión de las mediciones de temperatura. Los objetos con distintos materiales y condiciones superficiales tienen valores diferentes de emisividad, lo cual influye en la cantidad de radiación térmica que emiten. Si no se toma en cuenta la emisividad, las imágenes térmicas pueden proporcionar información errónea y llevar a diagnósticos incorrectos. Por lo tanto, dominar el concepto de emisividad aumenta la habilidad analítica y la precisión diagnóstica. Comprender la emisividad es esencial para realizar cálculos precisos de temperatura y análisis térmicos confiables. Al considerar la emisividad en la termografía infrarroja, garantizamos resultados más exactos y mejoramos nuestra capacidad para diagnosticar e interpretar eficazmente los patrones térmicos.

En el contexto de la termografía infrarroja, la emisividad se refiere a la capacidad que tiene un objeto de emitir radiación térmica en comparación con la de un cuerpo negro perfecto a la misma temperatura y longitud de onda. La emisividad (ε) es la relación entre la energía emitida por un objeto y la emitida por un cuerpo negro a igual temperatura y longitud de onda. Dicho de otro modo, representa la relación entre la radiación emitida por un cuerpo negro a una determinada temperatura y la radiación emitida por la máquina o componente analizado a esa misma temperatura. La emisividad se expresa mediante la fórmula:

Emisividad = (Radiación emitida por el objeto a la temperatura T) / (Radiación emitida por un cuerpo negro a la temperatura T)

Por lo tanto, la emisividad es una expresión de la capacidad de un objeto para emitir energía infrarroja. Dos objetos pueden estar físicamente a la misma temperatura, pero el termograma los muestra con temperaturas diferentes. Esto se debe a la diferencia de emisividad entre ambos objetos. Los objetos que se detectan fácilmente con cámaras infrarrojas son considerados buenos emisores y tienen una emisividad cercana a la unidad (ε ≈ 1). Por el contrario, los objetos que son difíciles de detectar con una cámara infrarroja son malos emisores y tienen una emisividad cercana a cero (ε ≈ 0).

Un cuerpo negro es un objeto con una emisividad igual a 1. Un emisor real o espectral tiene una emisividad inferior a 1 y mayor que 0, mientras que un espejo perfecto tiene un 100 % de reflexión y, por lo tanto, una emisividad igual a 0.

La emisividad de un objeto está determinada por las siguientes características:

• Tipo de material del objeto.
• Condiciones y acabado superficial del material (pulido, oxidado, etc.).
• La temperatura del objeto.
• Longitud de onda.
• Geometría de la superficie (efectos de cavidad, etc.).

Las características principales que afectan la emisividad son el tipo de material del objeto y la condición de la superficie. Los valores de emisividad pueden variar de un material a otro. Los metales con superficies rugosas u oxidadas generalmente presentan una emisividad más alta en comparación con las superficies pulidas.

La piel humana se comporta como un excelente emisor natural, asemejándose mucho a un cuerpo negro con una emisividad de 0.98. Por otro lado, el papel de aluminio se comporta más como un espejo, con una emisividad que puede ser inferior a 0.04. Existe una relación entre la emisividad y la reflectividad, que para cuerpos opacos se establece de la siguiente manera:

Emisividad + Reflectividad = 1.0

Por lo tanto, un material altamente reflectante será un pobre emisor de energía infrarroja, presentando una baja emisividad. En aplicaciones prácticas, al determinar la emisividad usando un sistema infrarrojo, es necesario utilizar una cámara de termografía infrarroja con la misma longitud de onda que se utilizará para los cálculos de temperatura. Además, el objeto, el entorno y el fondo deben estar a diferentes temperaturas para obtener mediciones precisas. Comprender estos principios sobre la emisividad es fundamental para realizar inspecciones precisas con termografía infrarroja e interpretar eficazmente los patrones térmicos como analistas experimentados en termografía infrarroja.

Prueba de emisividad (ISO 18431-1): Para determinar la emisividad desconocida de un objeto.

• Coloque una cinta negra (ε ≈ 0.95) sobre el objeto cuya emisividad se desconoce. Permita que pasen unos minutos para que se alcance el equilibrio térmico, tiempo durante el cual la cinta adquiere la misma temperatura que el objeto.
• Calibre el equipo desde su menú interno antes de medir la temperatura de la cinta.
• Mida la temperatura de la cinta ajustando la emisividad del termograma a 0.95, registrando el valor de temperatura obtenido.
• La lectura anterior puede etiquetarse como Punto A, siendo conocidos tanto los valores de emisividad como de temperatura. Un segundo punto, Punto B, tendrá una temperatura conocida porque la cinta habrá adquirido la temperatura del objeto.
• Apunte el instrumento al objeto y localice el Punto B utilizando el puntero en la pantalla de la cámara termográfica. Ajuste la emisividad del objeto hasta que el valor de temperatura coincida con el obtenido en el Paso 3.

Esta prueba debe repetirse al menos tres veces para asegurar la validez de los valores obtenidos. El cumplimiento de procedimientos estandarizados y la precisión en los cálculos de emisividad son esenciales para obtener datos termográficos confiables durante nuestras inspecciones.

Reflexión ambiental

La reflexión es un factor crítico que impacta significativamente en la precisión de los cálculos de temperatura al analizar imágenes térmicas o termogramas. Introduce valores falsos de temperatura que representan la energía radiada desde el fondo, energía reflejada en el objeto y dirigida hacia la lente del sistema infrarrojo.

Para abordar este problema, la norma ISO 18434-1 establece un método directo para medir la reflexión:

1. Identifique el área del objeto desde la cual se origina la reflexión.
2. Ajuste el valor de emisividad de la cámara a 1.
3. Utilice la función de medición puntual, medidor puntual, isotermas o selección de área para determinar la temperatura promedio del fondo en dicha área.
4. Introduzca esta temperatura falsa en la función de reflexión ambiental de su sistema.

Al aplicar este método, cuando el objeto y el fondo ambiental están a la misma temperatura, la emisividad aparente tiende a ser cercana a la unidad. Comprender y considerar la reflexión en nuestras mediciones es crucial para garantizar lecturas precisas y confiables de temperatura, lo cual conduce a diagnósticos más exactos y un análisis térmico efectivo en diversas aplicaciones.