Termografía, aplicación en la prevención de fallas

La temperatura y el comportamiento térmico de la maquinaria son factores críticos en el mantenimiento industrial. La medición de temperatura sin contacto usando sensores infrarrojos ha llegado a ser una alternativa significativa frente a otro tipo de métodos convencionales. La termografía, que emplea imágenes térmicas infrarrojas, se utiliza como un método eficaz que se debe tomar en cuenta como parte del mantenimiento predictivo, además de tener diversos temas importantes que conviene investigar.

Por Alejandro Jáuregui

La termografía infrarroja es la ciencia de adquisición y análisis de la información térmica obtenida mediante dispositivos de captura de imágenes térmicas a distancia, llamadas técnicamente termogramas. La medición correcta de la temperatura es importante, ya que dicha variable es fundamental virtualmente para cualquier situación y en todos los procesos, lo que la convierte en un factor crítico que hay que tener bien vigilado.

Existen tres razones principales que hacen de la termografía infrarroja una herramienta de utilidad fundamental:

• Es sin contacto
• Es bidimensional
• Se realiza en tiempo real

Sin contacto indica que la medición puede ser a distancia, a diferencia de un termopar o un RTD. Dicha característica resulta útil para áreas donde la medición sería peligrosa o imposible de realizarse a pie de máquina. Bidimensional implica que no se mide la temperatura en un solo punto (lo cual sería monodimensional), sino que se presenta toda un área de dónde obtener mediciones a lo largo y ancho de la pantalla. La medición en tiempo real se logra, ya que las variaciones que ocurran en el objeto medido se reflejan de inmediato en la imagen termográfica.

Si se considera la importancia de la temperatura en los procesos productivos y la gran versatilidad y utilidad de la termografía en el análisis de dichos procesos, no sorprenderá la gran diversidad de aplicaciones establecidas en los últimos tiempos.

• Monitoreo de procesos (electricidad, edificación, hornos y calderas, mecanismos / fricción, tanques y depósitos, problemas de flujo de fluidos)
• Investigación y desarrollo
• Medicina y veterinaria
• Control de calidad y monitoreo de procesos

Historia
El astrónomo Sir Frederick William Herschel descubrió la existencia de la radiación infrarroja en 1800. Su curiosidad por la diferencia térmica entre los distintos colores de la luz le llevó a dirigir la luz solar a través de un prisma de cristal para crear un espectro y, a continuación, midió la temperatura de cada color.

Tras el experimento, descubrió que dichas temperaturas crecían en progresión desde la parte del violeta hacia la del rojo (ver fig. 5). Tras revelar este patrón, Herschel midió la temperatura del punto inmediato más allá de la porción roja del espectro, en una región sin luz solar visible. Para su sorpresa, halló que esa región era la que mostraba la temperatura más alta.

En un principio, la tecnología IR era utilizada para la guerra; más específicamente, en la Segunda Guerra Mundial. Alrededor de la década de 1930 se inició en Alemania la investigación para el desarrollo de un sistema de visión nocturna (Nachtsichtgeraten). Los primeros prototipos, fabricados por la empresa AEG, fueron probados en 1939 para uso en las unidades antitanque. Las cámaras se instalaban en tanques o llevadas en la espalda por algunos soldados; en ese entonces, la potencia de las cámaras era mínima.

Desde entonces, la tecnología termográfica ha evolucionado. Los dispositivos se han convertido en sistemas compactos con el aspecto de una cámara de video o de fotografía digital.

Son fáciles de usar y producen imágenes nítidas de alta resolución en tiempo real, opción a video y conexión wifi, lo que las convierte en una de las herramientas de diagnóstico más valiosas para el mantenimiento predictivo.

Termómetros de infrarrojos vs cámaras termográficas
En términos generales, los termómetros de infrarrojos (IR) son fiables y muy útiles para lecturas de temperatura en un único punto; sin embargo, al analizar componentes o zonas de mayor tamaño, es fácil que componentes esenciales que pueden fallar próximamente y necesiten ser reparados pasen desapercibidos.

Una cámara termográfica, por otro lado, puede analizar motores, componentes o paneles completos de una sola vez, por lo que detecta todos riesgos de recalentamiento, por pequeños que sean. Con un termómetro de IR puntual es común no detectar problemas críticos. Las cámaras termográficas, en contraste, escanean todos los componentes, para ofrecer información de diagnóstico instantánea del problema en su totalidad.

• Termómetro de IR: medición de temperatura en un punto
• Cámara termográfica (económica): temperatura en 3 mil 600 puntos

Mientras que con un termómetro de infrarrojos es posible medir la temperatura de un solo punto, las cámaras termográficas pueden medir temperaturas en toda la imagen. Incluso la cámara más básica en su tipo tiene una resolución de imagen de 60 x 60 pixeles, lo que equivale a usar 3 mil 600 termómetros de IR al mismo tiempo.

Mediante diversos experimentos, el astrónomo británico Frederick William Herschel logró medir las temperaturas de los colores que conforman el espectro solar

Ventajas y aplicaciones
Al detectar anomalías que suelen ser invisibles a simple vista, la termografía permite realizar correcciones antes de que se produzcan costosos fallos en el sistema. Las cámaras termográficas son una herramienta única que sirve para determinar cuándo y dónde se necesita mantenimiento, puesto que las instalaciones eléctricas y mecánicas suelen calentarse antes de fallar.

Al descubrir estos puntos calientes con una cámara termográfica se puede llevar a cabo una medida preventiva. De este modo, es posible evitar costosas averías o, aún peor, incendios.

Una cámara termográfica es un fiable instrumento de medición a distancia, capaz de analizar y visualizar la distribución de temperatura de superficies completas de equipamiento eléctrico y maquinaria con rapidez y precisión. Al realizar este tipo de inspección, hay muchos detalles que se deben considerar. Además de conocer cómo funciona la cámara termográfica y cómo tomar imágenes, es importante conocer la física de la instalación eléctrica o mecánica que se inspecciona y cómo se construye. Todo ello se debe tener en cuenta para comprender, interpretar y evaluar las termografías correctamente.

Con sólo poder prever qué componentes están a punto de averiarse, se puede precisar en qué momento adoptar las debidas medidas correctivas. Por desgracia, los peores problemas permanecen ocultos hasta que es demasiado tarde. Las cámaras termográficas son la herramienta perfecta para predecir fallos, ya que consiguen hacer visible lo invisible. En una termografía, los problemas saltan a la vista de inmediato, lo que combina los programas de mantenimiento predictivo con herramientas de diagnóstico de alta confiabilidad.

Tanto si se tienen que supervisar equipos de alta tensión, cuadros eléctricos de baja tensión, equipos de alta temperatura, motores, bombas, como buscar pérdidas de aislamiento, una cámara termográfica es justo la herramienta adecuada para verlo todo. Supervisar este tipo de equipos reduce la posibilidad de incendios que podrían suceder por un pequeño problema eléctrico: inspección de cables de alimentación de alta tensión, conexiones mal aseguradas, daños internos en fusibles, aislamientos dañados, oxidación, grietas en muros y tuberías, sobrecalentamiento, fugas de gas refrigerante y vapor, cojinetes y rodillos calientes, motores trabajando a temperaturas anormales, defectos de impermeabilización, focos de humedad, detección de sistemas de agua helada y caliente detrás de muros, techos o pisos; fallas en tarjetas electrónicas, pruebas de dispersión de calor, entre infinidad de aplicaciones.

Las cámaras termográficas para inspecciones de mantenimiento predictivo son potentes herramientas no invasivas para la supervisión y el diagnóstico del estado de componentes e instalaciones eléctricas y mecánicas. Con una cámara termográfica se pueden identificar problemas en fases tempranas, de forma que se pueden documentar y corregir antes de que se agraven y resulten más costosos de reparar.

Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló tecnología infrarroja para emplearla en vehículos antitanque

Funcionamiento y parámetros
Una cámara termográfica registra la intensidad de la radiación en la zona infrarroja del espectro electromagnético y la convierte en una imagen visible. El ojo humano está diseñado para detectar la radiación electromagnética en el espectro de luz visible; cualquier otro tipo de radiación electromagnética, como la infrarroja, es invisible para él.

Los encargados de obtener las mediciones de temperatura IR se llaman microbolómetros. La denominación bolómetro cubre una gran variedad de detectores de tipo térmico destinados no sólo a la medición de radiación electromagnética, sino de partículas subatómicas de alta energía. Son especialmente eficaces para mediciones en el rango espectral de entre 200 micrómetros y 1 milímetro de longitud de onda. En principio, un bolómetro está compuesto de un material que absorbe la radiación en estudio, montado en conjunto con un dispositivo disipador de calor (estabilizador térmico).

Los infrarrojos están a medio camino entre el espectro visible y las microondas del espectro electromagnético. La fuente principal de radiación de infrarrojos es el calor o la radiación térmica. Cualquier objeto con una temperatura superior al cero absoluto (-273.15 °C o 0 °K) emite radiación en la región infrarroja. Hasta los objetos más fríos que se puedan imaginar emiten rayos infrarrojos.

La termografía de infrarrojos transforma una imagen de infrarrojos en una imagen radiométrica (termograma), la cual permite leer los valores de temperatura. Por tanto, cada pixel de la imagen radiométrica es, de hecho, una medición de temperatura.

Para interpretar los termogramas correctamente, el operador necesita conocer los distintos materiales y circunstancias que influyen en las lecturas de temperatura de la cámara termográfica. Existen algunos factores de compensación importantes que influyen en las lecturas de temperatura:

• Conductividad térmica
• Emisividad
• Temperatura reflejada
• Temperatura ambiente
• Humedad relativa (%)
• Distancia

Conductividad térmica
Los distintos materiales tienen propiedades térmicas diferentes. Por ejemplo, el aislamiento se suele calentar lentamente, mientras que los metales se suelen calentar con rapidez. A esto se le denomina conductividad térmica. La diferencia en la conductividad térmica de dos materiales puede provocar importantes diferencias de temperatura en ciertas situaciones

Emisividad
Es la capacidad que tiene un cuerpo para emitir infrarrojos. Depende en gran medida de las propiedades de los materiales del cuerpo. Es muy importante establecer la emisividad correcta en la cámara, de lo contrario, las mediciones de temperatura no serán adecuadas. Un buen método para configurar correctamente la emisividad y la reflexión consiste en usar un trozo de cinta con una emisividad conocida (por lo general, cercana a 1), también llamada cinta de calibración. Este trozo de cinta se coloca en el material de la superficie del objeto y se deja ahí durante unos minutos, lo suficiente para que adquiera la temperatura de la superficie del objeto. Al usar la emisividad conocida, se determina la temperatura exacta de la cinta. Dado que esta temperatura es la misma que la del material de la superficie, el operador puede cambiar la configuración de la emisividad, de forma que la lectura de temperatura sea igual a la lectura de temperatura de la cinta de calibración en el momento anterior.

Reflexión
Algunos materiales reflejan la radiación térmica del mismo modo en que un espejo refleja la luz visible; entre estos se encuentran los metales no oxidados, especialmente si se han pulido. Las reflexiones pueden provocar una interpretación incorrecta de la termografía. Así, la reflexión de la radiación térmica del propio operador podría indicar falsos puntos calientes; por tanto, el operador debe seleccionar cuidadosamente el ángulo desde el que la cámara termográfica apunta al objeto, con el fin de evitar dichas reflexiones. Las ventanas, materiales pulidos, metales no opacos, entre otros, reflejan radiación térmica, de forma que, para la cámara termográfica, la ventana actúa como un espejo.

Condiciones meteorológicas
La temperatura ambiente puede tener una gran influencia en las lecturas de temperatura. Es posible que una elevada temperatura ambiente oculte puntos calientes al calentar todo el objeto, mientras que una temperatura ambiente baja podría enfriar los puntos calientes hasta una temperatura inferior al umbral determinado previamente.

La luz solar directa también puede tener una gran influencia; no obstante, tanto ésta como las sombras pueden influir en el patrón térmico, incluso varias horas después de que haya terminado la exposición a la luz solar. Estos patrones no se deben confundir con los generados por transferencia de calor.

Otro factor meteorológico que se debe tener en cuenta es el viento. Los flujos de aire refrigeran el material de la superficie, lo que reduce las diferencias de temperatura entre las áreas calientes y las frías.

Temperatura reflejada
Las influencias externas en la temperatura de la superficie también se pueden encontrar en el interior. La temperatura ambiente puede influir sobre la temperatura de la superficie del objeto, pero también hay otro factor: el control del clima. Los sistemas de calefacción crean diferencias de temperatura que pueden generar patrones térmicos incorrectos. Los flujos de aire frío de ventiladores o sistemas de aire acondicionado pueden tener el efecto contrario: refrigerar el material de la superficie mientras los componentes situados por debajo de la superficie permanecen calientes, lo que puede provocar que no se detecten posibles defectos.

Las cámaras termográficas permiten detectar desperfectos en instalaciones eléctricas de alta, media y baja tensión

Sistemas eléctricos, mecánicos y procesos
Las cámaras termográficas se suelen utilizar para inspecciones de componentes y sistemas eléctricos de todos los tamaños y formas. La gran variedad de posibles aplicaciones para las cámaras termográficas en el rango de los sistemas eléctricos se puede dividir en dos categorías: instalaciones de alta y de baja tensión.

Instalaciones de alta tensión. El calor es un factor de gran importancia en las instalaciones de alta tensión. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de un elemento resistivo, genera calor. Una mayor resistencia produce aumento de temperatura. Con el tiempo, la resistencia de las conexiones eléctricas aumenta, debido, por ejemplo, a la holgura y la corrosión. El correspondiente incremento de la temperatura puede hacer que los componentes fallen, lo que provoca cortes de tensión inesperados e incendios por cortocircuitos.

Ejemplos de fallos en instalaciones de alta tensión que se pueden detectar con termografía:

• Oxidación de interruptores de alta tensión
• Conexiones sobrecalentadas
• Conexiones mal aseguradas
• Defectos de aislamiento

Estos y otros problemas se pueden detectar en una fase temprana mediante una cámara termográfica. La imagen termográfica ayuda a localizar el problema con precisión, determinar su gravedad y calcular el tiempo en el que se debe reparar el equipo. Una visión amplia de una subestación puede mostrar rápidamente las zonas en las que existen conexiones de alta resistencia no deseadas. Ninguna otra tecnología de mantenimiento predictivo es tan eficaz para las inspecciones eléctricas como la termografía.

Una de sus múltiples ventajas es la capacidad para llevar a cabo inspecciones mientras los sistemas eléctricos están cargados. Al tratarse de un método de diagnóstico sin contacto, el termógrafo puede inspeccionar de manera rápida un componente concreto de un equipo a una distancia de seguridad, abandonar la zona de riesgo, regresar a su oficina y analizar los datos sin exponerse a ningún peligro.

Gracias a que las cámaras termográficas para mantenimiento predictivo son manuales y funcionan con batería, también se pueden utilizar para inspecciones en el exterior: mediante una cámara termográfica es posible inspeccionar rápida y eficazmente subestaciones de alta tensión, conmutadores, transformadores y disyuntores externos.

Instalaciones de baja tensión. Las cámaras termográficas se utilizan para inspecciones de componentes y sistemas eléctricos de todos los tamaños y formas y su empleo no se limita únicamente a aplicaciones de alta tensión.

Con ellas es posible examinar regularmente cuadros eléctricos y centros de control de motores. Si no se lleva a cabo esta labor, el calor podría acumularse hasta el punto de fundir conexiones y provocar averías y, una vez más, incendios.

Además de conexiones sueltas, los sistemas eléctricos sufren desequilibrios de carga, corrosión y aumentos de impedancia de corriente. Las inspecciones térmicas permiten localizar rápidamente puntos calientes, determinar la gravedad del problema y calcular el tiempo en el que se debe reparar el equipo.

Ejemplos de fallos en equipamiento de baja tensión que se pueden detectar con termografía:

• Conexiones de alta resistencia
• Conexiones corroídas
• Daños internos en los fusibles
• Fallos internos en los disyuntores
• Malas conexiones y daños internos

Éstos y otros problemas se pueden detectar en una fase temprana mediante una cámara termográfica. De este modo, se evitarán costosos daños y situaciones peligrosas.

Debido a que permite realizar análisis desde distancias de seguridad, el operador ve fortalecida su integridad física

Qué buscar en una cámara termográfica
La compra de una cámara termográfica es una inversión a largo plazo. Desde el momento en que se comienza a utilizar, la seguridad de instalaciones completas y del personal puede depender de ella, por lo que hay que tomar en cuenta algunas facilidades:

Equipamiento
Cada usuario tiene necesidades distintas. Por lo que es es muy importante que el fabricante ofrezca una gama completa de cámaras termográficas, desde modelos básicos económicos hasta modelos avanzados de gama alta, con el propósito de elegir el que se ajusta mejor a las diversas necesidades

Software
Independientemente del uso que se le dé a las cámaras termográficas, será necesario un software para analizar las termografías y crear informes de las conclusiones para los clientes o la dirección. Por tal motivo, se debe optar por una cámara termográfica que se pueda combinar con el software adecuado para su aplicación

Accesorios
Al comenzar a utilizar una cámara termográfica y descubrir todas las ventajas que ofrece, es posible que las necesidades cambien. Así pues, es preciso que el sistema se adapte a dichas necesidades. El fabricante debe ofrecer distintos tipos de lentes, pantallas, entre otros componentes

Mantenimiento
Aunque la mayor parte de las cámaras termográficas que se usan para inspecciones predictivas no necesitan mantenimiento, es recomendable que se disponga de un centro de mantenimiento cercano, en caso de que algo le ocurra a la cámara. Las cámaras termográficas también se deben volver a calibrar cada cierto tiempo. En ambos casos, en lugar de tener que enviar la cámara al otro extremo del mundo, es preferible contar con un centro de reparación cercano para volver a disponer de la cámara en el menor tiempo posible

Formación
La termografía no se limita a saber cómo se maneja la cámara; es preciso elegir un proveedor que pueda ofrecer una buena formación y asistencia para aplicaciones cuando sea necesario

La tecnología termográfica brinda información de gran valor, la cual complementa otro tipo de estudios de los sistemas mecánicos, con lo que es posible evitar daños que signifiquen altos costos y garantiza la continuidad de la producción

Beneficios adicionales
En muchos sectores, los sistemas mecánicos son la espina dorsal de todas las operaciones. Los datos térmicos recopilados con una cámara termográfica pueden ser una fuente muy valiosa de información complementaria para los estudios de vibración y la supervisión de los equipos mecánicos.

Los sistemas mecánicos se recalientan si hay errores de alineamiento en ciertos puntos del sistema. Las cintas transportadoras son un buen ejemplo: si un rodillo está gastado, aparecerá claramente en la termografía, indicando que debe cambiarse. Cuando los componentes mecánicos se desgastan y pierden eficiencia suelen disipar más calor; como resultado, los equipos o sistemas defectuosos aumentan rápidamente su temperatura antes de averiarse. Al comparar periódicamente lecturas de una cámara termográfica con el perfil de temperatura de una máquina en condiciones de funcionamiento normales, es posible detectar una gran cantidad de fallas.

También se pueden inspeccionar motores mediante el uso de una cámara termográfica. Los fallos en el motor, como los signos de desgaste en el contacto de las escobillas y los cortocircuitos en los armazones, suelen producir calor excesivo antes del fallo, pero son imposibles de detectar mediante un análisis de vibraciones, puesto que con frecuencia generan poca o ninguna vibración. La termografía ofrece una visión completa y permite comparar las temperaturas de distintos motores. Otros sistemas mecánicos que se supervisan con cámaras termográficas son conexiones, transmisiones, cojinetes, bombas, compresores, correas, turbinas y cintas transportadoras. Existen algunas averías mecánicas que se pueden detectar con la termografía:

• Problemas de lubricación
• Errores de alineación
• Ejes de motor recalentados
• Rodamientos calientes

Esto ayudará a evitar que se produzcan daños costosos y a garantizar la continuidad de la producción.
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Alejandro Jáuregui
Ingeniero en Control y Automatización por la ESIME Zacatenco, del IPN. Coautor de la tesis Corte y distribución de perfiles metálicos. Trabajó cuatro años como Ingeniero de Proyectos en MTS Sistemas y Proyectos, y RGM Control Systems. Actualmente, se desempeña en DOMINION INDUSTRIAL y ofrece cursos de cámaras termográficas FLIR.