Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas

Equation Chapter 1 Section 1 Autor: Francisco Javier Rodríguez Atienza Tutor: Pedro Luis Cruz Romero Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Autor: Francisco Javier Rodríguez Atienza Tutor: Pedro Luis Cruz Romero Profesor Titular Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Proyecto Fin de Carrera: Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Autor: Francisco Javier Rodríguez Atienza Tutor: Pedro Luis Cruz Romero El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii A mis familiares A mis amigos ix Agradecimientos Después de unos duros años de sacrificio, esfuerzo y mucho tiempo invertido, agradecer a todas las personas que me han acompañado hasta este momento y que me han ayudado a avanzar y a crecer. Gracias a todas aquellas personas que han aguantado mis momentos de saturación, de frustración y de agobio, que han sido muchos. Pero también gracias por haber estado ahí para compartir las alegrías y disfrutarlas conmigo. A todas y cada unas de esas personas os doy las gracias de corazón porque sin vosotros nada de esto hubiera sido posible. Especial mención para mis padres, quienes siempre me han ayudado en todo lo que he necesitado y me han dado todas las facilidades necesarias para llegar hasta este momento, enseñándome a ser la persona que soy. Para mis amigos, quienes han sabido ayudarme a desconectar siempre que ha sido necesario y quienes han disfrutado de todas mis tonterías. Y para mis profesores, quienes me han enseñado desde lo más insignificante hasta lo más complejo. Por último, me hubiese encantado que mis abuelas hubiesen podido estar conmigo para compartir este momento y que viesen en quien me he convertido. Por todo el amor que me han dado, mi agradecimiento también va para ellas. Francisco Javier Rodríguez Atienza Sevilla, 2020 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3–1 Tipos de medida y rango de temperaturas. 32 Tabla 4-1. Temperaturas, en ºC, obtenidas del ensayo a 20 ºC con la cartulina negra. 38 Tabla 4-2. Temperaturas, en ºC, obtenidas del ensayo a 25 ºC con la cartulina negra. 39 Tabla 4-3. Temperaturas obtenidas del ensayo a 20 ºC con el cartón 40 xix ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 2-1. Termografía de una casa. 3 Ilustración 2-2. Ensayo de Newton. 4 Ilustración 2-3. Ensayo de Herschel. 4 Ilustración 2-4. Ejemplo de bolómetro. 5 Ilustración 2-5. Microbolómetro estándar. 7 Ilustración 2-6. Espectro electromagnético. 8 Ilustración 2-7. Distribución de la energía infrarroja emitida frente al espectro electromagnético. 9 Ilustración 2-8. Imagen térmica tomada por un dron de un aerogenerador. 11 Ilustración 2-9. Imagen térmica e imagen real del foco de un incendio. 12 Ilustración 2-10. Control de la temperatura de los pasajeros mediante una cámara térmica. 12 Ilustración 2-11. Detección y evolución de un cáncer de mama visto por imágenes térmicas. 14 Ilustración 2-12. Imagen térmica de una torre de alta tensión. 15 Ilustración 2-13. Patrón de una mala conexión, localizado, y de una sobrecarga, a lo largo del cable. 16 Ilustración 2-14. Problema de lubricación en rodamiento. 17 Ilustración 2-15. Imagen térmica de una cinta transportadora. 17 Ilustración 2-16. Sobrecalentamiento de un compresor. 18 Ilustración 2-17. Corrosión bajo aislamiento de una tubería. 19 Ilustración 2-18. Pérdida de calor por la pared de un edificio. 20 Ilustración 3-1. Cámara termográfica Fluke TiS50. 21 Ilustración 3-2. Esquema de una cámara termográfica. 22 Ilustración 3-3. Esquema con las variables para el cálculo del FOV. 22 Ilustración 3-4. Esquema estándar de un sensor FPA. 23 Ilustración 3-5. Esquema con las variables para el cálculo del IFOV. 24 Ilustración 3-6. Fusión de la imagen infrarroja y de luz visible. 25 Ilustración 3-7. Diversas combinaciones de fusión de la imagen térmica y de luz visible. 25 Ilustración 3-8. Acceso a todas las descargas de software de Fluke. 27 Ilustración 3-9. Acceso a la descarga de SmartView. 27 Ilustración 3-10. Primer paso del instalador de Smartview. 27 Ilustración 3-11. Instalador Wizard. 28 Ilustración 3-12. Ventana inicial del programa SmartView. 38 Ilustración 3-13. Ventana inicial del programa SmartView ya con la cámara conectada y subrayado en negro el icono de esta. 29 Ilustración 3-14. Imagen termográfica de una mano con las temperaturas escaladas. 30 Ilustración 3-15. Imagen termográfica de un grifo expulsando agua caliente. 31 Ilustración 3-16. Termómetro PCE-666. 31 Ilustración 4-1. Cartulina negra. 34 Ilustración 4-2. Aire acondicionado Hisense modelo AUD71UX4RFCL4. 34 Ilustración 4-3. Rejilla de ventilación. 35 Ilustración 4-4. Caja de cartón plegada. 35 Ilustración 4-5. Esquema de la realización del ensayo. 36 Ilustración 4-6. Termograma del ensayo a 20 ºC, con la cartulina negra y mínimo caudal. 37 Ilustración 4-7. Termograma del ensayo a 20 ºC, con la cartulina negra y caudal medio. 37 Ilustración 4-8. Termograma del ensayo a 20 ºC, con la cartulina negra y máximo caudal. 37 Ilustración 4-9. Termograma del ensayo a 26 ºC, con la cartulina negra y caudal mínimo. 38 Ilustración 4-10. Termograma del ensayo a 26 ºC, con la cartulina negra y caudal medio. 38 Ilustración 4-11. Termograma del ensayo a 26 ºC, con la cartulina negra y caudal máximo. 39 Ilustración 4-12. Termograma del ensayo a 20 ºC, con el cartón y mínimo caudal. 39 Ilustración 4-13. Termograma del ensayo a 20 ºC, con el cartón y caudal medio. 40 Ilustración 4-14. Termograma del ensayo a 20 ºC, con el cartón y máximo caudal. 40 Ilustración 4-15. Ensayo para determinar la capacidad de adherencia de la temperatura que tiene la cartulina negra. (1ª imagen tras estar 10 s expuesta al aire, 2ª imagen 3 s después de retirarla del aire y 3ª imagen 10 s después de retirarla del aire). 43 Ilustración 4-16. Ensayo para determinar la capacidad de adherencia de la temperatura que tiene el cartón. (1ª imagen tras estar 10 s expuesta al aire, 2ª imagen 3 s después de retirarla del aire y 3ª imagen 10 s después de retirarla del aire). 43 xxi Notación ºC Grados Centígrados s Segundos K Grados Kelvin µm Micrómetros € Euros W Watios m Metros P Potencia I Intensidad R Resistencia cm Centímetros Hz Hercio mK Milikelvin GB Gigabytes ms Milisegundos mm Milímetros ºF Grados Fahrenheit Frig/h Frigorías por hora Kcal/h m³/min Kilocalorías por hora Metros cúbicos por minuto 1 INTRODUCCIÓN En la actualidad, la termografía es una herramienta capaz de aportar una gran cantidad de información referente a cualquier tipo de sistema o elemento mediante la captura termográfica de superficies. El poder realizar dichas capturas tiene una infinidad de ventajas y usos, que veremos posteriormente, las cuales nos facilitan poder resolver tanto errores de montaje como fallos mecánicos, pasando por conexiones defectuosas entre otros. Las cámaras termográficas representan la temperatura de los objetos fotografiados, pero… ¿podrían dichas cámaras representar la temperatura de los fluidos? El profesor Fernández Gutiérrez, perteneciente al Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos de la Universidad de Málaga, ha realizado diversos ensayos experimentales para tratar de cuantificar la temperatura de flujos de aire a baja velocidad. Obteniendo como resultado la visualización de las venas de aire al comienzo de la impulsión y la medición de la temperatura del aire en cualquier punto del flujo con una precisión de ± 2º C. Para ello hizo uso de una pantalla de alta emisividad cuya función fuese la de actuar como una superficie con comportamiento térmico de acción inmediato, para permitir así la medición de las temperaturas con la mayor precisión posible, y de una cámara termográfica con una resolución de 320 x 240 píxeles. [1] 1.1 Objetivo Tras el éxito logrado por el profesor Fernández Gutiérrez, el principal objetivo de este trabajo es el de tratar de conseguir visualizar la temperatura del aire a lo largo del flujo saliente de una rejilla de ventilación conectada a un aire acondicionado mediante el uso de la cámara termográfica Fluke Tis50, con una resolución de 220x165 píxeles, junto con la ayuda de una pantalla de alta emisividad. Para llevarlo a cabo, se ha hecho uso de un aire acondicionado centralizado de hogar y se han utilizado dos tipos de pantalla, por un lado, una cartulina de color negro, y por otro, un cartón, ambos de medidas similares, 0.65x0.50 metros aproximadamente. Con estos elementos se han llevado a cabo diversos ensayos, primero con el aire acondicionado a 20 ºC, se han puesto de manera paralela al flujo primero la cartulina negra y luego el cartón, para ver la diferencia entre las medidas que se obtenían tras la realización de los dos experimentos. También se dispuso el aire acondicionado a 25 ºC y solo se usó como pantalla la cartulina negra de tal forma que, comparando los resultados obtenidos de este experimento junto con los obtenidos en el primero con la cartulina negra, se pueda ver la diferencia que hay si la temperatura es más alta y parecida en gran medida a la temperatura ambiente. Tras la realización de estos ensayos se han analizado los resultados obtenidos que han quedado reflejados en las imágenes termográficas y en las tablas en las que han quedado recogidos todos los valores numéricos. Por último, se ponen de manifiesto las conclusiones obtenidas tras analizar todos los datos recogidos en los ensayos y también al final del documento se recogen las especificaciones técnicas de la cámara termográfica que se ha usado en este trabajo y ha sido prestada por la Universidad de Sevilla. Introducción 2 2 LA TERMOGRAFÍA Se define termografía como la ciencia que permite obtener, analizar y visualizar patrones de temperatura de objetos obtenidos mediante dispositivos de adquisición de imágenes térmicas a distancia, a través de la radiación de onda que emiten en el espectro infrarrojo. Por ello se le conoce como termografía infrarroja. Esta radiación es emitida por la superficie de los cuerpos debido a que se encuentran a una temperatura superior al 0 absoluto (0 K = - 273,15 ºC), hecho que afortunadamente ocurre siempre y que es captado mediante cámaras termográficas, cuya función es convertir dicha información en imágenes cuyos puntos representan temperaturas referenciadas mediante una paleta de colores. [2] Se muestra en la Ilustración 2-1 una imagen obtenida mediante una cámara térmica: Ilustración 2-1. Termografía de una casa. [3] 2.1 Historia de la termografía Antes de la primera década del Siglo XIX no se conocían ni el término infrarrojo ni la región infrarroja del espectro electromagnético. Fue Sir Friedrich Wilhelm Herschel, astrónomo real del rey Jorge III y músico alemán, quien hizo este magnífico descubrimiento en su afán por saber cuánto calor atravesaba los distintos filtros de color que empleaba para reducir el brillo del sol. Filtros que usaba para poder hacer observaciones de la luz solar. Mediante el ensayo de prisma de Newton, observó que los filtros dejaban pasar diferente cantidad de calor en función del color, así pensó que los colores debían tener temperaturas distintas. La termografía 10 Es decir, podemos relacionar directamente la potencia de la radiación emitida por el cuerpo con su temperatura superficial y, teniendo en cuenta que las cámaras termográficas lo que detectan es la radiación, conociendo la emisividad de la superficie del cuerpo observado, podemos medir temperaturas. Por último, antes de ver las cuantiosas aplicaciones de la termografía, hay que analizar porque es tan útil y que ventajas aporta su uso. Por un lado, las cámaras termográficas no necesitan la presencia de luz, lo cual hace que puedan ser usadas tanto durante el día como durante la noche o en sitios totalmente a oscuras. Aportan medidas rápidas, seguras y precisas. Se puede aplicar a elementos que estén en movimiento, a objetos peligrosos por su temperatura o por su función y hasta en sistemas contaminados. Además, ofrece una seguridad adicional al ser capaz de medir la temperatura a distancia, lo que es ideal para eliminar el riesgo en aplicaciones en las que hay piezas móviles o en entornos peligrosos. Esta tecnología ayuda a mantener la productividad ya que ofrece un diagnóstico rápido y la capacidad de medir sin tener que apagar el equipo o los procesos de producción. A priori, esto puede ser una simple utilidad más, pero para las plantas industriales es algo fundamental ya deben funcionar las 24 horas del día los 365 días al año y de no ser así, las pérdidas económicas serían inmensas, no solo por el hecho de tener que dejar de producir durante el tiempo de mantenimiento, sino por la demora hasta poner a funcionar la planta hasta el punto óptimo. Teniendo en cuenta estos aspectos y conocimientos referentes a la termografía, se puede poner de manifiesto la infinidad de aplicaciones que tiene en distintos sectores, no solo de la industria sino de la vida en general. Mejora de la visión del conductor Mencionado anteriormente, la mejora de la visión del conductor fue la aplicación que más contribuyó a la producción en masa de las cámaras térmicas. Gran parte de los accidentes que se producen ocurren por la noche, normalmente acompañados de condiciones climáticas adversas, por lo que el conductor carece del tiempo suficiente para reaccionar ante cualquier imprevisto y no puede evitar la colisión. La termografía en estos casos es un potente sistema de mejora que reduce los riesgos de la conducción nocturna y permite al conductor ver cinco veces más que con los faros tradicionales, lo que ayuda al conductor a detectar y reconocer más rápidamente los peligros potenciales que puedan aparecer en la carretera. Al permitir a los conductores ver imágenes térmicas en la carretera, con mayor alcance que el de los faros, estos pueden detectar curvas peligrosas, obstáculos o perturbaciones en el asfalto mucho antes disponiendo así de mayor tiempo para reaccionar. También ayuda a superar la ceguera momentánea producida por el resplandor de los faros de los coches que circulan por el otro sentido, a ver a través de niebla, humo o lluvias ligeras y también a diferenciar la separación entre carriles. Al permitir a los conductores ver imágenes térmicas en la carretera, con mayor alcance que el de los faros, estos pueden detectar curvas peligrosas, obstáculos o perturbaciones en el asfalto mucho antes disponiendo así de mayor tiempo para reaccionar. También ayuda a superar la ceguera momentánea producida por el resplandor de los faros de los coches que circulan por el otro sentido, a ver a través de niebla, humo o lluvias ligeras y también a diferenciar la separación entre carriles. 11 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 2-8. Imagen térmica tomada por un dron de un aerogenerador. [16] Extinción y detección de incendios Los bomberos llevan años utilizando las cámaras térmicas para ver a través de la oscuridad total que causa el humo, así como para detectar posibles focos o puntos calientes en paredes, techo, zonas subterráneas y cavidades. El humo es una fuente muy absorbente de luz debido a que está repleto de partículas de carbonilla del tamaño de una micra. Esto puede llevar a pensar que, al absorber la luz, también puede oponerse a la radiación impidiendo su emisión y su recepción por parte de las cámaras térmicas, pero, cuando el tamaño de la partícula es significativamente más pequeño que la longitud de onda de luz utilizada por el sensor, la dispersión de la radiación se reduce enormemente haciendo posible ver a través del humo. Esta capacidad contribuye a salvar vidas ya que ayudan a los bomberos a ubicar supervivientes incluso en una habitación repleta de humo. [15] De igual forma, las cámaras térmicas también sirven a los bomberos para identificar la extensión del incendio, identificar de forma rápida el lugar, las características de este y analizar posibles fuentes potenciales de ignición con el objetivo de evitar una propagación o un nuevo foco. La capacidad de detectar diferencias de temperatura de objetos es una herramienta que, por su utilidad y eficacia, se ha convertido en un complemento fundamental no solo para bomberos, sino también para cuerpos de rescate. Su uso en operaciones de búsqueda y rescate es prácticamente idéntico al que tiene en incendios. Su objetivo es el de tratar de localizar a personas que estén en apuros, heridas o perdidas en cualquier lugar, ya sea un bosque, el mar, un desierto o una montaña. Además, las búsquedas no solo pueden realizarse con personas a pie, sino también en vehículos, a caballo y, sobre todo, vía aérea. Las cámaras térmicas, igual que ocurre en aviones y drones, también se pueden montar en un helicóptero con la finalidad de ir obteniendo imágenes térmicas de aquellas zonas de búsqueda que se están sobrevolando. [11] A pesar de estas ventajas que proporciona el uso de la termografía en operaciones de rescate, este queda restringido en operaciones de rescate en edificios en ruinas y similares. Esto es debido a que las cámaras termográficas no son capaces de ver a través de superficies, detectan la temperatura de la primera que este en su línea de visión. Además, la mayor parte de los edificios están diseñados para atrapar el calor permaneciendo aislados, por lo que rara vez una imagen térmica revela lo que está sucediendo dentro de este. La única posibilidad de que una cámara infrarroja sea capaz de detectar a una persona o una fuente de calor que haya tras una pared, es que la pared sea suficientemente delgada y fría como para que, si dicha persona permanece tras ella un periodo considerable de tiempo, su calor corporal se transfiera parcialmente a la pared y posteriormente a través de los materiales que la componen, para que pueda ser captada desde la otra cara. La termografía 12 Ilustración 2-9. Imagen térmica e imagen real del foco de un incendio. [15] Seguridad En la actualidad, casi todas las instalaciones implementan tecnologías de cámaras de seguridad de una forma u otra. Mientras que tiempo atrás el uso de una cámara térmica se consideraba un privilegio al alcance de organismos gubernamentales o patrullas fronterizas, hoy en día cada vez son más las instalaciones industriales que confían en equipos de vigilancia por imagen térmica para obtener los mejores resultados posibles en cuanto a protección e identificación. Centros comerciales, grandes almacenes, instalaciones petrolíferas, aeropuertos, puertos…, todos son vulnerables a robos e incluso a posibles ataques terroristas. Por ello, actualmente la gran mayoría se protegen utilizando cámaras térmicas. Terrorismo, vandalismo y violencia amenazan la seguridad del personal y la integridad de instalaciones públicas y privadas por lo que un sistema de seguridad basado en imágenes térmicas es clave para la protección de bienes y la reducción de riesgos. Los escáneres que hay en los aeropuertos para el control de pasajeros y de maletas no son de rayos infrarrojos, son de rayos X. Sin embargo, debido a la presente epidemia de coronavirus, en China empezaron a incorporar controles con cámaras térmicas para controlar la temperatura de los pasajeros y así poder ver quien tenía fiebre y por tanto poseer el virus, ya que la fiebre es uno de los primeros síntomas de la enfermedad. Este primer paso dado en China ha sido secundando por una gran parte de países que también han incorporado esta tecnología térmica para el control de pasajeros, por lo que no se descarta que tras la epidemia debida al COVID-19, pasen a ser todos los aeropuertos los que dispongan de estos controles y de esta tecnología para la inspección de pasajeros. [16] Ilustración 2-10. Control de la temperatura de los pasajeros mediante una cámara térmica. [16] 13 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Las cámaras de seguridad térmica funcionan extraordinariamente en áreas con poca luz y poca visibilidad, además de proporcionar la capacidad de quitar gran parte del camuflaje visual, como el follaje denso, que a menudo se encuentra cerca de las oficinas y el almacenamiento. Además, las cámaras de imágenes térmicas generalmente están integradas con sensores inteligentes y tecnología analítica avanzada, lo que ayuda a reducir una gran cantidad de falsas alarmas. Asimismo, los sistemas basados en la detección de calor son más baratos de instalar que la gran mayoría de sistemas de videovigilancia. [11] Al igual que esta tecnología se usa para proteger bienes e inmuebles, la policía y los organismos encargados de velar por la seguridad y el cumplimiento de la ley también incorporan cámaras termográficas en sus equipos de vigilancia, utilizados para localizar sospechosos, especialmente de noche, para investigar escenas del crimen y también para operaciones de rescate y redadas. Estos equipos son superiores a los dispositivos de visión nocturna, ya que no requieren luz ambiental y no se ven afectados por las luces brillantes, lo cual resulta idóneo para las misiones tácticas. Ganado y vida silvestre El seguimiento de animales, el monitoreo ambiental y la fotografía de vida silvestre son usos muy comunes de la tecnología de imágenes térmicas hoy en día. Las cámaras infrarrojas pueden equiparse con sensores inteligentes de forma que se pueden configurar y dejar sin vigilancia en hábitats naturales, disparándose de forma automática en presencia de vida nocturna o de cualquier tipo de movimiento difícil de detectar. Así se puede monitorear de una forma mucho más sencilla a las diferentes especies y se puede analizar también su comportamiento y su recorrido de una manera mucho más sencilla que anteriormente. La termografía infrarroja se revela como una herramienta muy económica para aplicar en todas las fases de la cría de diferente ganado, como el vacuno, porcino u ovino. Está especialmente indicada para tareas tales como controlar a las reses durante el celo, determinar el momento idóneo para proceder a la inseminación, realizar un seguimiento del funcionamiento de los testículos, hacer un seguimiento del periodo de gestación, realizar un seguimiento del estado de las ubres, identificar inflamaciones en las extremidades, llevar a cabo un cuidado preventivo de las pezuñas y, en general, vigilar la salud de los animales en su conjunto. [17] La tecnología termográfica también es utilizada para detectar plagas. Es de gran ayuda a la hora de localizar la actividad potencial de las termitas, roedores y nidos de pequeños animales ya no solo en el propio campo, sino también dentro de las paredes o estructuras, dado que esas criaturas son de sangre caliente. El proceso de detección de plagas se muestra como defectos en el aislamiento, filtraciones de aire del exterior, conductos agrietados, pérdidas de frío y calor. [18] Medicina y veterinaria En el campo de la medicina, doctores y médicos han encontrado formas de usar las cámaras termográficas para ayudarles a proporcionar tratamientos más efectivos a sus pacientes. Imágenes médicas más precisas conducen a diagnósticos más específicos y por tanto más efectivos para sus pacientes. El ser humano es homeotermo, es decir, presenta la capacidad de mantener su temperatura corporal constante independientemente de la temperatura ambiental, y produce calor. El medio de intercambio de ese calor con el exterior es la piel, que es un órgano capaz de equilibrar las condiciones externas e internas para satisfacer las necesidades fisiológicas del organismo. Los cambios en la conductividad térmica de la piel provocados por quemaduras, ulceras o injertos pueden ser detectados y supervisados fácilmente con un sistema termográfico. Además, estos cambios en la piel también pueden ser debido a enfermedades dermatológicas por lo que estas pueden ser diagnosticadas fácilmente. En la actualidad, las cámaras térmicas se están utilizando para impedir la propagación de enfermedades tales como el COVID-19 conocido coronavirus, debido a que como se ha comentado anteriormente, uno de sus principales síntomas es la fiebre, síntoma fácil de detectar con una cámara termográfica. La termografía 14 Gracias al uso de esta tecnología en aeropuertos, puertos o sitios de gran afluencia, se pueden detectar a un gran número de personas infectadas en un intervalo de tiempo muy reducido, lo cual ayuda a evitar una rápida propagación del virus. Estos procedimientos también se llevaron a cabo en epidemias anteriores tales como el ébola o el SRAS (Severe Acute Respiratory Syndrome) contribuyendo a frenar el número de contagiados. [19] A parte de para evitar o pandemias, el uso de la termografía en la medicina se centra en prevenir enfermedades, ya que se pueden diagnosticar con mayor antelación evitando que sea tarde una vez se manifiesten síntomas más severos o difíciles de tratar. Por este motivo, estas técnicas de exploración son bienvenidas en el ámbito sanitario debido a que son métodos no invasivos, que no producen dolor al paciente y, sobre todo, no lo expone a radiación. Esto convierte a la tecnología termográfica un el sistema ideal para identificar patologías relacionadas con el sistema circulatorio o linfático, ya que las inflamaciones o la retención de líquidos provocan variaciones de la temperatura corporal. Su alta efectividad a la hora de hacer exploraciones también hace que el uso de cámaras térmicas sea uno de los recursos esenciales para la detección de tumoraciones y el seguimiento de pacientes con cáncer, fundamentalmente en el cáncer de mama, uno de los cánceres con mayor número de víctimas y uno de los principales motivos de la muerte de mujeres. Gracias al uso de la termografía y a su temprana detección, cada vez está consiguiéndose un mejor diagnóstico, que facilita que se detecte a tiempo y sean cada vez más las mujeres que lo vencen. [20] Ilustración 2-11. Detección y evolución de un cáncer de mama visto por imágenes térmicas. [21] Por otro lado, también es de gran ayuda en cuanto a ginecología, diagnóstico dental, ocular, operaciones de corazón, para ver si el cuerpo se oxigena y por tanto la sangre regula toda la temperatura corporal. Todos estos descubrimientos tienen su analogía en la veterinaria debido a las ventajas anteriormente comentadas, que es indolora y que no implica contacto físico ni manipulación del animal. Es particularmente interesante en caballos dada su cercanía con el ser humano. En este animal se utiliza para la detección de lesiones en la cruz, regiones lumbares y las patas. Junto con este ejemplo hay una infinidad más, desde el análisis de comportamiento de murciélagos hasta la respuesta corporal de delfines en situaciones de caza. [22] Debido a la importancia que la medicina tiene en la vida y a su peso sobre la sociedad, en este ámbito es probablemente, si no en el que más, en uno de los ámbitos en los que más se ha beneficiado la humanidad del uso de la termografía y del avance en esta tecnología. Aplicaciones industriales Si ya en la medicina esta ciencia tiene una infinidad de aplicaciones y cada avance supone gran ayuda, el otro ámbito en el que se tiene un provecho similar es en la industria, a todas las escalas. Es por ello por lo que las ramas en las que más aplicaciones tiene se van a ir enumerando por separado y describiendo cuales son estas. 15 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Sistemas eléctricos Fundamentalmente, la tecnología termográfica se usa en el ámbito eléctrico para inspecciones de sistemas y componentes eléctricos de todos los tamaños y formas, ya sea en busca de malos contactos, de sobrecargas, de desequilibrios, de armónicos o de problemas en las propias máquinas. La multitud de posibles aplicaciones para cámaras termográficas dentro del rango de sistemas eléctricos se puede dividir en dos categorías: instalaciones de alto voltaje y de bajo voltaje. Por un lado, en las instalaciones de alto voltaje uno de los factores más importantes es el calor. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de un elemento resistivo, se genera calor y, además, un aumento de la resistencia da como resultado un aumento de este. Con el paso del tiempo, la resistencia de las conexiones eléctricas puede aumentar debido a posibles aflojamientos o a la corrosión, por ejemplo. El correspondiente aumento de temperatura que esto conlleva puede dar lugar a apagones inesperados o incluso lesiones. Junto con esto, la energía utilizada en generar calor causa pérdidas de energía innecesarias. Si no se tiene un control minucioso, el calor puede incluso aumentar hasta el punto en el que las conexiones se derriten y se rompen, dando como resultado un posible incendio que puede acabar en explosión. Algunos ejemplos de fallos en instalaciones de alto voltaje que una cámara térmica es capaz de detectar son las oxidaciones de interruptores, las conexiones sobrecalentadas, las conexiones incorrectamente aseguradas y los defectos de aislamiento. La principal ventaja que hace que a la termografía tan útil en este tipo de instalaciones es la capacidad de realizar inspecciones mientras los sistemas están bajo carga. Esto es gracias a que las imágenes térmicas son un método de diagnóstico sin necesidad de contacto, por lo que un termógrafo puede escanear rápidamente un equipo en particular desde una distancia segura, abandonar el área peligrosa, regresar a su oficina y analizar los datos sin ponerse en peligro. Además, se pueden usar para inspecciones al aire libre en sistemas o instalaciones tales como subestaciones de alto voltaje, transformadores e interruptores etcétera. La continuidad es muy importante para los servicios públicos, ya que muchas personas confían en sus servicios. Por lo tanto, las inspecciones de imágenes térmicas se han convertido en el núcleo de los programas de mantenimiento predictivo de servicios públicos en todo el mundo. [23] Ilustración 2-12. Imagen térmica de una torre de alta tensión. [24] Por otro lado, están las instalaciones de bajo voltaje. Los cuadros eléctricos, los contadores y las cajas de fusibles se escanean regularmente con cámaras termográficas para evitar que el calor en estos sistemas llegue a puntos extremos en los que se derritan las conexiones o se incendien. Para los cuadros eléctricos, como la temperatura que interesa medir está en el interior, hay que abrir las puertas de estos cuando sea posible, debido a que como se ha comentado, solo se pueden medir temperaturas de superficies. Por eso cuando se trabaja con cuadros activos hay que asegurarse de cumplir la norma NFPA70E. La termografía 16 De acuerdo con lo que dice la Ley de Joule: 𝑃 = 𝐼2 · 𝑅 , un incremento de la resistencia de contacto da lugar a un incremento de la potencia disipada en dicho contacto, y también a un incremento de su temperatura dando lugar a un “punto caliente”, detectable con una cámara termográfica. Este incremento de la resistencia de contacto puede deberse a un fenómeno de oxidación o corrosión, tornillos que se aflojan o una presión insuficiente en los contactos móviles. [25] Además de conexiones sueltas, los sistemas eléctricos sufren desequilibrios de carga, corrosión y aumentos de impedancia a la corriente. Las inspecciones térmicas pueden localizar rápidamente los puntos calientes, determinar la gravedad del problema y establecer el marco de tiempo en el que se debe reparar el equipo. Ilustración 2-13. Patrón de una mala conexión, localizado, y de una sobrecarga, a lo largo del cable.[25] Aparte de sobrecargas y malas conexiones, gracias a las imágenes térmicas usadas en equipos de bajo voltaje, se pueden detectar conexiones de alta resistencia, conexiones corroídas, daños internos del fusible, fallos internos del disyuntor y conexiones deficientes o daños internos. Adicionalmente, la termografía también es de gran utilidad en los motores eléctricos. Debido a los transitorios de tensión y a las altas temperaturas entre otros, el barniz que aísla el devanado de los motores, transformadores, etcétera, puede ir perdiendo sus propiedades aislantes dando lugar a la aparición de corrientes de fuga que calientan aún más dichos devanados deteriorando a una mayor rapidez el aislante. Un incremento de 10 ºC sobre la temperatura nominal de funcionamiento de un motor eléctrico o un transformador, supone una disminución de su vida útil en un 50%. De igual forma, no solo se puede verificar el correcto funcionamiento del aislante en motores, sino que también sirve para comprobar el cuerpo del motor, que no tiene ninguna grieta sobre su superficie, las conexiones, el acoplamiento de los ejes o los rodamientos. [23] Ante todas estas situaciones y como sugerencia, la Asociación de Verificación Eléctrica Internacional recomienda realizar una acción preventiva de mantenimiento en los sistemas eléctricos siempre que la diferencia de temperatura: • Sea superior a 15 ºC entre dos componentes similares sometidos a la misma carga. • Sea superior a 40 ºC entre un componente eléctrico y el ambiente. Ya sea que se desee utilizar cámaras de imagen térmica para inspecciones de bajo voltaje en plantas de producción, instalaciones de oficina, hospitales, hoteles o residencias domésticas, el empleo de esta tecnología ayuda a detectar problemas en una etapa temprana, previniendo daños costosos y situaciones de peligro. [25] 17 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Sistemas mecánicos En la mayoría de las industrias, los sistemas mecánicos son como la columna vertebral de las operaciones, es por ello por lo que hay que tratar de evitar todos los posibles problemas que puedan surgirles. Estos son la excesiva fricción, la falta de lubricación o en la gran mayoría de aceite, una excesiva tensión en los ejes, la falta de alineamiento y el desgaste de las piezas. Los datos térmicos recopilados con una cámara termográfica pueden ser una valiosa fuente de información complementaria para los estudios de vibración realizados en el monitoreo de equipos mecánicos. Todos los componentes mecánicos móviles empiezan a deteriorarse en cuanto se instalan, debido a la carga que tienen que soportar, las vibraciones, la corrosión y su propio envejecimiento. Todas estas causas lo que generan es una fricción excesiva en las conexiones mecánicas ya sea en los acoplamientos, en los engranajes o en los cojinetes entre otros. Esta fricción es la que provoca un sobrecalentamiento. Es por ello por lo que, realizar termografías periódicamente, es un gran método para prevenir este aumento drástico de temperatura en los elementos eléctricos críticos. Ilustración 2-14. Problema de lubricación en rodamiento. [25] Los sistemas mecánicos también pueden calentarse si hay una desalineación en algún punto del sistema. Las cintas transportadoras son un buen ejemplo de esto. Normalmente, cuando los componentes mecánicos se están desgastando y dejando de ser tan eficientes como al principio, el calor disipado por estos aumenta. En consecuencia, la temperatura de los equipos o sistemas defectuosos incrementa rápidamente antes de que fallen. De forma que, si un rodillo está desgastado, se mostrará claramente en una imagen termográfica permitiendo así poder ser reemplazado antes de que se produzca el fallo. A continuación, se puede ver cuáles son los rodillos que en esta cinta transportadora están defectuosos y por tanto deberían sustituirse. [25] Ilustración 2-15. Imagen térmica de una cinta transportadora. [25] La termografía 18 En cuanto a los motores, estos complejos sistemas también pueden ser inspeccionados por cámaras termográficas. Los fallos de un motor tales como el desgaste por contacto de los cepillos y los cortocircuitos producidos en el armazón, generalmente producen un exceso de calor, pero no se detectan con los análisis de vibración, ya que lo más usual es que causen poca o ninguna vibración adicional. Por tanto, las imágenes térmicas ofrecen una visión general completa que nos permite establecer comparaciones de temperaturas. [23] Dada la importancia de este tipo de máquinas en la industria y lo caras que son, tratar de mantenerlas siempre en un estado óptimo y prevenir deterioros o posibles averías se convierte en una parte fundamental para esta industria. Es por ello por lo que en este ámbito la termografía es de tanta envergadura, porque puede ayudar a evitar daños muy costosos y garantiza la continuidad de la producción. Ilustración 2-16. Sobrecalentamiento de un compresor. [25] Piping Las imágenes térmicas también brindan información muy valiosa acerca del estado del aislamiento de tuberías, tubos y válvulas. La inspección del estado del material de aislamiento que rodea la tubería puede ser crucial ya que una fuga de combustible o de gas podría originar incendios o explosiones causando así grandes daños humanos y materiales. Las pérdidas de calor debido a un deterioro del aislamiento se muestran de forma muy clara en las imágenes termográficas, independientemente de que el fluido que se transporte esté a baja o alta temperatura. Hecho que permitirá repararlo rápidamente evitando así pérdidas de energía u otros desperfectos. Las válvulas de procesos son otro buen ejemplo de equipos relacionados con tuberías que a menudo se inspeccionan con cámaras termográficas. Además de detectar fugas, también se puede utilizar esta tecnología para determinar si las válvulas están abiertas o cerradas, incluso desde la distancia, permitiendo también ver si alguna esta obstruida o tiene pérdidas de flujo. De forma que los fallos más frecuentes que se detectan con una cámara termográfica son fugas en bombas, tuberías y válvulas, deterioros de aislamiento, bloqueo de tuberías y acumulaciones de material. Gracias al uso a distancia, una imagen térmica brinda una descripción general de una instalación completa de forma que pueden obtenerse verificaciones de forma simultánea de varias tuberías. [23] El vapor es otra fuente de energía muy importante cuya distribución sobre las plantas industriales también se hace mediante tuberías. Estas tuberías tienen unas válvulas especificas denominadas trampas de vapor, que son válvulas automáticas diseñadas para descargar el condensado sin pérdida de vapor. Al igual que el resto de los elementos mecánicos, están sujetos a desgastes y deterioros que normalmente se manifiestan en forma de fuga o de bloqueo de descarga de condensado. Estos problemas pueden detectarse fácilmente con el uso de las cámaras térmicas de forma que se pueda evitar cualquier tipo de deterioro a tiempo. [25] 19 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 2-17. Corrosión bajo aislamiento de una tubería. [26] Instalaciones refractarias y petroquímicas. Una amplia variedad de industrias dependen de hornos y calderas para sus procesos de fabricación, pero los revestimientos refractarios para hornos, las calderas, los incineradores, los reactores y los mismos hornos son propensos a degradarse y a perder rendimiento. Gracias a las cámaras termográficas, el material refractario dañado y la correspondiente pérdida de calor pueden localizarse fácilmente, ya que la transmisión de calor se muestra claramente en una imagen térmica. Un sector en el que la termografía está bastante incorporada es el petroquímico. Proporciona un diagnóstico rápido y preciso para el mantenimiento del horno, la gestión de pérdidas refractarias y la evaluación de la aleta del condensador. Los intercambiadores pueden verificarse para detectar posibles tuberías bloqueadas. Muchas tuberías y tubos de las craqueadoras están aisladas con piedra refractaria resistente al calor de forma que se eviten pérdidas. Aun así, las imágenes térmicas pueden ver si el aislamiento está deteriorado o sigue intacto. Todos los equipos tales como hornos, calderas, condensadores y demás, no solo tienen fallos motivados por el deterioro del aislamiento, tienen una variedad de mecanismos. Entre estos se incluye la coquización que tapa el interior de los tubos, la acumulación de escoria en el exterior de los tubos, sobrecalentamiento, desalineación del quemador y fugas del producto que llegan a prenderse. [23] Para garantizar la calidad refractaria de las instalaciones de calderas y hornos, no es suficiente con realizar inspecciones desde el exterior. El material refractario en el interior de la caldera o el horno también debe ser inspeccionado. Con los métodos convencionales es necesario cerrar la instalación para poder inspeccionar el interior, pero esto es extremadamente costoso debido a una pérdida de producción durante el tiempo de inactividad. Sin embargo, estas pérdidas no son necesarias, ya que hoy en día existen cámaras especiales de imágenes térmicas que se pueden usar para inspeccionar el interior de la instalación durante la operación, siendo en estas la cualidad de ver a través de las llamas, especialmente útil. También se usan frecuentemente las imágenes termográficas para la detección de nivel de tanque. Gracias a los efectos de emisividad o a las diferencias de temperatura entre el fluido y el aire o su recipiente, la imagen térmica muestra claramente el nivel de los diferentes depósitos. Inspección de edificios Debido a que gran parte de las emisiones de CO2 que han dado lugar al calentamiento global provienen de la quema de combustibles fósiles utilizados para calentar edificios, cada vez son más los países que establecen legislaciones para inspeccionar edificios regularmente en busca de pérdidas de calor. Cámara termográfica Fluke TiS50 26 Una vez enumerados los parámetros principales de una cámara termográfica, así como las principales claves respecto a su funcionamiento, a continuación, se va a pasar a enumerar las principales características de la cámara Fluke TiS50, la que se va a utilizar para llevar a cabo este trabajo. Esta cámara por tanto tiene: • Resolución de 220 x 165 píxeles. • Rango térmico que va desde -20 ºC hasta +450 ºC. • Una sensibilidad térmica ≤0.08 ºC. • Una pantalla de 3.5 pulgadas. • Tecnología de enfoque fijo. • Una capacidad de fusión de imágenes de 0, 25, 50, 75 y 100%, gracias a que posee la tecnología PIP. • Sistema de batería inteligente de ion-litio. • Memoria interna de 4 GB. • Software SmartView para análisis termográfico. Todas las demás características detalladas y más específicas se pueden encontrar en su ficha técnica, adjuntada en el anexo final. [31] 3.2 Software SmartView La compañía Fluke ofrece diferentes opciones de software para trabajar con las cámaras termográficas desde distintos equipo. Para ello tiene el software SmartView para ordenadores, la aplicación SmartView Mobile para IPhone y la aplicación Fluke Connect tanto para IPhone como para Android. El software SmartView se trata de una versión completa, no limitada, que se puede instalar tantas veces como se desee y que consta de avanzadas gestiones de las termográficas que permite crear informes de manera automática en formato Word o PDF. 3.2.1 Instalación La descarga e instalación de este software puede hacerse directamente desde la página web de Fluke, https://www.fluke.com/es-es. Una vez hayamos entrado, pulsando sobre Soporte > Descargas de software, aparece una lista con todas las posibles descargas que se pueden hacer de sistemas auxiliares para trabajar con las cámaras de Fluke, como se muestra en la Ilustración 3-8. 27 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 3-8. Acceso a todas las descargas de software de Fluke. [32] Ahora hay que buscar “descarga del software de Fluke para termografía”, basta con introducirlo con palabras clave o seguir desplazándonos hacia abajo por la ventana anteriormente mostrada. Cuando se accede a esa descarga, aparece la descarga del software de Fluke Connect, que en este caso no es lo que se pretende instalar. Sin embargo, si seguimos desplazándonos hacia abajo en esta ventana, obtendremos el acceso a la descarga del software SmartView. Una vez llegados hasta aquí, basta con hacer clic sobre Descargar Smartview, para que comience la descarga del programa en el ordenador como aparece en la Ilustración 3-9. Ilustración 3-9. Acceso a la descarga de SmartView. [32] Tras la realización de la descarga, toca dar paso a la instalación. Lo primero que aparece una vez se ejecuta el archivo descargado es la selección de idioma. A continuación, aparece una nueva ventana en la que se muestra los demás archivos que hay que descargar para el funcionamiento de SmartView, por lo que hay que darle a Instalar. Ilustración 3-10. Primer paso del instalador de Smartview. Cámara termográfica Fluke TiS50 28 Durante esta segunda descarga aparecerá una nueva ventana para aceptar todos los términos y licencias del programa junto con los ajustes para elegir donde guardar el programa en el ordenador. Una vez aceptados, de nuevo pulsamos sobre Instalar. Tras esto continúa la instalación con la ayuda del instalador del propio ordenador para dar permiso de ubicación al programa y para continuar descargándola al completo. Tras unos segundos, emerge una nueva ventana, el instalador Wizard: Ilustración 3-11. Instalador Wizard. En esta ventana, hacer clic en Siguiente > Instalar > Finalizar, para obtener la instalación completa. Después de varios segundos aparecerá en pantalla una nueva ventana diciendo que el proceso se ha completado y automáticamente se abrirá el programa tal y como se muestra en la Ilustración 3-12. Ilustración 3-12. Ventana inicial del programa SmartView. Ahora ya con el programa instalado, una vez que se conecte la cámara termográfica encendida al ordenador, aparecerá en esta ventana el icono referente a la cámara, tal y como se aprecia en la Ilustración 3-13, desde el cuál se puede descargar el contenido de la cámara, así como actualizar su firmware. 29 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 3-13. Ventana inicial del programa SmartView ya con la cámara conectada y subrayado en negro el icono de esta. 3.2.2 Características El software SmartView esta actualizado para poder soportar: • Presentación del vídeo en formato vídeo. • Análisis del vídeo radiométrico. • Anotaciones IR Photonotes. • Giro de imágenes y videos. • Actualización del firmware de las cámaras. Y como características principales: • Edita y optimiza fácilmente imágenes para ver el estado de los equipos. • Combina imágenes infrarrojas y visibles para realizar análisis de forma sencilla utilizando el modo imagen sobre imagen. • Genera información detallada acerca de las imágenes. • Permite la conexión inalámbrica de algunos dispositivos. • Comparte imágenes en el software de forma inmediata con otros miembros. • Posee alarmas de color que permiten aislar zonas problemáticas para identificar mejor dichos problemas. • Tiene un asistente para guiar a los usuarios en el proceso de creación de informes. [33] Cámara termográfica Fluke TiS50 30 3.3 Pruebas iniciales con la cámara Previo a la realización del ensayo para ver si se puede medir la temperatura de un fluido con una cámara termográfica gracias a una pantalla altamente emisiva, se tomaron ciertas imágenes termográficas de objetos con la finalidad de ver de una forma más práctica y cercana el funcionamiento de estos dispositivos, teniendo así una primera toma de contacto con el mundo de las termografías. En primer lugar, se tomó una captura termográfica del propio cuerpo humano, en concreto de una mano. Este primer caso se tomó ya que podemos saber la temperatura del cuerpo humano fácilmente y es algo que, hoy en día, se está llevando mucho a cabo por la situación que nos rodea debido al coronavirus. Tal y como se ha expuesto en las aplicaciones, este es uno de los principales usos de la termografía de cara al control de los síntomas que los humanos pueden tener ante determinados virus, ya que la temperatura corporal es un muy buen indicador del bienestar de una persona y, además, la fiebre uno de los primeros síntomas de lo contrario. Esta captura se aprecia en la Ilustración 3-14, tomada con una temperatura ambiente de 25,0 ºC y una temperatura de la mano, medida con un termómetro que más adelante se introducirá, de 34,8 ºC. Para tener una idea mejor de como varían estas temperaturas a lo largo de la mano, se ha representado sobre esta un marcador de línea que muestra los valores máximos y mínimos de dicha línea, así como el valor promedio que tiene. Ilustración 3-14. Imagen termográfica de una mano con las temperaturas escaladas. En último lugar, se tomó un grifo de acero inoxidable y se realizó una captura termográfica de este mientras estaba abierto con el máximo caudal posible de agua caliente. La temperatura ambiente era de 24,7 ºC y la del agua que salía del grifo era de 51,5 ºC. A modo de facilitar la visualización de la diferencia entre las temperaturas y mostrar otro recurso de las termografías, en la imagen se han representado varios puntos característicos con su correspondiente temperatura tal y como viene representado en la Ilustración 3-15. Aparecen señalados dos puntos del fluido, donde se aprecia su temperatura prácticamente igual, y la temperatura del grifo que es más alta que la temperatura ambiente pero menor que la del fluido debido a que el tiempo en el que el agua ha estado corriendo ha sido muy escaso, dando lugar a un calentamiento muy escaso del propio grifo. 31 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 3-15. Imagen termográfica de un grifo expulsando agua caliente. 3.3.1 Infraestructura usada en las pruebas iniciales Entrando en detalle acerca de la infraestructura utilizada, se ha hecho uso de una cámara termográfica de la marca Fluke, modelo TiS50, anteriormente introducida y cuyas características en su totalidad se encuentran especificadas en el anexo final donde se sitúa su ficha técnica. Para apoyar las medidas tomadas por parte de la cámara termográfica y como sistemas de toma de temperatura, se han utilizado dos termómetros de la marca PCE Instruments modelo PCE-666 como el que se puede ver en la Ilustración 3-16. Son unos termómetros muy fáciles de usar, bastante cómodos a la hora de manipular que combinan la medición con y sin contacto, ambas con muy buena precisión y resolución. Ilustración 3-16. Termómetro PCE-666. [34] Cámara termográfica Fluke TiS50 32 Este termómetro tiene tres posibles maneras de medir la temperatura con rangos muy similares como se muestra en la Tabla 3-1. Formas de medida Rango de temperaturas Sonda - 40 a 260 ºC Pinza - 40 a 230 ºC Infrarrojo - 35 a 260 ºC Tabla 3–1 Tipos de medida y rango de temperaturas. [34] Como características principales aparte de estas tres formas de tomar la temperatura, este modelo de termómetro tiene: • Un tiempo de respuesta < 500 ms. • Precisión de ± 2 ºC. • Resolución de 0,1 ºC. • Apertura de la pinza de 25 mm • Óptica 1:1. • Función HOLD para el bloqueo de la temperatura a un determinado valor. Además, tiene la opción de modificar la emisividad para así obtener una medida más precisa con el infrarrojo y el cambio de unidad entre ºC y º F. 4 APLICACIÓN DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA EN LA OBSERVACIÓN Y MEDICIÓN DE CAUDALES DE VENTILACIÓN n este capítulo se van a describir los ensayos que dan nombre a este trabajo, se va a pasar a explicar cómo se han llevado a cabo, los recursos que han sido necesarios para su realización y posteriormente se analizarán los resultados obtenidos. 4.1 Ensayos El experimento que se va a realizar consiste en tratar de capturar con una cámara térmica la temperatura de un caudal de ventilación gracias al uso de una pantalla altamente emisiva dispuesta paralela al flujo. Para llevarlo a cabo se van a utilizar una serie de instrumentos de medida y recursos que se van a pasar a describir en el siguiente apartado. 4.1.1 Infraestructura usada en la prueba De cara al desarrollo del ensayo principal de este trabajo, hay que destacar que inicialmente iba a ser llevado a cabo en un laboratorio especializado, con material preciso, regulación de temperatura de la sala y que correctamente aislado. Debido a la situación que hoy en día se está viviendo a causa de la pandemia del coronavirus y con la imposibilidad de acudir a los laboratorios por parte del alumnado, este proyecto ha pasado a ser llevado a cabo en una casa particular con el material mínimo necesario para llevarlo a cabo aportado por la Universidad de Sevilla. El elemento principal en torno al que gira este trabajo es la cámara termográfica Fluke TiS50 descrita en el apartado anterior y cuya ficha técnica se encuentra en el Anexo A al final del documento. Como características principales y a tener más en cuenta, se destaca la resolución de 220 x 165 píxeles, un rango térmico que va desde los -20 ºC hasta los 450 ºC, una sensibilidad térmica ≤0.08 ºC y una tecnología de enfoque fijo. De cara a complementar las medidas de la temperatura realizadas por la cámara, tanto para la temperatura ambiental como para la que posee el flujo en determinados instantes, se van a utilizar dos termómetros introducidos y desarrollados también en el capítulo anterior. Estos dos termómetros son ambos de la marca PCE Instruments, modelo PCE-666 y cuyas características principales a tener en cuenta son la posibilidad de medir temperatura a través de una sonda, a través de una pinza o a través de rayos infrarrojos, que tienen un rango de medida aproximado de entre -35 ºC a 230 ºC, que tiene una resolución de 0.1 ºC y una función HOLD para el bloqueo de la temperatura a un determinado valor. Con estos tres instrumentos el campo de medida de temperatura tanto de superficies como del flujo y del ambiente se encuentra controlado. Respecto a la pantalla altamente emisiva, primero decir que el aire es prácticamente invisible a la radiación, es por ello por lo que las cámaras termográficas solo captan la temperatura de superficies. Por tanto, para conseguir visualizar un flujo de aire con estos instrumentos se necesita una pantalla que expuesta al flujo sea capaz de adquirir la temperatura de este de forma que, al medirla en esa pantalla, se esté haciendo una medición indirecta de la temperatura a lo largo de esa corriente de aire. E Aplicación de la termografía infrarroja en la observación y medición de caudales de ventilación 34 Así pues, se debe utilizar un cuerpo que no altere el flujo de aire significativamente, que tenga una alta emisividad para medir las temperaturas de forma precisa y sencilla, y que esté hecho de un material que reaccione rápidamente a la temperatura superficial pero que no conduzca el calor con mucha rapidez, ya que la temperatura se homogeneizaría, se distorsionarían las medidas realizadas y no sería posible diferenciarlas a lo largo del flujo. Un material que cumple con todas estas características es el papel, cuya emisividad se encuentra en torno a 0.9 pudiendo llegar a 0.94 dependiendo del color del papel y la terminación que este tenga. Además, el papel tiene una superficie de cuyo comportamiento térmico es de acción inmediata y suele tenerse en grosores muy finos, con lo que apenas provoca distorsión en el flujo. Es por todo ello por lo que la pantalla que se va a utilizar es una cartulina negra con textura mate de 0.65 x 0.50 metros con un grosor inferior a 1 milímetro como la que se muestra en la Ilustración 4-1. Ilustración 4-1. Cartulina negra. [35] Por último, el flujo de aire que se va a analizar es el flujo que produce un aire acondicionado de hogar marca Hisense, modelo AUD71UX4RFCL4 como el que se muestra en la Ilustración 4-2, que tiene una capacidad de frío nominal de 6192 Frig/h, un calor nominal de 6794 (1503-8158) Kcal/h, un caudal de aire que oscila entre los 852 y los 1100 m³/min y un rango de operación de -15 ºC a 48 °C para la refrigeración y de -15 ºC a 24 °C para la calefacción. Ilustración 4-2. Aire acondicionado Hisense modelo AUD71UX4RFCL4. [36] La medida de la temperatura del flujo del aire acondicionado se va a realizar en una de las salidas que tiene a una habitación mediante los correspondientes conductos de ventilación. Dicha salida a la correspondiente habitación se produce mediante un rejilla de ventilación mostrada en la Ilustración 4-3 cuyas medidas son de 0.734 metros de largo y 0.183 metros de ancho. 35 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 4-3. Rejilla de ventilación. Por último, como pantalla adicional para realizar el ensayo y poder analizar así la influencia que tiene tanto el material del que está compuesta como la tipología de superficie que tiene, se va a utilizar una caja de cartón plegada como la que se muestra en la Ilustración 4-4. La elección de esta pantalla se debe a que el material del que está compuesta es muy similar al de la cartulina, pero tanto en grosor como en tipología de superficie son diferentes de forma que eso podrá servir de ayuda de cara a determinar la importancia que tienen esos dos conceptos en el ensayo. Ilustración 4-4. Caja de cartón plegada. [37] Aplicación de la termografía infrarroja en la observación y medición de caudales de ventilación 42 Visualmente, apenas se ve un inicio del flujo que va aumentando conforme se aumenta el caudal que expulsa el aire acondicionado, apreciándose un aumento de la zona más clara correspondiente al flujo frío que sale de la rejilla de ventilación. Aunque no con la misma precisión que la obtenida utilizando la cartulina negra, con la línea dibujada en la imagen se puede apreciar la disminución de temperatura conforme nos alejamos de la salida de la ventilación, pero se aprecia, comparando el ensayo realizado con la cartulina, como las temperaturas que captamos son ligeramente más elevadas que en el otro ensayo. A simple vista, analizando sólo las imágenes obtenidas, se puede pensar que tampoco hay tanta diferencia en cuanto al uso de una pantalla u otra, pero, en cuanto pasamos a analizar los resultados numéricos plasmados en la Tabla 4-3, se ve como las variaciones de temperatura entre lo obtenido a través de la cámara térmica y lo obtenido por los termómetros difieren considerablemente. Analizando la Tabla 4-3, se observa como la menor variación de temperatura obtenida es de 1.7 ºC para el caso de caudal medio, aproximadamente el cuádruple de diferencia que lo obtenido con la cartulina negra. Los otros dos valores son mayores de 2 ºC, siendo de 2.2 ºC para el aire acondicionado expulsando el caudal mínimo y de 2.1 ºC con el máximo caudal. Como se puede extraer de estos valores, la diferencia en comparación con los resultados obtenidos con la cartulina es bastante elevada ya que en algunos casos cuadriplica el valor de esa diferencia obtenida pero, sin embargo, si nos centramos exclusivamente en los resultados de este ensayo obtenido con el cartón, se puede ver que estas variaciones de temperatura están en torno a los dos grados centígrados, que teniendo en cuenta que la precisión de los termómetros es de ± 2 ºC, no resulta una diferencia tan elevada y se considera permisible debido a que es extremadamente difícil captar la pluma de aire y captar su temperatura con una buena precisión. Haciendo hincapié en las diferencias visuales obtenidas con el uso de la cartulina negra y con el uso del cartón como pantallas, se puede decir que dichas diferencias recaen en tres aspectos principalmente. El primero y más importante es la emisividad. Cuanto mayor es la emisividad de la pantalla, es decir, cuanto más cercana esté a uno, mejores resultados se obtendrán y por ello el error en las mediciones será mucho menor. Aunque la emisividad del cartón también es elevada, 0.9, la de la cartulina lo es aún más, 0.92, a pesar de que el material del que están hechas ambas pantallas es similar, ya que en las dos este material es un derivado del papel. Si sólo nos guiásemos por este concepto, se deberían obtener valores más similares a los obtenidos ya que una variación de 0.02 en la emisividad es un valor prácticamente despreciable. Es aquí donde entra en juego el segundo concepto, la terminación de la superficie de la pantalla. Este concepto también es de vital importancia ya que la pantalla debe reaccionar rápidamente a la temperatura superficial, pero a su vez no conducir el calor con mucha rapidez ya que esto supondría una homogeneización de la temperatura rápidamente en todo el cuerpo, lo que conllevaría a una gran pérdida de información. En este aspecto, la cartulina es mejor ya que su terminación negra mate permite que la temperatura quede adherida a su superficie de forma casi instantánea permitiendo así la obtención nítida del flujo como se ha podido observar en las ilustraciones 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 4-10 y 4-11, mientras que el cartón necesita mayor tiempo de exposición al flujo para adquirir la temperatura de este y por consecuencia, la mantiene mucho más tiempo. Esto se ha demostrado en el siguiente ensayo realizado en el que se ha expuesto tanto la cartulina como el cartón durante 10 segundos al flujo de aire y luego se han tomado imágenes termográficas de las pantallas 3 y 10 segundos después de retirarlas de la rejilla de ventilación, obteniendo lo reflejado en las Ilustraciones 4-15 y 4-16. En la Ilustración 4-15 se observa como las subdivisiones del flujo de aire se aprecian perfectamente, como 3 segundos después se está empezando a unificar toda la temperatura y a subir debido a que el exterior está a mayor temperatura ambiente, y en la última imagen se aprecia como prácticamente la cartulina está en su totalidad a una temperatura uniforme donde la diferencia entre la parte expuesta al aire directamente y el resto de la cartulina es de poco más de un grado y medio. Sin embargo, en la Ilustración 4-16 se observa claramente como en la primera imagen las subdivisiones no se aprecian porque la temperatura se ha homogeneizado, como tras 3 segundos la temperatura del cartón sigue siendo bastante fría y como tras 10 segundos, el cartón sigue teniendo prácticamente el mismo campo de temperaturas que tenía a los 3 segundos de dejar de estar expuesto al flujo de aire. Este hecho es el que representa que el cartón, al contrario que la cartulina negra, tiene una superficie que reacciona de manera lenta de forma que no nos proporciona resultados del todo precisos. El último concepto importante es el del espesor de la pantalla, ya que una pantalla extremadamente gruesa podría modificar tanto el flujo que fuese imposible analizar el campo de temperatura que tiene a su salida. Como mejora a este trabajo se podría realizar el ensayo con cartulinas del mismo tipo, pero diferente grosor para así obtener resultados concluyentes que manifiesten la importancia de este último concepto. 43 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas. Ilustración 4-15. Ensayo para determinar la capacidad de adherencia de la temperatura que tiene la cartulina negra. (1ª imagen tras estar 10 s expuesta al aire, 2ª imagen 3 s después de retirarla del aire y 3ª imagen 10 s después de retirarla del aire). Ilustración 4-16. Ensayo para determinar la capacidad de adherencia de la temperatura que tiene el cartón. (1ª imagen tras estar 10 s expuesta al aire, 2ª imagen 3 s después de retirarla del aire y 3ª imagen 10 s después de retirarla del aire). Aplicación de la termografía infrarroja en la observación y medición de caudales de ventilación 44 Por último, tras recopilar todos los valores obtenidos en las Tablas 4-1, 4-2 y 4-3, comentar que las variaciones de temperatura obtenidas entre las medidas realizadas por la cámara termográfica y las obtenidas por los termómetros son más que aceptables y se encuentran en un rango totalmente válido. Esto es debido a que por un lado unas medidas son directas, como las tomadas por los termómetros, que miden la temperatura del ambiente, mientras que otras son indirectas, que serían las obtenidas de las imágenes térmicas, que miden la temperatura que adquiere la pantalla en ese ambiente expuesta al flujo. Aun así, los valores conseguidos se encuentran dentro de los parámetros previstos por el fabricante de la cámara, a pesar de la complejidad y dificultad de medir la temperatura exacta de los diferentes puntos de la pluma de aire saliente de la rejilla de ventilación. Además, dado que la precisión del termómetro es de aproximadamente ± 2 ºC, toda diferencia que sea menor o igual que este valor se considera aceptable ya que no es solo la precisión de los termómetros, sino que también interviene la precisión de la cámara térmica, que como se ha comentado, no mide la temperatura específica de un punto, mide la temperatura que adquiere la pantalla en ese punto. 5 CONCLUSIONES Después de realizar los experimentos correspondiente y analizar los resultados obtenidos a través de las imágenes termográficas y plasmados en las tablas, se pueden obtienen las siguientes conclusiones: • La finalidad de este trabajo era la de comprobar que se puede medir y visualizar de forma precisa y sencilla el campo de temperaturas del aire que proviene de un sistema de ventilación, más concretamente en este trabajo, de un sistema de climatización de hogar. Gracias al uso de la termografía se ha comprobado que la obtención de estos resultados es prácticamente instantánea pudiendo apreciarse en tiempo real a través de la cámara termográfica con la única ayuda de una pantalla adecuada. • El uso de una pantalla adecuada tiene un gran impacto en los resultados obtenidos, entrando en juego los tres conceptos anteriormente mencionados. La emisividad, que cuanto más cercana a uno sea, mejor se podrán captar los valores térmicos de la pantalla. La terminación de la superficie de la pantalla, que debe reaccionar rápidamente al calor, pero a su vez no conducirlo con mucha rapidez para evitar así la homogeneización de la temperatura en todo el cuerpo. Y el espesor de la pantalla, ya que una pantalla extremadamente gruesa modificaría tanto el flujo que se distorsionaría a la salida impidiendo analizar el campo de temperatura que tiene. • A pesar de haber obtenido variaciones entre las medidas captadas por la cámara termográfica y los termómetros, estos valores son totalmente permisibles y válidos. Esto es debido a que por un lado unas medidas son directas mientras que otras son indirectas, a que el termómetro tiene una precisión de aproximadamente ± 2 ºC y a que, como se ha comentado anteriormente, la cámara termográfica no mide la temperatura específica de un punto, mide la temperatura que adquiere la pantalla en ese punto. • Este ensayo junto con el realizado por el profesor Fernández Gutiérrez, abren una gran variedad de posibilidades de cara a tener un mayor conocimiento en todo lo relacionado con la difusión de aire, ya que poder conocer a que temperatura sale el flujo de aire proveniente de cualquier elemento o sistema puede ayudar a conocer más en profundidad todos los producto de este ámbito. [1] De esta forma, tras todas las conclusiones obtenidas con estos experimentos, se puede ver que desarrollando la pantalla correcta, adecuada para cada situación, sea cual sea, se puede determinar de forma sencilla el funcionamiento de cualquier instalación eléctrica ya que gracias al uso de dicha pantalla combinado con un cámara termográfica, se pueden obtener las temperaturas de todos los puntos del flujo y, con la imagen, se puede ver el alcance que este tendría y su repercusión en los elementos de alrededor. Conclusiones 46 6 BIBLIOGRAFÍA [1] F. J. Soto Lara y A. Fernández Gutiérrez, «Aplicación de la termografía infrarroja a la observación y medición de flujos de aire - Francisco José Soto Lara, Alberto Fernández Gutiérrez - tecnicaindustrial.es», ago. 2017. http://www.tecnicaindustrial.es/TIFrontal/a-8858-aplicacion- termografia-infrarroja-observacion-medicion-flujos-aire.aspx (accedido mar. 16, 2020). [2] «Termografía infrarroja, ¿Qué es y para que se aplica? - ebuilding». https://ebuilding.es/termografiainfrarroja/ (accedido may 04, 2020). [3] «Acerca de las encuestas de imágenes térmicas BREEAM | iRed®». https://ired.co.uk/articles/aboutbreeam-thermal-imaging-surveys/ (accedido may 04, 2020). [4] «El prisma de Newton | portalastronomico.com». https://www.portalastronomico.com/el-prisma-de- newton/ (accedido may 04, 2020). [5] «Termografía. | Ingeniería y Ciencia». http://ingenieriayciencia.blogspot.com/2007/02/termografa.html (accedido may 04, 2020). [6] «HISTORIA DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA – Termografí a infrarroja». https://termografias.mx/2015/12/17/historia-termografia/ (accedido may 04, 2020). [7] «¿Qué es la termografía infrarroja? - YouTube». https://www.youtube.com/watch?time_continue=105&v=Y2wgg-ZWc4c&feature=emb_logo (accedido may 04, 2020). [8] «Historia de la imagen térmica - Ventas e integración de seguridad». https://www.securitysales.com/surveillance/history-of-thermal-imaging/2/ (accedido may 05, 2020). [9] «Análisis multifísico de un bolómetro infrarrojo». https://www.comsol.com/paper/multiphysicsanalysis-of-an-infrared-bolometer-29042 (accedido may 04, 2020). [10] «AltaSim utiliza simulación para mejorar la sensibilidad del bolómetro | Blog de COMSOL». https://www.comsol.com/blogs/altasim-uses-simulation-to-improve-bolometer-sensitivity/ (accedido may 04, 2020). [11] Flir Systems, «Historia de la aplicación de la termografía». [12] «Detector de microbolómetro». https://www.optotherm.com/microbolometers.htm (accedido may 04, 2020). [13] «Espectro electromagnético - Ondas electromagnéticas». https://sites.google.com/site/ondaselecmag/espectro-electromagnetico (accedido may 04, 2020). [14] L. Instruments International, «A Basic Guide to Thermography». Accedido: may 04, 2020. [En línea]. Disponible en: www.landinstruments.net. [15] «Prevención de incendios con tecnología termográfica - Seguridad y Vigilancia». https://www.interempresas.net/Seguridad/Articulos/246300-Prevencion-de-incendios-con-tecnologia- termografica.html (accedido may 04, 2020). [16] «Aplicaciones infrarrojas: aplicaciones de termografía para empresas». https://bin95.com/infraredthermography-applications.htm (accedido may 04, 2020). [17] J. Cilulko, P. Janiszewski, M. Bogdaszewski, y E. Szczygielska, «Infrared thermal imaging in studies of wild animals», European Journal of Wildlife Research, vol. 59, n.o 1. Springer, pp. 17-23, dic. 30, 2013, doi: 10.1007/s10344-012-0688-1. Bibliografía 48 [18] «Termografía infrarroja en la cría de animales - TROTEC». https://es.trotec.com/aplicaciones/tecnologia-de-medicion-termografia/termografia-infrarroja-en-la- cria-de-animales/ (accedido may 06, 2020). [19] «¿Cómo funciona la imagen térmica? Visión nocturna y a través de paredes». https://www.pyrosales.com.au/blog/news/how-does-thermal-imaging-work (accedido may 04, 2020). [20] «Termografía médica: usos y objetivos». https://blog.infaimon.com/termografia-medica-usos- objetivos/ (accedido may 04, 2020). [21] «Termografía en Pamplona - Arrebol Estudio». https://www.arrebolestudio.com/termografia-en- pamplona/ (accedido may 04, 2020). [22] «Termografía para Ciencias Biomédicas y Veterinaria | eBuilding». https://ebuilding.es/termografiaciencias-biomedicas-veterinaria/ (accedido may 06, 2020). [23] Flir Systems, «Thermal Imaging Guidebook for Industrial Applications», 2011. https://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/T820264/T820264_EN.pdf (accedido may 06, 2020). [24] «Infratermic – Ingeniería y Termografía Estudio de temperaturas en líneas Aéreas mediante Termografía infrarroja». http://www.infratermic.es/?attachment_id=4590 (accedido may 04, 2020). [25] C. Cabezas, «Soporte Técnico en RS». Accedido: may 05, 2020. [En línea]. Disponible en: www.fluke.es. [26] «Services Corrosion Under Insulation | NDT Courses in Chennai |». http://www.ieqsgroup.com/services-corrosion-under-insulation/ (accedido may 05, 2020). [27] «Termografía en los edificios - Camara termográfica». http://solucionesbizkaia.com/termografia/ (accedido may 05, 2020). [28] «Cámara De Infrarrojos Fluke TiS50 | Fluke». https://www.fluke.com/es-es/producto/camaratermografica/tis50 (accedido may 04, 2020). [29] «Esquema Camara termografica | molmos33 | Flickr». https://www.flickr.com/photos/33698047@N08/8220140716/in/photostream/ (accedido may 04, 2020). [30] «Cámaras termográficas». https://www.amperis.com/productos/camaras-termograficas/ (accedido may 04, 2020). [31] «Termografía Guía De Selección». [32] «Descargas De Software | Fluke». https://www.fluke.com/es-es/soporte/descargas-de-software (accedido may 05, 2020). [33] «Termografía De Fluke | Descarga De Software Para Termografía | Fluke | Fluke». https://www.fluke.com/es-es/soporte/descargas-de-software/software-para-las-camaras-de-infrarrojos- de-fluke (accedido may 11, 2020). [34] «Termómetro PCE-666 | PCE Instruments». https://www.pce-instruments.com/espanol/instrumentomedida/medidor/termometro-pce-instruments-term_metro-pce-666-det_5355440.htm (accedido jun. 09, 2020). [35] «Cartulina negra pliego | Distribuidora el Faro». https://distribuidoraelfaro.com/product/cartulinanegra-pliego/ (accedido jun. 17, 2020). [36] «Aire acondicionado Hisense Conducto AUD71UX4RFCL4 - Hisense España». https://www.hisense.es/aire-acondicionado-comercial/conducto/conducto-aud71ux4rfcl4/ (accedido jun. 17, 2020). [37] «Caja sin solapas a medida». https://kartox.com/caja-de-carton-sin-solapas-a-medida (accedido jun. 21, 2020). 7 ANEXO 7.1 Ficha técnica cámara termográfica Fluke TiS50 Anexo 50 51 Aplicaciones de la termografía infrarroja en las instalaciones eléctricas.