Proyecto - Universidad Tecnológica de Tula

U N I V E R S I D A D TE C N OL Ó G I C A D E TU L A - T E PE J I
Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de Hidalgo
Estadía Realizada En:
M A N U FA C T U R A S K A LT E X , S. A . D E C . V .
Proyecto:
Análisis de Costo–Beneficio de Estudios Termográficos en
Manufacturas Kaltex, S. A. de C. V.
Carrera:
Ingeniería en Mantenimiento Industrial
Asesor Industrial:
Ing. Juan Sergio Magaña Juárez
Asesor Académico:
Ing. Eduardo Hernández Tovar
Autor:
Antonio García Parra
Agosto del 2011
U N I V E R S I D AD TE C N O L Ó G I C A D E T U L A- T E P E J I
Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de Hidalgo
AN Á L I S I S D E CO S TO – BE N E F I C I O
D E E ST UD I O S T E R M O G RÁ F I C O S E N
M A N U F A C T U R A S K AL T E X , S . A. D E C . V .
Proyecto
Q UE P AR A O B T E NE R E L T Í T UL O DE
I N G E N I ER O E N M AN T EN I M I E N T O I N D US T R I AL
Presenta
AN T O NI O G AR C Í A P AR R A
AGOSTO DEL 2011
U N I V E R S I D AD T E C N O L Ó G I C A D E TU L A- T E P E J I
Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de Hidalgo
AN Á L I S I S D E CO S TO – BE N E F I C I O
D E E ST UD I O S T E R M O G RÁ F I C O S E N
M A N U F A C T U R A S K AL T E X , S . A. D E C . V .
Proyecto
Q UE P AR A O B T E NE R E L T Í T UL O DE
I N G E N I ER O E N M AN T EN I M I E N T O I N D US T R I AL
Presenta
AN T O NI O G AR C Í A P AR R A
AGRADECIMIENTO
Agradezco infinitamente a Dios por darme la fortaleza y el valor para
continuar mis estudios y haber terminado mi carrera a nivel Ingeniería.
En el transcurso de este logro, me encontré con vivencias gratas, de tristeza, de
angustia, de desesperación, en fin; tantas y tantas cosas que quedaron en el
camino y que sin duda me enseñaron a valorar el esfuerzo realizado y que con
orgullo logre vencer los obstáculos para lograr mi meta.
Agradezco y le dedico con todo mi amor y cariño este logro a esa persona tan
maravillosa que me dio la vida, que estuvo incondicionalmente conmigo
siempre para apoyarme. Donde quiera que este, con cariño para mi madre,
OTILIA PARRA JIMENEZ (+).
Agradezco notablemente a mi familia que contribuyó con su gran apoyo para
alcanzar mi meta y muy en especial a mi esposa.
Agradezco a todos y cada uno de mis profesores por compartir sus
conocimientos, consejos y que en todo momento me enseñaron a crecer como
persona y como profesionista.
Agradezco a la Universidad Tecnológica, donde se nos brindó la información
académica para nuestra formación.
Sin olvidarme, agradezco a todos y cada una de las personas quienes de alguna
manera se involucraron para culminar mis estudios, a mis compañeros y
amigos, quienes me brindaron cariño, comprensión, apoyo y sobre todo su
sincera y valiosa amistad.
ÍNDICE
Pág.
RESUMEN. .
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SUMM ARY. .
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INTRODUCCIÓN. .
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ANTECEDENTES.
Generalidades y datos de la empresa .
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Historia.
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Misión, Visión, Objetivos y Metas de la empresa.
Objetivos y Metas de la empresa.
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Política de Calidad. .
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Planteamiento del problema.
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Objetivo general del Proyecto. .
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Objetivos específicos.
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Metas del Proyecto.
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Estrategias del Proyecto. .
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Justificación del Proyecto. .
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CAPÍTULO I.
M ARCO TEÓRICO.
1 Principios Básicos de Termografía Infrarroja.
1.1 Introducción a la termografía.
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1.2 Calor. .
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1.2.1 Modos de transferencia de calor. .
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1.3 Modos de intercambio de energía por radiación.
1.3.1 Propiedades de la radiación-emisión. .
1.3.2 Radiación emitida. .
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1.3.2.1 Emisividad. .
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1.3.2.2 La emisividad y la absortividad. .
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1.3.3 Cuerpo negro y cuerpos reales. .
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1.4 Leyes de la termodinámica. .
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1.5 Temperatura. .
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1.5.1 Escala de temperaturas. .
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1.5.2 Espectro electromagnético.
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1.5.3 Descubrimiento de un espectro de luz. .
1.6 Termografía Infrarroja.
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1.6.1 Tipos de Termografía.
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1.7 La cámara termográfica.
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1.7.1 Características de la cámara.
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1.7.2 Utilidades de la cámara para comprender mejor la imagen. .
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1.7.3 Control de la imagen térmica.
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1.7.4 Captura de una imagen. .
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1.8 Funciones y medida de la cámara. .
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1.9 Parámetros de Inspección en una Termografía Infrarroja.
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1.9.1 Detección de los distintos puntos calientes en los equipos eléctricos.
1.9.2 Técnicas de inspección termográfica. .
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1.9.3 Factores que intervienen en una inspección termográfica. .
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1.9.4 Criterio de clasificación de fallos. .
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1.9.5 Campos térmicos difíciles de interpretar.
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CAPÍTULO II.
SITUACIÓN ACTUAL DEL PLANTEAMIENTO DEL PROBLEM A.
2.1 Departamento de Proyectos Eléctricos. .
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2.2 Análisis Termográficos en Manufacturas Kaltex.
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2.3 Datos de producción. .
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2.4 Departamentos críticos de producción.
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2.5 Datos de producción. .
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CAPÍTULO III.
PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PLANTE AMIENTO DEL PROBLEM A.
3.1 Propuesta de solución.
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3.2 Desarrollo del proyecto.
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3.2.1 Reducción Económica de la aseguradora Zurich.
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3.2.2 Campo de Aplicación de la Cámara Termográfica.
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3.2.3 Características de las Cámara Termográfica requerida.
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3.2.4 Programas Termográficos. .
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3.2.5 Perfil del técnico requerido.
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3.2.6 Proceso de Inspección Termográfica. .
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CAPÍTULO IV. ANÁLISIS COSTO- BENEFICIO.
4.1 Análisis de Costos en una Termografía. .
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4.2 Análisis de Costo-Beneficio de una Cámara Termografía.
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CONCLUSIONES. .
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GLOS ARIO. .
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BIBLIOGRAFIA Y FUENTIES DE INFORM ACIÓN.
ÍNDICE DE FIGURAS.
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ÍNDICE DE TABLAS, GRÁFICAS Y ANEXOS.
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RESUMEN
En la búsqueda de un análisis sustentable y de nuevas técnicas de
mantenimiento, que nos impulse a la reducción de costos en la empresa, se
piensa en la idea de aplicar programas de termografía en Manufacturas Kaltex,
como una alternativa para garantizar el buen funcionamiento de los equipos, se
piensa en la aplicación de programas con Cámara termográfica en la detección
prematura de fallas en los equipos garantizando así la disponibilidad y
mantenibilidad de los mismos.
En el presente Proyecto se realiza un estudio del campo potencial de la
termografía en Manufacturas Kaltex, que permita justificar la adquisición de una
cámara termográfica. Una vez desarrollado este estudio se desarrollará un análisis
de costo-beneficio para determinar las características y del modelo de la cámara
termográfica a proponer para su adquisición.
Se presenta un estudio de costos que permita comprobar que una inspección
infrarroja no es tan cara y que a la larga es una inversión por los grandes
beneficios que ofrece.
Aunque la Termografía se considera como una de las mejores técnicas en el
mantenimiento predictivo de equipos, se debe de tomar muy en cuenta que se
debe tener un amplio conocimiento de la cámara que se pretenda emplear, ya que
si se tiene la carencia de estos conocimientos, puede causar diagnósticos
erróneos, lo cual provoca un mal criterio de la solución propuesta ante el
problema.
SUMMARY
In the search for an analysis and sustainable new maintenance techniques that
impels us to cost reduction in the company, think about the idea of applying
programs of thermography in Manufactures Kaltex. As an alternative to ensure the
proper functioning of our computers, we think of the implementation of programs
with thermographic camera in the early detection of equipment failures thus
ensuring availability and maintainability of the same.
In this project is being carried out a study of the potential field of thermography in
Manufactures Kaltex that allowed to justify the acquisition of a thermographic
camera. Once developed this study will develop a cost-benefit analysis to
determine the characteristics and the model of the thermographic camera to
propose for your purchase.
We present a study of costs which allows us to verify that a infrared inspection is
not as expensive and that in the long run it is an investment by the great benefits.
Although thermography is considered as one of the best techniques in the
predictive maintenance of equipment must be taken into account that you must
have a broad knowledge of the camera that it is intended to use, if you have a lack
of these skills can cause erroneous diagnoses which causes bad judgment of the
proposed solution to the problem.
INTRODUCCIÓN
Con el presente trabajo se pretende justificar y demostrar la importancia de
adquirir un equipo termográfico en Manufacturas Kaltex y realizar programas
termográficos que ayuden a detectar fallas prematuras en los equipos y que por
consiguiente ocasionen perdidas en la producción y en casos más críticos posibles
riesgos.
Profundos cambios se han presentado en la última década en los mercados,
términos y/o conceptos tales como globalización, competencia, reducción de
costos, servicio, etc., deben confrontarse todos los días para la permanencia de la
empresa en su actividad específica. Lógicamente estos cambios, esta motivación
del mercado por la competencia, reducción de precios con calidad y continuidad,
han impactado a todos y cada uno de los sectores de las empresas, incluyendo la
actividad de mantenimiento.
Actualmente la técnica de mantenimiento debe necesariamente desarrollarse bajo
el concepto de reducir los tiempos de intervención sobre el equipo, con el fin de
obtener la menor indisponibilidad para el servicio, adoptando estrategias de:
Mantenimiento predictivo, Mantenimiento preventivo y Mantenimiento correctivo.
Una de las técnicas de mantenimiento predictivo que a lo largo de los últimos años
ha pasado a ser una de las mas utilizadas por parte de las empresas es la de
Termografía Infrarroja.
Esta técnica permite detectar, sin contacto físico con el elemento bajo análisis,
cualquier falla que se manifieste en un cambio de la temperatura sobre la base de
medir los niveles de radiación dentro del espectro infrarrojo.
Con la termografía se desea obtener la reducción de los tiempos de parada al
minimizar la probabilidad de salidas de servicio imprevistas, no programadas,
gracias a su aporte en cuanto a la planificación de las reparaciones y del
mantenimiento. Los beneficios de reducción de costos incluyen ahorros de
energía, protección de los equipos, velocidad de inspección y diagnóstico,
verificación rápida y sencilla de la reparación, etc.
Aunque su difusión sea un poco reducida a causa del precio alto del los equipos
la termografía infrarroja es una técnica bastante utilizada en Evaluación No
Destructiva (END). Este éxito está ciertamente relacionado con la gran superficie
que puede abarcar y velocidad con la cual se obtienen imágenes.
No se omite mencionar que invertir en termografía, no es únicamente comprar una
cámara infrarroja y que no hay un buen uso profesional del equipamiento e
interpretación de las imágenes sin una adecuada formación y un conocimiento
básico de los principios de radiaciones y transferencias de calor.
Por último se hace mención que este proyecto pretende hacer un análisis del
costo beneficio en la adquisición de una cámara termográfica para estudios
termográficos en Manufacturas Kaltex comprobando así que su inversión no es un
gasto, si no una inversión.
ANTECEDENTES
Generalidades y datos de la Empresa.
Manufacturas Kaltex, S.A. de C.V. es una empresa del sector Textil, ubicada en el
Km. 11 de la Antigua Carretera México-Querétaro, en la comunidad de Santiago
Tlautla, municipio de Tepeji del Río de Ocampo, en el Estado de Hidalgo.
Kaltex® es la empresa fundadora del Grupo y se dedica a la manufactura y
comercialización de hilos y telas en los más diversos estampados y acabados.
Se cuenta con la infraestructura y capacidad para controlar de manera integral el
proceso de manufactura de textiles.
Actualmente continua inmersa en una dinámica de crecimiento y renovación de
plantas, tanto de hilatura, como de tejido y acabado.
Historia.
Grupo Kaltex es hoy el resultado de 86 años de evolución y crecimiento, que se
ubica como líder nacional en su ramo y una de las empresas textiles más
importantes a nivel mundial.
Su historia se hilvana con grandes momentos:
1925 Nace Kaltex, distribuidora textil.
1938 Kaltex se transforma en una convertidora textil.
1945 Se funda la primera fábrica de tejido.
1945 Se inaugura la primera planta de acabado textil.
1960 Se instala la primera hilatura.
1985 Inicia operaciones Kaltex Fibers, empresa del Grupo dedicada a la
producción de fibras acrílicas.
1986 Se inician exportaciones con gran éxito.
1994 Inicia operaciones Kaltex Home, empresa del Grupo
abocada a textiles para el hogar.
1996 se Inaugura la planta de mezclilla, una de las más modernas del mundo.
1997 Grupo Kaltex y Kaltex Apparel ofrecen el paquete
completo de prendas de vestir.
Hoy, Grupo Kaltex está orgullosamente preparado para superar
los retos del mercado mundial.
Misión, Visión, Objetivos y Metas de la empresa.
Misión:
Fabricar y comercializar productos textiles con excelencia en calidad y
servicio para satisfacción de las necesidades de nuestros clientes
nacionales e internacionales, obteniendo una rentabilidad adecuada para el
desarrollo económico de la empresa y oportunidad de una vida mejor para
los empleados del Grupo.
Visión:
Ser una de las empresas textiles más reconocidas a nivel nacional e
internacional y mantenerla a ese nivel por su calidad y servicio de sus
productos que ofrece.
Objetivos y Metas de la empresa:
Lograr que Kaltex sea una empresa altamente redituable.
Ubicarnos dentro de las 10 primeras compañías textiles a nivel
internacional.
Lograr excelencia en calidad y servicio.
Mantener en las plantas tecnología de punta.
Que el personal que labora en Kaltex tenga un mejor nivel de vida.
Contribuir al mejoramiento del medio ambiente.
Entregar nuestros productos de manera oportuna.
Disminución de no conformidades y reclamaciones.
Precios competitivos.
Fabricar nuestros productos libres de defectos.
Proporcionar servicio de calidad excepcional a nuestros clientes Pre-Venta
y Post-Venta.
Diseño de nuevos productos para satisfacer las necesidades de nuestros
clientes.
Política de Calidad.
Todos los que trabajamos para Manufacturas Kaltex estamos comprometidos con
la Calidad y Servicio para satisfacer las necesidades de nuestros clientes.
Para lograrlo, analizamos y mejoramos continuamente nuestros procesos,
mediante un Sistema Integral de Calidad del que todos formamos parte.
Todos somos responsables de mantener el Sistema y alcanzar los resultados
esperados, con el liderazgo del Equipo Gerencial.
Atentamente
James Steve Creamer
Director de Producción
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En Manufacturas Kaltex existe un departamento de proyectos eléctricos, en el cual
surgió la necesidad de reducir costos y garantizar el buen funcionamiento de los
equipos. Actualmente se lleva a cabo un programa anual de termografía,
únicamente para interruptores termomagnéticos ejecutada por la aseguradora
Zurich; su póliza y estudios termográficos son costosos.
La empresa no cuenta con programas de termografía en la mayoría de sus
equipos y existen muchas áreas de oportunidad para emplearla, esto trae como
consecuencia elevados costos de mantenimiento correctivo en los equipos
dañados y que en muchos de los casos se pueden prevenir mediante la
termografía.
Con lo mencionado anteriormente, se pretende aplicar estudios termográficos en
todo el grupo, ya que es una técnica que sin duda es muy rentable por los
beneficios que brinda y su campo de aplicación muy extensa. Además existen
muchas oportunidades de mejorar las técnicas de mantenimiento preventivo y
eliminar el costo del servicio por parte de Zurich y reducir indudablemente los
costos de la póliza y de mantenimiento.
Objetivo general del Proyecto.
Justificar el Costo-Beneficio de una cámara termográfica para el grupo de
Manufacturas Kaltex.
Objetivos específicos.
Estudiar el campo de aplicación de termografía en Manufacturas Kaltex.
Sugerir y adquirir una cámara termográfica que cumpla con las
especificaciones y requerimientos de acuerdo a las necesidades de la
empresa.
Reducir costos de la póliza de seguro.
Elaboración de programas de termografía (detección temprana de fallas).
Certificar al personal asignado para los requisitos de termografía.
Metas del Proyecto.
Estudiar el campo de aplicación de termografía en Manufacturas Kaltex.
Adquirir una cámara idónea para cubrir las necesidades de la empresa.
Analizar el costo-beneficio de la cámara termográfica.
Reducir costos mediante programas de termografía.
Certificar al técnico especialista.
Estrategias del Proyecto.
Recopilar información referente a la aseguradora.
Estudiar las áreas de oportunidad con estudios termográficos.
Comparación de ventajas y desventajas al seleccionar un equipo
termográfico.
Análisis del costo-beneficio.
Elaborar un perfil del técnico especialista.
Justificación del Proyecto.
Este proyecto contempla justificar la adquisición de una cámara termográfica, que
ayude a reducir la póliza de seguro, costos de mantenimiento y obtener todos los
beneficios en las plantas del grupo Kaltex, mediante programas preventivos de
termografía.
En grupo Kaltex existe un campo de aplicación muy amplio de la termografía que
actualmente no se esta aprovechando, se puede implementar un programa que se
desarrolle anualmente y que contemple:
Inspecciones eléctricas.
Inspecciones mecánicas.
Inspecciones en aislamientos y refractarios.
Entre otros.
Por mencionar algunos beneficios que se pretenden obtener con la ayuda de la
termografía:
Quitar el costo del servicio de termografía de los interruptores
termomagnéticos.
Detectar problemas que puedan interrumpir largos periodos de
funcionamiento de los equipos y por consiguiente el proceso (pérdidas).
Establecer acciones periódicas para la acción correctiva en los equipos.
Minimizar el mantenimiento preventivo y el tiempo perdido en localizar
problemas.
Disminución de riesgos; prevenir incendios, accidentes y fallas.
Garantizar el buen funcionamiento de los equipos.
Reducción de tiempos muertos y costos debido a paros de producción y
reparación de equipos.
CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO.
1. Principios Básicos de Termografía Infrarroja.
1.1 Introducción a la termografía.
En este capítulo se describe los conceptos básicos que intervienen en la
Termografía infrarroja. La temperatura y el calor son dos conceptos fundamentales
para la interpretación de imágenes infrarrojas, estas permiten determinar en donde
se encuentra la anomalía en un equipo. En ocasiones ambos conceptos han sido
mal interpretados y utilizados incorrectamente, muchas veces se utiliza un término
en lugar del otro, por ello es importante saber qué diferencia existe entre ambos,
por ejemplo; el calor no es algo que se quede en el mismo lugar, éste siempre
tenderá a fluir de acuerdo a sus propias leyes de comportamiento, a diferencia de
la temperatura, el calor se relaciona con la velocidad media de las moléculas y
átomos que componen la materia. Por ello en este capítulo se dará a conocer
cómo se transfiere el calor y cuáles son sus reglas de comportamiento, las cuales
existen tres formas que son: por convección, conducción y radiación.
También se describe la técnica de termografía infrarroja y la forma de utilizarla
haciendo énfasis la temperatura como parámetro de control y comprender por qué
la Termografía es tan útil. Se describe las características del equipo que se utiliza
en este tipo de inspección el cual consta de una cámara térmica. El principal
propósito, es dar ideas que faciliten el manejo adecuado para trabajar con la
cámara pero al mismo tiempo se pretende no cometer errores al momento que se
esté capturando la imagen y de esta manera poder tener una mejor interpretación
de la misma.
Cabe mencionar que la termografía, es una técnica que permite detectar, sin
contacto físico con el elemento bajo análisis, cualquier falla que se manifieste en
un cambio de la temperatura sobre la base de medir los niveles de radiación
dentro del espectro infrarrojo.
Una falla antes de producirse se manifiesta generando e intercambiando calor,
este calor se traduce habitualmente en una elevación de temperatura que puede
ser repentina, pero por lo general es dependiendo del objeto, la temperatura
comienza manifestar pequeñas variaciones.
1.2 Calor.
El calor es la energía asociada al movimiento aleatorio de las moléculas y átomos
de los que está compuesta la material.
Cuando se añade energía a un objeto, se incrementa su energía de movimiento en
sus átomos y moléculas e incluso los objetos más fríos poseen algo de calor
porque sus átomos se están moviendo.
El calor se genera por transformación a partir de otras formas de energía, un
ejemplo son los procesos industriales donde la conversión de energía
eventualmente produce calor como producto final.
Un objeto puede contener calor o mejor dicho energía. La energía térmica puede
ser transferida de un objeto a otro haciendo que se caliente, un ejemplo de esto es
cuando se calienta una cazuela con agua, el calor de la estufa hace que las
moléculas de la cazuela y del agua empiecen a vibrar más deprisa. Por lo tanto
cuando calentamos algo no estamos más que incrementando la velocidad de sus
moléculas.
Calor, en Física, es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o
entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es
energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona
de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la
de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La
energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura
alta si no se realiza trabajo.
Fig. 1 El físico británico James Prescott Joule,
centró sus investigaciones en los campos
de la electricidad y la termodinámica.
Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un
cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia
invisible, denominada calórico. Según la teoría del calórico, un cuerpo de
temperatura alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el primero
cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo
que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque
la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las
pruebas experimentales presentadas por el físico británico Benjamin Thompson en
1798 y por el químico británico Humphry Davy en 1799 sugerían que el calor, igual
que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de
energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, en una serie
de experimentos muy precisos, demostró de forma concluyente que el calor es
una transferencia de energía y que puede causar los mismos cambios en un
cuerpo que el trabajo.
1.2.1 Modos de transferencia de calor.
Transferencia de calor.
Es la ciencia que busca predecir la transferencia de energía que pueda ocurrir
entre distintos cuerpos como resultado de una diferencia de temperatura, es decir;
está relacionada con las razones de cambio de calor entre cuerpos de diferentes
temperaturas llamados fuente y receptor.
Esta ciencia no solo trata de explicar en cuanto o en cómo puede ser transferida la
energía calorífica sino que también trata de predecir la rapidez a la que se
realizara este intercambio bajo ciertas condiciones especificadas.
El calor puede transferirse de tres formas las cuales son:
Conducción.
Convección.
Radiación.
Transferencia de calor por conducción.
El fenómeno de transferencia de calor por conducción constituye un proceso de
propagación de energía en un medio sólido, líquido y gaseoso mediante la
combinación molecular directa cuando existe un gradiente de temperatura. El calor
puede fluir a través de un sistema o sistemas debido a una diferencia de
temperaturas, ésta siempre se va a dirigir desde la región que tiene mayor
temperatura a la de menor temperatura tal como lo establece la segunda ley de la
termodinámica.
La transmisión de calor por conducción se produce en cualquier situación en la
que se ponen en contacto moléculas con diferente temperatura. Puede tener lugar
entre diferentes objetos que están en contacto y en el interior de los objetos, no
importa el tipo de material.
La conducción tiene lugar en sólidos, líquidos y gases, con pocas excepciones es
el único modo de transmisión de calor que se produce dentro de un sólido,
algunos sólidos pueden transmitir radiación pero estos materiales son poco
comunes y realmente muy caros. La comprensión del hecho de que solo exista
transmisión de calor por conducción dentro de un sólido es de suma importancia
para los termógrafos porque les sirve para determinar el calor transmitido por esta
forma, primero que nada debemos tomar en cuenta cuales son los factores que
intervienen y como afectan.
Conductividad Térmica.
Conductividad térmica K es una propiedad que depende del material, sus
unidades son Watios (Watts) por metro por grado Kelvin (W/m*K), los materiales
tienen diferentes facilidades para conducir el calor. A mayor conductividad mayor
facilidad para conducir energía térmica; los valores de la conductividad térmica de
algunos materiales se dan en la Tabla siguiente:
Tabla 1 Valores de conductividad para algunos materiales. Éstos
valores pueden modificarse con la temperatura y otros factores.
Aunque todos los materiales metálicos tienen conductividad térmica elevada, este
parámetro también puede variar mucho de un metal a otro, el Cobre es casi ocho
veces más conductor térmico que el acero. Los gases posen baja conductividad
térmica pero son un caso especial en que la conductividad se ve afectada por la
presión, esto dificulta la comparación entre los valores de conductividad para los
gases.
Transferencia de calor por convección.
La convección es el modo de transmisión de calor en un fluido que está en
movimiento debido a fuerzas gravitacionales u otras fuerzas externas por lo que
dicho fluido transmite calor de un lugar a otro.
La convección es un modo de transmisión que se basa en el transporte de masa
dentro de un fluido, un líquido o gas; esta tiene lugar dentro del fluido. En la
superficie de un fluido que no se mezcla, esta corresponde a la conducción, en la
zona cercana al solido existe siempre una fina capa de fluido estacionario llamada
capa límite donde la transmisión de calor dentro del fluido tiene lugar
exclusivamente por conducción. Si consideramos un fluido con diferencias de
temperatura en su interior en las zonas donde el fluido está más caliente las
moléculas están más alejadas entre sí, esto se debe al mayor movimiento
molecular, cuando las moléculas chocan entre si son lanzadas más lejos y si las
moléculas están más alejadas entre sí eso significa que entre el volumen de
líquido más caliente tiene menor densidad.
De forma inversa las zonas más frías del fluido presentan una densidad mayor, la
diferencia de densidad dentro del fluido provocan a su vez diferencias entre la
magnitud de la fuerza de gravedad.
Las partes más frías se ven más afectadas por la gravedad que las calientes por lo
tanto las zonas más frías tienden a hundirse y las más calientes a elevarse.
Cuando ocurre esto tiene lugar una circulación de fluido como se muestra en la
Figura 2, este proceso transfiere calor de un lugar a otro tal como nos dice la
segunda ley de la termodinámica el calor ira del punto más caliente al más frio, los
fluidos calientes se elevan pero el calor siempre va de la zona más caliente a la
más fría.
Fig. 2 Circulación en el interior de un fluido;
el fluido más frio es el más oscuro.
El proceso descrito anteriormente de convección natural, es porque es la fuerza de
gravedad la que provoca el movimiento del fluido, cuando hablamos de conversión
forzada nos referimos a una situación en la que el fluido se ve afectado por otras
fuerzas.
Transferencia de calor por radiación.
La radiación térmica es una forma de radiación electromagnética, los cuerpos
emiten radiación térmica como consecuencia de su temperatura puesto que todos
los objetos tienen una temperatura por lo cual hacen que emiten una radiación, a
mayor temperatura mayor cantidad de radiación térmica será emitida.
La transmisión de calor por radiación es completamente diferente en este sentido
porque no requiere ningún medio material.
Algunos materiales son mejores y más eficientes en este proceso, la cantidad de
radiación térmica emitida por un cuerpo a una temperatura concreta depende del
tipo de material que lo constituye.
La radiación térmica se propaga fácilmente a través de los gases pero con mucha
mayor dificultad o incluso bloqueada por la mayoría de los líquidos y sólidos.
Fig. 3 Transmisión de calor por radiación.
La transmisión de calor por radiación como se indica en la Figura 3, se lleva a
cabo por emisión y absorción de radiación térmica, todos los cuerpos emiten y
absorben radiación térmica al mismo tiempo, el calor neto transmitido es la
diferencia entre lo que se ha absorbido y lo que se ha emitidito.
La radiación térmica es un concepto más amplio que el infrarrojo, es la radiación
que tiene la capacidad de transmitir calor por emisión y absorción.
No solo la radiación infrarroja tiene la capacidad de transmitir energía térmica, se
considera radiación térmica a la parte del espectro electromagnético que empieza
en algún punto dentro de la banda ultravioleta y continua en los rangos visibles del
infrarrojo.
1.3 Modos de intercambio de energía por radiación.
Las formas en que se puede intercambiar la radiación entre los cuerpos se pueden
expresar de la siguiente manera:
Emisión-radiación producida.
Absorción-radiación retenida.
Reflexión-radiación reflejada.
Transmisión- radiación que se deja pasar atreves.
Como saber qué proporción de radiación será absorbida, reflejada y transmitida,
todo depende de las propiedades del objeto. Un cuerpo tiene cierta capacidad o
habilidad para:
Absorber-llamada Absortividad, α (alfa).
Reflejar-llamada reflectividad, ρ (rho).
Transmitir-llamada transmisividad, τ (tau).
La suma de las tres siempre será 1, esta quedaría expresada de la siguiente
manera:
α+τ+ρ=1
La radiación saliente es toda la radiación que deja la superficie de un cuerpo,
independientemente de su fuente original.
Fig. 4 Las tres fuentes de radiación salientes de un cuerpo.
En la Figura 4, se observa que existen tres fuentes de radiación, la del objeto por
sí mismo, una fuente adelante y otra detrás. Suponiendo que se observa el objeto
de la derecha a izquierda la radiación saliente del objeto es una combinación de la
que se genera el objeto por si mismo, la que viene de la fuente de calor de
transmisión y pasa a través del objeto.
Este tiene una temperatura y emisividad de la cual depende la potencia de
radiación proveniente del objeto. La potencia de radiación de las otras dos
componentes no depende de la temperatura del objeto sino de la emisividad de la
fuente de reflexión y transmisión respectivamente. La magnitud de las
componentes reflejada y transmitida, dependen de la reflectividad y transmisividad
del objeto mismo.
La radiación saliente puede tener tres fuentes diferentes, de la radiación total
saliente de un cuerpo, una cierta proporción será:
Emitida, por el objeto por sí mismo.
Reflejada, desde una fuente enfrente del cuerpo.
Transmitida desde una fuente detrás del cuerpo.
La suma de estas tres es igual a la potencia de salida del objeto es decir; es igual
al 100%, la radiación incidente y saliente son diferentes en un aspecto muy
importante. Cuando hablamos de radiación incidente no importa realmente de
donde viene dicha radiación solo que viene de una fuente diferente del propio
objetivo. Con la radiación saliente hay que analizar la radiación que viene de tres
fuentes específicas.
No debemos olvidar que la radiación saliente puede ser de tres fuentes diferentes:
Emitir-llamada emisividad, ε (épsilon).
Reflejar-llamada reflectividad, ρ (rho).
Transmitir-llamada transmisividad, τ (tau).
ε+ρ+τ=1
1.3.1 Propiedades de la radiación-emisión.
La parte más importante de la radiación saliente es la parte emitida, un cuerpo
tiene cierta eficiencia o habilidad para emitir = emisividad.
Fig. 5 La misma temperatura pero diferente emisividad.
Esta Figura 5; se observa un cuerpo que tiene una emisividad más elevada en la
parte izquierda que en la derecha aunque la temperatura es la misma en ambos
lados, se emitirá más radiación hacia la izquierda esto significa que las pérdidas
reales del objeto serán mayores en el área de la izquierda.
1.3.2 Radiación emitida.
Fig. 6 Un objeto emite radiación térmica en todas direcciones.
Todos los cuerpos emiten radiación térmica en todas direcciones como se indica
en la Figura 6, por lo que la cantidad de radiación que se emite depende de la
temperatura del cuerpo y de su emisividad.
A mayor temperatura se emitirá más radiación, la emisividad se comporta de
forma similar a temperaturas más bajas, ya que los cuerpos emiten menos
radiación, un cuerpo con mayor emisividad irradiara más que otro de baja
emisividad, incluso si la temperatura es la misma.
1.3.2.1 Emisividad.
La emisividad es la medida de la eficacia de una superficie para emitir radiación,
por lo que se considera que las superficies que absorben la radiación son buenas
emisoras y que las superficies que reflejan la radiación incidente se consideran
malas emisoras. Los parámetros característicos de la emisividad son entre 0 y 1.
La emisividad se calcula con la formula siguiente:
Los valores de la emisividad varían de un material a otro, los metales con una
superficie áspera u oxidada tienen una mayor emisividad que una superficie
pulida.
Se muestra que existe relación entre emisividad y reflectividad, para un objeto
opaco esto implica que:
Emisividad + Reflectividad = 1.0
Así mismo un material altamente reflejante es pobre emisor de energía infrarroja y
por lo tanto tiene un valor de emisividad bajo.
Factores que afectan la Emisividad.
Existen seis factores que afectan la emisividad los cuales son:
Material.
Estructura superficial.
Geometría.
Ángulo.
Longitud de onda.
Temperatura.
Material: Los metales y los no metales son tipos de superficies diferentes en lo
que se refiere a la emisividad, es más fácil trabajar con los no metales porque
normalmente tienen emisividades altas, a diferencia de los metales que se oxidan,
los no metales no modifican su emisividad durante el transcurso del tiempo a
menos que se recubra de suciedad o se desgasten.
Estructura: Entre más rugosa sea la superficie mayor emisividad tendrá, las
superficies pulidas, brillantes y suaves tienen emisividades bajas mientras que las
superficies lijadas y rayadas tienen emisividades más elevadas, la oxidación
puede cambiar la estructura superficial haciéndola más gruesa; debemos
determinar visualmente si una superficie puede reflejar y absorber, si aparece sin
brillo probablemente presente una emisividad más elevada que si se muestra muy
brillante.
Geometría: La geometría se refiere a la forma física del objeto, la forma en que
trabaja este factor es que las cavidades, ángulos y agujeros hacen que el cuerpo
comience a parecerse cada vez más al diseño de un simulador de un cuerpo
negro, las múltiples reflexiones entre superficies incrementan la absorción y por lo
tanto la emisividad. El factor geométrico nos puede ayudar, si es que no se puede
incrementar la emisividad por ningún otro lado, pero lo que este factor no nos
ayudará a medir la temperatura mejor solo puede ser conveniente para saber si
hay una diferencia de temperatura.
Ángulo: La forma en que el ángulo afecta la emisividad puede variar entre
diferentes tipos de superficies, pero normalmente existen grandes diferencias y es
debido al mal enfoque que se le da cuando se hace una toma, si cuando se toma
una imagen perpendicularmente con un ángulo de 0° nos reflejaremos, por ello no
se debe permanecer directamente en frente del objeto porque en ese caso
nosotros podemos ser un problema y provocar que en el informe indique un punto
caliente inexistente.
Longitud de onda: Una medida de emisividad realizada con una cámara puede
no ser adecuada si se utiliza una cámara diferente, esto es si las cámaras trabajan
en longitudes de onda diferentes puesto que la emisividad puede variar igual que
otras propiedades de radiación, los diferentes tipos de detectores para la misma
longitud de onda puede también presentar ligeras diferencias de respuestas y así
mostrar diferencias en la forma en que se comporta una superficie.
Temperatura: La propia temperatura del cuerpo puede afectar a la emisividad, sin
embargo es poco frecuente y la influencia en la mayoría de los casos es
ciertamente pequeña. La emisividad de los materiales pueden incrementarse a
temperaturas muy elevadas, las temperaturas pueden variar desde la del ambiente
hasta 1000 ºC, en dichas condiciones el cambio de emisividad puede ser
significativo.
Lo único que se puede hacer en estas condiciones es tratar de realizar ensayos de
emisividad a temperaturas razonablemente cercanas a la que supongamos puede
estar el objeto, es decir; dar una regla general pero si está en un rango de 100°K
puede ser suficiente, además si la emisividad cambia normalmente se incrementa,
si empezamos con una emisividad elevada no puede presentar un potencial de
variación muy grande nunca puede ir por encima de 1.0.
Existen muchas tablas de emisividad independientemente de la tabla que
consultemos siempre aparecerán los mismos valores, la tabla de emisividad tiene
un valor limitado y los valores dependen del tipo de material.
Una tabla da estimaciones razonables de emisividad para no metales, si se
observa una tabla se encontrará que la mayoría de los no metales tienen una
emisividad bastante elevada. La emisividad no presenta variaciones extremas
entre diferentes muestras o incluso para una misma muestra del tiempo, como en
el caso de los metales. Las tablas de emisividad son poco confiables para los
metales, estas podrían llegar hasta un punto de que pueden ser completamente
inútiles. Esto es debido por una parte a las dificultades de interpretación. Por ello
no se debe confiar absolutamente en los valores que proporcionan las tablas.
1.3.2.2 La emisividad y la absortividad.
La capacidad o habilidad de un cuerpo para absorber radiación incidente consiste
con su capacidad para emitir su propia energía en forma de radiación.
Un cuerpo es bueno para absorber radiación, también es bueno para emitir su
propia energía como radiación, y también es cierto lo opuesto a esto. Un mal
absorbente opaco es de hecho un buen reflector por lo tanto, un buen reflector
será un mal emisor; consecuentemente si se desea mantener algo caliente, el
recubrimiento con papel de aluminio puede funcionar de la misma forma que
aislarlo con un material de baja conductividad, la baja emisividad permite que se
escape menos calor en forma de radiación.
1.3.3 Cuerpo negro y cuerpos reales.
Radiación de un cuerpo negro.
Un cuerpo negro es un radiador ideal, los cuerpos negros no existen en la vida
real, el concepto es útil para aplicar científicamente algunos fenómenos. Los
simuladores de cuerpos negros son muy importantes puesto que son utilizados
para la calibración de los sistemas de medida de infrarrojos, un simulador de
cuerpo negro se comporta de forma muy similar a un cuerpo negro ideal dentro de
su aplicación habitual.
Cuerpo negro – absorción.
Un cuerpo negro ideal absorberá el 100% de la radiación incidente, lo que significa
que ni refleja, ni absorbe ninguna radiación como se indica en la Figura 7.
Fig. 7 Cuerpo negro, que absorbe toda la radiación incidente.
Cuerpo negro – emisión.
En la Figura 8 nos muestra un cuerpo negro emite el 100% de su energía lo que
significa que no existe ningún otro objeto que sea capaz de emitir más energía.
Fig. 8 Cuerpo negro con una eficiencia del 100%.
Cuerpos reales.
En las medidas reales durante el trabajo práctico jamás se encontrarán cuerpos
negros, el objetivo será cuerpos reales, ya que pueden tener todas las
características de emitir, absorber, reflejar y transmitir radiación infrarroja la
mayoría de los objetos no es transparente sino opaco. Cuando se cumplen todas
las condiciones estos fenómenos se observarán como se muestra en la Figura 9.
Fig. 9 La radiación saliente de un cuerpo opaco
consiste de radiación emitida y reflejada.
Esto es válido para cuerpos reales no transparentes para este tipo de objetos
debemos considerar siempre que del cuerpo sale radiación procedemos de dos
fuentes, reflejada y emitida. Esto es muy importante recordar y comprenderlo no
solo para ser capaces de medir la temperatura sino también para interpretar
correctamente la imagen infrarroja.
1.4 Leyes de la termodinámica.
Conocer la ciencia de la termodinámica es muy importante para comprender la
transmisión de calor, esta describe el comportamiento del calor mediante una serie
de reglas las cuales dependen de cómo se comporta el calor.
La termodinámica se ocupa de los sistemas en equilibrio, estos se pueden utilizar
para predecir la cantidad de energía requerida para pasar un sistema de un estado
de equilibrio a otro, este no puede usarse para predecir qué tan rápido se realizara
un intercambio ya que el sistema no se encuentra en equilibrio durante el proceso.
La transferencia de calor complementa la primera y segunda ley de la
termodinámica al proporcionar reglas experimentales adicionales que se pueden
utilizar para establecer la rapidez de la transferencia de energía. En resumen la
transferencia de calor describe los requerimientos que se pueden aplicar en los
cuerpos y la termodinámica como se lleva a cabo tal transferencia.
La energía en un sistema cerrado (primera y segunda ley de la
termodinámica).
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede ser creada
o destruida, pero se puede convertir de una forma a otra; esta ley es aplicable al
calor y a otras formas de energía tales como eléctricas, mecánicas, químicas, etc.
El calor se puede producir convirtiendo alguna otra forma de energía en energía
calorífica como por ejemplo: en tostadores, secadoras de cabello, y calentadores
de agua; la energía eléctrica se puede convertir en energía calorífica.
La segunda ley de la termodinámica establece que el calor fluirá de forma
espontánea desde las zonas calientes hacia las más frías y esta es la forma en
que se transfiere el calor de un cuerpo a otro. Si analizamos el enunciado dice que
el calor fluirá eso no es una posibilidad porque esto solo ocurrirá si existe una
diferencia de temperatura entre dos puntos entonces si existirá un flujo de calor.
La diferencia de temperatura es lo que produce el flujo de calor, mientras más alta
sea la temperatura de un cuerpo más fácil es que se suministre calor a otro.
Ley de la conservación de la energía.
La suma de la energía total contenida en un sistema cerrado permanece
constante. Esta también es conocida como el principio de conservación de la
energía es decir, la energía no puede ser creada o destruida solo se transforma.
En realidad no existe ningún sistema absolutamente cerrado pero el principio de la
conservación de la energía se puede entender fácilmente de los sistemas que no
son cerrados si la energía no puede ser creada ni destruida entonces toda la
energía que se aporte en un sistema debe poder contabilizarse de alguna forma.
1.5 Temperatura.
La temperatura está relacionada con la velocidad medida de las moléculas y
átomos que componen la materia.
La temperatura ayuda a definir en qué condiciones se encuentra un objeto,
contrariamente a la energía que la temperatura es relativa, he indica cómo se
encuentra un objeto en relación a otro, la temperatura es un nivel en una escala
mientras que el calor es una medida absoluta.
La temperatura no es una forma de energía, la temperatura y la energía están
relacionadas pero no son lo mismo, la temperatura de un objeto aumentará o
disminuirá (normalmente) cuando la energía térmica de un cuerpo aumente o
disminuya, por tanto la temperatura es la consecuencia de más o menos energía.
Pero la temperatura no nos indica cuanta energía almacena un cuerpo.
La temperatura de un cuerpo nos dice la facilidad que tendrá para ceder calor a
otros objetos, lo que no está relacionado con cuanta energía contiene. La
temperatura se mide en Kelvin (ºK) o en grados Centígrados (Celsius) (ºC).
La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de
la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si
se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos
sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las
temperaturas a partir de reacciones subjetivas.
Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo
que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones
en varias propiedades físicas que se pueden medir con precisión. Al variar la
temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica
cambia y, en el caso de un gas, su presión varía.
La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las
moléculas de una sustancia; según la teoría cinética, la energía puede
corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las
partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del
movimiento de traslación de las moléculas.
Cero absoluto de temperatura.
Se considera que el hecho de la temperatura está relacionada con el movimiento
molecular, el mínimo movimiento hace que las moléculas queden prácticamente
inmóviles, es decir que no exista en absoluto movimiento; así la temperatura de
cero absoluto es ese punto teórico en que las moléculas no se mueven en
absoluto. Dicha temperatura no se da en los procesos naturales, ni siquiera en los
puntos más obscuros, donde tenemos los puntos naturales más fríos de 2.7 ºK.
El cero absoluto es el punto de comienzo lógico, por lo que se definen las escalas
de temperatura absoluta y comenzando en el cero absoluto. La escala Kelvin es el
estándar mundial y su unidad es el Kelvin (ºK). Existen otras escalas de
temperatura absoluta, pero siempre se utiliza el Kelvin.
1.5.1 Escala de temperaturas.
En las escalas relativas de temperatura se utiliza como cero un punto diferente al
cero absoluto, por ejemplo el punto de congelación del agua o también quizás el
agua salada, el punto de referencia debe ser escogido de forma que pueda ser
fácilmente accesible. Las razones para escoger un punto particular de referencia
están determinadas por la disciplina en la que trabajaba su inventor.
Las escalas relativas de temperatura están convenientemente adaptadas para su
uso diario, expresar la temperatura ambiente en Kelvin puede ser incomodo. Las
escalas Celsius y Kelvin tienen orígenes diferentes pero las variaciones miden lo
mismo, el tamaño de un grado Celsius es igual al tamaño de un grado Kelvin (ºC =
ºK); la escala Fahrenheit tiene un tamaño de grado diferente al Celsius o el Kelvin.
La conversión entre una temperatura expresada en Kelvin a Celsius o viceversa es
realmente muy simple, todo lo que hay que hacer es sumar o restar 273 de
acuerdo como se puede observar en la Figura 10, aquí los grados Celsius y Kelvin
se transforman fácilmente entre sí puesto que el tamaño de ambas escalas es el
mismo.
En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están
la escala Celsius - también conocida como escala centígrada -, la escala
Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Ranking o la escala termodinámica
internacional (véase Termómetro). En la escala Celsius, el punto de congelación
del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza
en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se
emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto
de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como
212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más
empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, 273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se
define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto
como punto más bajo es la escala Ranking, en la que cada grado de temperatura
equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Ranking, el punto de
congelación del agua equivale a 492 °R y su punto de ebullición a 672 °R.
Fig. 10 Escalas de temperaturas.
1.5.2 Espectro electromagnético.
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto
de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro
electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que
emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia.
Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella
dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que,
además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste,
como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. En la figura
11, se muestra un espectro electromagnético este se extiende desde la radiación
de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la
luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas
electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se
cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de
Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo, aunque
formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.
Fig. 11 Espectro electromagnético.
Todo equipo y/o elemento emite energía desde su superficie. Esta energía se
emite en forma de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz a
través del aire o por cualquier otro medio de conducción.
La cantidad de energía esta en relación directa con su temperatura. Entre más
caliente esta el objeto, más energía tiende a radiar.
La diferencia entre un cuerpo caliente y uno frío es el grado en el cual ambos
cuerpos emiten y absorben energía. Si el objeto absorbe más energía que la que
radia se le considera frío. Si el objeto emite más energía que la que absorbe se
considera que está caliente.
La temperatura de los cuerpos determina el tipo de luz que emite, entre mas frío
sea el objeto mayor es la longitud de onda en la que brilla. Esta es la energía
infrarroja, la cual es invisible al ojo humano, pero a través de equipos apropiados,
"cámaras de termografía", podemos "ver" esta energía y transformarla en
imágenes visibles.
1.5.3 Descubrimiento de un espectro de luz.
Sir Frederick William Hershel, nacido en Alemania 1738, se interesó en verificar
cuanto calor pasaba por filtros de diferentes colores al ser observados al sol.
En base a ello pudo determinar que los filtros de diferentes colores dejaban pasar
diferente nivel de calor.
Posteriormente hizo pasar luz del sol por un prisma de vidrio y con esto se formó
un espectro (el arco iris - Figura 12).
Fig. 12 Descomposición de la luz por un prisma.
Llevando un control de la temperatura en los diferentes colores del espectro
encontró que más allá del rojo, fuera de la radiación visible, la temperatura es más
elevada y que esta radiación se comporta de la misma manera desde el punto de
vista de refracción, reflexión, absorción y transmisión que la luz visible.
Era la primera vez que se demostraba que había una radiación invisible al ojo
humano.
1.6 Termografía Infrarroja.
Es una técnica que permite detectar y ubicar exactamente en donde existen
defectos o en donde se va a presentar una falla, con el empleo de una cámara
infrarroja con la cual se detecta la temperatura que presenten o que es emitida por
los cuerpos.
En el campo de los equipos eléctricos existen lugares donde se puede aplicar la
termografía por lo cual podemos dar algunos ejemplos:
En las cajas de los interruptores (teniendo en cuenta la Legislación vigente
que especifica que no pueden estar energizados).
En los cables de la acometida en donde puede existir un
sobrecalentamiento debido a que la carga no está adecuadamente
balanceada.
Esta observación también es válida para el conjunto de las tecnologías que se
encuentran al servicio del mantenimiento condicional, el análisis puede hacerse o
elaborarse de dos formas diferentes:
1.- Por análisis absoluto evaluando la temperatura de superficie en relación
al valor teórico Normal.
2.- Por comparación con un valor inicial previamente registrado en
condiciones de Funcionamiento normal.
Alguna de las ventajas que se obtienen con el uso de la Termografía son las
siguientes:
Brinda seguridad a la persona que está haciendo las tomas.
El operario de la cámara no hace contacto con la parte o pieza a
inspeccionar.
Ahorra gastos.
Facilita un diagnóstico de la falla.
Reduce el tiempo para encontrar la falla.
1.6.1 Tipos de Termografía.
Termografía Cualitativa.
La Termografía cualitativa se basa en el análisis de la imagen térmica para revelar
y localizar la existencia de anomalías y evaluarlas.
Con la Termografía cualitativa se puede utilizar la imagen para encontrar y evaluar
posibles problemas. Cuando se realizan análisis cualitativos se observa y analiza
de manera rápida la imagen para detectar posibles problemas. Si hay algo
sospechoso se analiza con mayor detalle.
Termografía Cuantitativa.
La Termografía cuantitativa utiliza la medida de temperatura como criterio para
determinar la gravedad de un problema y así establecer la prioridad de su
reparación.
Cuando se localiza una anomalía nos gustaría saber cuál es su gravedad,
normalmente no se tiene bastantes recursos para tratar de reparar todos los
problemas que se encuentran si ese fuera el caso la Termografía cualitativa sería
suficiente y la medida de temperatura no sería realmente necesaria.
Este tipo de Termografía nos proporciona criterios de severidad para determinar la
gravedad del problema, otros criterios incluyen carga, equipo, importancia en el
proceso de producción, seguridad y factores ambientales como la velocidad del
viento.
En la Tabla 2, se muestra una comparación que existe entre la termografía
cualitativa y cuantitativa.
Tabla 2 Comparación de técnicas cualitativa y cuantitativa.
1.7 La Cámara de Termográfica.
La cámara infrarroja es un aparato capaz de percibir la radiación infrarroja que
emiten los cuerpos, estas radiaciones son transformadas en imágenes luminosas
para que el ojo humano pueda visualizarla. Todos los cuerpos tienden a emitir
radiaciones, las cuales depende directamente de la temperatura en que se
encuentra el cuerpo, es decir, si el cuerpo está caliente emitirá una radiación
infrarroja mayor, mientras que si están fríos emitirán menor radiación.
A través de una pantalla se visualizan las imágenes, las cuales generalmente son
monocromáticas; ya que se usa un tipo de sensor que percibe la longitud de onda
infrarroja. Se muestran las áreas menos calientes en negro y las más calientes en
blanco esto va a depender de la cámara que se utilice.
También existen otros tipos de cámara infrarrojas como son las utilizadas para
calcular la temperatura. Estas cámaras procesan las imágenes para que se
visualicen de diferentes colores. Sin embargo, los colores mostrados no
representan la radiación infrarroja vista; estos son falsos colores, ya que la cámara
asigna atendiendo al rango de intensidad de particular longitud de onda infrarroja.
La cámara infrarroja tiene varias aplicaciones como es la cartografía, donde se
visualiza las partes más frías de la imagen de color azul, las más calientes de
color rojo y las intermedias de color naranja o amarillo. Otra aplicación, es que la
persona puede ver en las tinieblas, debajo del suelo o a través de humo. Para
ocultar cuerpos de esta cámara detectora de temperatura, se puede recubrir con
ropa aislante térmica. Sin embargo, estos cuerpos pueden pasar por
desapercibido solo por un pequeño intervalo, ya que la ropa poco a poco se va
calentando hasta que la cámara lo detecte. Otra opción para evitar que la cámara
detecte al cuerpo es usando papel de aluminio y mojar la ropa, para confundir las
lecturas que presente la pantalla. Existen varios tipos de cámaras infrarrojas estás
van a depender del tipo de detector infrarrojo que se incorpore:
Detectores térmicos: Se basa en la utilización de termopar que aumenta la
temperatura al absorber la radiación emitida por el cuerpo, estos transductores
convierten directamente la radiación infrarroja captada en una señal eléctrica,
cuando la cámara incorpora este tipo de detector se suele denominar cámara
piroeléctrica; para la generación de la señal de la cámara precisa realizar la
interrupción del haz de infrarrojo de forma continua para la cual utiliza un disco
obturador generalmente electromecánico.
Detectores fotónicos: Aunque el principio de funcionamiento es muy similar al
anterior pero en este caso los sensores convierten directamente la radiación
térmica en señal eléctrica sin necesidad de emplear el obturador, esto la hace
mucho más compacta que la anterior al no necesitar partes móviles.
Tanto los detectores fotónicos como los piroeléctricos trabajan a elevadas
temperaturas por ello las cámaras incorporan sistemas de refrigeración autónomos
que permiten mantener la temperatura del detector dentro de los límites
razonables. Los sistemas de refrigeración de las cámaras modernas son
básicamente dos: circuitos cerrados de refrigeración y termopares inversos en el
primer caso dentro de las cámaras existen pequeñas instalaciones de ciclo
frigorífico las cuales tienen el evaporador próximo a los detectores y el
condensador próximo al disipador. En el segundo el efecto de termopar se
consigue aplicando tensión a una junta bimetálica de forma que el detector queda
próximo al lado frio de la junta y el disipador del lado caliente. Otro parámetro
determinante en una cámara infrarroja es la longitud de onda de la radiación que
es capaz de capturar, así se pueden distinguir dos tipos de cámara:
Cámaras de onda larga: Este tipo de cámara puede capturar radiación térmica
con longitudes de onda comprendida entre 8 y 14µm. Tiene una gran cantidad de
visión independientemente de la reflexión solar lo que las hace aptas para su
utilización en exteriores pero su rango máximo de temperatura no suele alcanzar
los 500 ºC.
Cámara de onda corta: Puede capturar longitudes de onda entre 2 y 5µm.
Alcanza rangos de temperatura de hasta 1500 ºC. pero requiere del empleo de
filtros para su aplicación en exteriores. En cuanto a la forma de generar la imagen
también existen diferencias constructivas que permiten distinguir dos tipos de
cámara:
a) Cámaras de un único detector infrarrojo: Para generar una imagen en la
cámara infrarroja basta con un único detector el cual mediante un sistema de
barrido electromecánico puede producir todos los puntos necesarios para
completarla, este sistema está basado en un espejo móvil accionado
electrónicamente y este se denomina “scanning system”.
b) Cámaras matriciales: Otra posibilidad para la generación de la imagen es
disponer de tantos detectores como puntos de resolución que presenta la imagen
este sistema recibe el nombre de “focal plane array systems”.
La cámara de infrarrojos es una herramienta muy útil para obtener fácilmente
imágenes térmicas de gran precisión, para detectar los "puntos calientes" y
detectar las futuras averías, sin necesidad de contacto con los componentes ni
con las instalaciones.
La medición termográfica.
El ensayo de termografía constituye una situación mucho más compleja de lo que
se imaginan operadores de termografía poco experimentados. Esta complejidad
tiene varios orígenes: la naturaleza física misma de la medición por la cámara, la
complejidad del objeto observado (lo llamaremos aquí “sistema” para poner en
énfasis su complejidad), la existencia de transferencias de calor entre este sistema
y el medioambiente que lo rodea, y la existencia de otras posibles fuentes de
calor. Una parte de estas transferencias pueden estar bajo el control del operador
(caso de la termografía activa) o totalmente independientes a él (caso de la
termografía pasiva).
Entonces, se puede decir que la medición termográfica es la unión de tres actores
que se interfieren: 1) el operador, en ensayo pasivo o activo, con su sistema para
realizar la termografía (cámara, sincronizador, lámparas, etc.), 2) el sistema
observado, 3) el medioambiente o entorno. Estas interrelaciones, de la cual se
destaca el hecho que la naturaleza de las mismas es térmica, implicando todos los
modos de transferencias de calor (radiación, convección y conducción) y la
producción de fuentes de calor de diferentes naturalezas. Resulta que no es
posible hacer un diagnóstico termográfico de calidad sin tener:
1) Informaciones acerca de la cámara y de sus características metrológicas.
2) Informaciones acerca de la constitución del sistema observado y del
medioambiente (estructuras, materiales, propiedades, etc.).
3) Un mínimo de conocimientos en transferencia de calor.
Los detectores infrarrojos.
Hoy en día, casi todas las cámaras infrarrojas contienen detectores cuyo conjunto
es denominado FPA (Focal Plane Array, es decir arreglo de plano focal). El
número de detectores define el tamaño de las imágenes (número de píxeles). Hay
dos tipos de detectores: los detectores cuánticos, generalmente refrigerados, y los
microbolómetros, no refrigerados.
Fig. 13 Los actores del acto termográfico y los fenómenos físicos
que intervienen en la medición.
Los primeros son foto detectores acoplados a un substrato que hace la salida
eléctrica de la lectura del píxel (ROIC, Read-Out Integrated Circuit). Es lo que se
llama hibridación de la óptica con su electrónica. La tasa de actualización puede
ser elevada (centenares de Hz - cuadros por segundo). Los segundos son
termómetros: cuando un fotón llega, es detectado por el detector mediante un
cambio de su temperatura, lo cual hace que la conductividad del material cambia,
monitorizándose a través del cambio de una intensidad de corriente de referencia
que circula por el dispositivo. El receptor debe estar aislado térmicamente del
ROIC y ser eléctricamente conductivo. El hecho de trabajar basándose en un
efecto fotoconductivo limita la tasa de actualización generalmente a 25 Hz.
Fig. 14 Los dos tipos de detectores infrarrojos.
1.7.1 Características de la cámara.
Las principales características de una cámara infrarroja son: la sensibilidad
térmica, la precisión, la resolución espacial, la frecuencia de la imagen. Se
examinarán en la perspectiva de aplicaciones de END.
Sensibilidad térmica o NETD.
La sensibilidad térmica, llamada NETD (Noise Equivalent Temperature Difference,
es decir ruido equivalente a la menor temperatura detectable), es muy importante
para aplicaciones de END. En efecto, cuanto más bajo es el NETD mejor se puede
detectar un contraste térmico significativo observable emergiendo por sobre el
ruido del sistema. El NETD de las cámaras bolométricas es del orden de 50 - 100
mK y aquél de las cámaras con detectores cuánticos refrigerados alcanzan un
poco menos de 20 mK. Por eso se recomienda la utilización del último tipo de
cámara cuando una gran sensibilidad es necesaria. Es necesario llamar la
atención sobre el hecho de que la sensibilidad especificada por los fabricantes de
cámaras infrarrojas se obtiene solamente con el tiempo de integración máximo.
Ahora bien este tiempo de integración no se puede utilizar en todos los casos. En
particular es necesario tomar un tiempo más breve cuando el campo observado
contiene importantes variaciones de temperatura. Esto se ve en la gráfica
siguiente presentando la influencia del tiempo de integración sobre el NETD medio
de la cámara CEDIP Jade y en la gráfica 1 donde se comparan las distribuciones
de NETD individuales de los píxeles de la misma cámara con tiempos de
integración de 200 µs y 400 µs.
Gráfica 1 Variación del NETD con el tiempo de integración (cámara CEDIP Jade…).
Precisión.
Es la medida de cuán precisa es la temperatura medida de un objeto con relación
a su verdadera temperatura. Casi todas las cámaras actuales alcanzan
precisiones de ± 2°C o ± 2% para los rangos los más extendidos. Conocer esta
precisión es importante para la END por termografía pasiva.
Resolución espacial.
Se le denomina IFOV (Instantaneous Field of View – Campo de visión
instantáneo). Se expresa en miliradianes y se trata del área cubierta por un sensor
remoto en un determinado momento. Depende del tamaño del detector y de la
lente. Esta característica es importante en END cuando se trata de descubrir
defectos de tamaño reducido.
Frecuencia de la imagen.
Las imágenes en tiempo real tienen tasas de actualización de centenares de Hz
(cuadros por segundos). Es el caso de las cámaras con matriz de detectores
cuánticos refrigerados. Además muchas cámaras actuales ofrecen la posibilidad
de reducir el tamaño de las imágenes (windowing) permitiendo constantemente
aumentar la tasa de actualización, alcanzando varios millares de Hz. Esta
característica es importante cuando el sistema observado es un buen conductor
del calor, lo que implica tiempos característicos muy breves.
1.7.2 Utilidades de la cámara para comprender mejor la imagen.
El análisis de la imagen térmica implica a menudo el estudio de sus patrones, los
patrones térmicos pueden ser a veces difíciles de ver por lo que el instrumento
contiene varias utilidades que nos permiten ayudar a comprender mejor la imagen.
Las utilidades más importantes para mejorar la compensación de la distribución
térmica con la cámara son:
Ajuste térmico.
Isoterma.
Las paletas de color.
Ajuste térmico: Significa ajustar la escala de colores sobre el cuerpo que se
requiere analizar con el objetivo de optimizar el contraste del mismo. Para el ajuste
térmico se utilizan los controles de Nivel y Campo de la cámara, hay que fijarlos de
forma que todos los colores de la barra de color cubran esa parte de la imagen y
solo esa parte, las zonas menos interesantes de la imagen pueden quedar fuera
de la escala y por lo tanto se verán normalmente negras o blancas, en la Figura 15
podemos observar el ajuste térmico de color verde y también podemos visualizar
en donde se localiza el nivel y el campo.
Fig. 15 Ajuste térmico.
Isoterma: El isoterma sustituye algunos colores de la escala por otro de elevado
contraste.
El isoterma muestra un intervalo de igual temperatura aparente, los colores en la
imagen no presentan temperaturas por sí mismos, el isoterma solo sustituye esos
colores por otro color de elevado contraste y por tanto el isoterma tampoco
representa temperatura, el isoterma se puede desplazar hacia arriba o hacia abajo
en la escala puede ser ensanchada o estrechada según convenga.
El contraste es el elemento clave, si miramos imágenes térmicas débiles hay que
ayudar a los ojos a verlas.
Podemos utilizar el isoterma para seguir el flujo de calor incluso para descubrir si
existe, si el isoterma se extiende uniformemente por toda la superficie del cuerpo
significa que no existe flujo de calor a través de la superficie del objeto.
También se puede utilizar para determinar la localización exacta del punto más
caliente, esta función nos mostrara donde puede haber una fuente de color por
debajo de la superficie que estamos mirando; en la Figura 16 podemos observar
en diferentes puntos como se presenta el isoterma.
Fig. 16 Isoterma en distintos puntos.
Las paletas de color: La paleta de color de la imagen asigna diferentes colores
para marcar niveles específicos de temperatura aparente, la paleta puede dar más
o menos colores dependiendo de los que utilicemos.
La imagen térmica puede presentarse con un máximo de aproximadamente 256
colores por ejemplo con negro en un extremo de la escala que se irá aclarando
paulatinamente en cada uno de los 256 pasos hasta llegar a ser completamente
blanco , esto significa que habrá muy poco contraste, con una imagen a color se
obtendrá más libertad para utilizar colores lo que nos dará un contraste elevado
para dar a la imagen un aspecto suave que no moleste cuando se mira , los
colores deben estar correctamente combinados entre sí; en la Figura 17 podemos
observar diferentes tipos de paletas que existen.
Fig. 17 Tipos de paleta.
Selección de la paleta de colores: Para elegir la paleta de colores se propone lo
siguiente:
Utilizar paletas de elevado contraste sobre objetos de bajo
contraste térmico.
Utilizar paletas de bajo contraste sobre objetos de elevado
contraste térmico.
1.7.3 Control de la imagen térmica.
Los nombres y la forma en que se utilizan los controles pueden ser diferentes pero
los principios de utilización siempre son los mismos, se utiliza siempre la
terminología más reciente como se indica en la Figura 18.
Fig. 18 La imagen se controla seleccionando el rango
de temperatura y fijando el nivel y el campo.
Rango de temperatura.
El rango de temperatura es el ajuste básico, muchos instrumentos tienen de 2 a 5
rangos de temperatura, el rango fija las temperaturas por debajo y por encima de
las cuales no se puede medir, contra menos y más anchos sean los rangos más
fácil será utilizar el instrumento.
Los rangos de temperatura se pueden obtener de diferentes formas alguna
mediante la combinación de diferentes métodos; la necesidad de disponer de
diferentes rangos de temperatura es la misma que por que las cámaras
fotográficas necesitan diferentes aperturas, se debe eliminar la cantidad de
radiación que llega al detector si no este se saturara, se sobrecargara de energía.
Se utiliza la apertura en los sistemas más antiguos y normalmente se controla con
un diafragma mecánico o un botón. El segundo método es intercalando un filtro en
la trayectoria de la radiación que limita la cantidad de radiación que llega al
detector justo como si fuera unas gafas de sol. El tercer método es electrónico
limitando la sensibilidad del detector.
Si pretendemos aplicar todos los colores de nuestra paleta al rango entero de
temperaturas de la cámara, solo algunos colores corresponderán con las
temperaturas de nuestra imagen, así acabaremos teniendo una imagen muy poco
verídica por ello se recomienda que fijemos un campo muy ancho y variar el nivel
hasta que aparezca la imagen.
Nivel y campo.
Campo: Es la parte del rango de temperatura que estamos utilizando, otra forma
de llamarlo es contraste térmico, podemos hacer el campo más ancho o más
estrecho, muchos sistemas muestran 256 colores esto es por razones técnicas y
también practicas el ojo humano es incapaz de diferenciar más colores en la
misma imagen aunque las pantallas normalmente pueden mostrar más; en la
figura 19 podemos observar claramente en donde se encuentra localizado el nivel
y el campo.
Fig. 19 Nivel y Campo.
El Nivel: Es el punto medio del campo como lo estamos observando en este caso
sería 15.59 ºC, otra forma de entender el nivel es como el brillo térmico.
1.7.4 Captura de una imagen.
La captura de una imagen se realiza congelando, almacenando o mediante las
dos en orden consecutivo, para el informe la imagen debe ser primero congelada
en la cámara para después ser transferida a un ordenador y generar en el fichero
de informe para su posterior impresión.
Existen tres reglas generales independientes de la cámara que estemos
ocupando, tres cosas nunca se pueden modificar después de congelar o
almacenar la imagen:
Rango de temperatura.
Enfoque óptico.
Composición.
Rango de temperatura: Tenemos que fijar un rango de temperatura que incluya
lo que pretendemos medir, es decir; un ejemplo no podemos esperar medir milivolts si fijamos el rango en kilo-volts.
Enfoque óptico: Este es muy importante no solo porque una imagen mal
enfocada dice poco, si no porque aparece muy poco, los reportes que se realizan
después de la inspección es donde se da la impresión del trabajo que sea
realizado, por eso la precisión de medida se ve afectada por nuestro enfoque,
dicho en pocas palabras malas imágenes producen malas lecturas de
temperatura.
Fig. 20 Enfoque óptico.
En la Figura 20 podemos observar que en el termograma se capturó en diferentes
enfoques ópticos, los cuales puede llegar a caer en una interpretación errónea.
Composición: La composición de la imagen se refiere a varias cosas, tiene que
ver en primer lugar en la forma en cómo se presenta el objetivo en la imagen.
No se tiene que poner muy lejos en una esquina, ni tampoco demasiado cerca de
manera que no se corte parte de la información importante. El error más común en
los principiantes es permanecer demasiado lejos del cuerpo. Lo más aconsejable
es que se coloque más cerca, tomando en cuenta de que se debe mantener a una
distancia donde se encuentre seguro.
Si uno se coloca demasiado lejos del objeto no se podrá medir la temperatura
adecuadamente; un ejemplo de esto se puede observa en la Figura 21 en donde
se puede ver como se capturó la imagen muy cerca en la Figura (a) y muy lejos en
la Figura (b).
Fig. 21 Composición de una imagen.
1.8 Funciones y medida de la cámara.
La cámara contiene diferentes funciones de medida, así como variantes de
algunas de ellas, las más importantes que se consideran son:
Isoterma.
Medidor puntual.
Área.
Variación lineal.
Isoterma: Como habíamos mencionado anteriormente el isoterma sustituye los
valores de la escala por otros de mayor contraste, normalmente muestra un
intervalo de igual intensidad de radiación (temperatura aparente) con una cierta
anchura, también resulta adecuado para analizar imágenes. El isoterma es
adecuado para análisis durante el trabajo práctico porque puede mostrar
distribuciones térmicas y como medir la temperatura en diferentes zonas de la
imagen. Si se mide un punto, el isoterma nos mostrará todos los puntos que
alcanza el mismo nivel de temperatura.
Medidor Puntual: Una cruz marca la posición del medidor puntual, algunas
cámaras tienen un medidor puntual en la que el tamaño indica la zona en la que
se mide. El medidor puntual también puede ser utilizado para localizar el punto
más caliente en una zona, si situamos el medidor puntual en una zona caliente sin
utilizar el isoterma como herramienta de ayuda es posible que no midamos
realmente la temperatura más elevada. Es muy útil para informes porque muestra
por sí mismo el punto donde se realiza la medida.
Área: Esta función da el valor máximo, mínimo o promedio dentro de un
rectángulo o círculo, lo más práctico de esta función es que elimina la necesidad
de un ajuste muy fino para determinar la temperatura más alta o más baja además
muestra la temperatura pero no la posición del punto más caliente o más frío.
Muchos termógrafos utilizan un área de tamaño pequeño mientras estudian la
imagen para obtener lecturas de temperaturas rápidas.
Variación de temperatura: Esta función muestra la curva de temperatura sobre
una línea trazada sobre la imagen, esta es muy adecuada para analizar
distribuciones térmicas y es útil para los informes, sirve para comprender mejor lo
que se está explicando si no es así es mejor evitarla por que ocupa mucho
espacio en la imagen.
Detectores y pixel.
La imagen de la cámara representa la zona a la que se observa el campo de
visión, la cual está compuesta de pixeles, es decir; es una abreviatura de elemento
de imagen.
Fig. 22 Detectores de pixel.
Cada pixel tiene un cierto tamaño en la imagen, llamada el IFOV, es decir campo
instantáneo de visión, como se indica en la Figura 22; el IFOV es una medida
angular que se expresa en miliradianes o mrad. Algunas veces se expresa como
la relación entre la distancia y el tamaño del punto, en el plano focal de la matriz
de la cámara, o FPA cada pixel es generado por el propio elemento del detector
en el FPA. Así no es el tamaño físico del detector en el que reside la resolución
geométrica o espacial en su lugar es la distancia entre el punto medio de cada
detector lo que se conoce como pitch. No importa el tamaño del IFOV si el cuerpo
del objeto es demasiado pequeño para generar una señal cuando la radiación
incide sobre el detector, esto no es posible percibirlo como se muestra en la Figura
23.
Fig. 23 Tamaño del cuerpo versus tamaño del pixel.
Los cuadros representan el elemento detector, el IFOV, en el cuadro de la derecha
el cuerpo es demasiado pequeño para cubrir un elemento detector, pueda crear o
no una señal diferente del elemento que tiene al lado esto depende de lo caliente
que se encuentre comparado con su entorno, pero si crea una señal la información
procede del mismo no será demasiado útil porque todo lo que se observa será un
detector mostrando una temperatura diferente al elemento adyacente y no se
podrá de interpretar como una imagen inteligible del objeto y por tanto la medida
de temperatura del objeto será ciertamente imposible.
Calibración de una cámara infrarroja.
Como muchos otros dispositivos de medida, la cámara necesita ser calibrada para
medir correctamente la temperatura; la calidad de la medida no puede ser mayor
que la de la calibración, por tanto una buena calibración es fundamental y es algo
que compramos con el equipo y que más tarde utilizaremos.
La calibración de la cámara se realiza en un laboratorio bajo condiciones
ambientales controladas con un gran número de fuentes de referencia de cuerpo
negro, las fuentes de referencia son simuladoras de un cuerpo negro con una
emisividad muy elevada cercana a 1.0, las fuentes están certificadas según los
estándares internacionales.
Las fuentes de referencia de un cuerpo negro están distribuidas en un semicírculo,
la cámara se fije en medio de una mesa rotatoria conectada a un sistema de
control automático de la estación de calibración como se muestra en la Figura 24.
Fig. 24 Mirando fuentes de referencias.
La cámara se apunta a las fuentes de referencia una detrás de otra y cada fuente
de referencia genera una señal en la cámara el valor de esta señal es registrado
para cada temperatura.
Fig. 25 Obtención de una curva de calibración.
En la Figura 25 muestra los puntos de nivel de señal y la lectura de temperatura
son representados en un diagrama y ajustados a una curva, esta curva se carga
en la memoria de la cámara y será utilizada para relacionar la radiación con la
temperatura así como una potencia de radiación incide sobre el detector y causa
la señal de un nivel especifico la curva será utilizada para convertir dicha señal a
correspondiente temperatura.
1.9 Parámetros de Inspección en una Termografía Infrarroja.
Un parámetro de inspección es una serie de mediciones que nos van a ayudar a
localizar el origen de una falla. La cámara de infrarrojos toma imágenes y nos
mide la radiación infrarroja emitida por algún objeto. Ya que la radiación se
considera una función de la temperatura la superficie del objeto, hace que la
cámara calcule y visualice esa temperatura. Aunque la radiación que es medida
por la cámara no depende únicamente de la temperatura del objeto, sino que es
una función de la emisividad. La radiación que proviene tanto del objeto como de
la radiación reflejada se ve influida por la absorción de la atmosfera.
Para medir la temperatura con cierta precisión, es necesario que se compensen
los efectos de diversas fuentes de radiación distintas para que la cámara realice
automáticamente el proceso anterior requiere que se le proporcionen ciertos
datos: La distancia entre el objeto y la cámara, la emisividad del objeto, la
temperatura aparente reflejada, la humedad relativa y la temperatura de la
atmosfera.
La emisividad es uno de los parámetros más importantes que se debe ajustar
correctamente, ya que, es una medida de la radiación emitida por algún cuerpo
que es comparada con un cuerpo negro perfecto con la misma temperatura. La
emisividad en los metales es baja pero en cuanto se aumenta la temperatura la
emisividad tiende a aumentar.
Distancia entre la cámara y el objeto.
La distancia entre la cámara y el objeto es contemplada desde el lente frontal de la
cámara hasta el objeto, esta distancia va con respecto al modelo de la cámara en
este modelo su distancia máxima en la que se debe realizar la toma de la imagen
es de 20 metros, ya que si se toma a mayor distancia esta toma obtendrá datos
erróneos del equipo a inspeccionar.
Este parámetro es útil para la compensación en el caso en que la radiación del
objeto es absorbida por la atmosfera entre la cámara y el objeto, como la radiación
de la atmosfera que es detectada por la cámara.
Humedad relativa.
Se debe establecer el valor apropiado de la humedad relativa, ya que la cámara
realiza la compensación del índice de transmisión dependiente de la humedad
relativa en la atmosfera, por lo que se considera que para distancias cortas y una
humedad normal, se utiliza el valor de un 50% para la humedad relativa.
La mayoría de las cámaras infrarrojas son de fácil manejo así como también
cuentan con diferentes características que las hacen mejores, si hablamos de la
marca y el modelo.
La información que nos brindan estas cámaras es de mucha importancia, si
hablamos económicamente en un largo plazo se observa que se pueden ahorrar
grandes gastos.
Los equipos o dispositivos que se emplean regularmente en algunas instalaciones
eléctricas, no tienen el mismo tiempo de vida, esto se debe en gran parte a que
están expuestos en medios en los cuales a veces los niveles de contaminación
son excesivos, lo anterior va ocasionando en éstos un deterioro y por
consecuencia va a haber alteraciones en las características que los distinguían,
así como también, llevan de la mano la generación y provocación de fallas.
Ante todo el termógrafo debe de estar bien informado de las características con
las que cuenta su equipo de trabajo (que en este caso sería la cámara
termográfica), de tener bien estudiadas las características de los equipos o
dispositivos a los que se les realizará una inspección termográfica, debido a que
estas mismas características pueden llevar a un mal diagnóstico.
Y para que el termógrafo lleve a cabo correctamente esta inspección es necesario
que tenga una planeación de sobre cómo es que va a ir analizando el lugar, esto
se refiere a que las cámaras termográficas, para que estas hagan un buen
enfoque del objeto deben de tener en cuenta que tienen una distancia mínima de
enfoque, lo que significa que el termógrafo debe de estar por lo menos a la
distancia mínima que indica la cámara y lo anterior viene siendo lo que es la
distancia de trabajo.
El termógrafo al momento de enfocar una imagen debe de buscar puntos de
referencia sobre la superficie del objeto para establecer una mejor definición.
Mediante mediciones cualitativas la mayoría de los usuarios de cámaras
infrarrojas se basan para poder identificar ciertas fallas que se pueden presentar,
recordando que en una medición cualitativa no se toma en cuenta la temperatura
que es reflejada por el medio ambiente, ya que es considerada con un valor de 1,
así como también no importa el área medida y la distancia del objeto, no olvidando
así que como las mediciones cualitativas se basan en temperaturas aparentes,
también la emisividad se considera 1, para que no haya alguna alteración en los
rangos a ajustar.
Para medir la emisividad de los cuerpos presentes en el lugar a inspeccionar, con
anterioridad se tuvo que haber hecho una investigación con respecto del tipo de
material con que está fabricado el objeto que se quiere analizar.
Pero no se debe de descartar que entonces aquí si se van a tomar valores reales
de temperatura; el termógrafo tiene que ir modificando el valor de la emisividad en
la cámara infrarroja basándose en la investigación que fue hecha con anterioridad
para conocer la emisividad del material.
1.9.1 Detección de los distintos puntos calientes en los equipos eléctricos.
Los puntos calientes son considerados uno de los problemas más comunes, tanto
en las instalaciones como en los equipos eléctricos.
La detección de puntos calientes dentro de los equipos eléctricos se basa en la
comparación de la temperatura a la que se encuentran con respecto a la que
deben de estar en operación normal. En dado caso en el que se encuentre una
anomalía (diferencia de temperaturas) estos puntos serán más evidentes.
Los puntos calientes deben ser registrados, valorados y evaluados
cuidadosamente, ya que pueden presentarse altas temperaturas en condiciones
normales de operación por lo que se puede realizar un diagnóstico erróneo.
Para que se puedan detectar los puntos calientes en conexiones de subestaciones
o instalaciones eléctricas, los equipos de Termografía hacen la conversión de
energía radiante, que se encuentra en la región de los infrarrojos a imágenes
térmicas, en donde los niveles de temperatura se representan por una gama de
colores.
Los puntos calientes deben ser detectados, medidos y corregidos, ya que estos
pueden ocasionar daños parciales o totales de instalaciones o equipos eléctricos,
teniendo así una pérdida del servicio eléctrico.
Se debe de tener presente que aunque ya se hayan corregido los puntos
calientes, la eliminación de estos no es permanente, manteniéndose de forma
latente su reaparición con respecto a las condiciones de operación.
Cuando la detección de un punto caliente se percibe a simple vista, es porque hay
una temperatura excesiva, teniéndose como consecuencia el deterioro de los
elementos de la instalación.
Algunos de
siguientes:
los problemas que se pueden presentar en los equipos son los
Detección de conexiones eléctricas sueltas o con corrosión.
Detección de desequilibrios y sobrecargas eléctricas.
Detección de conexiones eléctricas sueltas o con corrosión.
Cuando se presenta una resistencia elevada indica que posiblemente exista
corrosión en las conexiones o que estas se encuentren flojas. Los llamados puntos
calientes suelen aparecer en estas conexiones como las zonas más calientes.
Si no se corrige este tipo de problemas como lo es un sobrecalentamiento a la
larga se puede llegar a ocasionar problemas severos en el suministro eléctrico al
usuario, esto aproximadamente tardaría en ocurrir en un cierto lapso de tiempo.
Fig. 26 Detección de una conexión floja.
En la Figura 26 se observa una conexión floja en el conductor que se encuentra en
el centro ya que este presenta más temperatura que los demás.
Un pequeño desequilibrio de tensión puede deteriorar las conexiones reduciendo
con esto la tensión suministrada. Esto hace que los equipos requieran más
corriente provocando con esto que salgan prematuramente de operación.
Por otro lado un desequilibrio de tensión reduce todas las operaciones del
suministro a una sola fase así mismo la corriente se dirigirá al conductor del neutro
provocando que los equipos trabajen al máximo.
En un desequilibrio se puede detectar:
Cargas desiguales.
Calentamiento de los conductores.
Cada fase este a diferente temperatura.
Fig. 27 Desequilibrio de conductores.
En la Figura 27 se observa un desequilibrio en el primer conductor de izquierda a
derecha, este presenta una mayor temperatura a comparación de los demás.
Una sobrecarga es causada en muchos casos por cables defectuosos o
descargas eléctricas estas fallas pueden poner en peligro al usuario, este puede
causar daño en los equipos, cuando la corriente de un alimentador excede el
máximo de su capacidad las corrientes buscan otra ruta.
Fig. 28 Sobrecarga o mala conexión.
En la Figura 28 podemos observar una sobrecarga en el conductor central ya que
este presenta más temperatura que los demás.
En un desequilibrio se puede detectar:
Los excesos hacen que se calienten los conductores.
1.9.2 Técnicas de inspección termográfica.
Para realizar una muy buena inspección termográfica es necesario que el
termógrafo (operador de la cámara termográfica) conozca muy bien la forma cómo
se opera la cámara, conociendo las características de funcionamiento de esta,
para así hacer más simple el manejo al momento de hacer las lecturas con la
cámara.
Los siguientes consejos son de mucha importancia para poder llevar a cabo un
excelente análisis en la toma de imágenes térmicas:
Primero que nada la persona que va a realizar una inspección
termográfica, deberá tener información básica sobre esta, para
que tenga claro lo que está realizando.
Tener presente la emisividad que disipan los equipos a
inspeccionar o analizar, así como también la de los materiales
que lo componen.
Tener a la mano cual es la sensibilidad térmica, la resolución
espacial, la frecuencia de imagen, es decir; tener las
características con las que cuentan la cámara infrarroja.
Así como también seleccionar la paleta de color que sea de gusto
del operador (pero se recomienda utilizar para principiantes la
Grayscale, y esto se debe a que a simple vista si se utiliza el otro
tipo de paletas de color que serían el Rainbow e Ironbow, no se
podría apreciar un cambio de temperatura, pues el ojo humano
no lo percibiría a simple vista).
Una vez que ya se tiene organizada la información se procede a
analizar las imágenes.
La cámara trae consigo un software en el cual se visualiza foto por foto y al mismo
tiempo se puede ir observando las diferentes temperaturas que presentó el equipo
en el momento preciso de la toma.
También cabe mencionar que existen otras técnicas más precisas, las cuales son:
Simulación temporal (promedio de imágenes).
Suma espacial (promedio de píxeles).
1.9.3 Factores que intervienen en una inspección termográfica.
Cuando se quiere hacer una inspección termográfica, no siempre se llevará a cabo
en las mismas circunstancias, pues eso va a depender del ambiente en el que se
vaya a realizar.
Los factores que afectan e intervienen en una inspección termográfica son los
siguientes:
El viento: Se debe tomar en cuenta el efecto que este presenta en el
ambiente donde se lleva a cabo la medición, pues muchas de las veces al
hacer la toma no salen los valores esperados, y es por esto que se debe de
corregir los valores con el factor de corrección, esto dicho de otra manera
es: la temperatura que se midió debe ser multiplicada por el factor de
corrección, y así obtendremos la temperatura correcta, pues con esto se
elimina el efecto refrigerante que presenta el viento sobre el equipo de
prueba.
La lluvia y la nieve: Lo que provocan estas condiciones, es que hacen un
deterioro en las imágenes pues por muchas características que tengan las
cámaras termográficas, la radiación infrarroja que tiene la cámara no
penetra la nieve ni las gotas de agua, pues lo que haría la cámara seria
medir, no la temperatura del equipo de prueba, sino la temperatura que
presentan tanto la nieve como la lluvia.
La distancia del objeto: Siempre se debe de configurar bien la distancia a
la que se quiera hacer o realizar la inspección, pues si ya se especificó esta
distancia, y se hace a otra distancia, entonces lo que provocamos son unas
ligeras diferencias de los valores y esto puede traer como consecuencia
que medición de las temperaturas no sean las correspondientes con las que
presenta realmente el equipo de prueba.
El tamaño del objeto: Las características que presenta la cámara
especificará cual es el rango mínimo en la que la cámara infrarroja pueda
hacer una toma de temperatura correcta.
1.9.4 Criterio de clasificación de fallos.
Lo primordial para evitar errores es conocer los conceptos básicos de lo que trata
la transferencia de calor como son: convección, conducción y radiación vistas en
este capítulo y que factores son los que pueden provocar estos errores.
La utilidad de criterios de clasificación de fallos nos ofrece una aproximación
sistemática al establecimiento de prioridades de reparación, si clasificamos las
anomalías que hemos encontrado seremos capaces de abordar primero las más
graves.
Los criterios deben ser acordes con los recursos de que dispone para corregir los
problemas, deben generar una distribución razonable de anomalías entre las
diferentes categorías que define.
Antes de clasificar las anomalías, una corrección de la carga, viento, etc., será
necesaria una medida directa o indirecta.
Un buen criterio de clasificación debe cumplir dos cuestiones:
Debe ser operativo, es decir que acción llevar a cabo cuando se
cumple condiciones específicas.
Debe especificar bajo qué condiciones y para qué es válido.
Delta “T”
Una delta T es una medida de diferencia de temperatura entre la temperatura
actual del componente estropeado y alguna temperatura de referencia.
La medida Delta T es utilizada para determinar cuánto se aleja la anomalía del
valor normal, a esto le llamamos una medida cuantitativa y cualitativa.
Se necesita establecer una referencia de lo que se considera como normal,
algunas veces se utilizan especificaciones del fabricante o datos históricos.
Tabla 3 Criterio de fallos de acuerdo a su gravedad de un problema.
Verde
CLASE
“0”
Sin anomalía
Ninguna acción
Amarillo
CLASE
“1”
Fallo de nivel
bajo
Una anomalía que requiere un monitoreo
pero que se reparara cuando sea
conveniente
Anaranjado
CLASE
“2”
CLASE
“3”
Fallo de nivel
medio
Reparación tan pronto sea posible
Fallo grave
Reparación inmediata
Rojo
1.9.5 Campos térmicos difíciles de interpretar.
En la termografía hay un gran número de cuestiones que pueden causar error en
una interpretación respecto a los termogramas y/o imágenes infrarrojas, los
factores que más intervienen son los siguientes:
Reflejos y fuentes puntuales.
Diferencias de emisividad.
Es inevitable que no existan los reflejos, siempre habrá algo que se refleje sobre el
objeto que uno está observando, para conseguir una imagen más fácil de
interpretar se debe realizar una toma donde la superficie irradie de forma uniforme
sobre nuestro objeto si no es así entonces tener el reflejo de una fuente puntual, lo
que normalmente llamamos un reflejo es más que un punto con radiación saliente
muy diferente del área de alrededor lo cual vendría siendo un reflejo puntual. Este
puede estar más caliente o más frio que el área que esta alrededor del objeto.
Estos reflejos pueden ser muy molestos porque puede parecer una anomalía,
además puede haber muchas y muy diferentes no solo el sol puede ser un factor o
la única causa; los ángulos de entrada y salida de una flexión perpendicular son
siempre iguales esto nos puede ayudar a localizar el reflejo de una fuente puntual
y sobre todo a evitarlo.
Fig. 29 Los ángulos de entrada y salida de una
reflexión especular son exactamente iguales.
Si la superficie es difusa será disperso y saldrá de la superficie no como un haz
concentrado si no en todas direcciones a si el reflejo de la fuente puntual será
mucho más débil.
Muchas fuentes reflejan mucho más en el infrarrojo que en el visible, esto supone
que una superficie que aparece difusa en el espectro visual puede comportarse
como un espejo en el infrarrojo.
Para evitar los reflejos puntuales se debe de tomar en cuenta lo siguiente:
No situarse directamente en frente del objeto, debemos evitarnos
reflejarnos nosotros mismos.
Movernos alrededor si el punto caliente también se mueve se
trata de un reflejo.
Utilizar que el ángulo de incidencia y el de salida son iguales con
el objetivo de determinar la fuente de esa forma podemos
evitarla.
Buscar partes del objeto con alta emisividad, estos muestran
menos reflejos y una temperatura aparente más cercana a la real.
La diferencia de emisividades se puede observar con un cambio brusco en la
imagen térmica aunque no se modifique la temperatura real. Las zonas pintadas
mostraran una temperatura más cercana a la real.
Capítulo II
Situación actual del planteamiento del problema.
2.1 Departamento de Proyectos Eléctricos.
Es un departamento auxiliar dentro de Manufacturas Kaltex, en donde se realizan
proyectos eléctricos mediante cálculos y diseños. Es donde se lleva a cabo este
proyecto, donde se analizo la oportunidad de reducir costos de termografía, de la
póliza de seguro y de mejorar las técnicas de mantenimiento preventivo de sus
equipos críticos de producción que minimicen los tiempos de paro de producción.
También se hace la observación que en el Grupo Kaltex existe un campo de
aplicación muy amplio de la termografía que actualmente no se está
aprovechando.
2.2 Análisis Termográficos en Manufacturas Kaltex.
En Manufacturas kaltex actualmente se lleva a cabo un programa anual
termografía, únicamente para interruptores termomagnéticos ejecutada por
aseguradora Zurich; su póliza y estudios termográficos son costosos y
desarrollan en 51 días promedio, el costo anual por este servicio
aproximadamente de $42,853.00 dólares con la adquisición de la cámara
dejaría de tener el costo de este servicio.
de
la
se
es
se
2.3 Datos de Producción.
Se hace mención de la importancia tan grande que tiene el departamento de
mantenimiento, al considerar que su responsabilidad es de mantener siempre la
disponibilidad de los equipos y mantenerlos en buenas condiciones para evitar los
paros de producción.
En la siguiente tabla se da un ejemplo de un cálculo estimado en la producción de
un hilo para mezclilla 100 % algodón NE 8/1 open-end. También se pretende dar
una idea de la importancia que tiene el mantenimiento, pues como se puede ver,
son grandes las cantidades de producción y que en casos de falla son de igual
manera, grandes las pérdidas que pueden ocasionarse en un lapso corto de
tiempo (producción/hora) y que se pueden prevenir mediante un estudio
termográfico.
Tabla 4 Producción en las plantas 03 y 04.
(Hilo para mezclilla 100 % alg. NE 8/1 open-end.)
PLANTA
DEPARTAMENTO
PRODUCCIÓN POR
MÁQUINA (MTS./HRA.)
NO. DE
MÁQUINAS
TOTAL
PTA. 03
(Tejido)*
TELAR SULZER
10.23
622
6,363.06
PLANTA
DEPARTAMENTO
PRODUCCIÓN POR
MÁQUINA (KG./HRA.)
NO. DE
MÁQUINAS
TOTAL
BATIENTES
1,000
5
5,000.00
CARDAS
50
84
4,200.00
ESTIRADORES
170
56
9,520.00
OPEN - END
65
29
1,885.00
VELOCES
75
14
1,050.00
PTA. 04
(Hilatura)*
TROCILES
34
60
2,040.00
CONERAS
24
115
2,760.00
26,455.00
2.4 Departamentos críticos de producción.
En el siguiente esquema se muestran los departamentos más críticos que pueden
ocasionar pérdidas considerables en la producción. También se puede apreciar el
extenso campo de aplicación termográfico en Manufacturas Kaltex y su
importancia con el proceso.
SUBESTACIONES PRINCIPALES DE CADA
PLANTA.
De 23 KV a 440 V, 220V y
127V.
SUBESTACIONES DERIVADAS
El número de estas depende de
las plantas por su proceso y
producción.
COMPRESORES DE AIRE
Instalados de forma que todos
abastecen todas las áreas.
CENTRALES DE AIRE
GENERADORES DE VAPOR
(CALDERAS)
DEPARTAMENTOS DE HILATURA Y DE
TEJIDO
Cada departamento tiene sus
centrales y las condiciones por
departamento son
independientes a las demás.
Se requiere para los procesos
de tejido (teñido y engomado).
De acuerdo al proceso se
continúa con los
departamentos siguientes.
2.5 Datos de Mantenimiento de Motores.
Como referencia en el departamento de motores se tiene el siguiente historial del
año 2010.
Tabla 5 Costos de Servicio a Motores Eléctricos en el 2010.
CONCEPTO
PLANTAS
CANTIDAD
COSTO
Servicio de conservación
preventiva
Tepeji, México y
San Juan del Río
4,651
$ 1,441,677.90
Servicio de Bobinado
(correctivo)
Tepeji, México y
San Juan del Río
730
$ 1,031,579.13
5,381
$ 2,473,257.03
TOTAL
Con los datos de la tabla anterior se estima que el 60% de los motores bobinados
corresponde a fallas mecánicas. Por lo tanto se tiene que el Costo de los motores
bobinados es de $618,947.47 pesos, pues bien con la aplicación de la termografía
se obtendría una reducción estimada del 25%, que equivaldría a $154,736.86
pesos, anuales.
CAPÍTULO III.
Propuesta de Solución al Planteamiento del Problema.
Se sabe que los equipos eléctricos que se utilizan en la industria, han traído
beneficios, facilitando considerablemente los procesos, sin embargo, es
importante destacar que debido al rápido crecimiento de la industria, éste se debe
acompañar por un análisis sobre la capacidad de carga de la instalación eléctrica,
para determinar si la instalación está en condiciones de resistir incrementos en el
consumo de energía eléctrica y que se corra el riesgo de accidentes que pongan
en peligro la vida y la seguridad de la inversión.
Lamentablemente son pocos los propietarios que reconocen que la demanda de
energía eléctrica en la industria se ha incrementado sustancialmente en espacios
de trabajo, no es común que las personas reconozcan que al paso del tiempo se
produce un desgaste natural desde el mismo momento en que se instalan y esto
va a depender de la carga del circuito y del mantenimiento realizado a cada
equipo.
3.1 Propuesta de solución.
En Manufacturas Kaltex por ser una empresa grande y por tener equipo de suma
importancia en sus procesos, tales como Subestaciones eléctricas, Batientes,
Calderas, Centrales de aire, Compresores, etc., significativamente se propone
extender los servicios de termografía en todo el grupo, con recursos de la misma
empresa, adquiriendo una cámara termográfica que sustituya el servicio de Zurich
y explotar al máximo las áreas donde sea aplicable esta técnica termografica; así
mismo brindarles un Mantenimiento Preventivo Termográfico que garantice la
continuidad de producción en sus equipos.
Por mencionar algunas de las ventajas que justifican la adquisición de una cámara
termografica:
Localizar los problemas rápidamente, sin necesidad de interrupción.
Reducir el coste de las interrupciones graves, no programadas de la
energía.
Reducir al mínimo el tiempo del mantenimiento preventivo y maximizar la
eficacia de localización de averías.
Prevenir el error prematuramente y ampliar la vida del equipo.
Identificar el equipo potencialmente peligroso.
Reducir las primas de seguro y los pagos deducibles.
3.2 Desarrollo del proyecto.
El proyecto contempla el siguiente cuadro metodológico:
ANALIZAR PROBLEMÁTICA,
ANTECEDENTES Y ALTERNATIVAS.
- Proponer proyecto,
alternativas, objetivos,
justificación y metas.
MARCO TEORICO
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA
TERMOGRAFÍA
- Requisitos de la aseguradora.
- Información del proceso.
- Datos de producción.
- Etc.
- Análisis de equipos críticos
para termografía.
- Explorar la aplicación de
termografía.
SELECCIÓN DEL EQUIPO
TERMOGRÁFICO
- Proponer modelo y
características de la cámara.
PROGRAMAS DE MANTENIMIENTO
- Elaboración de programas
termográficos en todas las
áreas: mecánicas, eléctricas,
etc.
ANÁLISIS DE COSTO - BENEFICIO
PERFIL DEL TÉCNICO (TERMOGRÁFO)
PROCESO
3.2.1 Reducción económica de la aseguradora Zurich.
Los servicios por parte de la aseguradora Zurich se realizan en dos periodos cada
año, en cada una de las plantas de Manufacturas Kaltex. Estos estudios tienen un
costo estimado de $21,426.50 dólares por cada semestre para todo el grupo
Kaltex y si consideramos que son 2 visitas por año, entonces si se sustituye este
servicio en su totalidad por Kaltex se estima un ahorro significativo de $42,853.00
dólares anuales.
Parar dejar de contar con el servicio de termografía se requiere cubrir y cumplir
con los requerimientos de Zurich y entregar los reportes requeridos, considerando
que el principal objetivo de esto es el descuento en la póliza y reducir el costo del
servicio.
Requisitos de Zurich.
No tiene inconveniente en que sea directamente Manufacturas Kaltex quien
haga los estudios de termografía.
Proponen recomendar el equipo que quieren adquirir para que cumpla con
las especificaciones mínimas requeridas, apoyar en la capacitación y
certificación de los termógrafos.
Proponen que el primer año continúen con la termografía por lo menos en el
primer semestre y para los años subsecuentes ya no habrá necesidad de
que ellos intervengan.
Solicitan que todos los años se les envié un reporte para comprobar que las
revisiones sigan vigentes.
En la póliza ya esta considerado el descuento máximo, por la utilización de la
termografía, de hecho es obligación de Manufacturas Kaltex mantener este
programa vigente y con estándares de calidad optima para poder conservar este
descuento.
3.2.2 Campo de Aplicación de la Cámara Termográfica.
De manera general y en conjunto con personal del departamento de
mantenimiento de motores y de otros departamentos, se hará un estudio
minucioso del campo potencial de aplicación de la termografía en Manufacturas
Kaltex que permita justificar la adquisición de la cámara termográfica.
Se considera realizar estudios termográficos en todos y cada uno de los
departamentos de Manufacturas Kaltex, por su amplio campo de aplicación en sus
procesos, ya que cuenta con una extensa variedad de maquinaria.
Termografía en instalaciones eléctricas y mecánicas.
Las causas de las anomalías eléctricas más frecuentes son: incremento de
resistividad por malos contactos, elevado consumo, armónicos, desequilibrio de
fases, etc. En cuanto a fallos mecánicos se puede señalar: rozamientos por
defectos constructivos, falta de lubricación, desgaste de material, factores del
entorno, un mantenimiento inadecuado, sobrecarga mecánica, etc.
Inspección Eléctrica de Termografía en:
Interruptores electromagnéticos.
Transformadores.
Puntos de conexión.
Tableros eléctricos.
Instalaciones eléctricas.
Otros.
Algunas de las aplicaciones más habituales en una Inspección Mecánica:
Motores eléctricos.
Bombas.
Ventiladores.
Compresores.
Rodamientos.
Bandas.
Sistemas mecánicos.
Maquinaria textil.
Fig. 30 Inspección termográfica a motores.
En la figura 30 podemos ver que en la muestra No.1 un claro calentamiento
interno en los devanados del motor, la muestra No.2 es una referencia de las
temperaturas normales de operación a la que operan ambos motores (cabe
mencionar que con una simple diferencia de 10 ºC entre motores similares y a la
misma carga de operación, se esta reduciendo al 50% la vida útil de aquel que
presenta el calentamiento).
La cámara infrarroja nos permite localizar aquellos equipos y componentes que
estén presentando alguna anomalía térmica de un modo rápido y eficaz,
seleccionando así nuestras prioridades en el mantenimiento.
La Termografía en sistemas térmicos y refractarios.
La eficiencia energética de las instalaciones industriales se ha convertido en una
actuación de gran interés para alcanzar los márgenes energéticos sostenibles,
generando ahorros económicos a través del ahorro energético y la reducción de
emisiones de CO2 a la atmósfera. En consecuencia, estas medidas generan un
ahorro económico significativo.
La Termografía infrarroja puede determinar, ágil y eficazmente, la condición global
de aislamientos o refractarios tanto en aplicaciones de frío como de calor.
Inspección de aislamiento de refractarios donde se puede llevar acabo la
termografía en Manufacturas Kaltex:
Calderas.
Cámaras frigoríficas.
Conductos de refrigeración.
Tuberías de vapor.
Impermeabilizantes.
Tanques.
Vaporizadores.
Entre otros.
3.2.3 Características de las Cámara Termográfica requerida.
Se determinaron las características de la cámara requerida para proponer los
modelos que más se recomienden de acuerdo a las necesidades de la empresa.
La cámara que se recomienda por obvia razón es Flir System por ser la empresa
dedicada a diseñar cámaras térmicas y son los más desarrollados en la
investigación acerca de la termografía infrarroja.
La parte mas importante al seleccionar una cámara termográfica es el detector,
entre mas grande sea este, mayor será la capacidad de análisis con la que cuente
el equipo y por ende se mejoran el resultado de las inspecciones realizadas; es
por ello que contar con un detector de 307,200 pixeles permitirá realizar cualquier
aplicación relacionada con el campo de la tomografía infrarroja, reduciendo
notablemente aquellos factores que influyen en una inspección como lo son:
reflejos térmicos, clima (interior-exterior), distancia (caída de temperatura), rango
de temperatura, etc.
Siempre será fundamental que dentro de las herramientas que seleccionamos
para el área de mantenimiento predictivo se dispongan de los equipos que nos
arrojen el valor ó resultado mas preciso, ya que una mala interpretación de una
anomalía podría generar un problema con perdidas mayores de lo que podríamos
suponer un ahorro.
El modelo P640 cuenta con la mayor capacidad de análisis que nos pueda brindar
un equipo de termografía infrarroja, su costo se ve justificado desde el momento
en que sabemos que los trabajos realizados con la misma nos presentan el mayor
grado de confiabilidad que podamos tener en la industria.
Las características de la cámara infrarroja que se requiere.
De acuerdo con los requerimientos de Zurich y las necesidades de Kaltex la
cámara debe cubrir los siguientes rubros:
Resolución – No menor a 76,800 píxeles.
Marca – FLIR, esta marca es la que maneja Zurich y además la
recomienda.
Funcionalidad – De la cámara y el programa.
Precisión – Igual a +/-2%
Precio – Depende del tipo de cámara.
Tipo de cámara – 100% Radiométrica.
Modelo – Reciente (de la Marca FLIR seria la serie T o P).
Temperatura – Arriba de 650°C (que cubra todas las aplicaciones).
Fig. 31 Cámara termográfica Flir Mod. P640
De cuerdo a las características y a las necesidades que requiere la empresa se
proponen 2 opciones en la compra de la cámara termográfica. Esta decisión de
compra se deja a la consideración de la misma directiva.
Tabla 6 Comparación y características de los modelos de la cámara termográfica.
CARACTERÍSTICAS
Óptica
MODELO DE CÁMARAS
FlirT400
320 x 240
(76,800 pixeles)
FlirP640
640 x 480
(307,200 pixeles)
0.05°C a 30°C
55mk
Tipo de detector
Matriz de plano focal, con
microbolometro no
refrigerado de 320x240px
Matriz de plano focal, con
microbolometro no
refrigerado de 640x480px
Banda espectral
7.5 µm a 13 µm
7.5 µm a 13 µm
Medida de la temperatura
Rango calibrado de la
temperatura
Precisión
-20°C a 1200°C
-40°C a 1500°C
±2°C / 2%
±2°C / 2%
Temp. Amb reflejado y
emisividad
TAR, emisividad, óptica,
transm. Atm y vent.ext
3.5", táctil
Viewfinder y LCD 5.6"
si, 3.1Mp
si, 3.2Mp
Modos de Imagen
Térmica, visual y fusión
Térmica, visual y fusión
Software incluido
Quick Report 1.2
Quick Report 1.2
Software opcional
Reporter 8.3 pro
Reporter 8.3 pro
Tarjeta SD extraíble de
2Gb y Memo RAM
embutida
USB-B, USB miniB, IrDA,
Fire wire output, SD card
Resolución del Detector (Pixeles)
Sensibilidad térmica (NETD)
Corrección de medición
Otras especificaciones
Pantalla digital
Cámara digital de luz visible
incorporada
Soporte de almacenamiento
Interface
Tarjeta SD extraíble de
2Gb
USB, conex auriculares, sal
video std, SD card
Garantía (años)
2
2
IP54
IP54 IEC60529
Diseño ambiental y mecánico
Protección
880 g
1.7kg
Temperatura de trabajo
de -15°C a +50°C
de -15°C a +50°C
Temperatura de almacenamiento
de -40°C a +70°C
de -40°C a +70°C
IEC 68-2-30, 95% de
humedad
IEC 68-2-30, 95% de
humedad
106x201x125mm
120x145x220mm
25G IEC60068-2-29
25G IEC60068-2-29
2G IEC60068-2-6
2G IEC60068-2-6
$44,156.63
$64,207.23
Peso del equipo
Humedad relativa
Tamaño de la cámara
Resistencia al impacto
Resistencia a la vibración
Costo Paquete ( USD )
Incluye equipo, Software y la
certificación de un técnico
3.2.4 Programas termográficos.
Dependiendo del campo de aplicación de la termografía más crítico ya sea por su
impacto económico o por el nivel de riesgo se elaboraran los programas de
termografía requeridos para su desarrollo en todas las plantas de Grupo Kaltex
con la ayuda de los técnicos especializados en cada una de las áreas eléctrica,
mecánica, etc.
En este proyecto estará considerado también desarrollar el programa de
termografía que actualmente hace Zurich por lo que será necesario contar con su
aceptación y requerimientos para la entrega de los reportes y otras aplicaciones
de la cámara para obtener todos los beneficios.
3.2.5 Perfil del Técnico requerido.
Para el desarrollo de los programas de termografía se alistará a un técnico que
será certificado como termógrafo, quien será el responsable de cumplir con los
requerimientos de este proyecto.
Aquí es muy importante resaltar que un personal mientras más preparado esté,
mejores resultados va a obtener con respecto a las anomalías que se presenten
en los equipos, por lo cual los conocimientos son los que estaría vendiendo.
El departamento de proyectos eléctricos deberá de seleccionar al personal de la
misma empresa que tenga los conocimientos suficientes para llevar a cabo una
inspección termográfica y que también cuente con una suficiente experiencia en el
campo laboral.
Se debe de tener en cuenta que cuando se van mejorando las técnicas de
mantenimiento en conjunto con una capacitación constante, se logra una mayor
productividad y se reducen los costos del mismo.
Requisitos del técnico-termografo:
Conocimientos básicos de termografía.
Conocer bien las características de los equipos o dispositivos a estudiar.
Conocimientos acerca de la cámara y de sus características metrológicas.
Conocimientos de computación.
3.3 Proceso de Inspección Termográfica.
En el proceso de inspección termográfica es posible definir, en general, las
siguientes etapas:
Planificación de la inspección en los períodos de máxima demanda.
Evaluación y clasificación de los calentamientos detectados.
Emisión de informes, con identificación de las fallas y el grado de urgencia
para su reparación.
Seguimiento de la reparación.
Revisión termográfica para evaluar la efectividad del mantenimiento
correctivo realizado.
Capítulo IV.
Análisis Costo–Beneficio
4.1 Análisis de costos en una Termografía.
Es muy importante fijar los costos directos e indirectos en un mantenimiento
predictivo como lo es la termografía infrarroja, ya que de esta manera, en forma
práctica se pueda determinar las variables que intervienen en un análisis de
precios unitarios y globales de un presupuesto.
Primero debemos analizar la forma recomendada para integrar los precios
unitarios que sirven para fijar los montos de un contrato, los cuales están formados
por:
1.- CÁMARA INFRARROJA.
CONCEPTO
Cámara Flir System modelo SC640
CANTIDAD
UNIDAD
PRECIO
UNITARIO (USD)
COSTO TOTAL
1
Pza.
64,207.00
64,207.00
SUBTOTAL
$64,207.00
2.- CAJA DE HERRAMIENTAS.
CANTIDAD
UNIDAD
PRECIO
UNITARIO (USD)
COSTO TOTAL
Juego de Desarmadores (planos y de
cruz)
1
Jgo.
25.82
25.82
Pinzas Eléctricas
1
Pza.
10.15
10.15
Pinzas de Punta
1
Pza.
7.78
7.78
Llaves Mixtas
1
Jgo.
14.96
14.96
Juego de Dados
1
Jgo.
14.73
14.73
Matraca
1
Pza.
10.14
10.14
Martillo
1
Pza.
8.47
8.47
Cutter
2
Pza.
1.81
3.61
Cinta aislante
3
Pza.
2.84
8.53
Juego de Llaves Allen
1
Jgo.
10.64
10.64
CONCEPTO
SUBTOTAL
$114.85
3.- EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL.
CANTIDAD
UNIDAD
PRECIO
UNITARIO (USD)
COSTO TOTAL
Camisolas
2
Pza.
12.08
24.15
Casco
1
Pza.
12.11
12.11
Gafas de Seguridad
2
Pza.
2.05
4.10
CONCEPTO
Calzado Dieléctrico
2
Pza.
28.61
57.22
Guantes
2
Pza.
4.71
9.41
Detector de Potencial
1
Pza.
26.09
26.09
SUBTOTAL
$133.08
4.- TRANSPORTE.
CANTIDAD
UNIDAD
PRECIO
UNITARIO (USD)
COSTO TOTAL
Vehículo
1
Pza.
10,489.08
10,489.08
Gasolina
1040
Lts.
0.76
785.22
CONCEPTO
SUBTOTAL
$11,274.30
5.- EQUIPO Y MOBILIARIO.
CANTIDAD
UNIDAD
PRECIO
UNITARIO (USD)
COSTO TOTAL
Computadora
1
Pza.
1,471.88
1,471.88
Impresora
1
Pza.
322.53
322.53
Gabinetes Metálicos de 4 Cajones
1
Pza.
208.84
208.84
CONCEPTO
SUBTOTAL
$1,794.41
6.- HONORARIOS.
SALARIO /
MENSUAL
SALARIO /ANUAL (USD)
Personal Técnico (Termógrafo)
833.46
10,001.53
Capturista
677.32
8,127.87
PERSONAL
SUBTOTAL
$18,129.40
7.- OTROS.
CONCEPTO
Papelería
CANTIDAD
UNIDAD
PRECIO
UNITARIO (USD)
COSTO TOTAL
1
Pza.
864.50
864.50
SUBTOTAL
$864.50
8.- PRESUPUESTO GLOBAL.
CONCEPTO
CAMARA INFRARROJA
SUBTOTAL
64,207.00
CAJA DE HARRAMIENTAS
114.85
EQUIPO DE PROTECCION PERSONAL
133.08
TRANSPORTE
11,274.30
EQUIPO Y MOBILIARIO
1,794.41
HONORARIOS
18,129.40
OTROS
864.50
TOTAL (USD)
$96,517.54
4.2 Análisis de Costo-Beneficio de una Cámara Termografía.
CONCEPTO
UNIDAD
Inversión
MODELO DE CÁMARAS
OPC. 1
OPC. 2
FlirT400
FlirP640
Costo Paquete USD
Incluye el equipo, Software y la
certificación de un técnico
USD (único)
44,156.00
64,207.00
Equipo administrativo (Laptop,
impresora, etc.)
USD/AÑO
1,794.00
1,794.00
Herramientas y Equipo de protección
USD/AÑO
1,909.00
1,909.00
Total
USD/AÑO
47,859.00
67,910.00
Salario Técnico Especialista
USD/AÑO
18,129.00
18,129.00
Gastos Administrativos
USD/AÑO
4,000.00
4,000.00
Transporte
USD/AÑO
11,274.00
11,274.00
Total
USD/AÑO
33,403.00
33,403.00
Servicio de Termografía Zurich
USD/AÑO
42,853.00
42,853.00
Viáticos de Zurich (51 días)
USD/AÑO
2,549.00
2,549.00
Ahorro de motores (25 % del gasto
actual)
USD/AÑO
12,428.00
12,428.00
Ahorro en inspecciones eléctricas
USD/AÑO
Ahorro en inspecciones mecánica
USD/AÑO
Ahorro en inspecciones de
aislamientos de refractarios.
USD/AÑO
Ahorro Anual
USD/AÑO
57,830.00
57,830.00
Retorno de Inversión (sin
considerar el dinero en el
tiempo)
USD/AÑO
1.4
1.8
Gastos Operación Anual
Costos Reducidos
* En este análisis no están cuantificados los ahorros de todas las aplicaciones
debido a que no se cuenta con información suficiente para su desarrollo ni
tampoco se tiene una referencia que permita hacerlo.
De acuerdo con el análisis económico, el retorno de inversión de una cámara
termográfica de los modelos FlirT400 y de FlirP640 oscila entre 1.4 y 1.8 años
aproximadamente.
Se hace mención que los costos son estimados con el costo actual del dólar
($12.45 pesos).
CONCLUSIONES
Mediante este proyecto se concluye la importancia de la termografía, al adquirir el
equipo se podrán detectar fallas que comienzan a gestarse y que pueden producir
una parada de planta y/o un siniestro afectando personas e instalaciones.
Permitirá la reducción de los tiempos de parada al minimizar la probabilidad de
salidas de servicio imprevistas, no programadas, gracias a su aporte en cuanto a
la planificación de las reparaciones y del mantenimiento. Al emplear este equipo
se obtendrán reducciones de costos, incluyen ahorros de energía, protección de
los equipos, velocidad de inspección y diagnóstico, verificación rápida y sencilla de
la reparación, etc.
Cabe mencionar que los principios mencionados en este proyecto, permiten al
investigador aplicar la técnica a una variedad enorme de problemas diferentes, lo
que compensa el costo importante de la inversión hecha al comprar el equipo.
Con ayuda del software que se utiliza en la Termografía se puede tener un mejor
panorama de las imágenes para poder dar un criterio más amplio, es decir; tener
más argumentos para poder determinar si se presenta una anomalía o no.
Estas técnicas se pueden emplear en cualquier equipo electromecánico ya que la
metodología es de alguna manera universal y mejora las técnicas de
mantenimiento preventivo, garantizando la disponibilidad y seguridad de los
equipos.
Por otra parte al hacer el análisis de costo-beneficio, Indudablemente que las
cámaras termográficas son costosas, más sin embargo se comprueba que son
muy rentables y que vale la pena invertir en su compra por los grandes beneficios
y ahorros significativos que se obtienen a corto plazo.
No es posible por el momento poder llevar a cabo un análisis de los beneficios
globales de la termografía en Manufacturas Kaltex debido a que actualmente no
se tiene un programa que permita ver las ventajas reales, por lo que, en este
proyecto se están haciendo estimaciones muy conservadoras de los beneficios en
función de la cantidad de equipos con que se cuenta.
El campo potencial de aplicación es muy amplio y con una adecuada estructura y
planeación de los programas de termografÍa se pueden obtener los resultados
esperados.
Se sugiere la compra del equipo por la magnitud del grupo Kaltex, sabiendo que
cada estudio termográfico que realiza Zurich, es costoso.
Existen 2 modelos de cámaras, que se recomiendan por su calidad y que además
cubre las necesidades de la empresa. Al adquirir la cámara, se deberá dar
seguimiento a este proyecto para desarrollar los programas de termografía en
todas y cada una de las áreas del grupo donde estos apliquen, así mismo reclutar
y capacitar al personal que cubrirá el perfil de termógrafo para Manufacturas
Kaltex.
GLOSARIO
Anomalía: Cualquier irregularidad, como una anomalía térmica en una superficie
de otra manera isotérmica., cualquier indicio de que se desvíe de lo que se
espera.
Calibración: Procedimiento en el que se determinan y comparan las lecturas de
un instrumento (valores reales) y las de un instrumento de referencia (valores
nominales).El resultado indica si las lecturas reales de un instrumento se sitúan
dentro de los límites permisibles.
Cámara térmica de infrarrojos: Es un instrumento o sistema que convierte la
energía radiante de entrada de infrarrojos de una superficie de destino a un mapa
térmico, o termograma, en el que los tonos de color o escala de grises puede estar
relacionado con la distribución de temperaturas en la superficie.
Cero absoluto: El cero absoluto es -273.15°C (°Kelvin = -459.69°F).Todo cuerpo
emite energía térmica por encima del cero absoluto.
Conducción: Es la forma que transmite el calor en cuerpos sólidos, se calienta un
cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumenta su vibración y
chocan con las que rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta
que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una
varilla metálica se calienta una flama, transcurre cierto tiempo para el calor llegue
a otro extremo.
Convección: Transporte de calor en cualquier fluido en el que la energía térmica
pasa de un sólido a un líquido o gas a consecuencia del transporte de partículas.
Cuerpo gris: Objeto que emite una fracción fija de la cantidad de energía
correspondiente a un cuerpo negro en cada longitud de onda.
Cuerpo negro: Objeto que no refleja ninguna radiación. Toda la radiación que
emite se debe a su propia temperatura.
Detector: El detector recibe la radiación infrarroja y la convierte en una señal
eléctrica. El tamaño del detector se especifica.
Emisividad (ε): Es la medida de la capacidad de un material de emitir (propagar)
radiación infrarroja. La emisividad varía según las propiedades de la superficie, el
material y, en algunas materias, también según la temperatura del objeto.
Energía térmica: Es el movimiento de las partículas que constituyen la materia.
Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a
mayor temperatura.
Escalas absolutas: Cualquier escala de temperatura cuyo cero corresponde con
el cero absoluto.
Escalas relativas: Es una forma de energía que se manifiesta como el incremento
de temperatura, las cuales toman como referencia cierto fenómeno físico
conocido, como la congelación y ebullición del agua.
Espectro infrarrojo: Se fundamenta en la absorción de la radiación IR por las
moléculas en vibración. Una molécula absorberá la energía de un haz de luz
infrarroja cuando dicha energía incidente sea igual a la necesaria para que se dé
una transición vibraciones de las moléculas. Es decir, la molécula comienza a
vibrar de una determinada manera gracias a la energía que se le suministra
mediante luz infrarroja.
FOV: Siglas del inglés Field Of View ángulo horizontal visible a través de un lente
de infrarrojos.
IFOV: Siglas del inglés Instantaneous Field Of View (campo de visión
instantáneo); medida de resolución geométrica de una cámara de infrarrojos.
Imagen térmica: Imagen que muestra la distribución de la temperatura en las
superficies de los objetos mediante diferentes colores y diferentes valores de
temperatura. Las imágenes térmicas se toman con una cámara termográfica.
Nivel: Valor central de la escala de temperatura expresado normalmente como
valor de una señal.
NETD: Sigas del inglés Noise equivalent difference (diferencia de temperatura
equivalente al ruido), Medida del nivel del ruido de la imagen de una cámara de
infrarrojos.
Paleta de colores: El contraste de una imagen térmica puede variar en calidad,
dependiendo de la tarea de medición y la paleta configurada. La paleta de colores
se puede personalizar mediante el software de análisis después de memorizar la
imagen térmica. Tenga en cuenta siempre la interpretación de la imagen térmica
cuando configurar la paleta. Intuitivamente, el rojo y el amarillo se asocian con el
calor; el verde y el azul con el frío.
Pixel (elemento de imagen): se trata de un punto individual perteneciente a una
imagen.
Rango: Limite de medida de temperatura global de una cámara de infrarrojos. Las
cámaras pueden tener diversos rangos. Se expresa mediante dos temperaturas de
cuerpo negro que limitan la calibración.
Reflexión (ρ): Es capacidad de un material de reflejar la radiación infrarroja. La
reflexión depende de las propiedades de la superficie, la temperatura y el tipo de
material.
Temperatura: Magnitud física que caracteriza de manera objetiva la sensación
subjetiva de calor o frio producido por el contacto de un cuerpo.
Temperatura Aparente Reflejada: Es la lectura no compensada a partir de una
cámara infrarroja, que contiene toda la radiación incidente sobre el instrumento
independientemente de su fuente.
Termografía: Proceso de toma de una imagen usando una tecnología de
medición que visualiza la radiación de calor o la distribución de temperatura de la
superficie de los objetos mediante una cámara termográfica.
Transmisión (T): Es la medida de la capacidad de un material de permitirá la
radiación infrarroja a travesarlo, dependiendo de su grosor y del tipo de material.
Muchos materiales son impermeables a la radiación infrarroja de onda larga.
Radiación: Transferencia de energía en forma ondulatoria de un cuerpo caliente a
un cuerpo relativamente frio, independientemente de cualquier materia existente
entre ambos cuerpos.
NETD (Noise Equivalent Temperature Difference): Es decir ruido equivalente a
la menor temperatura detectable).
Isoterma: El isoterma sustituye algunos colores de la escala por otro de elevado
contraste.
BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN
Christie J. Geankoplis., (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias, 3a
Edición. México: University of Minesota.
Fluke, “Guía de Aplicaciones de la Termografia en Mantenimiento Industrial”.
Flir Systems, “Manual del Curso de Termografia Infrarroja Nivel 1”.
James R. Welty., (1988). Fundamentos de transferencia de momento calor y
masa. Capítulo 24 Editorial Limusa.
J. P. Holman, (1998). Transferencia de calor, Compañía Editorial Continental, S.A.
DE C.V., México.
Kern Donald Q., (1997). Procesos de transferencia de calor. Vigésima novena
edición, Compañía Editorial Continental, S.A. DE C.V., México, 1997.
Kurt C. Rolle Y Virgilio González Y Pozo, “Termodinámica”, Sexta Edición,
Pearson, Prentice Hall.
Manriquez Valadez J. Ángel, Transferencia de calor”, segunda edición, Alfaomega.
Mantenimiento predictivo de instalaciones eléctricas basado en termografía de
infrarrojos.mht
Puyans L. Garcell, (1988). Transferencia de cantidad de movimiento calor y masa.
Capítulo 5 Editorial Pueblo y Educación. Habana Cuba.
Testo AG, “Termografía Guía de Bolsillo”.
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Fig. 1 El físico británico James Prescott Joule centró sus investigaciones
en los campos de la electricidad y la termodinámica. .
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Fig. 2 Circulación en el interior de un fluido; el fluido más frio es el más oscuro.
Fig. 3 Transmisión de calor por radiación.
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Fig. 4 Las tres fuentes de radiación salientes de un cuerpo. .
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Fig. 5 La misma temperatura pero diferente emisividad.
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Fig. 6 Un objeto emite radiación térmica en todas direcciones.
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Fig. 7 Cuerpo negro, que absorbe toda la radiación incidente.
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Fig. 8 Cuerpo negro con una eficiencia del 100%.
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Fig. 9 La radiación saliente de un cuerpo opaco consiste de radiación
emitida y reflejada. .
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Fig. 10 Escalas de temperaturas.
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Fig. 11 Espectro electromagnético.
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Fig. 12 Descomposición de un espectro de luz.
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Fig. 13 Los actores del acto termográfico y los fenómenos físicos que
intervienen en la medición.
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Fig. 14 Los dos tipos de detectores infrarrojos.
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Fig. 15 Ajuste térmico.
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Fig. 16 Isoterma en distintos puntos. .
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Fig. 17 Tipos de paleta. .
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Fig. 18 La imagen se controla seleccionando el rango de temperatura y
fijando el nivel y el campo. .
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Fig. 19 Nivel y Campo.
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Fig. 20 - Enfoque óptico. .
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Fig. 21 Composición de una imagen. .
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Fig. 22 Detectores de pixel.
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Fig. 23 Tamaño del cuerpo versus tamaño del pixel. .
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Fig. 24 Mirando fuentes de referencias. .
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Fig. 25 Obtención de una curva de calibración.
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Fig. 26 Detección de una conexión floja.
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Fig. 27 Desequilibrio de conductores. .
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Fig. 28 Sobrecarga o mala conexión. .
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Fig. 29 Los ángulos de entrada y salida de una reflexión especular son
exactamente iguales.
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Fig. 30 Inspección termográfica a motores.
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Fig. 31 Cámara termográfica Flir Mod. P640. .
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8
12
12
14
15
15
19
19
20
24
25
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39
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41
42
43
43
47
48
48
52
60
63
ÍNDICE DE TABL AS, GRÁFICAS Y ANEXOS.
Pág.
Tabla 1 Valores de conductividad para algunos materiales, éstos valores
pueden modificarse con la temperatura y otros factores.
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Tabla 2 Comparación de técnicas cualitativa y cuantitativa. .
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Tabla 3 Criterio de fallos de acuerdo a su gravedad de un problema.
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Tabla 4 Producción en las plantas 03 y 04. (Hilo para mezclilla 100 % alg.
NE 8/1 open-end.) .
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Tabla 5 Costos de Servicio a Motores Eléctricos en el 2010.
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Tabla 6 Comparación y características de los modelos de la cámara
termográfica. .
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Gráfica 1 Variación del NETD con el tiempo de integración
(Cámara CEDIP Jade…). .
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Anexo 1.
Normas ISO referentes a los trabajos y certificaciones en termografía
infrarroja.
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Anexo 2.
Tabla de valores de emisividad de materiales comunes.
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ANEXOS
10
28
51
55
66
63
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33
.
78
.
80
ANEXO 1.
Normas ISO referentes a los trabajos y certificaciones en termografía
infrarroja.
ISO18434-1:2008
Condición de vigilancia y diagnóstico de máquinas - Termografía - Parte 1:
Procedimientos generales.
Proporciona una introducción a la aplicación de Termografía infrarroja (IRT) a
condición de la maquinaria de vigilancia y diagnóstico, donde la “maquinaria”
incluye auxiliares tales como válvulas, el fluido eléctrico y aparatos y relacionados
con el intercambiador de calor.
Introduce la terminología de IRT en lo que respecta a la condición de supervisión y
diagnóstico de máquinas, se describen los tipos de procedimientos IRT y sus
méritos; se dan orientaciones sobre el establecimiento de criterios de evaluación
de la gravedad de las anomalías señaladas por IRT; esboza los métodos y
requisitos para llevar a cabo IRT de máquinas, incluidas las recomendaciones
sobre seguridad; proporciona información sobre la interpretación de los datos y
criterios de evaluación y requisitos de presentación de informes; establece
procedimientos para determinar la compensación de temperatura aparente refleja
emisividad, y atenuar los medios de comunicación, cuando se mide la temperatura
de la superficie de un objetivo cuantitativo con una cámara IRT.
ISO18436-1:2004
Condición de vigilancia y diagnóstico de máquinas - Requisitos de formación y
certificación del personal - Parte 1: Requisitos para organismos de certificación y
el proceso de certificación.
Define los requisitos para los organismos que operan sistemas de certificación
para el personal que realice la maquinaria condición de vigilancia, identificar las
fallas de máquinas, y recomendar medidas correctivas. Los procedimientos para la
certificación de la condición de supervisión y diagnóstico de personal se
especifican.
ISO/FDIS18436-7
Condición de vigilancia y diagnóstico de máquinas - Requisitos para la calificación
y evaluación de personal - Parte 7: Comportamiento térmico.
ISO 18436-7:2008
Se especifican los requisitos para la calificación y evaluación de personal que
realizan las máquinas condición de supervisión y diagnóstico mediante termografía
infrarroja. Un certificado o declaración de conformidad con la norma ISO 184367:2008 proporcionará el reconocimiento de las calificaciones y competencias de
las personas para realizar las mediciones térmicas y análisis de condición para las
máquinas portátiles de vigilancia usando los equipos de imágenes térmicas. Este
procedimiento no podrá aplicarse a equipos especializados u otras situaciones
concretas.
ISO/9712:2005
Prueba no destructiva – Calificación y certificación del personal
ISO 9712:2005 especifica la calificación y certificación del personal que participa
en ensayos no destructivos (END). Se aplica a la competencia en uno o varios de
los siguientes métodos: las pruebas de emisiones acústicas; pruebas de corrientes
de Foucault; infrarrojos termográficos; pruebas de fugas (pruebas de presión
hidráulica excluidos); pruebas de partículas magnéticas; ensayos con líquidos
penetrantes, pruebas radiográficas; pruebas de ultrasonidos; pruebas visuales
(visual directo sin ayuda visual y pruebas de ensayos llevados a cabo durante la
aplicación de otro método END se excluyen).
ISO/DIS18436-8
Condición de vigilancia y diagnóstico de máquinas - Requisitos de formación y
certificación
del
personal
Parte
8:
Comportamiento
térmico.
ISO 18436-8 recomienda que los candidatos han probado percepción de colores
con los criterios de la prueba del Test de Ishihara, donde se podrá exigir a los
empleadores para determinar si el incumplimiento de los requisitos de esta prueba
afectará a la capacidad del candidato para llevar a cabo análisis sobre IRT datos
usando paletas de colores. No superar el Test de Ishihara podrá exigir al
candidato a utilizar una paleta monocroma.
ANEXO 2.
Tabla de valores de emisividad de materiales comunes.
Material
Aluminio, pulido
Aluminio, superficie rugosa
Aluminio, muy oxidado
Placa de amianto
Tela de amianto
Papel de amianto
Pizarra de amianto
Latón, mate, deslustrado
Latón, pulido
Ladrillo, común
Ladrillo, vidriado, basto
Ladrillo, refractario, basto
Bronce. poroso, basto
Bronce, pulido
Carbono, purificado
Hierro fundido, fundición esbozada
Hierro fundido, pulido
Carbón, en polvo
Cromo, pulido
Arcilla, cocida
Hormigón
Cobre, pulido
Cobre, bruñido comercial
Cobre, oxidado
Cobre, negro oxidado
Cinta aislante, plástico negro
Esmalte**
Formica
Terreno congelado
Vidrio
Vidrio, escarchado
Oro, pulido
Hielo
Hierro, laminado en caliente
Hierro, oxidado
Hierro, chapa, galvanizado, oxidado
Hierro, brillante, grabado
Hierro, forjado, pulido
Barniz, Baquelita
Barniz, negro, mate
Emisividad*
0.05
0.07
0.25
0.96
0.78
0.94
0.96
0.22
0.03
0.85
0.85
0.94
0.55
0.10
0.80
0.81
0.21
0.96
0.10
0.91
0.54
0.01
0.07
0.65
0.88
0.95
0.90
0.93
0.93
0.92
0.96
0.02
0.97
0.77
0.74
0.28
0.16
0.28
0.93
0.97
Barniz, negro, brillante
Barniz, blanco
Hollín
Plomo, gris
Plomo, oxidado
Plomo, rojo, en polvo
Plomo, brillante
Mercurio, puro
Níquel, en hierro fundido
Níquel, puro pulido
Pintura, acabado en plata**
Pintura, óleo, media
Papel, negro, brillante
Papel, negro, mate
Papel, blanco
Platino, puro, pulido
Porcelana, vidriada
Cuarzo
Goma
Laca, negra, mate
Laca, negra, brillante
Nieve
Acero, galvanizado
Acero, muy oxidado
Acero, recién laminado
Acero, superficie rugosa
Acero, rojo oxidado
Acero, chapa, niquelado
Acero, chapa, laminado
Papel de alquitrán
Estaño, bruñido
Tungsteno
Agua
Zinc, chapa
0.87
0.87
0.96
0.28
0.63
0.93
0.08
0.10
0.05
0.05
0.31
0.94
0.90
0.94
0.90
0.08
0.92
0.93
0.93
0.91
0.82
0.80
0.28
0.88
0.24
0.96
0.69
0.11
0.56
0.92
0.05
0.05
0.98
0.20
* Las emisividades de casi cualquier material se miden a 0 °C pero no difieren
significativamente a temperatura.
** La pintura con acabado en Plata se mide a 25 °C y la temperatura de esmalte a 27 °C