PRESENTA
TEORIA DEL DIAGNOSTICO EN MANTENIMIENTO PREDICTIVO BASADO EN TERMOGRAFIA
Presentación Elaborada Por:
ING. WILLIAM MARTINEZ CLEVES
TERMOGRAFIA • En el ámbito industrial la aplicación de la termografía en el área de mantenimiento es una de las más difundidas, especialmente en denominado MANTENIMIENTO PREDICTIVO el cual baseeldel monitoreo de condición de equipos. • La Termografía Infrarroja en el área de mantenimiento presenta ventajas comparativas inigualables y quizá sea el ensayo más divulgado y exitoso de los últimos años por los beneficios inmediatos del tipo operativo y de seguridad brindada • Por lo cual, en estos tiempos la justificación de su uso ya es una prueba superada; lo relevante en estos tiempos es ejecutarla de manera efectiva y eficiente
PROGRAMA A DESARROLLAR 1.0 INTRODUCCION AL MANTENIMIENTO. * Filosofías de Mantenimiento - Correctivo - Preventivo - Predictivo - Productivo - Comparación de Costos ent re las Filosof ías * Objetivo del Mantenimiento * Programas de Manto Predictivo - Lineamientos a Seguir - Selección de Equipo s a Monitor ear - Secuencia del Monitoreo - Monitoreo, Detec ción y Análisis - Tendencias y Diagnostico - Variables a Medir en el P redictivo 2.0 VARIABLE TEMPERATURA * Por que Medir Temperatura * Equipos de Monitoreo de Temperatura - Sistemas de Monitoreo Fijos - Termocuplas - RTD´s - Termistores - Pinturas Térmic as - Pirómetros Óptic os - Sistemas de Monitoreo Portá tiles - Termómetros de Contacto - Termómetros Óptic os por Radia ción - Escalas de Medida d e Temperatu ra - Fahrenheit - Celsius - Kelvin - Rankin
3.0 TEORIA DE LOS INFRARROJOS * Principio de Funcionamiento * Reseña Histórica * Fenómenos Básicos * Captura de la Radiación * Medición Básica * El Espectro Electromagnético * El Espectro Infrarrojo * Distribución de la Energía Radiada * Factores que Intervienen en la Medición con Infrarrojos - Emisividad - Métodos par a Determin ar la Emisivi dad - Reflexión - Transmisión - Ejemplos de Selección de un Term ómetro Infrar rojo * Partes de un Sensor Infrarrojo - Sistema Ópti co - Sistema de Enfoq ue - Elementos Detectores - Respuesta Espectral * Justificación Algebraica de los Sensores Infrarrojos 4.0 INFARRROJOS DE MONITOREO Y CONTROL * Equipos Portátiles de Monitoreo * Equipos Fijos de Control 5.0 TERMOMETRIA DE SUPERFICIES * Introducción a los Sistemas de Escaneo Térmico * Que son los Sistemas de escaneo Térmico * Sistemas de Escaneo Térmico en Forma Puntual * Ejemplos de Uso de los Sistemas de Escaneo * Sistemas de Escaneo Térmico de Forma Zonal * Ejemplos de Uso de los Sistemas de Escaneo
PROGRAMA A DESARROLLAR 6.0 EQUIPOS DE IMAGEN TERMICA * Definición de Análisis Térmico * Definición de Imagen Térmica * Definición de Termografía * Teoría de Toma de Imagen Térmica * Historia de los Equipos de Termografía - Equipos con Tecnología de Sistemas de Escáner - Equipos con Tecnolog ía de Espejos Rot antes - Equipos con Tecnol ogía F.P.A. * Procesamiento de Imagen * Reportes de Diagnostico * Funciones de Análisis * Beneficios de la Termografía 7.0 EJEMPLOS DE IMÁGENES TERMICAS * Aplicaciones Generales * Aplicaciones en Mantenimiento Predictivo * Aplicaciones en Instalaciones Eléctricas - En Subesta ciones de M edia y Alta T ensión - En Equipos de Baja Tensión - En Protecciones - En M otores * Aplicaciones en Equipos Mecánicos - Sistemas de Lubricación - Acoples de Ejes -- Chu maceras Defectos de Lubricantes - Desalineación Entre Ejes - Verificación de Reparaciones - Aplicaciones Generales * Aplicaciones en líneas de Conducción de Fluidos - Líneas de Agua Caliente - Líneas de Vapor
* Aplicaciones de Control de Calidad - Industria de Vidrio Moldeado - Industria de Aluminio Moldeado - Industria Automotriz - Industria de Alimentos - Industria Cerámica - Industria Text il - Industria del Vidrio Formada (Gota) - Industria de Luminarias - Industria del Vidrio Laminado * Aplicaciones en la Electrónica * Aplicaciones en la Aeronáutica * Aplicaciones en la Veterinaria * Aplicaciones en los Incendios * Aplicaciones de Búsqueda y Rescate * Aplicaciones en Flujo Vehicular * Aplicaciones en Seguridad 8.0 ESPECIFICACION DEL EQUIPO TERMOGRAFIA * Elementos Componentes * Especificaciones de Diseño * Software de Análisis
1.0 INTRODUCCION
LA LABOR DEL MANTENIMIENTO
FILOSOFIA DEL MANTENIMIENTO •
MANTENIMIENTO CORRECTIVO: Realizar una labor correctiva de forma inmediata al cuando se presenta una falla ó el proceso productivo es detenido por una inoperancia de algún equipo (se rompe / se cambia).
•
MANTENIMIENTO PREVENTIVO: Mediante inspecciones físicas del tipo abiertas a los equipos y realizadas de manera periódica se establece la condición de operación de cada componente que lo integra. (desarmar / armar) MANTENIMIENTO PREDICTIVO: Bajo el apoyo de ciertas herramientas (termografía, termometría, Vibraciones, etc.) se ejerce un monitoreo de las condiciones operativas de los equipos en funcionamiento, para determinar la condición real de operación. (se mide / se analiza / se predice). MANTENIMIENTO PRODUCTIVO: Consiste en el asocio del predictivo en función de la producción; donde el predictivo establece las condiciones de operación y producción ayuda a programar y a coordinar las jornadas del tipo preventivo y correctivo sobre los equipos.
•
•
MANTENIMIENTO CORRECTIVO • • •
Existe una falta de control sobre el comportamiento de los equipos. No se sabe si la operación del dispositivo esta dentro de rangos permisibles. No se puede determinar si la vida útil de los dispositivos es la adecuada.
• •
No se puede anticipar problemas asociados con los equipos y sus componentes. No permite determinar si las posibles causas de falla son originadas en el dispositivo que sale de servicio ó es un problema asociado. Genera altos costos por periodos de paro de los equipos en falla. Genera perdidas por paro en el proceso asociado. Adiciona un costo a la mano de obra necesaria por la inmediatez. Genera sobre costo en la obtención de los repuestos por la inmediatez. Ocasiona altos inventarios de repuestos para suplir estos imprevistos. Genera perdidas por dejar de producir.
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Ocasiona personal y equipos inactivos. Se refleja un alto estrés en el personal del grupo de mantenimiento disminuyendo su eficiencia y desarrollo personal. Otros valores agregados.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO • •
Los repuestos de los equipos son reemplazados de manera periódica de acuerdo a registros generalizados y no por su estado operativo real. Se reemplazan partes sin determinar la verdadera causa del deterioro.
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No se establece un método efectivo para la recepción de trabajos realizados. Genera un costo periódico en contratación de mano de obra especializada. Permite programar una consecución periódica de los repuestos. Requiere de paradas regulares y repetitivas de forma programada. Genera costos de producción frecuentes por los paros frecuentes para dicha labor. Se actúa sobre todos los equipos de proceso así no lo requiera. Ocasiona largas jornadas de trabajo. Permite una estabilidad en la operación de los equipos, pero estos pueden estar sujetos a fallas inesperadas por la acción de problemas asociados.
• •
Permite generar un ambiente más pensante en el equipo de mantenimiento. Es una filosofía que siempre va estar involucrada en cualquier empresa, dado que es un primer paso hacia el predictivo y será otra herramienta del productivo.
MANTENIMIENTO PREDICTIVO •
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Se apoya en herramientas de medición como lo son: Termografía, Termometría, Vibraciones, Análisis de Espectros, Ultrasonido, Gamalogía (Rayos X), Presiones, Flujos y otras variables de proceso. Determina la condición real de operación del equipo en pleno funcionamiento. Permite lograr una programación eficiente real de los recursos de mantenimiento. Detecta de manera directa los dispositivos en falla. Establece rápidamente la causa de la falla y así se evita la repetición de misma. Logra aprovechar al máximo la vida útil de los dispositivos. Permite que el proceso este a velocidad nominal de producción ó incluso aumentarla a un valor permisible para los componentes. La mano de obra es programada y limitada a las labores requeridas y necesarias. Logra una consecución programada de los repuestos evitando altos inventarios y/ó negociaciones especiales con los proveedores. Permite crear una conciencia de integración multitareas del equipo de trabajo. Conlleva a elevar la capacitación del personal y a un mejor nivel de vida. Racionaliza las las perdidas en los costos de producción.
COMPARACION DE COSTOS Los siguientes datos se obtuvieron de la actualización (valores de hoy) de costos en el proceso de una empresa desde su correctivo hasta el productivo en el transcurso de los últimos cinco (5) años. FAC TUR ACIO NANU AL:
D E SC R I P C I O N MANODEOBRA HERRAMIENTAS REPUESTOS
C O R R E C T I VO 80,167.oo
PR E VENTI VO 31,763.oo
PR EDICTI VO 8,300.oo
P R O D U C T I VO 4,905.oo
2,717.oo
2,717.oo
1,087.oo
544.oo
148,882.oo
58,988.oo
15,414.oo
9,109.oo
0
543.oo
1,630.oo
815.oo
CAPACITACION EQ. MEDICION
U S$ 70,000,000.oo
0
0
24,300.oo
12,150.oo
PRODUCCION
343,575.oo
136,126.oo
35,570.oo
21,020.oo
TOTAL
575,342.oo
230,136.oo
86,301.oo
48,544.oo
COSTO/MES
47,945.oo
19,178.oo
7,192.oo
4,045.oo
Si analizamos bien, nos damos cuenta que se llega a un punto donde no se puede reducir más el costo del mantenimiento; por lo cual ese punto de equilibrio es que se debe conservar y no creer que ya todo se ha realizado y desfallecer en ese momento dado que retrocederíamos en el proceso.
OBJETIVO DEL MANTENIMIENTO • •
Garantizar un proceso productivo eficiente, efectivo, repetitivo y seguro . Garantizar el menor número de fallas en los equipos.
•• • • • •
Prever falloslainesperados en el proceso. Maximizar productividad. Asegurar una estabilidad de operación. Garantizar un mínimo tiempo de parada para mantenimiento y reparación. Suministrar continuidad al proceso productivo. Optimizar el diseño de los equipos para lograr un costo mínimo de operación y aumentar la calidad ó la cantidad. Suministrar seguridad al medio, al personal y al proceso.
•
IMPLEMENTACION DE UN PROGRAMA EN MANTENIMIENTO PREDICTIVO Parte de seis (6) aspectos bá básicos: • • • • • •
Lineamientos a seguir. Creació Creación de la consciencia de la necesidad. Tiempo necesario para ser ejecutado. Presupuesto disponible para tal efecto. Justificació Justificación de la necesidad del proyecto del predictivo. Implementación.
LINEAMIENTOS A SEGUIR • •
Cuales son los equipos que deben ser incluidos dentro del programa. Que tipo y cuales son las mediciones que se deben realizar a cada uno de los equipos seleccionados.
• • • • • • • •
Diseñar una ruta a seguir para cada variable y adecuada para cada equipo. Capacitar adecuadamente el personal para cada trabajo especifico. Determinar las herramientas adecuadas para cada labor especifica. Establecer los convenios de asociación si económicamente es más favorable. Cual es la forma para manejar la información obtenida. Crear la hoja de vida de cada equipo. Relacionar tendencias y variables por equipo. Involucrar a producción en el manejo de la información.
•
Periodo de inicio.
SELECCION DE LOS EQUIPOS • • • •
Equipos problema ó que más reinciden ó poseen una alta probabilidad de falla. Aquellos que posee un alto efecto sobre la producción. Aquellos que generan inseguridad al personal. Los que requieren un manejo especial, ya sea técnico ó físico.
•EQUIPOS A los que se les pueda clasificar según la rapidez de la evolución de la falla: CRITICOS: √ Esenciales en el proceso por que no paran. √ Cuya reparación posee un costo elevado. √ Poseen un alto impacto sobre la producción final. √ Aquellos que la falla progresa rápidamente. √ Ocasionan inseguridad en condición de falla. √ Son críticos en el arranque y en la parada. EQUIPOS ADECUADO BALANCE: √ Requiere únicamente monitoreo frecuente (semanal, mensual). √ No es maquinaria crítica ó posee bajo riesgo de inseguridad. √ Pequeño efecto en la producción y bajo costo de mantenimiento. √ Posee bajas especificaciones técnicas para su manejo.
SECUENCIA A ESTABLECER POR VARIABLE Y POR EQUIPO LABOR (preventiva) INTERVENCION (paro equipo)
VARIABLE (temperatura) INTERVALO (mensual)
ACCION (consultar producción) LABOR (programar labor)
VALOR MEDIDO ( 50 °C ) LIMITE ESTABLECIDO ( 50 °C )
SI
ANALISIS (está en alarma) TOMA DECISION (coordinar)
NO
ACCION (modificar intervalo) INTERVALO (semanal)
CUANDO REALIZO LA MEDICION • •
La experiencia que suministra el pasado de la máquina, con los problemas históricos que se han desarrollado; permite establecer los intervalos de tiempo adecuados para las medicines. Máquinas con una buena historia de operación, se pueden asignar intervalos de medición largos.
DETECCION Y ANALISIS •
DETECCION: se determina cada variable a medir; se establecen los limites de alarma de cada una; cuando se determinen valores tendientes a los limites se le notifica al analista del problema.
•
ANALISIS: una vez detectada la alarma, se realiza un análisis estricto del problema para así determinar la causa del problema.
Detección: REGISTRO DE TENDENCIAS 80 70 60 50
Temperatura
40
Alarma
30
Peligro
20 10 0
e r y E n Ma Ma
l Ju
p Se
v No
El registro de tendencias, permite establecer el comportamiento real y de normal operación para así ajustar alarmas y limites de peligro. 80 70 60 50
Promedio
40
Alarma
30
Peligro
20 10 0 1997
1998
1999
2000
2001
Análisis: DIAGNOSTICO • • •
Se comparan valores contra los nominales del fabricante. Se crean tendencias de comportamiento. Se obtienen la rapidez de evolución de la falla.
•• • • • • • •
Se asocia con otras variables para encontrar causas. Se especifican acciones a seguir. Se crean responsabilidades. Se realizan proyecciones en el tiempo. Se generan manuales de operación. Se capacita el personal en lo equipos (supervisores, operarios, mantenimiento, producción). Se encuentran y explican causas / efectos de las fallas. Se garantiza el manejo de la información.
• •
Se coordinan actividades interdisciplinarias a realizar. Se realiza un seguimiento de las mediciones y de las labores a realizar.
VARIABLES A MEDIR EN UN PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO • •
TEMPERATURA VIBRACIONES MECANICAS
• • • • • • • • • •
GAMALOGIA (RAYOS X). ULTRASONIDO PARTICULAS MAGNETICAS TINTAS PENETRANTES MEDICION DE ESPESORES PRUEBAS DE IMPULSO PRUEBAS DE AISLAMIENTO ANALISIS DE ACEITES (CROMATOGRAFIA) LUBRICACION PRESIONES DE PROCESO
••
FLUJOS DE PROCESO VELOCIDADES DE PROCESO
1.0 BASE CONCEPTUAL
VARIABLE TEMPERATURA
TEMPERATURA Es un indicador directo de la condición de operación de cualquier elemento; dado, que al momento de presentare un deterioro en su composición normal se ve reflejado en temperatura (partiendo del principio que la energía no se crea ni se destruye sino se transforma). Ejemplos: • En equipos mecánicos la fricción por perdida de lubricación. • En estructuras cargas aplicadas incorrectamente ó esfuerzos inadecuados. • En equipos eléctricos, un mal contacto disipa temperatura. • En transformadores las corrientes parásitas ocasionan calentamiento. • En conductores eléctricos las perdidas de aislamiento disipan temperatura. • En aislamientos térmicos de estructuras refractarias, al entrar en deterioro permite la fuga de calor. • En alimentos, cuando entra en descomposición genera una temperatura mayor. • En el ser humano cuando se enferma eleva su temperatura corporar ó del sitio al cual está afectado.
SISTEMAS DE MONITOREO DE TEMPERATURAS •FIJOS: Son aquellos que se instalan de manera permanente sobre el dispositivo a monitorear, otorgando la información para registro visual, gráfico ó de control. Se emplea en equipos críticos como los de gran importancia en la producción, ó en equipos con alto grado de inseguridad, ó en equipos cuya falla progresa rápidamente. Unos ejemplos típicos de estos equipos son: Turbo ó Moto Generadores, Compresores de Alta Potencia, Máquinas que Operan a Alta Velocidad, Bombas Para Combustibles, Motores de Alto Caballaje, etc. Para lograr esta medición se emplean diversas tecnologías como lo son: TERMOCUPLAS señal en mV - cortas distancias para la señal - amplios rangos de medida - permite inducciones ó deterioro de la señal. RTDs señal tipo resistiva - aplica para distancias medias - no interesa la inducción rangos limitados de temperaturas - ideal en aplicaciones robustas. PINTURAS TERMICAS no generan señal eléctrica, solo indicación visual - nos son reutilizables - rangos de medida estrechos. PIROMETROS OPTICOS capturan la radiación energética de los cuerpo para obtener su temperatura son mas seguros y poseen señales seguras.
MONITOREO FIJO “SUPERVISION EN LINEA”
MONITOREO FIJO “TERMODETECTORES” TERMOCUPLAS: Elementos detectores basados en el efecto SEEBECK debido a Mr. Thomas Seebeck que lo descubrió en 1821 y que consiste en unir dos (2) metales diferentes en uno de sus extremos, el cual al calentarse crea undeflujo de electrones la aparición de una diferencia potencial (Voltaje)y entre los dos (2) extremos libres de este circuito Termo-Eléctrico, con la característica que la señal es no lineal en su comportamiento. TIPO J
(-)
(+) Fe
(-) Cu-Ni
Seña(lmV) -8,1....69,6
Rango(°C) -210....780
K
Ni-Cr
Ni-Al
-6,5....54,9
-210....1372
T
Cu
Cu-Ni
-6,3....20.8
-270....400
E
Ni-Cr
Cu-Ni
-9,8....76,4
-270....1000
N
Ni-Cr-Si
Ni-Si-Mg
-4,3 .... 47,5
R
Pt-13%Rh
Pt
-0,2....21,1
-50....1768
-0,2....18,7
-50....1768
S
Pt-10%rh
Pt
ab
B
Pt-30%Rh
Pt-6%Rh
(+)
V
Cu
Cu-Ni
G
Tungs
Tung-26%Radio
e
-270 .... 1300
0....13,8
0....1820
------
..... 080
0....38,6
0....2320
MONITOREO FIJO “TERMODETECTORES” RTD´s: DETECTOR de TEMPERATURA RESISTIVO y consiste en el cambio de resistencia de los metales ante la temperatura; y este fenómeno lo descubrió Mr.. Humphrey Davy en 1821 y en 1826 Sir William Siemens empleo el Platino para construir la primer RTD. La construcción está basada en arroyar un alambre metálico como el Platino sobre una base de mica y luego recubrirla en vidrio de pared delgada. La señal posee un comportamiento lineal de rápida respuesta, aplica en rangos de temperatura bajos (-182,76 hasta 630,74) y usos no robustas; de las construcciones mas conocidas son: Pt100 - Platino 100 Ohm - Coeficiente 0.00385 Pt200 - Platino 200 Ohm - Coeficiente 0.003902 Pt500 - Platino 500 Ohm - Coeficiente 0.003920 Pt1000 - Platino 1000 Ohm - Coeficiente 0.003920 Negro Ni100 - Níquel 100 Ohm - Coeficiente 0.00617 Ni120 - Níquel 120 Ohm - Coeficiente 0.00672 Negro Cu10 - Cobre 10 Ohm - Coeficiente 0.0042 Rojo Tg50 - Tunsgteno 10 Ohm - Coeficiente 0.0045
RTD´ RTD´s
MONITOREO FIJO “TERMODETECTORES” TERMISTORES: Es una RTD más estable y sensible, construido con semiconductores y la mayoría posee coeficiente de temperatura negativo (disminuye la salida eléctrica a mayor temperatura); traducen cambios muy rápidos y pequeños (0.02 °C / Seg) que no se pueden observar con otros Sensores y aplicado a bajas temperaturas (0-100 La señal eléctrica lineal y corresponde curva de estabilización 2R). respecto°C). al poder calorífico al es cual reacciona (Joules =aIla
(+) (+)
I=10 uA / ºK
10 uV / ºK 10 KOhm
(-) SENSOR DE VOLTAJE
(-) SENSOR DE CORRIENTE
MONITOREO FIJO “TERMODETECTORES” PINTURAS TERMICAS: Son elementos de fácil y rápida indicación visual de la presencia de una alta temperatura en una pequeña área; la pintura en ambiente normal posee una coloración y al ser afectada por la temperatura se oxida y cambia la coloración. No poseen rangos amplio, vienen en kits por rangos de temperaturas limitados, no precisan un valor de temperatura exacto ó si es la temperatura actual ó en que momento sucedió con tiempos de exposición entre 0.3 a 10 segundos. Se vuelve no practica y de riesgo en procesos donde el contacto es peligrosos. Aplica en : Circuitos Electrónicos, Tuberías Calientes, Ductos de Aíre, Trampas de Vapor, Caucho y Plástico, Partes Mecánicas de Autos ó Aviones.
MONITOREO FIJO “TERMODETECTORES” PIROMETROS OPTICOS: Se denominan así por que emplean lentes para la captura de la energía que permite calcular la temperatura sobre el cuerpo. Estos elementos se emplean donde los elementos
Fibra Optica
de contacto Abrasión, no se Fricción, emplear,Contaminación, como: Alta Temperatura, Movimiento, Inducción, Distancia de Separación, Rapidez en Respuesta, Exactitud. Para encontrar el como funcionan estos detectores es necesario estudiar el principio de lo infrarrojos y cuyo tema es el centro de esta presentación.
SISTEMAS DE MONITOREO DE TEMPERATURAS PORTATILES: Son de uso frecuente en mediciones periódicas ya sea para mantenimiento, control de calidad ó producción; así mismo estos se pueden clasificar como: TERMOMETROS DE CONTACTO: • Elementos tradicionales, como Bimetálico, Termocupla ó RTD son los encargados de producir la indicación análoga ó digital. • El tiempo de respuesta de estos elementos es lento, generalmente es entre 1 y 2 minutos. • La precisión depende de la resolución de la escala que posee el instrumento; ej: 1 °C. • Se dificulta la aplicación en sitios de difícil acceso ó en equipos rotativos ó en sistemas eléctricos dado que se vuelve una acción peligroso.
70.8 °C
PORTATILES: TERMOMETROS OPTICOS POR RADIACION: Denominados así por que capturan la radiación infrarroja emitida por los cuerpos calientes y calcula la temperatura, para ello existen diferentes modelos en el mercado: Elementos de FILAMENTO los cuales compensan con un potenciometro las corrientes del detector que circulan por un filamento y así establecer el rango de medida. Luego aparecen los TERMOMETROS INFRAROJOS los cuales describimos más adelante en la presentación:
55 °C
Elemento de Filamento
Termómetro Óptico
Termómetro Óptico
ESCALAS DE MEDIDA PARA TEMPERATURA Escala en FAHRENHEIT: (°F) Escala comúnmente conocida desde el 1700 cuando el Sr.. Gabriel Fahrenheit creo un instrumento en Mercurio que otorgaba una alta exactitud y repetibilidad, con una escala desde los cero grados (creado por una mezcla de agua + hielo y cloruro de amonio) una máxima de 96 grados (permitía dividir en 12 ó 24 ó 48 partes) que equivalía a la temperatura de la sangre del cuerpo humano.
°F= (9/5 * °C) + 32 Escala en CELSIUS: (°C) °C=5/9 (°F-32) En 1742 Mr.. Anders Celsius propuso una escala entre el punto de melting del hielo y el punto vapor del agua para determinar una división en 100 partes; desde 1948 esta escala fue revisada y se oficializaron los dos (2) extremos quedando como una escala se oficial. K= °C + 273.15
Escala en KELVIN: (K) En 1800 Mr. William Thomson (Lord Kelvin) desarrollo una escala termodinámica universal basado en el coeficiente de expansión del gas ideal; estableciendo el concepto del cero absoluto para la termometría actual.
°R= °F + 459.67 Escala en RANKIN: (°R) Es un equivalente de los Fahrenheit en la escala de Kelvin.
MEDICION DE TEMPERATURA POR INFRARROJOS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
RESEÑA HISTORICA •
• •
•
Tecnología desarrollada en 1933, para efectos de investigación; con muchas limitaciones para su época en cuanto a tamaño de los equipos (robustos por operar con tubos al vacío) y capacidad de medida limitada a bajas temperaturas. Durante la segunda guerra mundial tuvo un desarrollo a ser aplicado en la ubicación de barcos de guerra. En la década de los 70´s con el desarrollo de los microprocesadores empezó a ser empleado en la industria, dado que, el tamaño y costo se redujo drásticamente. En este momento poseen velocidades de operación y amplios rangosaltas de medida.
FENOMENOS BASICOS EN LA MEDICION Un buen ejemplo para entender el como funciona la radiación de energía infrarroja, es un pocillo que contiene un líquido caliente el cual evidencia un único principio que es el de EQUILIBRIO TERMICO y ocasiona tres (3) fenómenos: Al tomar el pocillo en la mano esta se caliente por el principio de la CONDUCCION que actúa a través de la pared del pocillo; luego el medio adyacente (aíre)y lasecaracalienta porRADIACION la emanación vapor denominada CONVECCION libre emite hacia eldemedio adyacente.
Convecció Convección CONVECTION
RADIATION Radiació Radiación
Conducció Conducción CONDUCTION
CAPTURA DE LA RADIACION Teniendo claro los fenómenos presentes en el comportamiento de un cuerpo, se debe implementar un sistema que vea dicha emisión de energía y asociado a un método de medida determine una temperatura presente en el cuerpo a evaluar y no sea solamente de emitir un concepto de caliente ó frío.
?
MEDICION BASICA El termómetro determina la temperatura del objeto mediante medición de la energía infrarroja emitida
La energía es una onda electromagnética similar a la de la luz o las señales de radio
Objeto caliente que emite las radiaciones infrarrojas
IRCON Todos los cuerpos al superar el cero absoluto de temperatura (-273 K)presenta una agitación molecular y por ende un movimiento atómico el cual está asociado con la agitación de los electrones de los átomos y cuya oscilación crea un campo electromagnético que viaja a partir del cuerpo caliente. La velocidad de transmisión de radiación depende de las variables físicas como composición, estado físico (liquido, sólido) y tamaño del cuerpo.
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO Entonces hay que iniciar por recordar el espectro electromagnético, que nos es más que la escala usada para medir radiación de cualquier forma de energía. Hay que recordar que el primero en descubrir el espectro electromagnético fue el Sr. Isaac Newton al descomponer la luz blanca (solar) a través de un espejo en forma de prisma.
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO Al recordar el espectro electromagnético, se encuentra una escala bien definida por la LONGITUD DE ONDA que corresponde a la velocidad con la cual se propaga la radiación y esta posee como unidad el MICROMETRO (µm)que es la distancia recorrida por una onda con este periodo. Veamos un Ej: 10 µm corresponden al grosor de un cabello. Señales de Radio Rayos Y
10KHz Onda Larga
1MHz A.M.
Onda Corta
100 MHz F.M.
Luz Visible
20 µm.
100 m
0.1 m
Luz Invisible
.7 µm
Rayos X
.4 µm
EL ESPECTRO INFRARROJO Siguiendo los pasos de Newton en el año de 1840 los señores WILLIAM y JHON HERSCHEL descubrieron un método para medir las diferentes franjas del espectro infrarrojo; también mediante la descomposición de la luz blanca a través de un prisma y reflejada sobre una placa plana a escala para tal efecto y donde lograron determinar el ancho de banda para cada segmento de cobertura dentro del espectro total. Desde entonces se determino el área que corresponde los µinfrarrojos que se limita entrea 0.01 m y 100µmy de longitud de onda..
EL ESPECTRO INFRARROJO De forma adicional los señores HERSCHEL pudieron cuantificar la energía relativa correspondiente a cada color, de tal manera que entre mayor es la temperatura del cuerpo caliente el color de este tiende hacia los rojos ó los infrarrojos. Ejemplo: al calentar un cuerpo este al calentarse va cambiando su color hacia el rojo y luego cuando llega al melting el color tiende al blanco.
EL ESPECTRO INFRARROJO Esta cuantificación de la energía podemos observar en una gráfica de Longitud de Onda versus Energía Radiada y con el perfil observado de la intensidad de energía radiada vemos que a mayor temperatura va pasando de los infrarrojos y los rojos hacia los demás colores básicos.
a d a i d a R a í rg e n E
Longitud de Onda λ
DISTRIBUCION DE LA ENERGIA RADIADA POR UN CUERPO. Podemos observar en la gráfica de la ¨Energía Radiada Por El Cuerpo Vs
( Intensidad de Radiación ) 1.0 0.8
Longitud Onda¨, que los puntos más altos de temperatura corresponden al valor más elevado del nivel de energía y esto dentro del rango de longitudes de onda correspondiente a la luz infrarroja, con la característica de bajas
2000 °C 700 °C 200 °C
0.6
20 °C
0,4
-50 °C
0,2 0,0 0,3 0,5 1
2
5
10
Longitud de Onda (
20
m)
50 100 temperaturas longitudes de paras onda yaltas de altas temperaturas para bajas longitudes de onda.
FACTORES A TENER EN CUENTA PARA UNA MEDICION DE INFRARROJOS EMISIVIDAD Propiedad que poseen los cuerpos y que define la cantidad de energía posible a ser radiada por ellos y la cual equivale a la cantidad de energía que es posible absorber. TRANSMITIVIDAD Propiedad que define la facilidad para dejar pasar a través de el cuerpo la radiación infrarroja emitida por otro cuerpo ubicado posterior a él. REFLECTIVIDAD Propiedad que posee la superficie de los cuerpos y que determina la cantidad de radiación infrarroja reflejada en ella. RESPUESTA ESPECTRAL Se refiere al valor de longitud de onda (λ) sobre el cual se define la radiación emitida según sea la temperatura presente. CUERPO NEGRO Representa al emisor y receptor ideal de energía, solo existe como un concepto del espacio dado que crearlo físicamente en el momento es imposible; existen elementos de laboratorio que lo asemejan con un 99.99% de acercamiento.
FACTORES EN UNA MEDICION CON INFRARROJOS Cuando se realiza una medición de temperatura con infrarrojos, el termómetro captura la energía total proveniente de la Reflexión + Transmisión + Emisión; donde lo único que nos interesa medir es la emisión.
R ef
IRCON
lex ió
• E + R + T = 1.0 n
Emisión T r a n sm
isión
FACTORES EN UNA MEDICION CON INFRARROJOS DENTRO DE UN HORNO En este caso, vemos que la radiación de energía de las paredes internas del horno inciden sobre la medición; adicionalmente la Transmisión que interviene es la del medio por el cual viaja la radiación infrarroja. De esto podemos concluir que la Transmisión se puede compensar internamente en el termómetro tanto en su electrónica como en su adecuada selección. I R C O N
Transmisión
E
n ói s mi
500 °C
R ef le xi ó n
LA EMISIVIDAD Como decíamos este parámetro determina la cantidad de energía radiada por el cuerpo caliente según sea su construcción molecular. Este parámetro es de comparación, donde se toma como el cuerpo emisor ideal un Cuerpo Negro que es el único en absorber y emitir toda su energía interna. Por lo cual la Emisividad de un cuerpo no es mas que la intensidad de radiación de un cuerpo a cierta temperatura respecto a la radiación de un cuerpo negro a la misma temperatura. E =
Radia ción del Obje to Real a Una Longit ud de Onda Radia ción de Cuerpo Negro a Una Longit ud de Onda
Reflexión Interna % de Energía Térmica Emitida
100% de Energía Térmica Contenida
E=0,86 determina que el cuerpo radia el 86% de su energía interna, respecto a la radiación que ´tendría un cuerpo negro.
EMISIVIDADES DE ALGUNOS MATERIALES • • • • • • • • • • • • •
Hierro y Acero Pulido Hierro y Acero Oxidado Aluminio Pulido Aluminio Oxidado Cobre Pulido Cobre Oxidado Ladrillo Construcción Asfalto Asbesto Bronce Brillante Bronce Oxidado Cromo Constatan Brillado
= 0,35 = 0,85 = 0,13 = 0,40 = 0,06 = 0,80 = 0,80 = 0,85 = 0,90 = 0,05 = 0,60 = 0,07 = 0,15
•• • • •
Constatan ManganesoOxidado Manganeso Oxidado Inconel Pulido Inconel Oxidado
==0,65 0,10 = 0,65 = 0,20 = 0,70
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • •Z
Monel 0,15 = Monel Oxidado =0,40 Níquel-Cromo =0,10 Níquel-Cromo Oxidado = 0,60 Cromo-Aluminio =0,10 Cromo-Aluminio Oxidado = 0,65 Cobalto =0,04 CobaltoOxidado =0,60 Oro 0,02 = Níquel = 0,04 NíquelOxidado =0,85 Platino =0,07 PlataPulida =0,02 PlataOxidado =0,10 Estaño 0,06 = EstañoOxidado =0,60 Titanio =0,15 TitanioOxidado =0,70 Tungsteno =0,06 inc 0,04 =
EMISIVIDADES DE ALGUNOS MATERIALES • • • • • • • • • • • • •
ZincOxidado Alúmina LadrilloRojo Ladrillo Refractario LadrillodeSilica Cerámica CarbónGrafito HollíndeCarbón Cemento y Concreto Textiles Área Cerrada Vidrio Papel Cartón
=0,30 =0,85 =0,80 = 0,65 =0,80 =0,65 =0,80 =0,95 = 0,65 = 0,75 0,85 = 0,80 = 0,95 =
•• • • •
Plásticos PlásticosOpacos Semi-transparen ==0,85 0,75 Plástico Transparente = 0,45 PinturadeAceite =0,90 PinturaEsmalte =0,90
• • • • • • • •
PinturasLaca Pintura Aluminica Caucho Duro Negro GomaDuro Caucho Suave Gris GomaSuaveGris Agua Madera
=0,85 = 0,45 = 0,95 =0,95 = 0,85 =0,85 0,95 = =0,85
Los valores de emisividades de algunos materiales que no se encuentren en esta tabla, pueden consultarlos con los diferentes fabricantes ó con la base de datos que poseemos.
METODO PRACTICO PARA OBTENER LA EMISIVIDADES DE ALGUN MATERIAL Existen varios métodos para obtener la Emisividad de un material en el taller de mantenimiento, entre ellos podemos mencionar el METODO DE COMPARACION el cual consiste en medir de forma paralela la temperatura de la superficie a evaluar con el termómetro infrarrojo y un termómetro de contacto, mediante la modificación de la Emisividad infrarrojo la indicación la temperatura del mismo hasta quesobre las eldos lecturasvariamos sean iguale y esta deserá la Emisividad correspondiente.
Termocupla Indicador
METODO PRACTICO PARA OBTENER LA EMISIVIDADES DE ALGUN MATERIAL El siguiente METODO DE LA EMISIVIDAD CONOCIDA se basa en el empleo de una pintura esmaltada de color negro y la cual posee una Emisividad conocida de, por lo cual con el termómetro infrarrojo con la Emisividad ajustada procedemos a medir sobre la pintura obteniendo la temperatura real sobre la superficie; el segundo paso consiste en medir con el infrarrojo en un área inmediatamente adyacente a la pintura y modificamos la Emisividad del infrarrojo hasta que la temperatura que este indique sea la misma al obtenida sobre la pintura negra.
EFECTOS DE LA EMISIVIDAD SOBRE LA MEDICION DE TEMPERATURA POR RADIACION. •
• •
Una emisividad errónea introduce imprecisión en la medición, como por ej: una emisividad alta cercana a 1,0 determina valores inferiores a la temperatura real; ò una emisividad baja tendiendo a 0,1 establece temperaturas superiores al valor real. Un valor diferente de emisividad, establece una rata de flujo de energía diferente al real presentado por el material que estemos analizando. Cada material ò cada cuerpo posee una emisividad característica, no es arbitraria sino que es particular de cada cuerpo.
LA REFLEXIÓN Es la característica que posee la superficie del material para reflejar la radiación infrarroja emitida por cuerpos adyacentes al que estamos analizando. Entonces este fenómeno lo podemos considerar como una perturbación en la medición y como ocasiona un efecto nocivo en la medida es necesario implementar una solución a tal efecto.
Cabezal de Censado Limitador de Campo Focal
Para solucionar esta perturbación se le adiciona al montaje unos accesorios físicos al termómetro denominados LIMITADORES DE CAMPO FOCAL los cuales impiden que los radiación reflejada alcance el lente del termómetro.
Refrigeración por Agua Purga de Aire
Horno Caliente
Objetivo
LA REFLEXIÓN Para los cuerpos con superficies curvas, esto no presenta ningún efecto sobre la Emisividad del mismo, solo se afecta la emisividad por el espesor que tenga la superficie curva (define un material particular). Para efectos de la medición de temperatura, las superficies curvas afectan el diámetro del (spot) área a medir permitiendo mayor ó menor área. En caso de medición sobre superficies curvas se sugiere se realicen tomas a distancias superiores a 1.75 veces el radio.
TRANSMISION Este es un aspecto importante en la medición de temperatura por el método de los infrarrojos, dado que cualquier elemento intermedio entre el cuerpo caliente y el termómetro ocasiona un efecto de reducción en la energía capturada por el termómetro incidiendo de forma directa en el resultado obtenido; dentro de elementos intermedios tenemos: combustiones, polvo, vapores, gases, aíre y ventanas ó mirillas de contención del medio hostil. Condiciones Ideales Cabezal de Censado
Objetivo Campo de Medición
Radiación Emitida Por El Cuerpo Caliente
Condiciones Reales
Llama Polvo y Gases
Vapor Ventana Cuerpos y ó Sólidos Humo Mirilla
TRANSMISION Es el factor que afecta la intensidad de la energía infrarroja que viaja a través del medio, delimitando la respuesta espectral (longitud de onda) dentro de la cual debe trabajar el sensor a ser empleado y así lograr una mayor eficiencia. Generalmente este elemento intermedio de transmisión es el aíre, por lo cual ahí que definri la zona de transparencia del aíre a los infrarrojos. 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
A t m o s f é r i c a Longitud de Onda ( m)
8-14 µm
TRANSMISION Como veíamos existen cuatro franjas definidas para la transmisión de los infrarrojos a través del aíre y en muchas aplicaciones este no es el único elemento que interviene; también existen otros elementos a manera de ventanas para medir a través de ella ó sobre ellas, por lo cual cada franja está ligada de forma directa con aplicaciones especificas. Esta franja es para altas temperaturas en sólidos opacos 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
0.65-1.1 m (700-3500 °C) Acero, Hierro y Vidrio Fundido
Longitud de Onda ( m)
8-14 µm
TRANSMISION En esta franja del espectro de 1.6 - 2.4 µm, es especial para aplicaciones a altas temperaturas en cuerpos opacos y donde se ignoran gases ó reflexiones externas; se pueden conseguir equipos portátiles ó fijos para solventar la medida. 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
1.6-2.4 m (300-1100 °C) Moldeado de Metáles
Longitud de Onda ( m)
8-14 µm
TRANSMISION En este pequeña franja del espectro electromagnético de 3.4 µm, se puede medir temperaturas sobre películas de plástico transparente ó de colores claros y con calibres pequeños; dado que, allí el plástico será opaco a la transmisión de radición infrarroja emitida por cuerpos posteriores al punto de medición. 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
3.4 m (0-800 °C) Plásticos
Longitud de Onda ( m)
8-14 µm
TRANSMISION Para la franja del espectro electromagnético comprendida entre 3.8-4,2 µm, es usualmente empleada para las aplicaciones de los equipos de tomo de imagen térmica; este tipo de aplicaciones son posibles por que es una franja intermedia para altas y bajas temperaturas, como también para medir sobre cuerpos transparentes y algunos gases. 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
8-14 µm
3.8-4.2 m (-20 .... +600 °C) Equipos de imagen Térmica
Longitud de Onda ( m)
TRANSMISION Para esta ventana del espectro entre 4.8-5.2 µm de longitud de onda, es empleada para mediciones sobre superficies de vidrio; aquí el vidrio opaco a la transmisión de infrarrojos emitidas por cuerpos posteriores al punto de medición. Estas aplicaciones pueden ser laminado de vidrio, curado de pinturas sobre vidrio. 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
8-14 µm
4.8-5.2 m (0-900 °C) Superficie Vidrio
Longitud de Onda ( m)
TRANSMISION En la franja de 7.9 µm es empleada para medir temperaturas sobre películas de Poliester ya sea para aplicaciones textil ó para recubrimientos con este material.
0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
7.9 m (20-400 °C) Película Poliester
Longitud de Onda ( m)
8-14 µm
TRANSMISION Por último la franja del espectro electromagnético comprendido entre 8-14 µm se puede considerar la de aplicaciones generales con temperaturas bajas y ambientes limpios; estas aplicaciones pueden ser en labores de mantenimiento, producción ó control de calidad. 0,90,9-1,8 µm
T r a n s m i s i ó n
A t m o s f é r i c a
1,81,8-2,2 µm
4,84,8-5,2 µm
8-14 m (-50...+400 °C) Propósitos Generales
Longitud de Onda ( m)
8-14 µm
PARTES DE UN SENSOR INFRARROJO. • • • • • •
SISTEMA FOCAL establece la correcta ubicación del objetivo. SISTEMA OPTICO colecta la energía radiado por el objeto. SISTEMA DETECTOR convierte la energía infrarroja en un valor eléctrico. SISTEMA AMPLIFICADOR adecua la señal eléctrica aun nivel mas alto. SISTEMA PROCESADOR compara y establece la temperatura. SISTEMA DE SALIDA genera la respuesta de salida (control ó indicación).
Sistema Focal
Cuerpo Caliente
Detector
Amplificador
Procesador
Linealizador
Salida (Indicación ó Control)
SISTEMA OPTICO
.
El sistema óptico de un termómetro de infrarrojo es el encargado de capturar la radiación infrarroja y direccionarla hacia el elemento detector para que sea evaluada. Un termómetro óptico involucra un lente principal auxiliar frontal, (cóncavo instaladosyenotro la ventana deytalconvexo) manera que uno es de apertura y el otro de restricción hacia su centro focal, para efectos de crear un campo óptico y poder capturar la radiación de cuerpos pequeños a cortas distancias y cuerpo mas grandes a mayores distancias. Adicionalmente antes de llegar la radiación al elemento sensor pasa a través de un lente que concentra toda la radiación y direccionarla al elemento detector. Esta es la razón que srcina la creación de tablas que relacionan distancias de mediciones y áreas de incidencia de la medida.
SISTEMA OPTICO Materiales mas utilizados en los sistemas ópticos de los equipos de medición de temperatura por infrarrojos.
SISTEMA DE ENFOQUE Es el que permite correlacionar de manera directa la distancia a la cual nos ubicamos para ejecutar la medición respecto al área promedio que encierra el campo focal del sensor empleado, como también da la certeza de un correcto enfoque del elemento que estamos midiendo y no la combinación de temperaturas de varios dispositivos. Este sistema de enfoque puede ser del tipo visual como el ejemplo de la figura de la derecha ó del tipo luminoso como la figura de la izquierda; un sistema laser puntual solo indica el centro del área de medida, mas no la totalidad del área de medición.
ELEMENTOS DETECTORES Los elementos detectores, son los transductores que convierten la señ señal electromagné electromagnética en una señ señal eléctrica; esta transformación de señ señal puede ser srcinada de diversas formas, que srcinan tres tipos de detectores: PIROELECTRICOS generan señ señales en forma de corriente de nA. nA. y tiempo de Respuesta 100mS. Las TERMOPILAS funcionan como el fenó fenómeno Seebeck y su señal es en voltaje de µV con tiempo de repuesta de 300mS. SILICONADOS desarrollado por cada y ósu funcionamiento es porfabricante una reacció n quí reacci química similar al de las baterías. Tiempos de respuesta de 10mS. Cada uno tiene su aplicació aplicación especifica.
ELEMENTOS DETECTORES Los detectores mas comúnmente instalados en los equipos de termografía se encuentran los de composición InGaAs que trabajan a una determinada longitud de onda y le permite se usado en diferentes tipos de aplicaciones. Estos detectores se construyen de la composició composición y recubiertos con una pequeñ pequeña lá lámina de vidrio para aislarlos de otros componentes y cada celda generara un pixel en la imagen.
Oblea de InGaAs en fabricación
Oblea de InGaAs de 4” con Chip de Imagen
RESPUESTA ESPECTRAL DE ALGUNOS DETECTORES
•Termopila •Celda Piroeléctrica 2,0 hasta 2,5
•Led de Sulfito • Led de Germanio
0,8 hasta 1,8
• Led de Silicio
0,7 hasta 1,1
2
4
6 8 10 12 14 16 18 20 Longitud de Onda (µm)
JUSTIFICACION ALGEBRAICA DE LA MEDICION POR INFRARROJOS. Para determinar las expresiones algebraicas que representan el comportamiento de la radiación infrarroja de los cuerpos calientes, debemos tener en cuenta ciertas leyes y principios físicos: La energía total contenida por un cuerpo caliente corresponde a la relación
1 = EABSORBIDA + EREFLEJADA + ETRANSMITIDA; entonces se puede decir que 1 = A + R + T. Al aplicar a aplicar la LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA que establece que la Energía Absorbida es igual a la Energía Radiada, EABS = ERAD; luego, A = E. La energía radiada (E) por el cuerpo caliente se mide respecto a la energía radiada por un cuerpo negro a la misma temperatura; que para cumplir esto los CAMBIOS DE TEMPERATURA (t) ocasionan CAMBIOS EN LA LONGITUD DE ONDA λ ( ) de la Energía Radiada por el cuerpo caliente. Eλ = 1 - Rλ - Tλ. Para realizar la medición de temperatura es necesario evaluar la radiación en el punto de mayor intensidad de emisión (Eλ), por lo cual debemos encontrar la longitud de onda ( λ) para ese punto; siendo la LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN´S la que establece la relación. Esta ley establece una relación entre la longitud de onda y la máxima cantidad de energía 3 emitida ante pequeños cambios de temperatura. λmax (2.89x10 µm °K) / t
JUSTIFICACION ALGEBRAICA DE LA MEDICION POR INFRARROJOS. Una vez obtenida la Longitud de Onda de máxima emisión (λmax), podemos encontrar la energía radiada (W) relacionando la Emisión (E) y la temperatura presente en la superficie de análisis; siendo la LEY DE PLANCK´S la que establece la relación directa. C2 / λ t
5
-1
W E * [λ(C* =(E3.74x10- -161)]W m2) corresponde a la primera constante de Planck´s y = Clos*términos Donde λ
λ
1
1
(C2 = 0.014388 m °K) corresponde a la segunda constante de Planck´s. Con la emisión de energía radiada por el cuerpo caliente, podemos establecer una relación con la energía radiada por un cuerpo negro a la misma temperatura; esto mediante la LEY DE W = Eo * t4 STEPHAN BOLTZMANN. Donde (Eo) corresponde a la emisión de energía del cuerpo negro que estamos tomando de referencia, cuyo valor es muy cercano a 1. Ahora podemos resumir en una sola ecuación los cambios de energía radiada como la longitud de onda (∆λ)ante un cambio de temperatura (∆t):
λ * ∆t = C * (λ + ∆λ)-5x10 1
(C2 / λt)
TERMOMETRIA Podemos definir TERMOMETRIA como: “PROCEDIMIENTO CON EL CUAL PÒDEMOS DICERNIR UN VALOR DE TEMPERATURA PRESENTE EN UN CUERPO”. Luego podemos realizar termometría de muchas maneras, mediante el empleo de termómetros infrarrojos portátiles ó con equipos de termografía.
TERMOMETROS PORTATILES PARA INSPECCION Los termómetros portátiles son las herramientas mas usuales en los programas de mantenimiento predictivo, dado que permiten monitorear las temperaturas en motores, chumaceras, bombas, compresores, tuberías y el sistema eléctrico; siendo estas las aplicaciones mas usuales, donde las distancias de medición no superan los 5 metros y las temperaturas no son superiores a 500 °C. Los sistemas de enfoque para estos dispositivos pueden ser LASER (un haz luminosos que indica el centro del área medida), LASER + HAZ CIRCULAR (que permite establecer de forma directa el área de medición), VISUAL (donde medinate la óptica vemos de forma directa el área medida).
TERMOMETROS PORTATILES PARA INSPECCION Existe otra gama de aplicaciones dentro de los programas de mantenimiento predictivo y son aquellas cuya distancia de medición se incrementa, como en lo puede ser monitorear temperaturas sistemas eléctricos como estructuras de media tensión y subestaciones de patio; en estas aplicaciones las distancias de medición son superiores a 10 metros, por lo cual los equipos pueden medir temperaturas hasta de 50 metros con áreas de superficie relativamente adecuadas. Aplicaciones generales, con rangos desde -50 .... +1000 °C. Aplicaciones en mantenimiento, Producción, Control calidad e Investigación.
TERMOMETROS PORTATILES PARA INSPECCION Existen algunas aplicaciones aún mas especificas ó para equipos para uso en industrias especificas, como lo pueden ser medir temperaturas en líneas de transmisión de energía; para estas aplicaciones las distancias de medición son superiores a los 40 metros y con cuerpo de medición pequeños como los conectores ó otros dispositivos. Para solventar dichas aplicaciones se requieren de termómetros infrarrojos con sistemas ópticos potentesy que permitan solventar la aplicación con temperaturas de medición entre 0 ... +400 oC.
TERMOMETROS FIJOS PARA CONTROL
950 °C
Acero 950 °C
Paredes 1100 °C Aíre 1150 °C
En muchos procesos industriales las condiciones de trabajo pueden ser especiales debido a una alta temperatura ambiente, contaminación del aíre, productos a medir de tipo abrasivos ó corrosivos, elementos sólidos y otras condiciones que no permiten la instalación de un elemento de contacto ya sea por restricción física directa, por deterioro inmediato ó progresivo del sensor ó por baja exactitud en la medida ó perdida de calibración del instrumento. Estos instrumentos permiten medir y corregir temperaturas de forma inmediata en el proceso debido a que poseen altas velocidades de respuesta como son de 3 mSeg.
TERMOMETROS FIJOS PARA CONTROL
Secador para Cereal
Cereal Seco
Con las condiciones especiales antes mencionadas y representadas en esta imagen, vemos que los sensores fijos deben adaptarse a las condiciones de proceso; por lo cual se encuentran formas constructivas como pueden ser: Compactos y de Fibra Óptica.
Los compactos poseen la electrónica integrada y los de fibra óptica través de una guía de luz llevan la radiación infrarroja hasta electrónica que se encuentra remota. Para ambas construcciones existen accesorios como sistemas de refrigeración de la electrónica para temperaturas ambientes elevadas y purgas de aíre para ambientes contaminados.
TERMOMETROS FIJOS PARA CONTROL Termómetro Infrarrojo Fijo De Construcción Compacta Con Accesorio de Purga de Aíre y Chaqueta de Refrigeración.
Termómetro Infrarrojo Fijo Con Amplificador Remoto y Fibra Óptica.
TERMOMETROS FIJOS PARA CONTROL También existen otras aplicaciones donde las condiciones de proceso son exigentes por ambientes hostiles ya sea por la alta temperatura 600...1460 °C y la polución del ambiente.
Las con de los procesos termómetros con aplicaciones uso para control son fijos muy diversas, donde las temperaturas pueden ser bajas -20....+ °C; como tambien las condiciones de proceso sean livianas y exigencias externas del sensor mínimas.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO Los sistemas de SCANEO TERMICO nos permiten monitorear cuerpos en DOS (2) DIMENSIONES como lo pueden ser superficies planas (Láminas de Vidrio, Películas de Plástico ó Textiles, Paredes de Hornos ó Refractarios) generando un análisis térmico sobre toda la superficie para tomar acciones de control mas acertadas. Para realizar el scaneo existen dos formas: PUNTUAL que fue la primera existente desde la década de los 40´s y de las mas empleadas en muchas aplicaciones. La segunda forma es por ZONAS con velocidades de muestro mas altas y mejor resolución. En ambos casos partimos una medición sobre un área definida y con unde recorrido establecido, de tal manera que se pueda establecer un perfil térmico de la superficie analizada.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO En la forma PUNTUAL se realizan varias mediciones sobre la superficie y en el recorrido establecido, todas con un área (spot) definido de acuerdo a las exigencias de la aplicación. En cada medición capturacon la radiación emitida y puntual luego seseprocede un elemento móvil a ubicar el punto de la siguiente captura; generalmente, este movimiento es creado por un motor en sincronismo con la velocidad de transporte de la superficie evaluada. El elemento encargado de capturar la radiación son espejos rotantes que la direccionan directamente sobre el elemento detector y de manera sucesiva se capturan los siguientes puntos de medición. Para estas aplicaciones es necesario establecer un rango en grados a definir, que generalmente son 90° ó 120°.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO En la forma PUNTUAL es importante establecer la sección mínima de medición, la cual determinara la resolución de medida y esta a su vez establece la distancia de ubicación del escáner. Estos sistemas generalmente van asociados con software que permiten establecer la relación de temperatura de cada franja de medición y con la ubicación del punto medido en la superficie analizada. En el ejemplo vemos que es posible determinar si sobre alguno de los costados se concentra mayor temperatura que sobre el otro extremo ó si en la parte central la temperatura disminuye. En general es muy buena herramienta para determinar acciones correctas de control.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO Esta forma PUNTUAL permite un análisis completo muy útil no solo desde el punto de vista técnico; sino, también desde el punto vista de producción ya que genera información importante de la calidad del proceso y el efecto del mismo en el producto terminado.
Los software asociados en la forma PUNTUAL son versátiles en el manejo de la información, generando escalas de colores respecto a la escala de temperaturas, permiten obtener temperaturas puntuales ó promedios, generar reporte ó incluso establecer acciones de control directas.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO
Dentro de las estructuras de análisis permiten comparaciones entre estados actuales instantáneos de operación y estados predeterminados como referencia de normalidad. De forma adicional y bajo condiciones de programación especiales, esta información en dos dimensiones se puede convertir imágenes del tipo tres (3) dimensiones para(2)hacer proyecciones calculadas delen comportamiento térmico contenido en el volumen encerrado por la superficie analizada, obteniendose información como por ejemplo del desgaste de refractarios ó adherencia y concentraciones de material al interior de algún horno.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO
Para los sistemas de escáner en forma de ZONAS no solamente interesa la totalidad de la superficie sino zonas especificas que son cruciales para obtener un buen proceso, por lo cual es posible analizar uno, dos, tres ó cuatro ó “n” sectores de la superficie de manera instantánea. Este tipo de análisis lo especifica el proceso con el requerimiento de resolución deseada, como también con el número de zonas especificas y que tipo de información requerida como lo puede ser temperaturas puntuales, promedios, deltas, perfiles y otros tipos de diagnósticos eficaces a ser asociados con las estrategias de control a implementar.
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO
SISTEMAS DE SCANEO TERMICO
Scanere nKilns Zoom deScaneo
AdherenciaenRefractarios HistóricoAdherencia
ANALISIS TERMICO MEDIANTE EL EMPLEO DE IMÁGENES “TERMOGRAFIA”
EQUIPOS DE TERMOGRAFIA
QUE ES UN ANALISIS TERMICO Es el seguimiento y monitoreo de temperaturas ò estados térmicos presentes en un conjunto de elementos que conforman una imagen del sistema para el evento ò proceso productivo evaluado. Para realizar el análisis es necesario establecer de forma periódica una secuencia de mediciones que van de acuerdo al tipo de proceso, donde la termografìa aplica casi para todo proceso productivo; es necesario crear parámetros de comportamiento mediante el estudio de los muestreos, así se puede establecer la evolución y desarrollo de cada eventos, para a partir de ello diagnosticar la anomalía y poder tomar medidas correctivas dentro de un trabajo programado.
QUE ES UNA IMAGEN TERMICA Apoyados en una tecnología mixta que integra una combinación entre los sistemas de vídeo y los termómetros óptico por radiación infrarroja, permite la capturar de las emisiones naturales de radiación emitidas por los cuerpos calientes en cada uno de sus puntos de la superficie y así poder reproducir una imagen del cuerpo analizado con diferenciación de colores y así permitir la distribución de energía térmica. Este tipo de sistemas poseen la gran ventaja de inspeccionar procesos ó equipos en plena operación sin detener la producción ni ocasionar perdidas de tiempo, debido a su no contacto y gran cobertura de superficies evaluadas.
QUE ES TERMOGRAFIA Termografía proviene del Latín TERMO de Temperatura y GRAFOS de Foto, resumiendose como Foto Térmica; por lo cual podemos decir que TERMOGRAFIA es el método para la captura de una foto térmica. Este método de inspección es de no contacto y no destructivo, generalmente empleado para el diagnostico de sistemas ò procesos productivos; con él podemos obtener la distribución térmica sobre todos los componentes sistema y determinar la temperatura presente en cada punto de la superficie en forma instantánea y representada como una foto. De forma adicional la inspección se basa en el hecho que todos los componentes del sistema presentan una diferencia de temperatura entre ellos y a su vez un incremento en la misma ante un mal funcionamiento.
TEORIA DE LA TOMA DE IMAGEN TERMICA Debemos entender que para poder lograr esta toma de imagen, tenemos que apoyarnos en los conocimientos básicos de la teoría infrarroja de la física óptica. Por lo cual, la cámara de termografía captura la energía electromagnética radiada por los cuerpos calientes y establecerá una relación con la temperatura de los mismo; la única diferencia para este caso es que la cámara de termografía posee varios elementos de detección para capturar la radiación dentro de la cámara, realizando las mediciones de forma sectorizada sobre la superficie analizar y medinate el sistema óptico apoder establecer una relación de temperaturas contra posición y así generar una imagen ó foto.
TEORIA DE LA TOMA DE IMAGEN TERMICA Esta foto ó imagen se genera en forma de coordenadas dentro de un plano X-Y, donde cuerpos tridimensionales pueden ser analizados en un plano y de esta manera identificar de forma efectiva la temperatura perteneciente a cada punto referido. Como las temperaturas presentes en todos los puntos que conforman la imagen a analizar son diferentes, ocasionan diferentes niveles de radiación infrarroja ocasionado por el calentamiento diferente de cada área ó punto de la superficie; como también por ser tan amplias las muchas aplicaciones industriales que existen, es necesario que los equipos de toma de imagen puedan cubrir un amplio rango del espectro electromagnético, y así proporcionar un amplio cubrimiento de temperaturas y de longitudes de onda en los infrarrojos otorgandoles en nombre de SENSOR DE AMPLIA BANDA DE ONDA.
TEORIA DE LA TOMA DE IMAGEN TERMICA Los equipos de toma de imagen térmica al estar compuesto por detectores infrarrojos se encuentra entre 0,1 y 14 µm, existiendo una diferencia para los detectores que deben ser sensibles a la mayor emisión de FOTONES para las temperaturas de las aplicaciones evaluadas; cumpliendose esto en dos rangos especificados y que son entre 3,8 y 5,2 µm para amplias y bajas temperaturas y con especial énfasis en aplicaciones de producción y de 8 a 14 mm para aplicaciones de mantenimiento predictivo. Siguiendo dentro de las características de medición por radiación, el equipo de toma de imagen debe poseer control sobre los valores de emisividad de cada punto y así informarle al equipo cual es el nivel de radiación del material observado.
10 KHz
20 µm
1 MHz
100 MHz
100 µ m 0.1 µ m
0.7 µm
0.4 µm
TEORIA DE LA TOMA DE IMAGEN TERMICA Los equipos de toma de imagen térmica, al momento de realizar la termografía, debe poseer la capacidad de involucrar otros parámetros que intervienen y los cuales son de referencia en la medición. Estos parámetros adicionales son factores como distancia hasta el cuerpo a medir, para relacionar el campo focal (área mínima de medición) y el efecto que pueda tener la absorción atmosférica; en algunos equipos este parámetro de absorción atmosférica lo integran con la humedad relativa del ambiente lo cual exige un higrómetro. De forma adicional estos equipos son para uso en cualquier ambiente, traen incorporados filtros de polarización solar y luminosa para evitar ó ignorar efectos adversos de estos sobre la medida.
HISTORIA DE LOS EQUIPOS DE TERMOGRAFIA En 1960 aparecen las primeras cámaras de toma de imagen térmica, siendo equipos muy robustos y no empleado en aplicaciones industriales. • Operación en sistemas de escaneo de unbasado solo detector. • Tiempo de captura de imagen de 10 minutos para realizar cada escaneo. • Tamaño constructivo grande y con un peso de 85 libras. • Poseían sistemas de refrigeración con Nitrógeno líquido. • Uso en aplicaciones limitadas. • Imagen a blanco y negro. • No permitía medir temperatura solo mostraba puntos calientes. • No permitía realizar análisis
CAPTURA DE IMAGEN MEDIANTE SCANEO Este tipo de equipos operan igual que los sistemas de escaneo pero capturando la radiación en las dos direcciones (horizontal y vertical), con un solo elemento detector pero integrando las mediciones para conformar la imagen. El tiempo de respuesta es bajo por su misma forma de operación, ya que tiene que realizar muchas mediciones para integrar la imagen; por lo general superan el segundo. El direccionamiento en los dos sentidos lo crean varios juegos de espejos móviles ó rotantes movidos por servomotores y con ángulos de inclinación específicos. Generalmente´poseen un alto peso y un sistema de refrigeración por gas comprimido y la resolución de imagen es baja.
IMAGEN CON UN SISTEMA DE SCANEO
Imagen de un transformador en su cuerpo y conexiones.
HISTORIA DE LOS EQUIPOS DE TERMOGRAFIA • • • • • • • • • •
En 1973 las cámaras de toma de imagen térmica empiezan a emplear elementos electrónicos. Siguen operando con sistemas de escaneo de un solo detector. Capturaban en 0.5 minutos cada escaneo. Construcción robusta y con un peso de 30 libras. Operan con baterías. Sistema de refrigeración con Nitrógeno líquido ó otro gas. Se amplia el rango de aplicaciones. Imagen a blanco y negro. No permitía medir temperatura solo mostraba puntos calientes No permitía realizar análisis
HISTORIA DE LOS EQUIPOS DE TERMOGRAFIA •
• • • • • • • • •
En 1978 las cámaras son optimizados sus elementos electrónicos. Siguen operando con sistemas de escaneo de un solo detector. Capturaban en 1 segundo cada escaneo. Con un peso de 14 libras. Operan con baterías recargables. Sistema de refrigeración con gas comprimido. Uso en todas aplicaciones industriales. Imagen a blanco y negro. Permite medir temperaturas No permitía realizar análisis en PC
HISTORIA DE LOS EQUIPOS DE TERMOGRAFIA • • • • • • • • • •
En 1986 son equipos completamente electrónicos en el sistema de imagen y mecánico en la parte de refrigeración. Sistemas de escaneo de un solo detector. Realizaban 5 escenas en un segundo Peso de 10 libras. Operan con baterías recargables. Sistemas mejorados de refrigeración con gas comprimido. Uso en todas aplicaciones industriales. Imagen a blanco / negro y aparece el color. Permite medir temperaturas y realizar análisis en campo Permitía el análisis en PC y generar reportes.
HISTORIA DE LOS EQUIPOS DE TERMOGRAFIA • En 1990 aparecen los sistemas de escaneo de varios detectores (12 ó mas) para medir la temperatura y el empleo de espejos rotantes para lograr mayor resolución de imagen y medida (pixeles más pequeños) • Capturan 25 escenas en un segundo (imagen en vivo) • Peso de 7 libras y operan con baterías recargables. • Sistemas de refrigeración Termo-eléctricos, mediante el empleo de microprocesadores. • Uso en todas aplicaciones industriales, medicinales y estructurales. • Imagen a color y almacenamiento de imagen en vídeo temperaturas y disquetes. puntuales, cambio de • Mide coloraciones, perfiles, desplazamiento cursor en campo. • Permite análisis y generación reportes en PC
TOMA DE IMAGEN CON ESPEJOS ROTANTES Este es otro sistema de captura de imagen térmica por escaneo, donde existen varios detectores como 12, 24 ó 48 y mediante un sistema de espejos rotantes direcciona a cada detector yseasí configurarla elimagen plano X-Y. En este diagrama podemos observar de manera simple la configuración de este tipo de toma de imagen. • La radiación infrarroja emitida por el cuerpo caliente es captada en la ventana del equipo, pasando a través de ella y llegando hasta los (8, 16 ó 32) espejos rotantes. • La radiación es reflejada por los espejos y dirigida hacia los detectores, pero primero pasa a través de dos filtros polarizadores y antireflejantes.
Mirilla Ventana ó Lente
Espejos Rotantes Lente Polarizador
Unidad Procesador de señal
Detector
Controles
Salida de Video
TOMA DE IMAGEN CON ESPEJOS ROTANTES Cuando la radiación llega a los elementos detectores (12, 24, 48), es recopilada e integrada mediante un sistema graficador que capturaba la relación imagen. espejos y detectores y creaba la Para efectos de un mejor enfoque, los espejos rotantes son desplazados por un servomotor que es operado (variada la velocidad) desde los controles de operación manual. El juego total de las caras de los espejos están dirigidos a diferentes ángulos, por lo tanto un punto de la escena es examinada crea un número de bandas horizontales iguales al número de espejos empleados para direccionar la imagen.
TOMA DE IMAGEN CON ESPEJOS ROTANTES 1 2 3 170 Entonces para cada revolución completa de los espejos, se reproduce un número de puntos ó franjas escaneadas correspondiente al número de detectores por el número de espejos; veamos el ejemplo de 12 detectores y 8 espejos (12 detectores X 8 superficies de espejos). Así se puede lograr entonces 96 puntos ó Pixeles en sentido horizontal. Para completar la imagen se debe ahora configurar los puntos ó Pixeles verticales para completar la imagen a lo ancho, que para algunos casos es de 172 ó 256 franjas sucesivas por cada escena creada por cada cara de espejo. Mediante esto se ha logrado entonces crear una resolución de imagen de 96 x 172 Pixeles para el ejemplo anterior. Siendo uno de los equipos más comúnmente encontrado en el mercado.
1 O J E P S E
2 O J E P S E
3 O J E P S E
4 O J E P S E
5 O J E P S E
6 O J E P S E
7 O J E P S E
8 O J E P S E
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 32 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
TOMA DE IMAGEN CON ESPEJOS ROTANTES Una vez completado cada escena con la resolución especificada, el proceso se repite para lograr la siguiente escena y así sucesivamente completar unpoder número de escenas mayor hasta ó igual a 24 para crear una visión de imagen en vivo. Cada imagen es convertida en una señal del tipo digitalizada con resolución de 12 ó 16 bits, permitiendo a través del procesador evaluarla y retransmitirla al puerto serial para direccionarla hacia la unidad de memoria del equipo ó al PC; de forma adicional se produce una retransmisión análoga en forma de señal de TV ó dirigida a la mirilla de observación del termógrafo ó inspector.
HISTORIA DE LOS EQUIPOS DE TERMOGRAFIA •
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En 1996 hasta hoy son sistemas de escaneo de muchos detectores como (256x256) con cada escaneo lee la temperatura de cada pixel, denominados FPA (arreglo focal plano) y realizan 25 ó 27 escenas en un segundo (imagen en vivo); poseen ajuste automático del rango de temperatura de acuerdo a la escena que se estudia. Peso entre 2 y 4 libras son muy Livianas y portátiles que operan con baterías recargables con sistemas de refrigeración a gas (bolometrica) ó Termo-eléctricos con microprocesadores. Uso en todo tipo de aplicaciones. Imagen a color con resolución de 256 coloraciones y almacenamiento de imagen en vídeo, disquetes ó tarjetas PCMCIA. Permite análisis en campo ó en el PC con temperaturas puntuales, coloraciones, perfiles, desplazamiento cursor.
CAPTURA DE IMAGEN CON TECNOLOGIA FPA Para cada pixeles de resolución le corresponde un detector que realiza la medición y conforma la imagen, por lo cual se poseen detectores ubicados de manera horizontal y vertical. Se pierde resolución en la medición de temperatura por la cantidad de detectores que se instalan, pero se gana resolución de imagen que es casi a la real observada. Para aquellos que poseen sistema de refrigeración a gas, la vida útil del sistema es limitada por que un sistema de refrigeración bolométrico exige mantenimiento que es muy costoso; pero si posee un sistema de refrigeración tipo microprocesador con la salvedad que estos son muy especiales con gran capacidad de disipación que soportan.
Ventana
Mirilla Procesador
Radiación Infrarroja
Detectores 256x256
Controles
Vídeo PC
CAPTURA DE IMAGEN CON TECNOLOGIA FPA La gran cantidad de detectores que posee estos equipos de termografía le otorgan una gran resolución de imagen como lo podemos ver en las fotos expuestas abajo, siendo esto una gran ayuda para el correcto análisis y diagnostico en aplicaciones donde las diferencias de temperatura ó componentes muy cercanos puedan incidir en la decisión de correctivo
EQUIPOS DE TERMOGRAFIA
PROCESAMIENTO DE LA IMAGEN TERMICA Los equipos de toma de imagen térmica deben permitir un completo análisis de la imagen y por ende salida video (PALposeen ó NTSC) paradelvertipo en un monitor ó almacenar en un vídeo cassette; salida serial para dar un manejo digital a dichas imágenes en un computador ó en una red LAN en donde se puede analizar y generar reportes con especial manejo de la imagen y la información contenida en ella. Tarjeta Entradas Salidas de Control
A C I M R E T N E G A M I E D S E T R O P E R
FUNCIONES DE ANALISIS Y DIAGNOSTICO
- Rango De Temperatura Amplio que pueda cubrir la mayor cantidad de aplicaciones (-20 .... +600 °C). - Modo De Medición de temperaturas en forma Puntual, Diferencial (deltas), Máximos, Mínimos. - Establecimiento de perfiles a recorridos ó trayectorias. - Realización de histogramas ó análisis porcentual de participación de temperaturas sobre algunas áreas. - Manejo amplio de las paletas de colores (8 colores e invertirlos y con 64 coloraciones por cada color. - Ajuste de enfoque, zoom, congelamiento y grabación análisis. de imagen para mejorar el detalle de - Ajuste De Emisividad entre 0.01 y 1.00.
BENEFICIOS DE LA TERMOGRAFIA • • •
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PROLONAR LA VIDA UTIL DE LOS EQUIPOS Y SUS COMPONENTES Ó UTILIZARLOS PARA LOS PERIODOS DE TIEMPO DISEÑADOS. REDUCIR LOS TIEMPOS DE PARADA EN LA PRODUCCION OCASIONADAS POR FALLOS INESPERADOS. LA PRODUCCION PUEDE SER INCREMENTADA, DEBIDO A LA REDUCIÓN DE LOS TIEMPOS DE PARADA, REFLEJANDO UNA MAYOR CONFIABILIDAD Y PRODUCTIVIDAD DEL PROCESO EN EL MISMO PERIODO DE TIEMPO. LOS TIEMPO DE PARADA POR REPARACIONES SE VUELVEN MAS FAVORABLES, POR QUE SOLO SE INTERVIENEN LOS EQUIPOS QUE PRESENTAN ANORMALIDAD EN SU OPERACIÓN. LA CALIDAD DEL TRABAJO DE REPARACION PUEDE SER INSPECCIONADO PARA DETERMINAR SI LLEGO A BUEN TERMINO. LAS PERDIDAS DE ENERGIA DISIPADA EN FORMA DE CALOR PUEDEN MEJORASSER ENREDUCIDAS. COMBUSTIONES Y REDUCCION DE COSTOS DE COMPRAS DE COMBUSTIBLES. REDUCCION EN LAS FUGAS DE MATERIALES DE PROCESO.
APLICACIONES POTENCIALES DE UN ANALISIS DE IMAGEN TERMICA. INSPECCION EQUIPOS ELECTRICOS: ‘ Sistemas eléctricos en general. ‘ Transformadores de Corriente, de potencial, de distribución y transmisión. ‘ Fusibles, Aisladores, Interruptores, Seccionadores. ‘ Conexiones, Cables, Empalmes, Barrajes. ‘ Generadores, Motores, Condensadores. INSPECCION EQUIPOS MECANICOS: ‘ Rodamientos, Chumaceras. Reductores. ‘ Engranajes, Acoples, Sist. De Lubricación. ‘ Compresores, Bombas, Ventiladores INSPECCION EQUIPOS DE CALEFACCION Y/O FRIO: ‘ Tuberías, Válvulas y Trampas para Vapor. ‘ Calderas, Reactores, Hornos, Enfriadores. ‘ Intercambiadores, Torres Enfriamiento. INSPECCION AISLAMIENTOS TERMICOS: ‘ Refractarios, Aislamientos Cerámicos. ‘ Fugas de Gases y/ó Producto.
APLICACIONES DE IMAGENES TERMICAS EN MANTENIMIENTO PREDICTIVO En todas las industrias las paradas de planta son ó deben ser programadas, con el fin de reducir costos y afectar lo menos posible a la producción. Los esquemas de mantenimiento predictivo han sido integrados, para identificar esos problemas potenciales y reducir el tiempo de parada inesperadas. La termografía en el mantenimiento ayuda por su método de no contacto permite la detección de incrementos de temperatura que ocurren ante un mal funcionamiento. Las rutinas de inspección en funcionamiento sin detener la producción pueden traer innumerables beneficios en producción y costos.
COMO SE REALIZA LA MEDICIÓN Y EVALUCIÓN DEL SISTEMA Cuando nos apoyamos en una técnica de diagnostico como es la TERMOGRAFÍA debemos tener ciertas consideraciones al momento de capturar la imagen y diagnosticar: •Calidad de Imagen adecuada que permita identificar los componentes del sistema; esto, se logra mediante un adecuado foco, contraste de colores y disminución de ruido. •Ajustar una escala métrica adecuada para el rango de temperatura presente. •Analizar las variaciones mostradas en la imagen y encontrar la causa que la producen. Con los puntos anteriores podemos agrupar la mayor cantidad de información del sistema para un diagnostico efectivo.
COMO SE REALIZA EL ANALISIS DEL SISTEMA Si el equipo diagnosticado presenta anormalidad alguna y la imagen ha sido capturada, podemos proceder el análisis en oficina mediante la ayuda del software de diagnostico que proporciona herramientas de manejo digital de imagen garantizando efectividad: •Con los filtros de video, es posible ignorar fenómenos ambientales. •Ajuste de la medición a través de una adecuada emisividad suministrada. •Manejo de escenas para diagnostico con perfiles ó histogramas. •Ajuste del contraste en colores para resaltar anormalidades con alguna severidad. •Determinación de valores de temperaturas puntuales y deltas respecto a otros dispositivos.
CRITERIO ASIGNACION ANORMALIDAD ESTADO DE OPERACION
SIGLA
SATISFACTORIO
S
0-5
Estado normal de operación sin comentario.
LIGERAMENTE SEVERO
L.S
6-15
Anormalidad suave, la cual es necesario monitorear para establecer su avance.
SEVERO
S
16-25
Anormalidad que indica una falla en progreso y la cual es necesario programar una inspección.
CRITICO
C
26-35
Anormalidad que indica falla presente y se debe realizar una jornada de correctivo programado.
PELIGROSO
P
40.....
Anormalidad que indica falla presente y se debe realizar un correctivo inmediato.
SIN ASIGNACION
ASNA
DELTA TEMP (ºC)
DEFINICION
Anormalidad no definida y es necesario consultar con el fabricante del equipo.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Las principales causas de disipación de energía en forma de calor en los circuitos eléctricos es el aumento de la resistencia ó un excesivo flujo de corriente, presentando anormalidad en ambos casos y generando un alto potencial de deterioro.
Aumento de la resistencia: Mal Contacto Entre Superficies, Falta de Apriete de las Conexiones, Sulfatación, Mala Planitud, Minima Area de Contacto, etc. Excesivo Flujo de Corriente: Sobre Carga de los Circuitos, Desbalance Entre Fases, Uso Dispositivos de Menor Capacidad, etc. Lo anterior se debe a la relación entre resistencia, corriente y potencia: Ley de Ohm P=I 2R, por lo cual hay que establecer los niveles permisibles de trabajo y evitar resultados peligrosos en los circuitos electricos; que pueden ser Ruptura del Aislamiento, Melting del Elemento, etc.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Para realizar una inspección termografica sobre un sistema eléctrico, es necesario que la carga presente en el circuito ó equipo en el momento que se realiza la inspección sea superior al 40% del valor nominal y este operando previamente durante un periodo de tiempo prudente, considerarse muestra representativa del comportamiento en para concordancia concomo la una los parámetros de norma NFPA 70B. NFPA 70B: Aplicación Conjunta de Técnicas de Mantenimiento para la Detección de Anomalias.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Las fallas en los circuitos eléctricos de alto riesgo como los dispositivos en media y alta tensión, pueden ser detectadas rápidamente y de manera segura. Recordando el hechounquemalante una mala conexión se presenta contacto que refleja un aumento de la resistencia del punto y disipa energía en forma de temperatura. Este método de inspección permite detectar y corregir únicamente los puntos críticos y no intervenir todos los componentes del circuito, reduciendo tiempos de parada. CONECTORES que se aflojan. SECCIONADORES cuerpos deformados FUSIBLES degradados por transitorios AISLADORES fracturados por esfuerzos INTERRUPTORES con mala tierra
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS FACILIDADES ELECTRICAS: Los análisis termográficos son herramientas muy eficientes en el monitoreo de subestaciones para la detección de anomalías en todos sus componentes como pórticos, barrajes, protecciones, grupos de medida y transformadores; evitando la perdida de gran cantidad de dinero por reparación y tiempos.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
Los niveles de carga presentes sobre el circuito se ven reflejados en la imagen térmica, por lo cual el grado de severidad debe ser evaluada frente a parámetros reales. Por ejemplo; en la imagen vemos los mismos puntos a diferentes horas y con diferente niveles de carga, evidenciando diferentes valores de temperatura. Ahora, nos asiste otra inquietud ¿Para Este Análisis Cómo Afecta el Viento en el Valor de Temperatura Medido?
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Al realizar una inspección en áreas abiertas con presencia de viento, debemos recordar que este actúa como un intercambiador de calor natural y disminuirá el valor de temperatura presente en la superficie, disminuyendo el nivel de severidad presente. En estos casos, existe un método aproximado que permite calcular la temperatura de la superficie en condiciones mas adversas y donde la anormalidad real será mas drástica.
dTcorrected = dTmeasured * WCF WCF = 0.7022*mph^(0.4442) ~
WCF = 0.7 * sqrt(mph)
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
Pórticos de llegada en M.T. 13.2 KV. Aumento de la Resistencia del Conductor por malformación del trenzado del mismo, ya sea a la entrada de una conexión como en la misma longitud del conductor. En las imágenes de decir la izquierda 2*R y conexión podemos según Ppor = Icada encontramos la energía disipada. Para la imagen superior encontramos una mayor corriente por uno de los filamentos.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
En la imagen podemos encontrar una concentración de temperatura puntual sobre el cabezal del porta fusible, indicando la presencia de un mal contacto entre superficies que aumenta la resistencia y por lo tanto la disipación de energía en forma de calor. Para este tipo de fenómenos, lo drástico es el deterioro gradual del material del fusible por causa de la temperatura y conlleva a una predisposición a ser actuado.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Para cualquier estudio en subestaciones de patio, es imprescindible evaluar las derivaciones hacia y desde los transformadores a los barrajes y protecciones, por ser los uno de los equipos vitales en el sistema eléctrico.
Derivaciones y Barrajes en Subestaciones de Patio para M.T.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
La imagen nos muestra un problema de aumento de resistencia, ocasionado por una perdida de conexión sobre uno de los bujes de salida del transformador; para lo cual es necesario programar una jornada de correctivo donde se desconecte el punto, se reorganice los alambres del cable, se vuelvan acomodar sobre el perno de apriete y se garantice un adecuado torque que los asegura.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
En la foto vemos un transformador monofásico, el cual presenta una anormalidad sobre uno de los bujes de entrada en M.T. ocasionado probablemente por un esfuerzo inapropiado sobre buje que venció el cerámico y aflojo el electrodo interno. Para este caso es posible tener acceso con vista directa hacia los equipos contenidos en el armario metálico ó celda. Ahora la pregunta que tan seguro puede ser esto en algunos casos?
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS En algunos casos por condiciones de seguridad del personal ó por el tipo de subestación instalada (capsulada) no es viable tener vista directa con los puntos de conexión ó de los dispositivos. En estos casos es mas complejo poder realizar la termografía, por que se debe abrir puertas con enclavamientos mecánicos que sacan de servicio el circuito y colocan en riesgo la seguridad del personal.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Para este tipo de aplicaciones es necesario apoyarnos en los departamentos de proyectos y seguridad industrial para la justificación interdisciplinaria y coordinación de actividades en la instalación de mirillas de inspección que permitan ejecutar la termografía de manera eficiente y segura. Ahora, si las celdas ya existen y se desea instalar las mirillas el fabricante de la misma declarara que las certificaciones que pide dicho gabinete se pierden y es necesario volver a certificarlos bajo los estándares de la norma NEMA ó IEC según sea su srcen. Estas certificaciones se basan en pruebas que protejan al personal y los equipos de riesgos eléctricos como electrocución, arco y explosión; las cuales están contenidas en las normas NFPA 70E: Electrical Safety in the Workplace covers the full range of electrical safety issues, from
work practices to maintenance, special equipment requirements, and installation. Que son base de la OSHA1926 Parte K.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS La solución son mirillas (Sightglass) que se instalan en la parte frontal de los cubículos y los cuales permiten ejecutar la realización de la termografía sin perder características de resistencia al impacto, arco eléctrico, impedir la intrusión de cuerpos externos.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Las mirillas pueden ser de 2”, 3”, 4” de diámetro; por lo general están hechas de cuarzo, plexiglás y policarbonatos, son de fácil instalación y cumplen con la IEEE C37.20.2 (especifica los lineamientos a seguir por equipos instalados en celdas ó armarios de uso eléctrico), UL 746 (resistencia a los impactos y resistencia al fuego), UL 50 (reconoce su uso para uso interior y exterior).
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS La solución de las mirillas ó Sigthglass puede comenzar desde el momento del diseño de los gabinetes para uso eléctrico, garantizando verdaderos procedimientos de seguridad industrial.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Siguiendo el análisis correspondiente del transformador, para esta imagen podemos encontrar una concentración de temperatura sobre el disipador, la cual puede ser ocasionada por acumulación de sedimentos sobre los tubos; por lo cual es necesario tomar una muestra de aceite para realizar el análisis respectivo y así proceder a programar el alcance del mantenimiento
En transformadores se sugiere el análisis de los siguientes puntos para un transformador: •Conexión de entrada y salida. •Cuerpo de los bujes de alta y baja. •Base de los bujes de alta y baja. •Cuerpo del transformador. •Disipadores.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Con el análisis completo del transformador, no solo se pueden evidenciar problemas de conexiones sino por el contrario algunas anormalidades mas criticas que van asociadas con la vida útil del transformador; como por ejemplo envejecimiento y/o deterioro del aceite relacionado con un proceso de oxidación por la presencia de oxigeno, humedad, calor y otros factores que permiten la formación de materiales solidificados (lodos) que se acumulan en los disipadores de calor y disminuyendo la resistencia mecánica del aislamiento sólido que asociado con la humedad eleva la temperatura interior. En estos casos se recomienda realizar un ANALISIS FISICO QUIMICO DEL ACEITE para evaluar rigidez dieléctrica (tensión a la cual el aceite se vuelve conductor), acidez (valora la oxidación y formación de compuestos), tensión interfacial (contaminación del aceite), contenido de humedad (afecta la celulosa del aislamiento), contenido de gases (formación gases por la presencia de humedad, efecto corona, temperatura y arqueo; entre los gases formados pueden estar metanos, alcanos, alquinos, los cuales son inflamables).
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS El registro de tendencias de comportamiento de los equipos evaluados, permite analizar situaciones particulares como la de esta imagen donde el transformador varia su temperatura de forma drástica a diferentes horas del día con cargas similares. El análisis lo que permitirá descifrar si son problemas asociados con humedad que ingresa al transformador (respira por algún empaque) ó simplemente el cambio de temperatura hace que la viscosidad del aceite cambie y presente la situación. En ambos casos es necesario realizar la prueba del aceite por que existe una anormalidad latente y en progreso.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Durante el análisis del transformador se pueden evidenciar fenómenos como el mostrado en la imagen y el cual es un fenómenos secundario ocasionado por la inducción de cada conductor en la superficie de la lámina; este fenómenos afecta la calidad del aislamiento del conductor y se corrige agrupando los conductores de las tres fases y aterrizando la lámina común.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS En la actualidad muchas subestaciones están construidas con aislamientos en SF6 y realizar inspecciones termográficas sobre ellas nos dejan la inquietud del procedimiento a seguir en la labor. Uno de los puntos más críticos son las fugas del gas SF6, el cual es dispendioso de detectar y estamos en la obligación de hacerlo por las reglamentaciones de la EPA y por nuestros hijos (medio ambiente). Estas fugas pueden ser detectadas con un equipo de termografía infrarroja especifico si la rata de fuga es superior a 1Kg. / Año.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS En
la
imagen
visualizamos
un
transformador monofásico, en una estructura de poste yinstalado el cual presenta una conexión defectuosa sobre una de las líneas de salida del secundario que no presenta un buen empalme a la red aérea que alimenta. Para corregir este fenómeno es necesario desernegizar el transformador y proceder a corregir el empalme ya se con grapas ó terminales de empalme del tipo ponchar usadas en estos casos.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
La inspección en transformadores secos, también es completamente viable y en la cual se pueden observar problemas de perdida de aislamiento entre espiras y de devanados fatigados. En la imagen observamos un transformador seco de 30 KVA @ 440 V AC., el cual denota una concentración de temperaturas sobre un sector de uno de sus devanados, ocasionado probablemente por problemas asociados con el aislameinto entre espiras.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
El interruptor mostrado presenta una concentración de masa térmica sobre el ingreso del barraje de la fase 3 sobre la cavidadestablecidas correspondiente, por un contacto deficiente entre las superficies para talocasionado efecto. Adicionalmente, el barraje que ingresa sobre la fase 2, ya presenta una anormalidad severa y la cual evoluciona de manera rápida.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
El interruptor mostrado, presenta una anormalidad ocasionada por malformación del conductor en la mala figuración del cable al ingreso del punto del conexión; es de recordar que este tipo de figuración se debe realizar de tal manera que los alambres internos del cable no se separen ó pierdan su trenzado.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Esta es una aplicación típica, donde encontramos sobre la fase “C” una concentración de temperatura ocasionada por problemas asociados con la calidad del ponchadoexistente, sobre la organizar Terminal; elpara solucionarlo, es necesario eliminar la terminal cable, volver a ponchar una terminal nueva, limpiar todas las conexiones y conectar con un apriete adecuado.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS En aplicaciones de media y baja tensión, el calentamiento excesivo de los componentes ocasiona un deterioro de su aislamiento que induce a la aparición de una falla y la generación de cortes inesperados en la alimentación de la energía eléctrica de los equipos productivos; mediante la termografía es posible evaluar esta degradación progresiva de la vida útil de los componentes y determinar la causa de la falla.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Mediante el empleo de la imagen térmica podemos determinar el calentamiento sostenido a lo largo de uno de los conductores y así evaluar los niveles de corriente que circulan por cada hilo del circuito establecer el nivel de desbalances de las cargas que se posee en el circuito trifásico, malos contactos y presencia de armónicos nocivos en la red.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Determinando conexiones defectuosas ó perdidas de aislamiento en los elementos de maniobra de las cargas eléctricas industriales, podemos prever fallas que atenten contra la integridad de los equipos, la seguridad de las instalaciones y los operarios . Un mal contacto eléctricas genera calentamiento y perdida de energía.
Datos nominales: Motor 100HP / 440VAC / (+/-115.2Amp). Si el mal contacto posee una R=0.06 según la Ley Jouls: 2 2 P = I *R = (115.2A) *0.06 = 0.8 KW Costo = (0.8KW/Hr)*18Hr*30D*$250 Costo = $108000.oo Mes
y
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Permite identificar el calentamiento ocasionado por malos contactos de sujeción de los dispositivos del sistema y su consecuente efectos secundarios como el deterioro de componentes por efectos externos a él y que al transcurrir el tiempo terminará por salir de servicio.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS
El componente analizado es un dispositivo muy usado en CCM´s como una bobina de arranque para algún motor, en este elemento realmente no se evidencia ningún problema asociado, la temperatura medida sobre las placas del núcleo es ocasionado por fenómeno magnético y es necesario considerarlo con un valor de emisividad igual 1.0 como si fuese un cuerpo negro.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Los grupos de condensadores son los dispositivos que reflejan de manera mas directa la presencia de problemas eléctricos de la red, como son los armónicos. Cuando existe la presencia de armónicos en un circuito y en el mismo hay un grupo de condensadores, probablemente estos serán los primeros en reflejar su presencia por la frecuencia resonante que generan sobre el circuito; este frecuencia resonante hace que la tensión (voltaje) para los armónicos participante y total que se presenta sobre cada condensador se aumenta afectando el asilamiento del mismo hasta el punto de hacerlo estallar .
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Los armónicos siempre estarán presentes en aquellos circuitos con cargas no lineales como variadores de velocidad, convertidores de AC / DC, UPS, sistemas de alumbrado con encendidos electrónicos ó reactancias Los estándares de la norma IEEE 519 establece los limites para la participación armónica en circuitos industriales y las recomendaciones para su control. THD máx.= =15% 5% THD U I máx. IEEE 446 representa la forma de onda aceptada para tensión y corriente.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Dentro de los equipos muy comúnmente analizados son los motores, ya que son la fuerza impulsora del proceso; a estos el proceso de inspección involucra rodamientos, ventilación, conexión en caja de terminales, la carcaza para obtener un calculo de la temperatura de los devanados y que es muy importante para establecer el grado de operación del aislamiento de las inductancias que involucra el motor. Para este caso vemos que el motor posee un devanado con pormayor temperatura, ocasionado un deterioro del aislamiento del mismo ante una falla anterior.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Los motores son la base del movimiento de cualquier proceso por lo cual debemos estimar consideraciones análisis específicos para ellos; se sugiere monitorear estos puntos: •Chumacera lado libre y lado carga. •Eje y acople a la carga mecánica. •Cuerpo del motor en su perímetro. •Caja de conexiones. Adicionalmente debemos recordar que existen motores de diferentes clases de aislamientos y estos nos definen los niveles de temperaturas permisivas para ellos.
INSPECCIONES EN INSTALACIONES ELECTRICAS Según los parámetros de la norma IEEE 117-2000 que sugiere los niveles de aislamiento para motores a ser utilizados en procesos industriales: Class A 105 ºC. / 221ºF Class E* 120 ºC / 248 ºF Class B 130 ºC / 266 ºF Class F 155 ºC / 311 ºF Class H 180 ºC / 356 ºF Class N 200 ºC / 392 ºF Basados en una temperatura ambiente de operación de 40 ºC (104 ºF) * Usados en Europa
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Los equipos mecánicos analizados son maquinarias rotativas que siempre tendrá contacto metal – metal lubricado, por lo cual ante un mal funcionamiento se incrementa la temperatura evidenciando una falla interna que puede ser: Fricción, Desaliniamiento, Mala Lubricación ó Rodamientos que no Giran. Estos sistemas en operación son imposible de inspeccionar, tan solo con las técnicas del predictivo se puede realizar y comparar resultados. La imagen que ven muestra una obstrucción del ducto de lubricación y esto ocasiona que un aloja calentamiento chumacera el rodamiento.de Los equipo analizados son: RODAMIENTOS, ENGRANAJES BANDAS, ACOPLES, BOMBAS.
la
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Un problema mecánico como lo es una desalineación en un acople trae consecuencias secundarias mecánicas y eléctricas; para las mecánicas, se crea un deterioro en los rodamientos elevando su temperatura, de forma adicional crea un efecto sobre la bomba que incrementa un deterioro de los internos de la misma. En las consecuencias eléctricas se crea una concentración de temperatura sobre uno de los devanados por la disminución del entre hierro del rotor y estator, afectando el aislamiento de ambos bobinas. Al analizar todos los componentes del sistema en movimiento, la falla puede ser localizada en el punto exacto mediante esta evaluación total de componentes.
b
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Las consecuencias mas funestan están en deterioro de equipos y paradas inesperadas de operación. Existen otras consecuencias económicas que analizamos en el siguiente ejemplo: El desalineamiento entre poleas genera un problema eléctrico, este se detecta en un aumento del 3% en la corriente del motor.
Motor 100HP – 440VAC – 115.2Amp. En condición de falla 118.7 Amp. Perdidas = 1.71*440V*3.5A= 2.63KW Costo = 2.63KW*18Hr*30D*$250 Costo = $355050.oo Mes
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Uno de los principales indicadores de mal funcionamiento en un equipo mecánico son las chumaceras que contienen los rodamientos y por ello con la inspección termográfica es posible determinar si la anomalía es propia del rodamiento, del equipo, de lubricación ó de un agente externo.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Esta imagen podemos catalogarla como una representación del estrés que sufren los materiales ante la tensión; para el caso particular vemos la polea que presenta diferentes temperaturas sobre su cuerpo debido a la fuerza de contacto de la correa sobre ella y en el área de conexión al eje el cual transmite el movimiento.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS En los equipos mecánicos se determinan problemas de manera directa y rápida mediante esta inspección visual. Estos problemas son ocasionados por falla en lubricación, problemas asociados al rodamiento, desalineamiento entre ejes ó desbalanceo de rotores ó temperaturas inducidas sobre el mismo sistema.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Los problemas de disipación térmica en chumaceras, generalmente son ocasionados por deficiencias en la lubricación como: ausencia de lubricante, lubricante inadecuado ya sea por densidad ó por temperaturas de operación superiores al punto de goteo ó un bajo nivel de flujo de lubricante; como también por desalineamiento entre ejes (es el caso de esta imagen).
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS La termografía también puede ser empleado en los protocolos de recibos de equipos ó trabajos, ya que determinar rápidamente la calidad del trabajo realizado en la reparación ó instalación y establecer condiciones iniciales de operación y determinar puntos de comparación para así modelar las tendencias de comportamiento.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS La aplicación más común es un desalineamiento entre el motor y la carga, aún cuando el acople (fusible mecánico) absorbe gran parte del problema la incidencia sobre conducido y conductor son altas; entonces veamos los efectos económicos que genera convivir con estos problemas. El desalineamiento entre ejes genera un problema eléctrico, este se detecta en un aumento del 10% en la corriente del motor.
Motor 100HP – 440VAC – 115.2Amp. En condición de falla 126.7 Amp. Perdidas = 1.71*440V*11.5A= 8.6 KW Costo = 8.6KW*18Hr*30D*$250 Costo = $1161000.oo Mes
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS La imagen nos muestra un conjunto motor molino, ubicados abajo – arriba respectivamente; esta aplicación pertenece a una planta alimenticia donde el molino combina muele varios ingredientes. Según el perfil del termograma podemos ver un desalineamiento entre ejes que es absorbido en gran porción por el acople, pero aún así los ejes y rodamientos de ambos equipos sufren. En este tipo de aplicaciones lo recomendable es sugerir la realización de una alineación láser y la verificación los rodamientos los cuales delya estado debendeestar afectados.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS Aquí vemos el conjunto motor – ventilador para la cámara de enfriamiento de clinker en una industria de cemento. Si se evalúan los deltas de temperatura, encontramos una diferencia de 10 ºC. Entre las dos chumaceras, que se establecería como una anormalidad Ligeramente severa y la cual se sugiere verificar con vibraciones mecánicas para evaluar si el problema es por fenómenos de lubricación ó por alineación ó por problemas asociados con las pistas del rodamiento.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS La imagen muestra un conjunto motor – ventilador con dos chumaceras intermedias, en donde la chumacera lado se encuentra con un delta de motor temperatura de 25 ºC. Respecto a la segunda chumacera; adicionalmente, no evidenciamos cinturas sobre los ejes acoplados a la chumacera mencionada, por lo cual las evidencias indican que es un fenómeno asociado a la lubricación de la misma. Para estos casos es necesario recomendar verificar las características del lubricante utilizado, la rutina de lubricación y una inspección con vibraciones mecánicas.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS En la imágen podemos observar un motor – reductor que es acoplado por un sistema de cadena aun transportador. En el termograma podemos evidenciamos concentración de temperatura sobre el cuerpo del motor y el eje superior del reductor; lo cual nos indica que existe un problema de alineación y acople entre los dos ejes (motor – reductor) que están afectando los demás engranajes del sistema. En este caso se recomienda programa un monitoreo con vibraciones mecánicas para evaluar el estado de losdeengranajes internos y programar una jornada alineación.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS La imagen mostrada corresponde al cabezal de un compresor, en ella podemos evidenciar un delta de temperatura con mayor concentración térmica sobre el área del pistón; esto es normal debido a que cualquier fluido al ser comprimido varia su temperatura. La pregunta es cuan alta puede ser ese delta de temperatura, para que sea considerado como anormal; en estos casos es necesario referirse a los datos de diseño del fabricante quien ha estipulado las condiciones de operación del equipo y sus valores limites.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS En la imagen podemos ver una aplicación de un compresor de pistón, en la cual evidenciamos un delta de temperatura de 50 oC. El cual es elevado. Por su puesto es necesario comparar este valor contro los datos del fabricante para poder determinación de anormalidad real.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS El equipo analizado corresponde a un pasterizador de placas, el cual es utilizado para procesar clara de huevo; de acuerdo a la imagen, lo que podemos observar es una anormalidad entre las placas que conducen el calor y permiten una acumulación de calor entre ellas. Esto genera mas consumos de vapor, mayor tiempo de pasterizado y por ende menor eficiencia en el equipo.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS En la industria del papel, el control de la humedad es de gran importancia para la calidad esperada del producto; por lo tanto el elemento de secado para el papel es el rodillo mostrado en la imagen y en él podemos observar que no presenta un perfil térmico uniforme sobre su superficie y lo cual genera que el control de la humedad del papel no sea la adecuada.
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS
INSPECCIONES EN EQUIPOS MECANICOS INSPECCIONES USUALES: • Engranajes • Acoples •• Correas, Sistemas poleas de cadenas • Transportadores • Compresores de aíre ó gases • Bombas positivas y de vacío • Embragues • Reductores • Variadores mecánicos • Sistemas de lubricación • Elevadores • Válvulas corte y retención Ductos dedeTransporte por succión • Chumaceras
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Las estructuras refractarias mediante análisis termográficos se les puede prolongar la vida útil y evitar incidentes ó accidentes por un deterioro de las mismas ocasionado por el flujo de gases de combustión y de material en la parte interna de estas, creando un efecto de erosión y abrasión que debilita la estructura ó los componentes y perjudicando la estabilidad de esta. Como vemos en la imagen, se puede determinar exactamente cuales son los puntos debilitados y trabajar solo sobre ellos y evitar una reconstrucción total.. Equipos inspeccionados comúnmente: HORNOS CON ARCOS ELECTRICOS. HORNOS DE TRATAMIENTOS TERMICOS, HORNOS PARA EL VIDRIO, HORNOS RODANTES.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Se ubica el sitio exacto de la falla y se coordina la labor especifica con la programación del empleo de las herramientas y repuestos específicos sin derroche en estos rubros.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES La estructura mostrada corresponde a un ducto de conducción de gases a alta temperatura. En la imagen podemos ver que la estructura presenta concentración térmicas que fugan energía térmica hacia el exterior del refractario a través del punto de mayor estrés de la estructura y donde la anormalidad evoluciona rápidamente y se convierte en peligrosa.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Los aislamientos térmicos tienen como principal objetivo garantizar la eficiencia del sistema mediante la contención del calor ó el frío en el interior del recinto aislado, para este caso vemos que en la parte inferior derecha de la caldera, este aislamiento ha sido deteriorado si se presenta una acumulación de masa térmica que debilita la estructura del cuerpo de la caldera.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES En la imagen vemos el enfriador de clinker en una industria de cemento, en esta recamara el aíre es soplado para enfriar el clinker que hay en el interior. En la imagen térmica podemos evidenciar un transmisión de calor hacia la parte exterior del enfriador a través del aislamiento refractario de la estructura; es de aclarar, que en este punto hay confluencia de gases por la forma física de la estructura y es la mas propensa a presentar debilitamiento de refractarios.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Las imágenes corresponde a los ductos de gases de una caldera y en ella podemos observar con el flujo de estos gases ha ido debilitando el aislamiento térmico a tal manera que presenta una alta transferencia de energía térmica hacia el exterior por estos puntos disminuyendo la eficiencia de la caldera.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES • La pared de un horno ya sea estático ó continuo (túnel ó a rodillos) contiene la energía térmica interna; luego la temperatura sobre ella debe ser moderada para lograr un equilibrio térmico y económico y no disipar al ambiente energía que cuesta dinero. Ejemplo: la pared de un horno a rodillos. Analicemos un metro cuadrado. Con un delta de temperatura de 10 °C. KW = Área * T / 70 Perdidas = 1m2 * 10°C / 70 = 0.143 KWH Costo * Mes = Pesos / (m2 * 10°C) = Costo = 0.143KWH*100$/KWH*24Hr*30D Costo / Mes = $10296.oo Si el horno posee 100 m2 debilitados y 40°C como delta, entonces = $4´118.400.oo Nota: 1 m3 = 10.02 KWH
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Permite determinar las zonas de adherencia y de deterioro del aislamiento por fricción y desgaste térmico; como también las zonas de fuego y de mayor temperatura.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES En procesos que manejan flujos de productos sólidos a altas temperaturas se presentan adherencias y desgaste por fricción sobre las paredes de los Ductos de transporte, lo cual ocasiona concentraciones térmicas de debilitamiento y desgaste las cuales son necesarias reparar antes de que se vuelvan críticas para el proceso y el personal humano que labora.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Mediante la termografía se puede establecer el degradamiento de los metáles, dentro de los que podemos mencionar: oxidación, delaminación, porosidad y otros fenómenos que afectan la estabilidad de la estructura analizada.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Determinamos el comportamiento y la eficiencia de los quemadores empleados en el proceso y sus respectivas estructuras de soporte. Así evaluamos si la combustión realizada es adecuada ó por el contrario la mezcla no posee un adecuado balance; reflejandose en ahorros de costos y un adecuado proceso.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES Podemos ubicar concentraciones de humedad sobre techos y estructuras térmicas; las cuales ocasionan debilitamiento del aislamiento y perdidas de calor por disipación y fractura del material.
INSPECCION EN REFRACTARIOS Y LINEAS ESTRUCTURALES INSPECCIONES USUALES: • Refractarios de hornos continuos y a baches ó crisoles. • Hornos de tratamientos térmicos. • Hornos a Rodillos ó Continuos. • Hornos Ovens (para temperaturas bajasa hasta 500 °C), Furnace (para temperaturas medias hasta 900 °C) y Kiln (para altas temperaturas hasta 2500 °C) • Secadores • Calderas • Cucharones, vasijas • Tanques de almacenamiento de productos calientes • Ducterías de vapor ó Agua ó Otros productos.
APLICACIÓN EN ESTRUCTURAS
Concentración de esfuerzos en estructuras debilitamiento. metálicas determinan
que
Corrosión por oxidación de estructuras sometidas a cambios de temperatura como consecuencias del proceso.
APLICACIÓN EN ESTRUCTURAS La verificación de estructuras en edificaciones, podemos utilizar la termografía como una herramienta en el diagnostico de la fatiga que presentan estas por los esfuerzos a los cuales esta siendo sometida ó en su defecto para evaluar si la remodelaciones ó reparaciones realizadas han sido ejecutadas de manera adecuada sin afectar la integridad del edificio.
APLICACIÓN EN ESTRUCTURAS Cualquier edificación con condiciones climáticas severas ya sea con calor ó frío, esta debe lo suficientemente efectiva para garantizar un ambiente adecuado en su interior y esto lo logra mediante aislamiento térmicos propios. La termografía es la herramienta que le muestra de manera directa los sitios donde el frío ó calor se disipa hacia el medio externo.
APLICACIÓN EN ESTRUCTURAS Algunas aplicaciones especiales puede ser desarrolladas como la ubicación de fugas agua ó calor bajo tierra.
APLICACIÓN EN SILOS Y TANQUES La termografía es una herramienta poderosa para ubicar niveles en Silos, Tanques, Tolvas, Ductos y en general en cualquier almacenamiento de producto, si es adecuadamente utilizada podemos encontrar interfaces líquidos- gas ó espumas. Por que se hace esta evaluación si existen instrumentos que lo pueden hacer; precisamente para tener idea instantánea de su correcto funcionamiento. Como lo hace la termografía – simplemente se basa en la viscosidad del material, la cual varia de uno a otro (aíre – líquido) e involucra una mayor ó menor capacidad de acumulación de masa térmica en el volumen ocupado.
APLICACIÓN EN SILOS Y TANQUES Veremos algunas imágenes de niveles en tanques, silos y tolvas donde se puede encontrar el nivel total del silo, sino también se puede observar el Angulo de reposo del material en el momento del desocupado del silo.
APLICACIÓN EN SILOS Y TANQUES La imagen presentada es bastante interesante por que podemos encontrar tres diferentes materiales en el interior el tanque. Estos materiales son sedimentos en el fondo, líquido en el intermedio y una acumulación de gases en la parte superior del tanque. Imagen de gran ayuda, por que en algunos casos la instrumentación no nos permite determinar el nivel de sedimentos en el interior.
APLICACIÓN EN SILOS Y TANQUES
Este caso es similar al anterior, pero varia en los estados de materia presente en el interior: Líquido. Espuma. Gas. También una aplicación especial para la instrumentación por que ninguna tecnología le mostraría esta situación.
APLICACIONES EN LINEAS DE RECIRCULACION DE AGUA Ó LIQUIDOS REFRIGERANTES Permite establecer la calidad y eficiencia de los intercambiadores de calor y evitar accidentes por superficies cálidas y no demarcadas.
APLICACIONES EN LINEAS DE CONDUCCION DE VAPOR Puede ser unas de las mas difíciles de evaluar por la característica de los materiales que conforman el conjunto, pero una de las mas disientes en la cantidad de energía y dinero que se derrocha ante estas anomalías.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD La termografía es una herramienta amplia en el momento de analizar la calidad del producto elaborado, ya que otorga información de la totalidad del cuerpo. Veamos el ejemplo de esta botella, donde indica que existe en la parate lateral una concentración térmica inadecuada por problemas asociados con el molde.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En aplicaciones de moldeado de aluminio para la extrusión de cuerpo, donde se monitorea la temperatura del molde y del metal líquido, como también en las aplicaciones de inyección de plástico y soplado de plástico, de vidrio y metáles.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En aplicaciones de moldeado de metáles es importante garantizar una uniformidad de la temperatura del cuerpo manufacturado, ya que de ella depende el temple y dureza del metal ante los esfuerzos mecánicos que debe soportaren su uso diario.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En la industria de los alimentos, es necesario determinar si el proceso de cocido, freído u horneado se ha cumplido satisfactoriamente en la totalidad del cuerpo del alimento y así establecer los parámetros generalizados de producción a granel.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En aplicaciones de hornos continuos donde el material viaja a través de él, necesario establecer si realmente el material se calienta a las temperaturas especificadas ya que en muchas oportunidades las temperaturas de los gases de calentamiento no son suficientes para garantizar unas condiciones ideales de proceso.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD Para la industria textil en los túneles de teñido, consolidan el color sobre la fibra textiles mediante temperatura y es indispensable que esta sea uniforme sobre toda la superficie; adicionalmente se puede hacer una comparación en la industria del papel donde el secado es importante para garantizar una uniformidad del material.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En la industria del vidrio formado, es necesario que la temperatura de la gota de vidrio sea uniforme y evitar que este pueda salir congelado que ocasiona obstrucciones en el alimentador y defectos de calidad en el producto moldeado.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En la industria del vidrio, se emplean altas temperaturas para poder manipular este material; desde el formado hasta las aplicaciones del corte de los tubos para luminarias a una determinada longitud. En todas las aplicaciones i la temperatura del vidrio formado no presenta ciertas condiciones adecuadas generaría problemas de manufactura posteriores.
APLICACIONES EN CONTROL DE CALIDAD En la industria del vidrio laminado, ya sea para la manufactura de ventanas de autos ó de edificios; es necesario garantizar que las temperaturas sobre la superficies sean homogéneas y así permitir una adherencia de las diferentes capas de vidrio ubicada y las formas deseadas a obtener.
APLICACIONES EN LA ELECTRONICA En los circuitos electrónicos como los que constituyen los variadores de velocidad de motores, involucran una gran cantidad de pequeños componentes que soportan esfuerzos eléctricos en plan operación; si analizamos los diferentes componentes podemos determinar si alguno ó varios de ellos poseen alguna condición anormal.
APLICACIONES EN LA ELECTRONICA Si se tiene la imagen completa del funcionamiento del circuito electrónico analizado es posible establecer características de operación adecuadas y generar criterios estandarizados.
APLICACIONES EN LA AERONAUTICA Todos los componentes que constituyen las aeronaves pueden ser monitoreados a tarvés de la termografía, siendo una de las aplicaciones más comunes es evaluar el funcionamiento de las turbinas, que nos informa el como está la estructura, los flujos de aíre y los dispositivos internos de la misma.
APLICACIONES EN MEDICINA
APLICACIONES EN VETERINARIA En animales cuyo costo puede ser de gran magnitud, la termografía le permite determinar enfermedades de la piel ó de tejidos blandos como los ojos y otros órganos.
APLICACIONES EN VETERINARIA En caballos de competencia ó de paso fino, cuyo valor es incalculable; los problemas con las extremidades puede desvalorizar el animal. Con los métodos de termografía se puede determinar los problemas de tendones y desgarres musculares sobre las extremidades de los animales.
APLICACIONES EN MEDICINA Los niveles de inseguridad a nivel mundial, donde los gobiernos se preparan para evitar epidemias ó pandemias por virus fabricados y transportados por algunas personas, han obligado a ubicar cámaras de termografía en el ingreso de aeropuertos y las cuales tiene como único objetivo establecer el nivel de salubridad de los visitantes del país. Cuando las personas evidencian temperaturas superiores a 36.5 oC. Estas son separadas y aisladas en cuarentena hasat la realización de un examen médico.
APLICACIONES EN INCENDIOS
Detección del hogar del fuego ó las zonas con mas concentración de llamas
Ubicar en la estructura cual es la zona que primero colapsara por deterioro de la misma
Camino mas seguro de desplazamiento para los bomberos.
APLICACIONES EN BUSQUEDA Y RESCATE
Circulación de embarcaciones prohibidas ya sea por tamaño ó por sitios restringidos de seguridad. Búsqueda de barcos a la deriva en el mar con personas ocupandolos.
APLICACIONES EN FLUJOS VEHICULAR En algunos países denominados desarrollados, el monitoreo de las vías vehiculares es importante sin diferenciar la importancia de día ó de noche; por lo cual emplean equipos de termografía para determinar en horas de la noche un adecuado desarrollo del tráfico vehicular y así detectar posibles accidentes de forma inmediata y ser atendidos justo a tiempo.
APLICACIONES EN SEGURIDAD
Personas extraviadas en bosques ó praderas ya sea de día ó de noche.
Intrusos en edificaciones
ó
vigilancias de zonas urbanas con circulación prohibida
APLICACIONES EN SEGURIDAD Delincuencia Urbana en horas de la noche
EQUIPOS DE IMAGEN TERMICA Elementos Constitutivos 1. Lente 2. Botón Expulsión de Control Tarjeta 3. 4. Tarjeta de Memoria PCMCIA 5. Batería 6. Pantalla de 4” 7. Botones del Cursor 8. Botón de Entrar 9. Botón de Escape 10. Led de Encendido 11. Interruptor On / Off 12. Conector de Video 13. Conector Serial RS232 14. Protector Antipolvo
ESPECIFICACION DE UN SISTEMA DE TOMA DE IMAGEN TERMICA • • •
PORTATIL: Liviana, de fácil uso en campo, permita análisis en campo . RANGO TRABAJO: Escala de temperatura adecuada para las aplicaciones. OPERACION: sea de fácil operación durante la toma de imagen.
•
RESOLUCION: adecuadadiferencias resoluciónclaras de imagen y de elemento. medida de temperatura, que posea permitaunestablecer entre cada MANEJO DE IMAGEN: permita manejar, evaluar, verificar la totalidad del conjunto que forma la imagen, para así tener un primer dato de comportamiento; este manejo es en color, zoom y congelar. MANEJO INFORMACIÒN: tener la posibilidad de almacenar las imágenes en un medio magnético, de vídeo ó digital para un posterior análisis. FACILIDAD DE UBICACION IMAGEN: que el mismo instrumento se especifique en temperatura y distancia para el rango del cuadro evaluado, optimizando su uso y mejorando la precisión. PRECISIÒN: posea la mas alta dado que este permite mayor estabilidad en las soluciones. CAPACITACION: entrenamiento en cuanto a la operación del equipo. RESPALDO: garantías, calibraciones. renovaciones.
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SOFTWARE PARA ANALISIS DE UNA IMAGEN TERMICA Estos software son de desarrollo propio de cada fabricante, donde la forma de manejar la información la codifican y encriptan de acuerdo a la tecnología empleada; no todos los software de todas los fabricantes son compatibles. Existen muchos fabricante que establecen su propio software pero para la generación de reportes se apoyan en el Office de Microsoff, permitiendo que sean mas versátiles en compartir la información. Una característica que si debe poseer todo software es permitir compartir los datos de las temperaturas ya sea vía DDE ó SQL para que con otros software de mantenimiento se permita consolidar toda la información del predictivo; como sería asociarla con datos de vibraciones, corrientes, presiones y otros parámetros. Las señales de vídeo generadas por los equipos de termografía necesitan de una tarjeta de especial de ingreso al PC, que no necesariamente es una tarjeta genérica de vídeo; sino por el contrario es una tarjeta especial donde el fabricante involucra no solo imagen sino que también involucra datos de temperatura, Emisividad, coordenadas, absorción atmosférica, distancia y otros parámetros. El análisis de la imagen debe poseer una herramientas características y mínimas a involucrar de las cuales veremos algunas de ellas.
SOFTWARE PARA ANALISIS DE UNA IMAGEN TERMICA • TEMPERATURAS PUNTUALES: por lo menos permitir 10 mediciones sobre la imagen y ubicarlas de tal manera que pueda ser compartida por otro software. • TEMPERATURAS DE AREAS: por lo menos permitir la temperatura promedio de 10 áreas diferentes. • PERFILES ó RECORRIDOS: establecer por lo menos un perfil ó recorrido en la imagen. • HISTOGRAMAS: permitir por lo menos una temperatura porcentual participativa en un área de la imagen. •coloraciones ISOTERMICOS: permitirde resaltar temperaturas interés y con así diferencialas claramente. • GENERACION DE REPORTES: que permitan involucran la actividad a realizar.
PREGUNTAS
CUESTIONARIO 1. Defina los siguientes conceptos: a. Emisividad b. Longitud de Onda c. Transmitividad 2. Para la siguiente imagen termográfica presentada realice usted el diagnostico de lo que posiblemente sucede en el sistema que la involucra.
35 °C 84 °C 72 °C 65 °C
Gracias por su atención
