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⭐PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Y SU UTILIZACIÓN COMO TÉCNICA PARA MANTENIMIENTO PREDICTIVO
PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Y SU UTILIZACIÓN COMO TÉCNICA PARA MANTENIMIENTO PREDICTIVO
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Alfonso Velázquez Carmona
1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Y SU UTILIZACIÓN COMO TÉCNICA PARA MANTENIMIENTO PREDICTIVO LIDIA YANETH NEITA DUARTE ELKIN OMAR PEÑA RODRÍGUEZ UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA FLORIDABLANCA 20112 PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Y SU UTILIZACIÓN COMO TÉCNICA PARA MANTENIMIENTO PREDICTIVO LIDIA YANETH NEITA DUARTE ELKIN OMAR PEÑA RODRÍGUEZ Monografía para optar por el título de ESPECIALISTA EN CONTROL E INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Director: RAQUEL DÍAZ RAMÍREZ Especialista en Control e Instrumentación Industrial UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA FROLIDABLANCA 20113 Dedicado a Dios, porque es mi refugio, mi guía y me ha brindado todo su amor. Mis padres, quienes son mi fortaleza, mi fuente de protección y amor y por ellos fue posible esta oportunidad de crecimiento personal y profesional Mi hermana, quien me brinda su cariño y me inspira a seguir y es mi compañera en mi existencia. A todos los seres con los que compartí durante este año e hicieron posible mi formación. A Elkin Peña, por su empeño en la culminación de esta meta. 3 Lidia Yaneth. Neita Duarte4 Dedicado a Dios por darme la vida y por regalarme una familia maravillosa Mis padres por su amor, esfuerzo, por su ejemplo y sus consejos que han hecho de mí una mejor persona, por darme su apoyo incondicional y la posibilidad de crecer como profesional. Toda mi familia por su amor, compresión, colaboración en cada uno de mis proyectos. Al LidiaNeita, por su paciencia y su esfuerzo en este proyecto. Elkin Omar Peña Rodríguez 45 AGRADECIMIENTOS Los autores de este trabajo expresan sus más sinceros agradecimientos a Dios y todas aquellas personas e instituciones que con sus aportes hicieron posible la culminación de esta etapa de la vida: A nuestra directora de monografía, Ingeniera Raquel Díaz Ramírez por su generosidad al brindarnos esta oportunidad, por su compromiso y entrega en este proceso. También agradecemos a los docentes de la Universidad Pontificia Bolivariana sede Bucaramanga, por su disposición, paciencia y conocimientos brindados para nuestro desarrollo profesional. A al Servicio Nacional de Aprendizaje sede Girón, por facilitar sus instalaciones para llevar a cabo el desarrollo de este trabajo y especialmente al Ingeniero Manuel Valencia por sus enseñanzas y experiencias en este campo. A nuestras familias porque nos acompañaron en esta aventura y desde el principio hasta el día de hoy nos brindaron su amor, compresión y ánimo para culminar este proceso. Gracias también a nuestros compañeros que nos apoyaron y nos permitieron entrar en sus vidas durante este último año de convivencia dentro y fuera de un salón de clase. 56 CONTENIDO JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS INTRODUCCIÓN TEORÍA DEL MANTENIMIENTO OBJETIVOS DEL MANTENIMIENTO CLASES DE MANTENIMIENTO Mantenimiento correctivo Mantenimiento preventivo Mantenimiento productivo total (TPM) Mantenimiento predictivo Ventajas del mantenimiento predictivo Técnicas de mantenimiento predictivo TEMPERATURA Y CALOR ESCALAS DE TEMPERATURA Escala en Kelvin Escala en Celsius Escala en Fahrenheit Escala en Rankine DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Definición termodinámica del calor Formas de Transferencia de Calor7 Conducción Convección Radiación PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA RADIACIÓN INFRARROJA Espectro Electromagnético Ondas de radiofrecuencia Microondas Infrarrojo Luz visible Ultravioleta Rayos X Rayos Gamma Fundamentos de la radiación infrarroja Radiación incidente Radiación saliente SISTEMAS PARA LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA Medición por Expansión Térmica Termómetro de Bulbo y Capilar Termómetro Bimetálico Medición por Propiedades Termoeléctricas RTD (Detector Resistivo de Temperatura) Termistor Termopares o Termocuplas Medición por Propiedades Fisicoquímicas Pinturas Térmicas8 2.5.4 Medición por radiación infrarroja Pirómetro óptico Pirómetro de Radiación TERMOGRAFÍA INFRARROJA TERMOGRAFÍA ACTIVA TERMOGRAFÍA PASIVA TERMOGRAMA VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA APLICACIONES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Mantenimiento con termografía infrarroja Usos y aplicaciones en sistemas eléctricos Usos y aplicaciones en sistemas mecánicos Usos y aplicaciones en construcciones Aplicaciones ambientales Uso y aplicaciones aéreas Uso y aplicaciones médicas Otras aplicaciones ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TERMOGRAFÍA CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS TERMOGRÁFICOS CÁMARA TERMOGRÁFICA Clasificación de las cámaras termográficas Según su respuesta espectral Según el tipo de detector Según la técnica de termografía utilizada Partes que componen una cámara termográfica9 3.8.3 Cómo funciona una cámara termográfica? Características de una cámara termográfica Sensibilidad térmica Precisión Resolución espacial Frecuencia de la imagen Cámara termográfica FLIR T Software de análisis de termogramas Software FLIR Quick Report Calibración de cámaras termográficas LA TERMOGRAFIA INFRARROJA EN EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA Formas de inspección termográficas Inspección termográfica cualitativa Inspección termográfica cuantitativa Formas de medición NORMAS, ESTÁNDARES Y PUBLICACIONES TÉCNICAS SOBRE TERMOGRAFÍA INFRARROJA American Society for Testing and Materials (ASTM International) National Fire Protection Association (NFPA) Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces NFPA 70E Electric Equipment Maintenance NFPA 70B Occupational Safety Health Administration (OSHA)10 4.3.4 InterNational Electrical Testing Association (NETA) International Organization for Standardization (ISO) Otras normas y publicaciones National Electrical Safety Code (NESC) ANSI C Norma Técnica Colombiana 2050, Código Eléctrico Colombiano FALLAS POSIBLES A DETECTAR MEDIANTE TERMOGRAFÍA INFRARROJA Inspecciones en Sistemas Eléctricos Inspección termográfica de equipos mecánicos y electromecánicos Inspección termográfica de sistemas electrónicos Inspección termográfica de sistemas térmicos y refractarios CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DE EXCEPCIONES EN LOS TERMOGRAMAS PARA LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS, MECÁNICOS Y TÉRMICOS Sistemas eléctricos Sistemas mecánicos Sistemas térmicos FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA EN UNA INSPECCIÓN CON TERMOGRAFÍA INFRARROJA Emisividad Factores del entorno Temperatura ambiente y temperatura reflejada El viento Presencia de superficies reflectivas en el área de observación Distancia Carga solar11 4.6.3 Conocimiento de la cámara termográfica El rango de temperatura y la paleta de colores Enfoque Composición REPORTE TERMOGRÁFICO Ejemplos de reportes termográficos en aplicaciones reales de sistemas eléctricos, mecánicos y térmicos GUÍAS DE TRABAJO DEL LABORATORIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA DEL SENA-GIRON CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS12 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Flujo de trabajo en mantenimiento correctivo Figura 2. Flujo de trabajo en mantenimiento preventivo Figura 3. Ocho pilares del TPM Figura 4. Tendencia de un valor de amplitud de vibración de un cojinete Figura 5. Curva de bañera. Probabilidad del falla vs. Tiempo Figura 6. Curvas de probabilidad de falla vs. Tiempo Figura 7. Flujo de trabajo en mantenimiento predictivo Figura 8. Diferencia entre calor y temperatura Figura 9. Transferencia de calor entre dos cuerpos Figura 10. Formas de transferencia de calor Figura 11. Conducción de calor Figura 12. Ejemplos de convección forzada y convección libre Figura 13. Transferencia de calor por Convección Figura 14. Transferencia de calor por radiación Figura 15. Longitud de onda Figura 16. Espectro electromagnético Figura 17. Longitud de onda Vs Energía Radiada Figura 18. Balance de la radiación incidente de un cuerpo Figura 19. Un cuerpo emite radiación térmica en todas las direcciones Figura 20. Las tres fuentes de radiación saliente de un cuerpo Figura 21. Radiación saliente en un cuerpo opaco Figura 22. Termómetro de Mercurio Figura 23. Termómetro Bimetálico Figura 24. RTD Figura 25. Diferentes tipos de termistores Figura 26. Termocupla o termopar Figura 27. Pinturas Térmicas Figura 28. Pirómetro óptico13 Figura 29. Esquema de un pirómetro de radiación Figura 30. Inspección termográfica de una línea de alta tensión Figura 31. Termograma de un breaker Figura 32. Inspecciones en líneas de alta tensión Figura 33. Bomba sobrecargada Figura 34. Determinación de puntos calientes por malos aislantes Figura 35. Detección de enfermedades cutáneas por termografía Figura 36. Elementos de un sistema de termografía Figura 37. Cámara termográfica FLIR T Figura 38. Partes de una cámara termográfica Figura 39. Esquema de funcionamiento de las cámaras termográficas Figura 40. Software FLIR Quick Report Figura 41. Herramientas de análisis para los termogramas Figura 42. Reporte inspección termográfico realizado con el software FLIR Quick Report Figura 43. Ley de Stefan-Boltzmann Figura 44. Intensidad de radiación de una superficie ideal negra a diferentes temperaturas Figura 45. Calibración de cámaras termográficas Figura 46. Curva de calibración Figura 47. Metodología para la inspección termográfica de equipos Figura 48. Termogramas de un transformador analizado con un método cualitativo Figura 49. Termogramas de un transformador analizado con un método cuantitativo Figura 50. Medición directa Figura 51. Medición indirecta Figura 52. Termogramas de aplicaciones en el área eléctrica Figura 53. Termograma con punto caliente en un contactor y un punto frío en tablero de fusibles Figura 54. Controlador de un motor trifásico con un problema de contacto14 Figura 55. Caja de distribución de energía con un problema de conexión en un fusible Figura 56. Termogramas de aplicaciones en equipos eléctricos con sobrecargas Figura 57. Termograma exterior e interior de una caja de interruptores Figura 58. Termogramas de varias aplicaciones de sistemas mecánicos Figura 59. Termogramas de circuitos electrónicos Figura 60. Termogramas de sistemas térmicos y refractarios Figura 61. Medición de temperatura con una emisividad Figura 62. Factores del entorno que afectan la medición de temperatura Figura 63. Efecto del viento en una imagen térmica Figura 64. Efecto de un reflejo en una superficie de baja emisividad Figura 65. Efecto de la carga solar en un tanque de almacenamiento Figura 66. Contraste de termogramas en diferentes rangos de temperatura 157 Figura 67. Termogramas con enfoque deficiente Figura 68. Efecto de la composición en un termograma Figura 69. Reporte termográfico con sus partes Figura 70. Reporte termográfico de un sistema mecánico Figura 71. Reporte termográfico de un sistema eléctrico Figura 72. Reporte de Inspección con termografía en una línea eléctrica aérea 13.8 kv Figura 73. Reporte termográfico de un grupo de compresores Figura 74. Reporte de inspección a un horno rotativo Figura 75. Reporte termográfico de un motor15 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Escalas de medición de temperatura Tabla 2. Respuesta espectral cámaras termográficas Tabla 3. Especificaciones técnicas cámara termográfica FLIR T Tabla 4. Ejemplo de clasificación de fallos Tabla 5. Normas asociadas a los elementos de protección personal Tabla 6. Distancias mínimas de seguridad para inspecciones con termografía, norma OSHA Tabla 7. Clasificación de fallas eléctricas según NETA Tabla 8. Factor de corrección de la potencia térmica en función de la altura. 136 Tabla 9. Factor de corrección de la potencia térmica en función de la temperatura Tabla 10. Resumen de equipos y fallas en los sistemas inspeccionados por termografía infrarroja para el área de mantenimiento Tabla 11. Estándares utilizados en las inspecciones de equipos eléctricos Tabla 12. Rangos de temperatura de equipos al 50% de carga Tabla 13. Rangos de temperatura de equipos al 100% de carga Tabla 14. Estándar Militar para equipos eléctricos Tabla 15. Escala de prioridad para Sistemas Eléctricos Tabla 16. Clasificación por temperatura de varios aislamientos en motores eléctricos Tabla 17. Tabla de clasificación del delta de temperaturas basadas en la experiencia para equipos eléctricos y mecánicos Tabla 18. Escala de prioridad para Sistemas Mecánicos Tabla 19. Escala de prioridad para Sistemas Térmicos16 LISTA DE ANEXOS ANEXO A ANEXO B ANEXO C ANEXO D ANEXO E ANEXO F ANEXO G17 GLOSARIO AJUSTE TÉRMICO: se entiende como ajuste térmico el concentrar la variación de colores de la imagen en la zona que se interesa analizar, con el objetivo de conseguir el máximo contraste. BOLÓMETRO: es un diminuto resistor de óxido de vanadio o de silicio amorfo con un elevado coeficiente térmico. BTU: es una unidad de energía inglesa y es la abreviatura de British Termal Unit, y equivale aproximadamente a 252 calorías ó 1055,056 julios. CALOR: es la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. EFECTO SEEBECK: fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck ( ), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial. EVALUACIÓN DEL RIESGO: Valoración realizada por personas competentes, de los riesgos potenciales asociados con una tarea, en la cual se estima la magnitud de la probabilidad de la ocurrencia de un incidente y la severidad de sus consecuencias potenciales. 1718 EXACTITUD: la exactitud indica la cercanía del resultado de la medición al valor verdadero del parámetro. EXCEPCIÓN: en termográfica se denomina excepción toda superficie en que la temperatura supere o esté por debajo de la normal de operación. GRADIENTE TÉRMICO: un gradiente térmico representa una variación gradual (continua) de temperatura con la distancia que indica a menudo la existencia de transmisión de calor por conducción. ISOTERMA: es una función de la cámara o software termográfico que sustituye ciertos colores de la escala con un color de elevado contraste y permite visualizar intervalos de la misma temperatura aparente. MATRIZ PARA EVALUACIÓN DE RIESGOS RAM: Herramienta que estandariza la evaluación cualitativa y cuantitativa de los riesgos, facilitando su valoración y clasificación. NETD: es la abreviatura para Noise equivalent difference - diferencia de temperatura equivalente a ruido, describe la menor diferencia en temperatura entre dos píxeles que la cámara puede medir. La NETD también se conoce como sensibilidad térmica. A menor NETD, mayor exactitud en las termografías. PALETA DE COLOR: La paleta de color de una imagen asigna diferentes colores para remarcar niveles específicos de temperatura. La paleta de color puede dar más o menos contraste, en función de la gama de colores utilizados. PERMISO DE TRABAJO: Autorización escrita para realizar un trabajo o una actividad, de acuerdo con las indicaciones del manual de la empresa. 1819 RADIACIÓN: consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas del vacío o de un medio material. RADIACIÓN ESPURIA: Emisión de frecuencia falsa. RESOLUCIÓN: es la palabra usada para definir la habilidad del sensor de reproducir ciertos detalles de imagen muy pequeños. La resolución se indica como el número total de píxeles o el número de filas y columnas del FPA. RUIDO TÉRMICO: es debido al movimiento aleatorio de los electrones originado por su energía térmica. TERMOCROMISMO: es la capacidad de una sustancia de cambiar de color debido a los cambios de temperatura. TIEMPOS CARACTERÍSTICOS: hace referencia a los tiempos que se involucran en el procesamiento de los datos a la hora de actualizar las imágenes. 1920 JUSTIFICACIÓN La termografía infrarroja como técnica en mantenimiento predictivo es relativamente nueva en nuestra industria, pero por las ventajas ofrecidas ha venido incursionando en los planes de mantenimiento de forma creciente, al igual, esta implementación demanda personal calificado que aplique esta técnica de manera acertada; es por esto, que centros de educación superior como la Universidad Pontificia Bolivariana están empezando a explorar este tema. Este trabajo tiene como función principal ofrecer información básica sobre la termografía infrarroja y su aplicación como técnica en mantenimiento predictivo que sirva como base para futuros trabajos e investigaciones, además de reforzar los conocimientos adquiridos por los estudiantes de la Especialización Tecnológica en Mantenimiento Predictivo ofrecida por el SENA, mediante el desarrollo de guías de trabajo para el laboratorio de termografía infrarroja. 2021 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Estudiar la termografía infrarroja como técnica en el mantenimiento predictivo, mediante guías de trabajo que brinden una introducción a esta técnica, enfocadas en el manejo de una cámara termográfica FLIR T200 y el software FLIR QUICK REPORT; y la elaboración de informes enfocados al área de mantenimiento. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Presentar las bases introductorias y los criterios sobre los cuales se fundamenta la termografía infrarroja para END. Mostrar la termografía infrarroja como herramienta clave en el mantenimiento predictivo. Elaborar las guías de trabajo que permitan a los estudiantes de la Especialización de Mantenimiento Predictivo del SENA, regional Girón. Familiarizarse y afianzar sus conocimientos de termografía infrarroja en el manejo de una cámara termográfica FLIR T200 y el análisis de los termogramas mediante el software FLIR QUICK REPORT. Seleccionar un sistema eléctrico o un sistema mecánico y documentar el procedimiento y las normas aplicadas para la detección de fallas en dicho sistema, las cuales se pueden predecir mediante la técnica de termografía infrarroja. 2122 RESUMEN GENERAL DE TRABAJO DE GRADO TITULO: AUTOR(ES): FACULTAD: DIRECTOR(A): PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Y SU UTILIZACIÓN COMO TÉCNICA PARA MANTENIMIENTO PREDICTIVO Lidia Yaneth Neita Duarte Elkin Omar Peña Rodríguez Especialización en Control e Instrumentación Industrial Raquel Díaz Ramírez RESUMEN Primero se expone la teoría del mantenimiento definiendo sus clases, entre ellas el mantenimiento predictivo y la termografía como una de sus técnicas de aplicación. Luego se trata el tema de radiación infrarroja que permite entender los fenómenos físicos en los que se basa la termografía, que es el siguiente tema que se aborda explicando porque es importante, sus características, ventajas, desventajas y como se realiza; toda esta información es necesaria para poder aplicar de manera correcta la técnica de termografía infrarroja en determinación de anomalías o la condición de equipo que permitan tomar acciones antes de que se conviertan en fallas que puedan generar paradas inesperadas y/o accidentes. Por último, con el fin de aprovechar la información recopilada en este documento y los recursos que posee el Servicio Nacional de Aprendizaje SENA (sede Girón) tales como la cámara termográfica FLIR T200, software FLIR Quick Report, entre otros; se desarrollaron guías de trabajo que otorgan una orientación técnica y un afianzamiento de conocimientos en esta área para los estudiantes de la Especialización Tecnológica de Mantenimiento Predictivo. PALABRAS CLAVES: Termografía, radiación infrarroja, mantenimiento predictivo, inspección termográfica, reporte, termograma. 2223 ABSTRACT TITLE: AUTHORS: FACULTY: DIRECTOR(A): PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Y SU UTILIZACIÓN COMO TÉCNICA PARA MANTENIMIENTO PREDICTIVO Lidia Yaneth Neita Duarte Elkin Omar Peña Rodríguez Especialization in Industrial Instrumentation and Control Raquel Díaz Ramírez ABSTRACT First, this research carries out a review of the maintenance theory, followed by a definition of its types. Among them, predictive maintenance and thermography are identified as one the techniques used. Then, infrared radiation is presented, which gives the possibility to understand the physical phenomena in which thermography is based. This is precisely the next topic. Its importance is also shown, as well as its characteristics, advantages disadvantages, and the way it is used. In order to efficiently apply the infrared thermography technique all the information mentioned above is fundamental to determine the anomalies or the state of the equipment. These are important at the moment of making decisions before they become problematic, this is generating unexpected stop of the procedures or accidents. Finally, with the information collected in this research, plus the resources available at the Servicio Nacional de Aprendizaje SENA (Branch in Girón) such as: the tomographic camera FLIR T200, and the software FLIR Quick Report among others work guidelines were created to give some technical orientation and reinforcement for those students who belong to the technological specialization in predictive maintenance. KEY WORDS: Thermography, infrared radiation, predictive maintenance, thermography inspection, report, thermogram. 2324 INTRODUCCIÓN El desarrollo de la actividad industrial en Colombia ha sido significativo en los últimos años, pues las exigencias de nuevos mercados y la competitividad global han hecho que las empresas adquieran nuevas tecnologías que ayuden a mejorar sus procesos y se vean reflejadas en altos índices de calidad. Con la evolución de la industria, el mantenimiento ha tomado un papel realmente importante, pues de él depende la operación constante y efectiva de los equipos e instalaciones involucrados en los procesos, que permitan aumentar capacidad de producción, con calidad, seguridad y rentabilidad. Para que el mantenimiento sea efectivo, es necesario establecer una estrategia como es el mantenimiento predictivo, que evalúa el estado de los componentes eléctricos o mecánicos mediante diferentes técnicas de seguimiento y análisis determinando su estado o condición, una de las técnicas para implementar un plan de mantenimiento predictivo es la termografía infrarroja. Por estas razones, en este documento se presenta información introductoria a la termografía infrarroja para la compresión de los conceptos físicos en los cuales se fundamenta y es empleada como estrategia para el mantenimiento predictivo, en instalaciones eléctricas y/o mecánicas. Además, el desarrollo de este proyecto brinda mediante guías de trabajo las herramientas del manejo de la cámara termográfica FLIR T200 y del software FLIR Quick Report a los estudiantes de la especialización tecnológica en mantenimiento predictivo del servicio nacional de aprendizaje SENA, para incursionar de manera práctica en el área de inspecciones con termografía infrarroja. 2425 1. TEORÍA DEL MANTENIMIENTO Desde mucho tiempo atrás, cuando las herramientas o aparatos eran aún rudimentarios, el hombre descubrió la necesidad de mantener éstos equipos con ciertas condiciones que aseguraran una operación normal; en ese momento, se realizaban actividades correctivas para solucionar fallas y en el peor de los casos remplazar equipos completos, esto era el resultado del uso y el abuso en la operación de estos equipos. Hoy en día el mantenimiento no implica solo reparar el equipo averiado tan pronto como se pueda, sino mantener el equipo en operación a los niveles especificados, es decir, busca la conservación del equipo de producción, de tal forma que se asegure que se encuentre constantemente o por el mayor tiempo posible en óptimas condiciones de confiabilidad y que su operación sea segura. En el momento mismo en que los equipos se adquieren, se realiza el montaje y ponen en funcionamiento, debe empezar el mantenimiento; el cual, debemos decir, se entiende como la función organizacional compuesta por un conjunto de acciones, operaciones y actitudes tendientes a poner o restablecer un bien a un estado especifico, que le permita asegurar un servicio determinado. [1] El mantenimiento se ha convertido en una inversión realmente necesaria en la industria, y a medida que ésta ha ido evolucionando por los constantes avances tecnológicos, de igual forma se han desarrollado nuevas tecnologías y prácticas innovadoras de mantenimiento que lo han convertido en parte integral de la productividad. 2526 1.1 OBJETIVOS DEL MANTENIMIENTO El objetivo principal del mantenimiento es garantizarle al cliente (usuario) que todos sus equipos estarán disponibles cuando él lo requiera; dentro de los niveles de operación especificados para el proceso, con las velocidades y calidades solicitadas y con confiabilidad total de la operación sin que ocurran paradas no programadas durante el tiempo especificado, todo esto al menor costo posible. [2] El objetivo general del mantenimiento se puede desglosar en varios objetivos específicos que se implementan de acuerdo a la empresa, a sus necesidades, al plan de mantenimiento diseñado por el departamento de mantenimiento y a muchos otros factores. A continuación se mencionan algunos de estos objetivos [3], [4]: Optimización de la disponibilidad del equipo productivo. Garantizar el funcionamiento de la empresa consiguiendo la reducción de tiempo perdido por paradas no programadas e incrementar la capacidad disponible de los equipos Disminución de costos de mantenimiento. Optimización de recursos humanos. Maximización de la vida de la máquina. Disminución de la gravedad de fallas que no se lleguen a evitar. Reducción (idealmente eliminación) de incidentes y aumento de la seguridad para las personas. Cumplimiento de todas las normas de seguridad y medio ambiente. Lograr que la organización sea más competitiva, logrando incrementar la producción a menores costos y con alta calidad. 2627 1.2 CLASES DE MANTENIMIENTO Existen diferentes tipos de mantenimiento, pero todos tienen en común el objetivo de, incrementar en forma significativa las ventajas en el mercado global, estos tipos de mantenimiento están en función del momento en que se realizan, el objetivo en particular para el que son puestos en marcha, y en función de los equipos utilizados [3], a continuación se describen cuatro de estos tipos de mantenimiento Mantenimiento correctivo. Este tipo de mantenimiento es el más común y aplicado en la industria, consiste en realizar reparación de fallas o averías, cuando éstas se presentan; suele ser necesario detener la instalación o máquina afectada por la falla, y es necesario tener un gran conocimiento de la máquina y de las partes que fallan con el fin de realizar un diagnóstico acertado y rápido. El mantenimiento correctivo básicamente se orienta a realizar un diagnóstico y seguidamente reparar la falla, es decir, Consiste en permitir que un equipo funcione hasta el punto que no puede desarrollar normalmente su función. Se somete a reparación hasta corregir el defecto y se desatiende hasta que vuelva tener una falla y así sucesivamente. [9] A pesar de que han surgido varios de tipos de mantenimiento, gran parte de las empresas basan su mantenimiento en la reparación de fallas, algunas sostienen que es la forma de actuar más rentable y abarcan un gran porcentaje de su actividad buscando reducir las fallas a cero, pero es muy difícil lograrlo. 2728 Existen dos formas diferentes de ejecutar el mantenimiento correctivo: el no programado que realiza la reparación de la falla inmediatamente después de presentarse; y el programado que realiza la corrección de la falla cuando cuenta con el personal, las herramientas, la información y los materiales necesarios; además, el momento de hacer la reparación se ajusta a las necesidades del proceso. La importancia del equipo en el sistema productivo es quien determina si se realiza un mantenimiento programado o no programado. El mantenimiento correctivo también es conocido como mantenimiento reactivo o mantenimiento al fallo, más del 90% de los recursos y el tiempo utilizado en el mantenimiento están destinados a la reparación de fallas, en la Figura 1 se muestra el flujo de trabajo implementado en este tipo mantenimiento, y a continuación se nombran algunas ventajas [5]: No genera gastos fijos. No es necesario programar ni prever ninguna actividad. Sólo se gasta dinero cuando está claro que se necesita hacerlo. A corto plazo puede ofrecer un resultado económico. Hay equipos en los que el mantenimiento preventivo no tiene ningún efecto, como los dispositivos electrónicos. El mantenimiento correctivo también tiene varias desventajas que son necesarias considerar y evaluar antes de ser implementado. [3], [5] La producción se vuelve impredecible y poco fiable. Las paradas y fallas pueden producirse en cualquier momento. Afecta las cadenas productivas, es decir, que los ciclos productivos posteriores se verán afectados a la espera de la corrección de la etapa anterior. Presenta costos por reparación y repuestos no presupuestados, por lo que se dará el caso que por falta de recursos económicos no se podrán comprar los repuestos en el momento deseado. 2829 La vida útil de los equipos se acorta. Impide un diagnostico fiable de las causas que provocan la falla. Al esperar que ocurran las fallas y los comportamientos anormales de los equipos, se pone en riesgo a personas y al medio ambiente. Se debe contar con técnicos muy cualificados, con un stock de repuestos importante y con medios técnicos muy variados. Figura 1. Flujo de trabajo en mantenimiento correctivo Fuente: tomado de [9] Mantenimiento preventivo. El mantenimiento preventivo se realiza siguiendo una programación establecida, que se diseña basándose en, la experiencia y pericia del personal de mantenimiento, en estadísticas y en las recomendaciones hechas por los fabricantes. Se debe realizar una revisión periódica de tal forma que se recopile información de los equipos que permita implementar un mantenimiento planificado y programado, encaminado a 2930 encontrar posibles fallas que puedan ocasionar paradas imprevistas de las maquinas o daños que afecten su vida útil. Este mantenimiento debe presentar las siguientes características [3]: Se realiza en un momento en que no se está produciendo, por lo que se aprovecha las paradas programadas de la planta. Cuenta con una fecha programada, además de un tiempo de inicio y de terminación establecido, aprobado por las directivas de la empresa. Una vez finalizada la actividad, se garantiza el funcionamiento adecuado del equipo. Para implementar este tipo de mantenimiento es necesario, diseñar y ejecutar un plan de seguimiento para cada uno de los equipos que conforman el parque industrial, especificar las técnicas que se emplearan para la detección de fallas y con qué frecuencia se realizarán, al momento de detectar la falla se estudia su causa y se programa la reparación. La programación que se realiza en el mantenimiento preventivo se debe realizar buscando resolver los siguientes interrogantes [3]: Qué elementos hay que inspeccionar? Cuándo, cómo y quién realizará la inspección? Cómo establecer los controles de cumplimiento? El mantenimiento preventivo se basa en un elemento fundamental, la inspección, la cual consiste en observar cuidadosa y detenidamente el estado del elemento en cuestión, buscando desgastes, desajustes, erosiones, picaduras, grietas o fisuras, y registrar detalladamente las observaciones en cuadros destinados para tal fin [1]. La Figura 2 muestra el flujo de trabajo implementado en el mantenimiento preventivo. 3031 Figura 2. Flujo de trabajo en mantenimiento preventivo Fuente: tomado de [9]. La utilización del mantenimiento preventivo, plantea múltiples ventajas, entre ellas se encuentran: [7] Confiabilidad, los equipos operan en mejores condiciones de seguridad, ya que se conoce su estado, y sus condiciones de funcionamiento. Disminución del tiempo muerto, tiempo de parada equipos/máquinas. Mayor duración de los equipos e instalaciones de la empresa. Disminución de existencias en almacén, y por lo tanto reducción de sus gastos, puesto que se ajustan los repuestos de mayor y menor consumo. Uniformidad en la carga de trabajo para el personal de mantenimiento debido a una programación de actividades. Menor costo de reparaciones. 3132 1.2.3 Mantenimiento productivo total (TPM). Este tipo de mantenimiento se basa en la filosofía de que mantener la planta en condiciones óptimas de operación no es responsabilidad única de un pequeño grupo de técnicos o ingenieros, debe ser un compromiso de toda la organización, pues todos los empleados, desde los altos directivos a hasta los operarios se benefician de equipos en condiciones óptimas, por este motivo todos deben buscar la oportunidad de participar en este proceso de conservación. Es necesario asegurar que se mantenga la capacidad productiva en una empresa, pues se garantiza la competitividad y la estabilidad de la fuente de trabajo de todos los empleados, por esto, sin importar que cargo o qué función se tenga en la empresa, todos deben estar en busca de oportunidades para preservar los equipos, aparatos y todo aquello que hacen parte del sistema productivo. Todos los funcionarios desde de su cargo dentro de la empresa deben actuar asumiendo un rol en las operaciones de mantenimiento, bajo la premisa de que se debe atender las prioridades del mantenimiento en forma oportuna y eficiente [6]. Este tipo de mantenimiento se fundamenta en la solidaridad, colaboración, iniciativa propia, sensibilización, trabajo en equipo, etc. El mantenimiento TPM se basa una serie de actividades ordenadas que al ser ejecutas buscan ayudar y mejorar la competitividad de una empresa. En la Figura 3 se muestran los ocho pilares en los que se basa esta estrategia, y se explican brevemente a continuación [6]. 3233 Figura 3. Ocho pilares del TPM Fuente: tomado de [6]. I. Mejoras enfocadas; mejoramiento continuo (Kobetsu KAISEN): Incrementar la eficiencia global de la producción a través de la eliminación de pérdidas relacionadas con los equipos y los procesos, manteniendo un trabajo seguro y agradable. II. Mantenimiento Autónomo: su objetivo es establecer, mejorar y sostener las condiciones básicas de los equipos por medio de las actividades de limpieza, lubricación y ajustes correctos, a cargo de los operadores. III. Mantenimiento planeado y programado: Cumple un papel importantísimo en la eliminación de las pérdidas, ya que busca desarrollar las condiciones óptimas del funcionamiento de los equipos. IV. Entrenamiento: Formar al personal para que responda positivamente al cambio que trae TPM. Esta formación buscara nuevas habilidades y conocimiento que sirvan de soporte a la filosofía TPM. 3334 V. Establecimiento de una administración inicial de los sistemas para el desarrollo de nuevos productos y nuevos equipos (Control Inicial): Encontrar las vías más eficientes para desarrollar nuevos productos y llevar a cabo inversiones en productos, de tal manera que se obtengan productos más factibles de producir con equipos más fáciles de mantener. VI. Mantenimiento de Calidad: mantener y mejorar constantemente la calidad del producto a través del efectivo mantenimiento del equipo para alcanzar a lograr la meta de cero defectos en la producción. VII. Seguridad y medio ambiente: Busca que los diferentes procesos productivos de la empresa, generen menos impacto ambiental, mayor prevención de accidentes en los lugares de trabajo y eliminar por completo las fuentes de contaminación. VIII. TPM en oficinas: Lograr que las mejoras lleguen a la gerencia de los departamentos administrativos y actividades de soporte y que no solo sean actividades en la planta de producción. A continuación de nombran algunos de los objetivos más relevantes del mantenimiento TPM: Reducción de averías en los equipos. Reducción de tiempo de espera y de preparación de los equipos. Utilización eficaz de los equipos existentes. Control de la precisión de las herramientas y equipos. Promoción y conservación de los recursos naturales y economía de los recursos energéticos. Formación y entrenamiento del personal. Obtención de resultados tangibles significativos. 3435 1.2.4 Mantenimiento predictivo. El mantenimiento predictivo se basa en establecer una relación entre una variable física y el desgaste o estado de una pieza o máquina, mediante el monitoreo de las condiciones de operación con el fin de detectar fallas sin interferir en el funcionamiento del equipo y evitando que alcancen afectar o detener la producción. De manera general, el procedimiento a realizar sería: realizar un monitoreo planificado y programado de la máquina a pleno funcionamiento, para determinar su condición técnica (mecánica y eléctrica) real, de manera que, basados en estas mediciones, seguimiento y monitoreo, se obtenga una tenencia de las variables de estado o condición del equipo, las cuales son determinadas por variables como temperatura, frecuencia, velocidad, aceleración, movimiento, desplazamiento, deformación, espesor, presión, ruido, ph, concentración, viscosidad y humedad. De esta forma se establecen, definen y gestionan valores de pre-alarma y se actúa sobre los parámetros que se considera medir y gestionar. Figura 4. Tendencia de un valor de amplitud de vibración de un cojinete Fuente: tomado de [8]. 3536 Toda la información que se reúne con el seguimiento y el monitoreo de los equipos es utilizada en algoritmos matemáticos que, agregados a las operaciones de diagnóstico arrojaran información referente a las condiciones de los equipos, permitiendo calcular o prever, con algún margen de error, cuándo pueden fallar. La Figura 4 muestra la tendencia alcista de la vibración en un cojinete, en cierto punto es necesario reemplazar el cojinete o de lo contrario terminará fallando. El vertiginoso crecimiento del mantenimiento predictivo se debe a un concepto erróneo que se manejaba en los departamentos de mantenimiento cuando implementaban mantenimiento preventivo, pues la probabilidad de falla frente al tiempo de uso de la máquina era basado únicamente en curvas de bañera (como la que muestra en la Figura 5), ignorando que la vida útil de la mayoría de los componente de un equipo no manifiestan este comportamiento. Figura 5. Curva de bañera. Probabilidad del falla vs. Tiempo Fuente: tomado de [8]. Zona Inicial, de baja fiabilidad, por averías infantiles. Zona de fiabilidad estable, o zona e madurez del equipo. 3637 Zona final, nuevamente de baja fiabilidad, o zona de envejecimiento. Después de realizar estudios estadísticos y de analizar los equipos y las partes que los componen, se ha demostrado que la mayoría de los equipos no cumplen únicamente con la curva bañera, sino que existen 6 tipos de curvas diferentes, las cuales se muestran en la Figura 6. Figura 6. Curvas de probabilidad de falla vs. Tiempo Fuente: tomado de [8]. La mayoría de los equipos y sus elementos tienen un comportamiento que sigue el modelo E (ver Figura 6), donde la probabilidad de falla es constante a lo largo de su vida útil y el modelo F que después de una etapa inicial con una probabilidad de falla infantil, se estabiliza y permanece constante, lo que dificulta identificar el momento en que se debe realizar una revisión sistemática del equipo o sustituir una pieza; por esta razón cobra fuerza el mantenimiento predictivo, pues periódicamente se está realizando un 3738 monitoreo. La Figura 7 muestra el flujo de trabajo implementado en el mantenimiento predictivo. Figura 7. Flujo de trabajo en mantenimiento predictivo Fuente: tomado de [10]. Como se mencionó anteriormente, cuando se realiza mantenimiento predictivo, independientemente de la técnica que se aplique, se está monitoreando una variable física que se relaciona con el estado de la máquina, cuando se realiza el seguimiento a estas variables se busca alcanzar algunos de los siguiente objetivos [8]: Vigilancia: busca determinar si existe algún tipo de problema y es necesario establecer si la condición es buena o mala, y en el caso de ser mala indicar que tan mala es. 3839 Protección: su finalidad es evitar fallas graves, si los valores de la variable monitoreada llegan a valores considerados peligrosos el equipo se debe parar. Diagnóstico de fallas: identificar el problema específico que presenta el equipo. Pronóstico: estimar que tanto tiempo puede trabajar la maquina sin riesgo de una falla catastrófico Ventajas del mantenimiento predictivo. Una de las grandes ventajas que tiene el mantenimiento predictivo frente a los otros tipos de mantenimiento, es que no es necesario realizar grandes desmontajes, y en la mayoría de los casos ni siquiera parar la producción; si se observa algo irregular se propone y se programa una intervención, anticipándose a la falla antes de que se convierta en catastrófica. A continuación, se exponen otras ventajas del mantenimiento predictivo. A pesar de requerir grandes inversiones iniciales, a largo plazo es más económico. Disminuye sustancialmente las fallas imprevistas, dado que se monitorea la condición del equipo constantemente. Disminuye en costo de inspecciones, dado que por medio del monitoreo se determina el estado de gran parte del equipo. Disminuye la mano de obra, repuestos y probablemente tiempo de reparación, porque permita hacer una programación más exacta. Disminuyen costos de aseguramiento de equipos. Cuando una empresa decide implementar un plan de mantenimiento predictivo, está en la búsqueda constante de cumplir los siguientes objetivos [10]: 3940 Prevención de fallas catastróficas: grandes ahorros al evitar que las fallas lleguen a ser catastróficas, identificándolas y programando las reparaciones. Aseguramiento de la calidad: este aseguramiento se le hace mediante criterios de aceptación para nuevas instalaciones y equipos reparados. Inventario de repuestos justo a tiempo: al reducirse lo riesgos se permite implementar el justo a tiempo, los repuestos y su costo en stock se reducen. Prevención del mantenimiento basado en el calendario (preventivo): al recopilar datos, comparar con los históricos y hacer las tendencias se puede saber el estado real del equipo, basados en esta información se puede programar el mantenimiento del equipo. Incremento del tiempo entre fallas (MTBF): está comprobado que con las técnicas de mantenimiento predictivo este tiempo se eleva. Ahorros de energía: cuando las maquinas trabajan de manera ineficiente se pierde entre un 5% y un 15%, cuando la falla se detecta a tiempo y se hacen las respectivas correcciones estos valores disminuyen considerablemente. Mantenimiento proactivo: después de hecha la reparación y determinar la causa de la falla, se revisa o rediseña la instalación de la máquina aumentando su vida útil y minimizando la frecuencia de reparación Técnicas de mantenimiento predictivo. Existen varias técnicas para realizar mantenimiento predictivo, y se pueden clasificar en técnicas sencillas, de fácil realización, y técnicas que requieren de ciertos conocimientos y equipos sofisticados. Dentro de las primeras estarían las inspecciones visuales de los equipos, las tomas de datos con instrumentación instalada de forma permanente (termómetros, manómetros, caudalímetros, medidas de desplazamiento o vibración, etc.). Dentro de técnicas complejas se destacan: análisis de vibraciones, termografía, análisis de aceite, inspecciones 4041 boroscópicas y el análisis por ultrasonido. Éstas técnicas se describen a continuación. Análisis de vibraciones. Esta técnica de mantenimiento predictivo utiliza el parámetro de la vibración mecánica para determinar la condición de una máquina; se aplica en la mayoría de los casos a equipos rotativos y consiste básicamente en detectar las fallas realizando un análisis de los niveles de vibración representados en el dominio de la frecuencia. El fundamento bajo el cual se elabora un diagnóstico de la condición mecánica de una máquina a la que se le realiza análisis de vibraciones se basa en que, las fallas que en ella se originan generan fuerzas dinámicas que alteran su comportamiento vibratorio. Para aplicar ésta técnica de manera eficaz, obtener conclusiones representativas y que el diagnóstico sea acertado, es necesario conocer varios datos de la máquina tales como: la velocidad de giro, el tipo de cojinetes, de correas, número de alabes o de palas, etc., además de hacer una elección correcta de los puntos donde se va a realizar la toma de datos. A continuación se mencionan algunas fallas que son detectadas realizando análisis de vibraciones a maquinas rotativas. [8] Desequilibrios Eje curvado Desalineamiento Problemas electromagnéticos Problemas de sujeción a bancada Holguras excesivas Mal estado de rodamientos y cojinetes Torbellinos de aceite 4142 Resonancia Termografía. La termografía infrarroja es una técnica no destructiva y sin contacto, que está basada en la radiación térmica o energía infrarroja que los cuerpos emiten o reflejan, esta energía se emite en forma de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz a través del aire o por cualquier otro medio de conducción y está en relación directa con su temperatura, es decir cuánto más caliente está el objeto, mayor cantidad de energía emite, y menor longitud de onda tiene esa energía. En general, la emisión se hace en longitudes onda mayor a las que el ojo humano es capaz de captar, es decir el espectro de emisión es infrarrojo y por lo tanto invisible. La termografía por infrarrojos es la técnica mediante la cual se transforma una imagen de infrarrojos en una imagen radiométrica, que permite visualizar las distribuciones superficiales de temperatura y leer los valores de las temperaturas de la imagen; a fin de reunir toda la información térmica de un equipo eléctrico o mecánico, de tal forma que se pueda monitorear bajo condiciones de trabajo normales o anormales, y descubrir posibles problemas que generarán fallas futuras, pues la temperatura es uno de los primeros parámetros observables que pueden indicar la condición de operación de un equipo. En el mantenimiento predictivo la termografía infrarroja tiene una amplia gama de aplicaciones para el control de temperatura y detección de fallas. Se utiliza principalmente en equipos eléctricos, equipos mecánicos, control de procesos, refrigeración, aislaciones de sistemas de fluidos, edificios y estructuras, etc. Las fallas típicas que hacen aumentar la temperatura son la fricción, exceso o falta de lubricante, chispas eléctricas, entre otras. 4243 Análisis de aceites. Se hace control y seguimiento mediante pruebas de laboratorio tales como estudios ferrográficos, los cuales, pueden determinar presencia de contaminantes, su fuente y posibles causas; permitiendo evaluar la condición de los lubricantes usados o los residuos presentes y realizar un diagnóstico sobre la condición de desgaste del equipo y sus componentes, ofreciendo información necesaria para planificar paradas y reparaciones con anticipación, reduciendo los costos y tiempos de parada involucrados. Los objetivos que se buscan cumplir al realizar un análisis de aceites son los siguientes [11]: Control de la degradación del lubricante. Monitorear daño mecánico de componentes. (desgaste). Control de contaminantes por sólidos, fluidos o gases. Verificar que se está usando el lubricante adecuado. Inspecciones boroscópicas. Mediante la implementación de esta técnica se busca realizar inspecciones visuales apoyadas en un equipo óptico en lugares donde el ojo humano no puede llegar, se obtienen imágenes o grabaciones que son determinantes en el análisis posterior. Es una técnica muy importante para realizar inspecciones en partes interna de los equipos sin necesidad de realizar desmontajes, se utiliza ampliamente para la observación de las partes internas de motores térmicos (motores alternativos de combustión interna, turbinas de gas y turbinas de vapor), y para observar determinadas partes de calderas, como haces tubulares o domos. Ultrasonido. Esta técnica se basa en el estudio de las ondas de sonido de alta frecuencia que son producidas por determinados equipos e instalaciones, estas ondas no son audibles para el ser humano pues están fuera del rango de 4344 captación (20Hz a 20 KHz). El análisis de ultrasonido y la detección de estos sonidos de alta frecuencia permiten: Detección de fricción en máquinas rotativas. Detección de fallas y/o fugas en válvulas. Detección de fugas de fluidos. Detección de pérdidas de vacío. Detección de "arco eléctrico". Verificación de la integridad de juntas de recintos estancos. 4445 2. TEMPERATURA Y CALOR Los cuerpos están constituidos por moléculas en movimiento que dependiendo del aumento o disminución de la energía generan una mayor o menor velocidad en la actividad entre ellas, la medida de esta velocidad se denomina temperatura y la energía producida se conoce como calor; por lo tanto la temperatura incrementa o desciende cuando la energía del cuerpo se aumenta o se reduce, teniendo como noción de caliente (mayor temperatura) o de frío (menor temperatura). En el mantenimiento, la variable temperatura tiene un papel relevante, porque permite medir el aumento de la energía producida en un equipo o componente debido a un deterioro de la condición normal de operación, puesto que el calor es un subproducto del trabajo realizado por un sistema mecánico, eléctrico o químico y a continuación se muestran algunos ejemplos de esta medición: En equipos mecánicos aumenta la temperatura debido a la fricción por pérdida de lubricación. En estructuras, las cargas aplicadas incorrectamente ó esfuerzos inadecuados producen un aumento de la temperatura en los puntos con sobre esfuerzo o sobre carga. En equipos eléctricos con mal contacto disipan calor. En transformadores las corrientes parásitas ocasionan calentamiento. En conductores eléctricos las pérdidas de aislamiento disipan calor. 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. 4546 En el ser humano cuando se enferma eleva su temperatura corporal ó del sitio afectado. 2.1 ESCALAS DE TEMPERATURA A través de la historia se han introducido diferentes unidades de medida, las más empleadas son: La escala Kelvin, la escala Celsius, la escala Fahrenheit y la escala Rankine Escala en Kelvin. En 1800 William Thomson (Lord Kelvin) desarrolló una escala termodinámica universal basado en el coeficiente de expansión del gas ideal; estableciendo el concepto del cero absoluto para la termometría actual. Se simboliza con K Escala en Celsius. En 1742 el astrónomo suizo Anders Celsius propuso una escala entre el punto de fusión del hielo y el punto de vapor del agua para determinar una división en 100 partes; desde 1948 esta escala fue revisada y se oficializaron los dos extremos quedando como una escala oficial. Se simboliza mediante ºC Escala en Fahrenheit. El instrumentista alemán Gabriel Fahrenheit creó 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. Se simboliza con ºF. 4647 2.1.4 Escala en Rankine. Es la escala de temperatura termodinámica en el sistema inglés, en honor a William Rankine. Es un equivalente de los Fahrenheit en la escala de Kelvin. Se simboliza R. A continuación, en la Tabla 1, se muestran las equivalencias y conversiones entre escalas de temperatura: Tabla 1. Escalas de medición de temperatura Escala Kelvin (K) Celsius (ᵒC) Fahrenheit (ᵒF) Rankine (R) Punto de congelación 1 Atm Punto de vapor 1 Atm Cero Absoluto Conversión a Kelvin Conversión a Celsius Conversión a Fahrenheit Conversión a Rankine Fuente: Autores , , ,7 0 ᵒ (ᵒ ) ᵒ ᵒ ᵒ ᵒ (ᵒ ) ᵒ ( ) ᵒ ( ) ᵒ ᵒ ᵒ ᵒ ᵒ ᵒ ᵒ 2.2 DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA Los conceptos de temperatura y calor son conceptos diferentes, pero están muy relacionados; por tal motivo se tiene una falsa noción de igualdad; sin embargo, existe una diferencia fundamental (ver Figura 8), el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo y depende de la velocidad, el número, el tamaño y el tipo de partículas; mientras la 4748 temperatura es la medida de dicha energía y no depende ni del tipo, número y tamaño de las partículas. Figura 8. Diferencia entre calor y temperatura. 100 J J = 200 J c 100 K K = 100 K c c Fuente: tomado de [12]. En la figura anterior (Figura 8) se tiene dos recipientes con una cantidad x de un misma sustancia la cual se encuentra a 100 K y 100 J; cuando se mezclan los dos depósitos en otro, se obtiene una cantidad 2x de sustancia con las siguientes características 100 K de temperatura y 200 J de energía. 2.3 PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR La teoría de transferencia de calor o termocinética, es la ciencia que estudia la forma por la cual el calor se propaga desde un cuerpo o sus partes más calientes a otros cuerpos o a sus partes más frías [13]. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se relacionan, la diferencia de temperatura entre ellos hace que el calor fluya de forma espontánea del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta cuando los dos cuerpos alcancen la misma temperatura, es decir, cuando alcanzan el equilibrio 4849 térmico. La transferencia de calor permite cuantificar la velocidad con ocurre este fenómeno. En la Figura 9 se puede ver el flujo de calor entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Figura 9. Transferencia de calor entre dos cuerpos Fuente: tomado de [12] Definición termodinámica del calor. El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. Una interacción de energía es calor sólo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. De ello se deduce que no hay ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentra a la misma temperatura [13]. El calor tiene unidades de energía, y la unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el Joule. Otras unidades empleadas son la caloría, el BTU (British Termal Unit), entre otras. Las dos leyes básicas que rigen el calor son: El primer principio de la termodinámica, la ley de la conservación de la energía: La energía total de un sistema cerrado permanece constante. 4950 El segundo principio de la termodinámica, la ley del sentido del calor: Un sistema cerrado tenderá siempre a equilibrar su temperatura Formas de Transferencia de Calor. El calor se transfiere en tres diferente maneras: conducción, convección y radiación (ver Figura 10). Figura 10. Formas de transferencia de calor Fuente: tomado de [12] Conducción. La conducción de calor es la transferencia directa de la energía térmica desde una molécula caliente a una fría. Esto puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases. Figura 11. Conducción de calor Fuente: tomado de [13]. 5051 Esta transferencia ocurre sin movimiento de masa, y la tasa de conducción de calor (ver Figura 11) se encuentra influida con cuatro factores la sección atravesada por el calor A (m 2 ), la diferencia o gradiente térmico T 1 -T 2 (K), la conductividad térmica del medio k (W/mK) y la longitud de la trayectoria L (m) [13] y se define en la ecuación 1. ( ) (1) En la figura 11 se ilustra la transferencia de calor por conducción, se tiene una varilla donde uno de sus extremos está en contacto con el fuego de la chimenea, esto origina que el calor se desplace del extremo caliente de la varilla al extremo frío, sí alguien la toma por el extremo libre sentirá una temperatura cercana a la punta opuesta. En el ANEXO C se encuentran ejemplos de valores característicos de conductividad térmica Convección. Es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y un líquido o gas adyacente que está en movimiento, e implica los efectos combinados de la conducción y del movimiento de un fluido. Cuando mayor es el movimiento de un fluido, tanto mayor es la transferencia de calor por convección [13]. En la Figura 10, el calor de la estufa causa que el agua dentro de la tetera alcance su punto de ebullición, entonces, el calor es transportado desde el fondo caliente moviendo el agua hasta la cima y luego ésta se enfría al hacerse más fría y densa, se hunde hasta el fondo nuevamente y el proceso se repite. En esta forma de transferencia de calor, sí ocurre el desplazamiento de masa. 5152 Existen dos modos de convección: la convección forzada y la convección libre. Se llama convección forzada cuando el fluido es forzado a cambiar su velocidad de circulación por medios externos como un ventilador, bomba o el viento. En cambio, en la convección libre el movimiento del fluido es provocado por las fuerzas naturales, como el efecto de flotación que puede ser ocasionado por la variación de la temperatura del fluido. En la Figura 12 se pueden observar un ejemplo de los modos de convección. El viento es un ejemplo de convección forzada y el movimiento del agua dentro de la tetera es un ejemplo de convección libre. Figura 12. Ejemplos de convección forzada y convección libre Fuente: tomado de [12]. La tasa de transferencia de calor por convección se determina por la ley de enfriamiento de Newton. Los factores que influyen en la convención se observan en la Figura 13 y se relacionan en la ecuación 2. ( ) (2) Donde, Es la tasa de transferencia de calor por convección (W) ó (J/s). A es la sección atravesada por el calor (m 2 ). 5253 (T 1 T 2 ) es la diferencia o el gradiente térmico (K). h es el coeficiente superficial de transmisión del calor (W/m 2 K). Figura 13. Transferencia de calor por Convección Fuente: tomado de [13]. El valor del coeficiente superficial de transmisión del calor h depende de un gran número de factores: Densidad del fluido. Viscosidad del fluido. Conductividad térmica del fluido. Calor específico del fluido. Coeficiente de dilatación del fluido. Velocidad del fluido. Acaba superficial. Forma de la superficie de intercambio. Como consecuencia del gran número de factores su cálculo es complejo, habitualmente su estimación se hace por medio de tablas (ver ANEXO C). 5354 Radiación. Es la energía emitida por todo cuerpo que se encuentre por encima del cero absoluto de temperatura (0 K ó -273,15 ºC) por ondas electromagnéticas, no necesita un medio material para transferir la energía, es decir, lo hace en el vacío. Cualquier otro medio la entorpece en mayor o menor medida. En esta forma de transferencia de calor, una parte de la energía interna del cuerpo caliente se transforma en energía radiante que se propaga a través del campo electromagnético, convirtiéndose después nuevamente en energía termocinética de las partículas del segundo cuerpo (cuerpo irradiado), cuando a éste lo alcanzan las ondas [13]. (Ver Figura 14) Figura 14. Transferencia de calor por radiación Fuente: tomado de [13]. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o transmiten radiación en diversos grados. Sin embargo, la radiación suele considerarse como un fenómeno superficial en sólidos opacos a la radiación térmica. La tasa de radiación máxima que puede emitirse desde una superficie a una temperatura absoluta T s está dada por la ley de Setefan- Boltzmann [13]. 5455 (3) Donde, Tasa de radiación máxima (W/m 2 ) σ Constante de Stefan-Boltzmann = 5, W/m 2 K 4 T Temperatura absoluta del cuerpo (K) La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura entonces, se expresa como: (4) Donde, ε Emisividad del material (adimensional) Emisividad (ε) es la propiedad de un material de emitir radiación infrarroja, cuyo valor está en el intervalo de 0 ε 1 donde la emisividad máxima ε=1 es la del cuerpo negro. El valor de la emisividad varía según las propiedades de la superficie, del material y para algunos materiales según la temperatura del objeto medido. Para algunos materiales no metálicos como el PVC, el hormigón y sustancias orgánicas tienen una elevada emisividad (ε 0.8 a 0.95) y no dependen de la temperatura. Los metales sobre todo aquellos con superficie brillante, tienen baja emisividad que fluctúa con la temperatura [14]. (Ver ANEXO A) 5556 2.4 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA RADIACIÓN INFRARROJA La porción del Espectro Electromagnético que los ojos humanos pueden ver es pequeña con respecto a todo el rango que incluye todos los tipos de radiación desde los rayos X usados en los hospitales hasta las ondas de radio usadas para la comunicación. Espectro Electromagnético. El espectro electromagnético se refiere a un mapa de los diferentes tipos de energía de radiación y sus correspondientes longitudes de onda (ver figura 16) [9]. La longitud de onda es definida como la distancia existente entre dos crestas o valles consecutivos de una onda (Ver Figura 15). Figura 15. Longitud de onda Fuente: Autores. 5657 Figura 16. Espectro electromagnético Fuente: tomado de [9] y [12]. A continuación, se describen las diferentes bandas del espectro electromagnético Ondas de radiofrecuencia. Son ondas con longitudes de onda larga desde muchos kilómetros hasta menos de 30 cm, la frecuencia varía desde algunos Hertz hasta 10 GHz. Son empleadas en telecomunicaciones e incluyen las ondas de radio y televisión. 5758 Microondas. Se utilizan en las comunicaciones, para la transmisión de datos y en dispositivos como radares, también son empleadas en los hornos microondas. La frecuencia de las microondas se encuentran entre los 1 GHz hasta aproximadamente 300 GHz, con longitud de onda de 30 cm a 1 mm Infrarrojo. La radiación infrarroja se asocia con los cuerpos que generan calor porque todo cuerpo que tenga una temperatura superior al cero absoluto emite rayos infrarrojos y estos serán mayores si el cuerpo se encuentra a una mayor temperatura. La banda infrarroja se localiza entre 300 GHz hasta aproximadamente 400 THz, esta banda se divide en cuatro regiones: IR Próximo, se encuentra en el intervalo de longitud de onda desde 780 nm hasta 2500 nm. IR Intermedio, se encuentra en el intervalo de longitud de onda desde 2500 nm a 6000 nm. IR lejano, se encuentra en el intervalo de longitud de onda desde 6000 nm a nm. IR extremo, se encuentra en el intervalo de longitud de onda desde nm a 1 mm Luz visible. Es la banda del espectro electromagnético que los las ondas electromagnéticas son capaces de estimular el ojo humano. La longitud de onda se encuentra en el intervalo de 400 nm a 800 nm. Sus frecuencias van desde 384 THz hasta 769 THz. 5859 Ultravioleta. Comprende frecuencias desde 800 THz hasta los 34 PHz. La fuente natural e importante es el Sol. Los rayos ultravioleta fueron descubiertos Johann Wilhelm Ritter en Estos rayos tienen la energía que produce la ionización de átomos y como consecuencia se forma la ionosfera en la Tierra. Con longitud de onda de 400 nm a 8 nm Rayos X. Los rayos X fueron descubiertos por el físico William Roentgen en La región de los rayos X va desde los 24 PHz a los 5 EHz. La longitud de onda está entre 10 nm a 0,1 nm. Esta radiación electromagnética es capaz de atravesar cuerpos opacos. Son peligrosos para la vida: una exposición prolongada puede producir cáncer Rayos Gamma. Su radiación es muy peligrosa para los seres vivos. Fueron descubiertos por Henry Becquerel en 1876 y son producidos por elementos radioactivos. La longitud de onda se encuentra entre los 6 pm y 0,03 pm. En el espectro estos rayos tiene una frecuencia desde los 50 EHz hasta aproximadamente 10 ZHz Fundamentos de la radiación infrarroja. En el año de 1840 los señores William y Jhon Herschel determinaron el ancho de banda para las diferentes franjas del espectro infrarrojo, que se limita entre 0,01 µm y 100 µm de longitud de onda. En 1860 Kirchoff demuestra que la capacidad que tienen los cuerpos para emitir es la misma que tienen para absorber energía radiante. El término cuerpo negro es un cuerpo imaginario que absorbe toda la radiación térmica que recibe en cualquier longitud de onda. 5960 En 1879 Stefan concluye a partir de experimentos que la energía total irradiada por un cuerpo negro es función directa de la cuarta potencia de su temperatura absoluta. En 1884 Boltzmann llegó a la misma conclusión. Esto es conocido como la Ley de Stefan-Boltzmann: (5) Donde, W Potencia emisiva superficial σ Constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x10-8 W/cm 2 K 4 ) T Temperatura Otra ley de la radiación es la ley de Wien que es conocida como la Ley de desplazamiento; fue formulada por Wilhelm Wien en 1884 de forma empírica. Esta ley establece la relación entre la temperatura y la longitud de onda donde ocurre la máxima emisión de energía: ( ) (6) Donde, λ Longitud de onda T temperatura Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro menor es la longitud de onda en la cual emite. En la Figura 17 se muestra una gráfica de Longitud de Onda Vs Energía Radiada por un objeto a diferentes temperaturas, con una mayor temperatura el pico de energía ocurre en una la longitud de onda más corta, por el contrario a bajas temperaturas el pico de energía se produce en una longitud de onda larga. 6061 Figura 17. Longitud de onda Vs Energía Radiada Fuente: tomado de [15]. En 1900 Max Planck anunció otra ley de la radiación denominada la Ley de Planck que establece la distribución de la potencia radiada por un cuerpo negro a lo largo del espectro. ( ( ) ) (7) Donde, W λ T h c σ Potencia emisiva superficial Longitud de onda Temperatura Constante de Planck 6,626x10-34 J.s Velocidad de la luz en el vacío 2,997x10 8 m/s Constante de Stefan-Boltzmann Para varias temperaturas se produce una familia de curvas, cuanto más alta es la temperatura menor es la longitud de onda para la cual W es máxima. 6162 Radiación incidente. La radiación incidente es toda la radiación que llega a un cuerpo procedente de su entorno [12] (ver Figura 18). Para una misma longitud de onda λ se tiene que el balance de la radiación incidente de un cuerpo es dado por la ecuación 9 y contribuyen tres procesos que dependen de la habilidad de los cuerpos de: Absorber, llamada absortividad Reflejar, llamada Refletividad Transmitir, llamada Transmisividad La suma de los tres procesos es siempre uno (ver ecuación 8) (8) Figura 18. Balance de la radiación incidente de un cuerpo Fuente: tomado de [12]. Cuando la radiación incidente (W INCID ) alcanza la superficie de un cuerpo corren tres cosas, parte la radiación será absorbida y el cuerpo la retiene, esta se conoce como Radiación Absorbida (Wα) en la Figura 18. La segunda llamada 6263 Radiación Reflejada (Wρ), será reflejada y no afecta al cuerpo de ninguna forma. La última es la Radiación Transmitida (Wτ) que atraviesa el cuerpo sin afectarlo en lo absoluto. En la ecuación 9 se contabiliza toda la energía incidente y se puede notar que la energía no se crea ni se destruye. (9) Un cuerpo negro ideal absorberá el 100% de la radiación incidente, lo que significa que ni refleja ni transmite ninguna radiación. Es decir que: (10) (11) Radiación saliente. La radiación saliente es toda la radiación que abandona la superficie de un cuerpo, independientemente de su fuente original [12]. La radiación incidente y la radiación saliente son diferentes porque en la primera no interesa la fuente de donde proviene la radiación, sólo que no viene del mismo cuerpo, mientras tanto en la segunda se analiza la radiación procedente de tres fuentes específicas. La primera componente de la radiación saliente es la radicación emitida (Wε) que es la capacidad del cuerpo de emitir por sí mismo en todas las direcciones y la cantidad de radiación emitida depende de la temperatura y la emisividad del cuerpo (ver Figura 19). 6364 Figura 19. Un cuerpo emite radiación térmica en todas las direcciones Fuente: tomado de [12]. Las otras dos fuentes de radiación son cuerpos que se encuentran detrás o frente del cuerpo, éste reflejara su radiación o permitirá el paso de la radiación a través de él. Por lo tanto, la radiación total saliente de un cuerpo proviene de diferentes componentes: Emitida por el objeto por sí mismo. Reflejada desde una fuente externa al cuerpo. Transmitida, desde una fuente detrás del objeto. Lo anterior se expresa en la ecuación 12: (12) En la Figura 20 se tienen las tres fuentes de radiación, la del cuerpo objetivo por sí mismo, una fuente delante, y otra detrás de él. Sí se mira al cuerpo de derecha a izquierda. La radiación saliente del cuerpo es una combinación de la radiación emitida por él mismo, la de fuente de calor que se refleja en el cuerpo (radiación reflejada), y la originada por la fuente posterior al cuerpo y pasa a través de él (radiación transmitida). 6465 Figura 20. Las tres fuentes de radiación saliente de un cuerpo Fuente: tomado de [12]. La magnitud de las componentes de la radiación reflejada y radiación transmitida, depende de la reflectividad y transmisividad del cuerpo y la radiación proveniente del objeto depende de la temperatura y emisividad de él. La capacidad de un cuerpo para absorber energía en forma de radiación incidente siempre coincide con su capacidad para emitir su propia energía como radiación [12]. Lo anterior se relaciona en la ecuación: (13) Entonces, el balance de radiación saliente de un cuerpo dependerá de la capacidad del cuerpo y su suma es: (14) Un cuerpo negro emite el 100% de su energía, lo que significa que no existe ningún otro objeto que sea capaz de emitir más energía. Por consiguiente, sus características son: 6566 (15) (16) En la vida real los objetos pueden poseer todas las características, es decir, la habilidad de emitir, absorber, reflejar y transmitir radiación infrarroja, aunque la mayoría de cuerpos sólidos no transmiten porque son opacos, esto significa: (17) Por consiguiente, la radiación saliente solo tiene dos componentes la radiación reflejada y la radiación emitida, por lo tanto: (18) Los objetos reales no son cuerpos negros, entonces, la emisividad de los cuerpos es diferente a uno (ε 1) y la componente de reflexión sí existe, es decir, es diferente de cero (ρ 0). Lo anterior expresa que sólo se consideran dos fuentes de radiación (la emitida por objeto en sí mismo y la reflejada por el entorno) en la medición de temperatura por medio de la radiación infrarroja (ver Figura 21), por lo tanto el balance de la radiación saliente se encuentra definido por la ecuación 19. (19) Es importante comprender que la radiación saliente proviene de dos fuentes diferentes y esto permite interpretar correctamente la información suministrada por la medición de la radiación infrarroja de un cuerpo. Sí el cuerpo no es opaco se deben hacer otras consideraciones para la medición de temperatura. 6667 Figura 21. Radiación saliente en un cuerpo opaco Fuente: tomado de [12]. 2.5 SISTEMAS PARA LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA Actualmente existen diversos tipos de sistemas para la medición de temperatura, aprovechando los efectos producidos por la temperatura en los diferentes materiales Medición por Expansión Térmica. Este tipo de sistemas aprovecha la variación de las dimensiones de un material o la variación de la presión de un fluido. Entre estos sistemas encontramos los termómetros Termómetro de Bulbo y Capilar. Consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo [16]. Hay cuatro clases: 6768 Clase I: Termómetros actuados por líquido (Alcohol y Éter). Clase II: Termómetros actuados por vapor (Líquido Volátil). Clase III: Termómetros actuados por Gas. Clase IV: Termómetros actuados por Mercurio (ver Figura 22). Figura 22. Termómetro de Mercurio. Fuente: tomado de [9] Termómetro Bimetálico. Se fundamentan en el distinto coeficiente de dilatación de 2 metales diferentes, como acero y una aleación de ferro níquel, laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices [16]. Figura 23. Termómetro Bimetálico Fuente: tomado de [9] 6869 2.5.2 Medición por Propiedades Termoeléctricas. Los sistemas de medición aprovechan la dependencia de la resistencia eléctrica de metales, aleaciones y semiconductores con la temperatura RTD (Detector Resistivo de Temperatura). Es un hilo metálico de Platino, Cobre o Níquel que varía su resistencia óhmica con la temperatura, en relación con su coeficiente de temperatura α, La variación de la resistencia se expresa en la ecuación 20. ( ) (20) Rt Resistencia en Ω a T ºC. Ro Resistencia a la temperatura de referencia T 0 en Ω a 0 ºC. ΔT es la desviación de temperatura respecto a T 0 ( ) Poseen una configuración de 2, 3 ó 4 hilos dependiendo de la distancia entre el punto de medición y el instrumento receptor [16]. Figura 24. RTD. Fuente: tomado de [16] 6970 Termistor. Es un resistor variable con la temperatura basada en semiconductores con Coeficientes de Temperatura Negativo (NTC) y Positivo (PTC). Los semiconductores están fabricados con óxido de metal y cerámicas. La relación entre la temperatura y la resistencia se relaciona en la ecuación 21. ( ) (21) Rt Ro β Resistencia en Ω a una temperatura Ts ºC. Resistencia en Ω a una temperatura de referencia To ºC. Coeficiente de temperatura. Figura 25. Diferentes tipos de termistores. Fuente: tomado de [16] Termopares o Termocuplas. Una termocupla se encuentra construida con dos alambres de diferente material unidos en un extremo (generalmente soldados). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts, el cual aumenta con la temperatura. La circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados: 7071 Efecto Peltier: Liberación o absorción de calor en la unión de 2 metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión. Efecto Thomson: Liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas [16]. Figura 26. Termocupla o termopar Fuente: tomado de [9] Medición por Propiedades Fisicoquímicas. La medición de la temperatura se basa en la capacidad de una sustancia para cambiar de color (reversiblemente) con la temperatura esto se llamado termocromismo. El termocromismo surge como consecuencia de la reorganización a nivel molecular por diferentes motivos entre ellos cambios en la geometría, transiciones de fase, equilibrio entre estructuras moleculares distintas, entre otras [9] Pinturas Térmicas. Las Pinturas son recubrimientos sensibles a la temperatura utilizados para medir e identificar valores de temperatura en superficies por medio de cambios irreversibles en su color. Las principales ventajas de las pinturas [9]: 7172 Reacción Rápida Excelente funcionamiento en sustancias tanto normales como hostiles Ideales para la elaboración de estudios y perfiles térmicos. Un claro contraste de colores Resistentes al aceite al vapor y al agua No requieren aditivos. Existen pinturas observa en la Figura 27. de un solo cambio o pinturas de multicambios como se Figura 27. Pinturas Térmicas Fuente: tomado de [9] Medición por radiación infrarroja. Los sensores de temperatura basados en la medición de la radiación infrarroja son utilizados para medir la temperatura de un objeto sin necesidad de hacer contacto directo con él. Se basan en el principio que cualquier objeto emite una cantidad de energía que es función de su temperatura. 7273 Pirómetro óptico. En el pirómetro óptico el filamento de la lámpara desaparece al momento de compararlo visualmente con la imagen del objeto caliente enfocado, controlando la corriente de la lámpara hasta que el filamento de la misma deje de verse sobre el fondo de dicho objeto. El sistema óptico mide la zona roja del espectro de temperaturas mayores a 700 ºC, donde la radiación visible emitida es significativa [16]. Figura 28. Pirómetro óptico Fuente: tomado de [16] Pirómetro de Radiación. Se denomina así porque captura la radiación infrarroja emitida por los cuerpos calientes y a partir de ella calcula su temperatura. Su funcionamiento se inicia cuando la lente enfoca el objetivo el cual emite radiación infrarroja; la temperatura alcanzada por el elemento depende de la radiación total recibida y la conducción de calor de las áreas cercanas al elemento. Se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann. Se emplean para medir temperaturas mayores de 550 ºC hasta un poco más de 1600 ºC [9]. 7374 Figura 29. Esquema de un pirómetro de radiación. Fuente: tomado de [9] 7475 3. TERMOGRAFÍA INFRARROJA Aunque la termografía infrarroja no es una tecnología nueva, ha tenido gran crecimiento y difusión en diversos campos en los últimos años porque permite hacer medición sin contacto, basados en la teoría de radiación térmica. Además, los avances en la electrónica han permitido diseñar equipos portátiles, económicos y de fácil manejo (ver Figura 30). Figura 30. Inspección termográfica de una línea de alta tensión Fuente: tomado de [17] Como ya se ha dicho esta técnica está basada en la teoría de radiación, lo cual permite a la visión humana extenderse a través del espectro infrarrojo. La Norma ASTM E1316 [22] define la termografía como: el proceso de mostrar la temperatura real (variaciones de temperatura o emisividad, o ambas) sobre la superficie de un objeto o un ambiente por medio de la medición de las variaciones de la radiación infrarroja. Por medio de esta técnica se puede obtener una imagen térmica llamada termograma, en la cual se obtiene la distribución térmica de todos los 7576 componentes de un sistema y establece la temperatura presente en cada punto de la superficie del objeto ya sea estacionario o en movimiento de forma instantánea y a una distancia segura, lo cual es de gran importancia cuando existen altas temperaturas, gases venenosos, corriente eléctrica, entre otras situaciones, que son de alto riesgo en el sitio donde se realiza la medición. Otra cualidad de esta técnica, es que las inspecciones pueden realizarse sin pérdida o reducción de la productividad porque se realizan en pleno funcionamiento del sistema. La aplicación de la técnica de termografía infrarroja se puede aplicar mediante dos diferentes métodos, técnica activa y la técnica pasiva. 3.1 TERMOGRAFÍA ACTIVA La termografía activa necesita de una estimulación externa (fuente de radiación infrarroja externa) que incida en el objeto de estudio y que produzca en él un flujo de calor, estas estimulaciones sirven como perturbaciones de flujo de calor sobre la superficie del objeto, de manera que, un defecto interno puede alterar ese flujo, provocando una distribución anómala de la temperatura, generando patrones de temperatura en la superficie, los cuales se pueden medir y estudiar para establecer el estado del objeto. 3.2 TERMOGRAFÍA PASIVA La termografía pasiva no necesita de una estimulación externa para inspeccionar un objeto, el propio objeto a estudiar por su funcionamiento, o por la interacción con su entorno, genera o elimina calor, produciendo patrones 7677 de temperatura que se pueden medir, de esta manera un defecto se podría determinar con una distribución anormal de temperaturas. 3.3 TERMOGRAMA Un termograma es una imagen térmica, producto de la captura de emisiones naturales de radiación, por medio de un equipo que integra una combinación de, sistemas de video, termómetros ópticos por radiación infrarroja y complejos algoritmos; en esta imagen térmica se puede observar la diferenciación de colores del cuerpo estudiado, con el fin de realizar de determinar y leer en forma precisa las temperaturas de la imagen. La norma ASTM E1316 [22] define un termograma como: una imagen que indica la temperatura real de un objeto o ambiente en un patrón correspondiente a contraste o color. (Ver Figura 31) Figura 31. Termograma de un breaker Fuente: tomado de [12] 7778 3.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Hoy en día, la termografía infrarroja tiene un rol muy importante en muchas áreas, especialmente en la industria, y cuando es aplicada de manera correcta, presenta muchas ventajas, dentro de las cuales tenemos: Ofrece un patrón térmico completo de la situación en tiempo real. No requiere contacto, no es destructiva ni intrusiva. Identifica y localiza las anomalías térmicas. Almacena la información térmica. Permite un análisis detallado. Claro está, la termografía infrarroja también presenta un conjunto de desventajas que se deben conocer y evaluar a la hora de definir si ésta técnica es la adecuada para nuestra aplicación, las principales se mencionan a continuación: Capacidad limitada para identificar defectos internos, cuando el defecto no se manifieste externamente por aumento de temperatura. Los reflejos solares o superficies brillantes pueden enmascarar o confundir defectos, pero son detectables por software y corregibles por el operario. El costo inicial para la compra del equipo es alto, se debe realizar un análisis costo-beneficio con el fin de elegir entre comprar el equipo o contratar el servicio. Se necesita de personal capacitado para el manejo del equipo y para realizar el diagnóstico. 7879 3.5 APLICACIONES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA La termografía infrarroja apoyada en la física y en los grandes avances tecnológicos transforma mediciones de radiación infrarroja en mediciones de temperatura, lo que permite saber la temperatura a la cual está una superficie, sin necesidad de entrar en contacto con ella. Las cámaras termográficas o de termovisión tienen como señal de entrada la radiación infrarroja y generan una imagen de un espectro de colores, en el que cada una de ellos representa una temperatura diferente según una escala de color. En un principio las cámaras termográficas se utilizaban en aplicaciones militares, luego grandes empresas productoras se dieron cuenta que la termografía podía proporcionar información muy valiosa, lo que motivo que los departamentos de investigación y desarrollo de esas mismas empresas empezaran a trabajar e innovar en el uso de la termográfica infrarroja. Hoy en día el campo de aplicación de la termografía infrarroja va mucho más allá de la simple toma de medidas de temperaturas. A continuación se mencionan algunas aplicaciones de esta técnica Mantenimiento con termografía infrarroja. La termografía infrarroja, y su aplicación para el mantenimiento preventivo y predictivo, son de gran importancia en la industria actual, a continuación se mencionan algunas de estas aplicaciones: Sistemas eléctricos Sistemas mecánicos Construcción Hornos y calderas 7980 Visualización de flujo Tanques y depósitos Usos y aplicaciones en sistemas eléctricos. La termografía infrarroja se utiliza en este campo para detectar anomalías y fallas, como por ejemplo: En sistemas de alta tensión Oxidación de conmutadores de alta tensión. Conexiones mal fijadas. Defectos de aislantes. Conexiones sobrecalentadas. Inspección en líneas de alta tensión. Conexiones de alta tensión defectuosos. En sistemas de baja tensión Conexión de alta resistencia. Daños en fusibles internos. Mala conexión y daños internos. Corrosión de conectores. Fallos en interruptores internos. Conexiones de cables sueltos. 8081 Figura 32. Inspecciones en líneas de alta tensión. Fuente: tomado de [18] Usos y aplicaciones en sistemas mecánicos. Al igual que en los sistemas eléctricos, en los sistemas mecánicos, la termografía infrarroja es utilizada para detectar fallas mediante inspecciones periódicas. La siguiente lista contiene algunas fallas que se pueden evitar o descubrir mediante termografía infrarroja. Sobrecalentamiento de motores Bombas sobrecargadas Cojinetes calientes Rodillos sospechosos Eje de motor sobrecalentado Figura 33. Bomba sobrecargada Fuente: tomado de [18]. 8182 Usos y aplicaciones en construcciones. Mediante la termografía infrarroja es posible también detectar múltiples problemas en edificaciones, como los que se listan a continuación: En estructuras de edificios. Inspección de pérdida de energía térmica para edificios. Evaluación de la humedad para edificios Inspecciones de integridad del concreto Inspecciones en pisos sobrecalentados, localización de fugas y distribución de temperatura. Localiza aislamiento dañado o escaso Identifica pérdidas o fugas de energía Localiza cables, conductores o tuberías sobrecalentadas. Figura 34. Determinación de puntos calientes por malos aislantes Fuente: tomado de [18] 8283 En sistemas de techado. Detección de goteras para edificios y naves industriales. Identifica de manera rápida y eficiente, partes de techos dañados por el agua. Documenta problemas antes de que las garantías u obligaciones expiran Aplicaciones ambientales. Localización de áreas de acumulación de desechos antiguos. Localización de tanques bajo tierra en zonas industriales Localiza daños en arquitecturas y/o esculturas Uso y aplicaciones aéreas. La termografía infrarroja es utilizada para ayudar a los pilotos a aterrizar, pues aumenta su capacidad para ver la tierra y otros aviones a grandes distancias, aún en la oscuridad total, con niebla ligera. Polvo o humo Uso y aplicaciones médicas. En la medicina la termografía es aceptada como una herramienta precisa y fiable para la evaluación y diagnóstico médico, es posible detectar quemaduras, ulceraciones cutáneas e injertos, pues éstas producen cambios en la conductividad térmica de la piel. Otras aplicaciones son, detección temprana el cáncer de piel, tratamiento para el dolor, evaluación de profundidad de quemaduras, detección de fiebre y cirugías a corazón abierto, entre otras. 8384 Figura 35. Detección de enfermedades cutáneas por termografía Fuente: tomado de [19] Otras aplicaciones Automóviles y barcos: Mejora la visión nocturna de conductor Localización de incendios. Misiones de búsqueda y rescate. Control de calidad Monitoreo de procesos Veterinaria (similar a las aplicaciones en medicina). 3.6 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TERMOGRAFÍA Una de las características más importantes de los sistemas termográficos es que, basados en la teoría de la radiación pueden sensar la temperatura de manera remota (sin contacto) y a partir de esto, obtener características térmicas de un cuerpo o un sistema. Para poder obtener información de interés, la adquisición de los datos es realizada por sensores que proporcionan toda la información necesaria sobre el objeto o sistema estudiado; 8485 posteriormente, los datos sensados son procesados digitalmente aplicando una serie de algoritmos que permitirán obtener la imagen térmica del objeto. Partiendo de lo descrito anteriormente podemos inferir que los elementos que componen un sistema termográfico son (Ver Figura 36): Fuente de radiación u objeto: esta parte la conforman el cuerpo principal al que se desea estudiar y los demás cuerpos que están dentro del campo visual del sensor. Trayectoria de transmisión: hace referencia al medio a través del cual se propagan las ondas electromagnéticas, y determinan las bandas de transmisión en el espectro. Sensor y subsistema de procesamiento: son quizás los elementos más importantes, los resultados que se obtengan serán de gran utilidad dependiendo del sensor y el subsistema de procesamiento que se elijan para la aplicación. La cámara infrarroja es el equipo más utilizado en mantenimiento predictivo pues ofrece una gran cantidad de ventajas. Figura 36. Elementos de un sistema de termografía. Fuente: Autores. 8586 3.7 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS TERMOGRÁFICOS Los sistemas de termografía cuentan con una serie de características tecnológicas que varían de acuerdo a la aplicación, estas características determinan la calidad de la información que se obtiene para su posterior interpretación. Algunas de las características de un sistema termográfico se mencionan a continuación: Alta resolución en temperaturas: tan fina como 0.1 C Amplia resolución espacial: se pueden medir temperaturas en áreas tan pequeñas como 100 hasta en amplias regiones espaciales. Precisión: ± 2 C ó ± 2 % de la lectura Medición en un amplio rango de temperaturas: -20 C hasta 2500 C. Seguridad y velocidad en las inspecciones. Exactitud para localizar problemas. Software para el análisis de termogramas. 3.8 CÁMARA TERMOGRÁFICA Una cámara termográfica es un equipo complejo que tiene como función medir la emisión natural de radiación infrarroja de un objeto, determinar su temperatura y generar una imagen térmica, realizando un procesamiento digital de las señales sensadas. La Figura 37 muestra una cámara termográfica FLIR T87 Figura 37. Cámara termográfica FLIR T200 Fuente: FLIR Systems. Las cámaras termográficas actuales son portátiles, muy fáciles de manejar y con una velocidad de respuesta alta (en el orden de los milisegundos o microsegundos); la imagen que se produce es presentada en la pantalla de la cámara como una imagen en colores, donde cada color representa un nivel térmico de la superficie Clasificación de las cámaras termográficas. Existen varias formas de clasificar las cámaras termográficas dentro de las cuales tenemos: Según su respuesta espectral. Esta clasificación se realiza estableciendo las longitudes de onda que la cámara termográfica puede captar, la Tabla 2 muestra esta clasificación. Tabla 2. Respuesta espectral cámaras termográficas Onda Corta: 0.8 µm a 2.5 µm Onda Media: 2.5 µm a 5.5 µm Onda Larga: 7.5 µm a 14 µm Fuente: tomada de [20]. 8788 Según el tipo de detector. Esta clasificación de las cámaras termográficas está basada en las características del detector que utilizan [21]: Cámaras infrarrojas con detectores criogenizados: Los detectores están contenidos en un estuche sellado al vacío y enfriado muchos grados Celsius bajo cero por un voluminoso y costoso equipo criogénico. Esto aumenta enormemente su sensibilidad con respecto a los detectores al ambiente, debido a su gran diferencia de temperatura con respecto al cuerpo emisor detectado. Si el detector no fuese enfriado criogénicamente, la temperatura ambiental interferiría las lecturas de temperatura recibidas por el detector. Aun así el uso de detectores criogenizados presenta unas desventajas como son: Su alto consumo de energía para enfriar. El alto costo para fabricar y sellar al vacío los estuches. Varios minutos para enfriar el sensor del detector a la temperatura óptima de operación. Cámaras infrarrojas con detectores al ambiente: Utilizan sensores que operan a temperatura ambiente o que están estabilizados mediante pequeños elementos de control a una temperatura cercana a la temperatura ambiente; los detectores más modernos usan sensores que funcionan cambiando sus propiedades eléctricas cuando se calientan por la radiación infrarroja. Estos cambios (de corriente, voltaje o resistencia) son medidos y comparados a los valores de temperatura de operación del sensor. Los sensores pueden estabilizarse a una temperatura de operación para reducir las interferencias de percepción de imagen, y es por eso que no requiere equipos de enfriamiento. Los detectores al ambiente están hechos en su mayoría a base de materiales ferroeléctricos y piroeléctricos o 8889 tecnología del microbolómetro, estos detectores cuentan con las siguientes ventajas: Su menor costo con respecto a los criogenizados. Menor tamaño. Este tipo de cámara tiene las desventajas de tener menos sensibilidad y menos resolución frente a las criogenizadas Según la técnica de termografía utilizada. Las cámaras termográficas también se pueden clasificar de acuerdo a la utilización o no de un estímulo infrarrojo en el objeto a estudiar. Cámaras infrarrojas activas: Su funcionamiento se basa en la estimulación de la respuesta térmica del objeto a estudiar, un elemento auxiliar emite radiación infrarroja con un reflector (integrado a la cámara o ubicado en otro sitio); este haz infrarrojo alumbra el objeto a estudiar (o a detectar), para que pueda ser percibido por la cámara e interpretado en una imagen monocromática. El reflector tiene un filtro para prevenir que la cámara sea interferida por la luz visible. Así, si el reflector tiene mayor alcance mayor será el tamaño, el peso de su filtro y el tamaño de la batería, porque aumenta su consumo de energía. Por eso la mayoría de las cámaras activas portátiles tienen un reflector con alcance de 100 metros, pero algunos fabricantes llevan el alcance de las cámaras hasta varios cientos de metros para mejorar su desempeño. 8990 Cámaras infrarrojas pasivas: este tipo cámaras termográficas carecen de reflectores, y perciben la radiación infrarroja tal cual como es emitida por un cuerpo. No detectan cuerpos a la misma temperatura del detector, por lo cual suelen enfriarse criogénicamente. Algunas de estas cámaras pueden tener sensibilidad a temperaturas de 0,01 C, y se utilizan para rastrear personas en áreas de visibilidad reducida (tinieblas, humo o niebla), para encontrar rastros recientes de alguien que ha dejado un lugar, seguir un automóvil, ver rastros de humedad en ciertas superficies, etc. A continuación se nombran algunas de sus características. Alta Resolución de temperaturas, consecuentemente termogramas muy contrastados. Fácil manejo, con el software integrado Escala de temperatura lineal Visualización rápida de una imagen. Posibilidad de controlar la cámara a largas distancias vía Ethernet. Portátil y operación independiente con acumulador de Li-ION intercambiable Partes que componen una cámara termográfica. El funcionamiento de una cámara termográfica consiste básicamente en detectar la energía infrarroja de un objeto, convertirla en señales eléctricas y procesarlas para producir una imagen térmica que es visualizada en la pantalla. Detectar el calor de una cuerpo se puede hacer de manera precisa con el fin de hacer un monitoreo térmico e identificar y evaluar la temperatura del objeto. Una cámara termográfica consta de tres partes principalmente [9]: 9091 a) Receptor óptico: Está compuesto por el lente, los filtros y el diafragma. El lente: es por acá por donde entra la energía infrarroja emitida por el objeto, el lente está hecho de un material tranparente a la radiación infrarroja (Germanio o el Silicio) y son revestidos con antireflexivos para mejora sus características ópticas y aumentar la eficiencia de transmisión de energía. El diafragma: Es denominado unidad de apertura y permite seleccionar la cantidad de energía que ingresa al sistema, la apertura se selecciona de acuerdo al nivel de temperatura que se desea observar. El filtro: Permite seleccionar la calidad de energía infrarroja que ingresa al sistema. Normalmente no se usa filtro, pero puede ser necesario un filtro especial cuando se desea ver y medir las temperaturas en termocuplas de piel de tubo en hornos, donde se deben eliminar los efectos perturbadores de la llama, los gases calientes, de igual manera se utilizan para eliminar supuestos puntos calientes provocados por reflejos cuando se hacen inspecciones en lugares abiertos; de manera que el filtro elimina las longitudes de onda no deseadas. b) Detector infrarrojo: Convierte la energía radiada en una señal eléctrica que posteriormente será procesada. Los detectores están construidos con materiales semiconductores y operan a muy bajas temperaturas para evitar interferencias (por ruido térmico) y así obtener una relación señal/ruido que corresponda a la alta sensibilidad que poseen estas cámaras. El detector que utiliza la cámara FLIR T200, (utilizada para este trabajo), es un Microbolómetro (que es un tipo específico de bolómetro), el cual, es un diminuto resistor de óxido de vanadio o de silicio amorfo con un elevado coeficiente térmico. Este resistor se coloca en un elemento de silicio con, una gran superficie, 9192 baja capacidad calorífica y buen aislamiento térmico. La radiación infrarroja procedente de una gama específica de longitudes de onda golpea el óxido de vanadio y modifica su resistencia eléctrica. Los cambios de temperatura de la escena provocan cambios en la temperatura del bolómetro que se traducen en señales eléctricas y se procesan, para convertirlas en una imagen [19]. c) Microprocesador y electrónica de control: se encargan de manejar la salida de la imagen generada a partir de la interacción de los fotones de la energía emitida por el objeto y los electrones del material detector que genera una señal eléctrica proporcional a la energía que ingresa al sistema. Dentro de la cámara están ubicado cuerpos negros de referencia con los que se hace una comparación varias veces por segundo para así mantener un control permanente sobre la compensación (offset) y la ganancia, haciendo de la cámara un instrumento de altísima precisión en la medición de temperaturas. Figura 38. Partes de una cámara termográfica. Fuente: tomado de [22]. 9293 3.8.3 Cómo funciona una cámara termográfica? Cuando se hace una inspección termográfica y se pone la cámara delante del objeto a estudiar, ésta absorbe energía infrarroja que luego es procesada con el fin de obtener una imagen térmica donde se pueda leer la temperatura real. La lectura de la temperatura que se observa en la pantalla de la cámara se calcula teniendo en cuenta una serie de parámetros que están presentes en el ambiente donde se realiza la inspección termográfica. Para que la cámara pueda hallar la temperatura real hay que tener en cuenta varios efectos, a) que el objeto no emite solo su energía propia, sino que también refleja; la cámara debe incluir dentro de los cálculos que hace internamente este fenómeno basado en los valores de temperatura ambiente reflejada y la emisividad de la superficie del objeto, datos que el termógrafo debe medir y tener en cuenta a la hora de hacer la inspección, b) que parte de la energía emitida por el objeto es absorbida por la atmosfera, para eliminar este efecto la cámara debe tener en cuenta la distancia al objeto a inspeccionar, la humedad relativa y la temperatura atmosférica. La Figura 39 muestra de manera general como funciona una cámara termográfica. Parte de la energía saliente del objeto a inspeccionar es absorbida por la atmosfera, la temperatura que se mida en ese momento será una temperatura aparente. 9394 Figura 39. Esquema de funcionamiento de las cámaras termográficas. Fuente: tomado de [24] La cámara lee la energía infrarroja aparente ( ) que llega y calcula la energía infrarroja que sale del objeto ( ), basado en los datos de distancia al objeto, humedad relativa y temperatura atmosférica, luego resta la energía infrarroja reflejada ( ) y de esta manera estima la energía infrarroja emitida por el objeto ( ) basado en los datos de temperatura ambiente reflejada y emisividad de la superficie del objeto Características de una cámara termográfica. Las principales características que se deben tener en cuenta a la hora de elegir una cámara termográfica para aplicaciones de mantenimiento predictivo son: la sensibilidad térmica, la precisión, la resolución espacial y la frecuencia de la imagen Sensibilidad térmica. Hace referencia al ruido equivalente a la menor temperatura, también llamada NETD (Noise Equivalent Temperature Dfference), en aplicaciones de ensayos no destructivos es muy importante, cuanto más bajo es el NETD mejor se puede detectar un contraste térmico 9495 significativo observable emergiendo por sobre el ruido del sistema, en cámaras con sensores bolométricos es del orden de mK Precisión. Es la medida de dispersión de las temperaturas medidas a un objeto con respecto a su verdadera temperatura. Las cámaras actuales alcanzan precisiones de ± 2 C o ± 2% Resolución espacial. Es el campo de visión instantáneo o IFOV (Instantaneous Field of View). Se expresa en miliradianes y hace referencia al área cubierta por un sensor remoto en un determinado momento. Depende del tamaño del detector y del lente. Esta característica es de gran importancia cuando se buscan defectos de tamaño reducido Frecuencia de la imagen. Las cámaras actuales actualizan las imágenes a una tasa de centenares de Hz (cuadros por segundos), también ofrecen la posibilidad de reducir el tamaño de las imágenes permitiendo además aumentar la tasa de actualización, alcanzando varias millares de Hz. Esta característica es importante cuando el sistema observado es un buen conductor del calor, lo que implica tiempos característicos muy cortos Cámara termográfica FLIR T200. Ésta cámara infrarroja tiene varias ventajas con respecto a otras, como su portabilidad, su diseño ergonómico, su peso y facilidad de uso. Esta cámara ha sido diseñada específicamente para trabajar en entornos industriales lo que la hace ideal para realizar monitoreo y diagnóstico en mantenimiento predictivo 9596 La Tabla 3 contiene las especificaciones técnicas de la cámara termográfica FLIR T200, para mayor información se debe consultar a la hoja de datos suministrada por el fabricante. Tabla 3. Especificaciones técnicas cámara termográfica FLIR T200 Características de la Imagen Campo de visión (FOV)/Distancia Mínima de Enfoque Sensibilidad Térmica (mk) Tipo de Detector Resolución Infrarroja Rango Espectral Zoom Digital y panorámico/ Enfoque IFOV (lente de 25 grados) Presentación Imagen Modos de Imagen IR Fusión Display Lámpara de video Resolución cámara visible 25 x19 x0,4m +30 C (+86 F) Matriz de Plano Focal (FPA) Microbolómetro 200 x 150 pixeles 7,5 a 13 µm x 1 - x 2 continuo/ enfoque automático y manual 2,18 mrad Térmica, digital, Fusión Imagen en Imagen (PIP) Construido en pantalla táctil de cristal líquido (LCD) de 3,5 " 1000 cd 1280 x 1024 (1,3 mega pixeles) Mediciones Rango de temperatura Precisión Modos de medida 20 C a +120 C ( 4 F a +248 F), 0 C a 350 C (32 F a 662 F), Opcional hasta C (+2192 F) ±2 C (±3.6 F) or ±2% de lectura 5 puntos de medida, 5 áreas, Isotermas 9697 Controles de configuración Correcciones de medida Almacenamiento de imágenes Almacenamiento digital / capacidad Modo de almacenamiento de imágenes y formato Fuente de alimentación Tipo de batería Tiempo de operación de la batería Carga de la batería Operación AC Voltaje Administración de energía Ambiental Temperatura de operación Temperatura de almacenamiento Humedad Selector de modo, paletas de colores (blanco y negro, arco iris, hierro, ), configurar información que se muestra en la imagen, adaptación local de unidades, idioma, formatos de fecha y hora, y la galería de imágenes Corrección de temperatura ambiente reflejada y emisividad Memoria extraíble SD/>1000 imágenes JPEG IR/Luz visible, JPEG estándar Batería recargable Lithium-Ion > 4 horas Dos días el sistema de carga, V de entrada. Estado de la carga indicada por LED Adaptador AC, VAC de entrada, 12 V de salida a la camara VDC Apagado automático y el modo de suspensión después de un tiempo ajustable 15 C a +50 C (5 F a +122 F) 40 C a +70 C ( 40 F a +158 F) 95% de humedad relativa +25 C a +40 C (+77 F a +104 F) sin condensación Resistente al agua y polvo (encapsulado) Golpe Vibración IP 54, IEC G, IEC G, IEC98 Peso Tamaño (L x W x H) Montaje del trípode Características físicas 0,88 Kg (1,94 lb) 106 x 201 x 125 mm (4.2 x 7.9 x 4.9 in.), con el objetivo apuntando hacia adelante 1/4" 20 USB (cable incluido) Salida de video QuickReport Fuente: FLIR Systems Interfaces Software Transferir imágenes al PC NTSC Video Incluido Software de análisis de termogramas. Existen múltiples softwares para el análisis de imágenes térmicas, estos dependen de la cámara y del fabricante, lo que también marca las diferencias que existen entre ellos. El software tiene como función ayudar al termógrafo a realizar el análisis e interpretación de la información obtenida en los termogramas y a generar los informes sobre la inspección termográfica realizada. Un software de análisis de termogramas debe tener la posibilidad de medir temperaturas en puntos, áreas, en una línea recta, determinar isotermas, cambiar paletas de colores, realizar histogramas para mirar tendencias, y generar informes con toda la información relevante encontrada en la imagen térmica Software FLIR Quick Report. Este software desarrollado por la empresa FLIR Systems es utilizado para el análisis de termogramas y la generación de informes de inspección, sus principales características son: de fácil manejo, permite capturar y almacenar imágenes infrarrojas JPEG 9899 estándar, cambiar el tamaño y el ajuste de PIP (Fusión de imagen en imagen, muestra la termografía superpuesta sobre una imagen digital) y permite crear informes de inspección. Además, es compatible con Microsoft Windows. A continuación se mencionan algunas características de este software: Maneja imágenes térmicas y digitales (ver Figura 40) Figura 40. Software FLIR Quick Report Fuente: Los autores Este software cuenta con una serie de herramientas útiles a la hora de realizar el análisis, la Figura 41 muestra una imagen del de la interfaz donde se realiza el análisis de los termogramas, a continuación se mencionan algunas de las tareas que se pueden realizar a las imágenes térmicas. Descripción de la imagen en un cuadro de texto, puede editarse o realizarse una nueva descripción. 99100 Editar parámetros de compensación. Tabla de resultados. Medir temperaturas en puntos, áreas, líneas. Crear isotermas. Cambiar la paleta de colores en una imagen. Auto ajuste. Zoom. Escuchar comentarios de voz asociados a la imagen. Exportar a Excel el valor de temperatura de cada pixel. Figura 41. Herramientas de análisis para los termogramas Fuente: Los autores. Se pueden crear informes de inspección que incluyen uno o más imágenes de infrarrojos y fotos digitales, los cuales se almacenan en formato PDF. La Figura 42 muestra un informe realizado en el software FLIR Quick Report. 100101 Figura 42. Reporte inspección termográfico realizado con el software FLIR Quick Report Fuente: Autores Calibración de cámaras termográficas. Como se ha descrito a través de este trabajo, la termografía infrarroja en la actualidad tiene un alto grado de desarrollo y un sin número de aplicaciones, por eso es realmente 101102 importante asegurar la fiabilidad de las mediciones realizadas con cámaras termográficas a través de la calibración metrológica y la verificación Las cámaras termográficas son térmicamente calibradas con el fin de que proporcionen información térmica precisa, estas calibraciones y verificaciones se basan en la radiación emitida por cuerpos negros, que evitan la reflexión de radiación espuria, y generan condiciones de temperatura controlada con trazabilidad. La calibración se realiza en base a la relación que existe entre la radiación y la temperatura, a mayor temperatura mayor radiación; como se muestra en la Figura 43. Figura 43. Ley de Stefan-Boltzmann Fuente: [24] La energía irradiada por una superficie ideal negra es proporcional a, la Figura 44 muestra la intensidad de radiación de una superficie ideal negra a diferentes temperaturas. 102103 Figura 44. Intensidad de radiación de una superficie ideal negra a diferentes temperaturas. Fuente: tomado de [24]. La calibración se realiza utilizando varias fuentes de referencia (cuerpos negros a diferentes temperaturas), a las cuales se les mide la temperatura con termómetros de precisión, la Figura 45 muestra la forma en que se distribuyen las fuentes de radiación frente a la cámara infrarroja a calibrar. Figura 45. Calibración de cámaras termográficas Fuente: tomado de [24] 103104 Una vez introducida la curva de calibración, a partir de la señal de de radiación del cuerpo se puede obtener la temperatura correcta, siempre y cuando se utilicen superficies ideales negras. En la Figura 46 se observa la curva de calibración obtenida en este proceso. Figura 46. Curva de calibración. Fuente: tomado de [24] En el ANEXO E se encuentra el certificado de calibración de la cámara termográfica FLIR T200 entregada por el proveedor FLIR SYSTEM. 104105 4. LA TERMOGRAFIA INFRARROJA EN EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO La técnica de termografía infrarroja, es de gran importancia en el mantenimiento predictivo de las empresas actualmente, ya que permite detectar una falla antes de que esta ocurra y pueda producir una parada de planta y/o un accidente. Esta detección temprana se traduce en seguridad tanto de las personas como de los equipos, reducción de costos, disminución de stock de repuestos, disponibilidad de equipos y un mejor control de los proveedores de equipos, además de un beneficio indirecto sobre el área de producción y la calidad: menos paradas no programadas implican mayor productividad y también uniformidad en el producto [21]. Es importante resaltar, que cualquier comportamiento anormal de una pieza o componente de un equipo o sistema, causa una pérdida de tiempo y dinero; por esta razón la termografía infrarroja se puede complementar con otras técnicas de mantenimiento, como el análisis de lubricantes, análisis de vibraciones, ultrasonido, ensayo radiográfico, tintas penetrantes, partículas magnéticas y corrientes inducidas, para la toma de decisiones. La termografía infrarroja es una herramienta de gran impacto respecto a las otras tecnologías relacionadas en el mantenimiento, porque la medición de la radiación infrarroja es útil y sensible en la localización de las variaciones de temperatura en los materiales o piezas de un equipo, lo cual proporciona diferentes beneficios entre ellos [25]: Localizar problemas potenciales y evitar gastos de reparaciones. Alargamiento de la vida de los equipos. Identificación plena de problemas y status de los mismos. 105106 Disminución de costos de reparación urgentes. Programación de prioridades de mantenimiento. Ahorro en costos de personal por tiempo perdido. Costos de la compostura del equipo fallado. Método de análisis sin detención de procesos productivos, ahorra gastos. Baja peligrosidad para el operario por evitar la necesidad de contacto con el equipo. Reduce el tiempo de reparación por la localización precisa de la Falla. Facilita informes muy precisos al personal de mantenimiento. Ayuda al seguimiento de las reparaciones previas. 4.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA Hoy en día la termografía infrarroja tiene un rol muy importante como técnica en el mantenimiento predictivo, y cuando es aplicada de manera correcta presenta muchas ventajas, dentro de las cuales tenemos: Reducción de tiempo en la revisión de equipos y componentes que estén en buenas condiciones; por medio de la termografía infrarroja se determina cuales elementos son los que se deben revisar o reparar. Se pueden identificar problemas que no sean críticos, monitorearlos por un periodo de tiempo y hacer una reparación programada. Reducción de riesgo de fallo en equipo en mal estado o con fallas no detectables por los análisis convencionales. Durante la inspección no se hace contacto con el objeto a estudiar, lo que permite medir y registrar altas temperaturas a una distancia segura 106107 y de manera casi instantánea, sin poner fuera de servicio las instalaciones o el equipo. Al hacer un seguimiento con inspección termográfica se puede establecer una tendencia del comportamiento del equipo y de la evolución de la falla. Reduce en tiempo de reparación por la localización precisa de las fallas. Prolonga la vida útil de los activos físicos de la empresa y permiten que estas sean utilizadas en un buen periodo de tiempo sin llegar a la falla. Reduce los tiempos de parada en la producción ocasionados por fallas inesperadas ante un mal funcionamiento progresivo. La producción puede ser incrementada, ya que lo tiempos de paradas se reducen considerablemente. Permite hacer tiempos de parada programados para reparaciones, esto ya que se puede hacer un seguimiento del funcionamiento del equipo. Es posible determinar la calidad del trabajo de reparación por medio de la comparación de las temperaturas de funcionamiento antes y después del trabajo realizado. Las pérdidas de energía en forma de calor pueden ser reducidas, además que se puede optimizar los consumos de combustibles, lo que redunda en la disminución de costos de estos rubros. Si se hace una buena planeación y ejecución en la compra y utilización del equipo termográfico, es posible recuperar la inversión en muy poco tiempo. Facilita informes muy precisos al personal de mantenimiento. Todo lo anterior se traduce en aumento de la confiabilidad del sistema. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la termografía infrarroja también presenta un conjunto de desventajas se mencionan anteriormente en el capítulo108 4.2 INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA La inspección termográfica es un análisis instrumental para definir y precisar las condiciones específicas de un equipo y sus partes, a través del comportamiento de las temperaturas de operación. Esta es una prueba no destructiva que permite, mediante la implementación de un programa mensual, trimestral, semestral o anual de inspecciones, minimizar la probabilidad de fallas. El informe resultante de una inspección termográfica incluye la descripción de los equipos o elementos que están operando en condiciones anormales de temperatura, una imagen digital y térmica de su ubicación, en la que se incluye el cuadro de temperaturas de referencia, la clasificación del tipo de falla si aplica, las recomendaciones a seguir para eliminarla, y adicionalmente si se tiene el historial se entregarían las curvas de tendencia [26]. Un programa de inspección termográfica tiene por objetivo reducir el riesgo de paradas no programadas, aumentar la productividad, mejorar la seguridad y clasificar y definir tendencias de los historiales térmicos. Usualmente una falla tiene un tiempo de deterioro lento, debido a los esfuerzos que se va sometido el material y las curvas de carga, no uniformes, que debe llevar a cabo en un proceso [5]. Esto permite clasificar e identificar los componentes deficientes por medio de una comparación de, las temperaturas de operación del equipo, frente a la temperatura del medio ambiente o de un equipo similar en las mismas condiciones de trabajo. Los sistemas candidatos para una inspección termográfica son los sistemas eléctricos, mecánicos, electrónicos y térmicos. Para realizar una inspección termográfica exitosa, es necesario seguir una metodología manera general (Ver Figura 47), las etapas empleadas son: 108109 1. El sistema de manejo de información empleado para las tareas del Plan de Mantenimiento Predictivo (PMP), genera automáticamente las órdenes de trabajo para la realización de las inspecciones con las diferentes técnicas de mantenimiento predictivo teniendo en cuenta la selección del equipo a inspeccionar, establecer las prioridades y frecuencias de inspección, diseñar la ruta a seguir y hacer seguimiento de los resultados obtenidos, analizar las tendencias térmicas en el ciclo de vida de los equipos y componentes inspeccionados, entre otras. 2. Revisión de la Orden de Trabajo (OT) para la ejecución de la inspección termográfica de los equipos en los respectivos sitios de la planta, sí no se encuentra la OT se debe generar, para poder realizar la inspección. 3. Identificación de la ruta de trabajo a realizar y revisión de los historiales térmicos de los equipos de la ruta. 4. Diligenciamiento de los permisos requeridos para la ejecución de la inspección termográfica, entre ellos se tiene Tres que s o ATS según el resultado de la matriz de riesgos RAM (ver ANEXO D). 5. Revisión del estado de la cámara y sus componentes entre ellos la carga de la batería y de las baterías de repuesto, adicionalmente, los elementos de medición de las condiciones del entorno como pirómetro óptico, higrómetro, voltmetro, pinza amperimétrica, etc. 6. En el sitio de la inspección se deben identificar los equipos a examinar y los parámetros de compensación del entorno necesarios, según el tipo de cámara termográfica a emplear, entre ellos: temperatura ambiente, distancia de observación, emisividad, humedad relativa y temperatura reflejada [3]. Antes de abrir cualquier tablero o casilla se debe hacer un barrido de todos los tableros o casillas para reconocer si hay una zona 109110 con una temperatura alta que advierta una precaución adicional antes de abrirla. 7. Ejecución de la inspección termográfica a los equipos, teniendo en cuenta los variables de cada equipo que pueden afectar los resultados especialmente el enfoque, la temperatura ambiente, la humedad relativa, la emisividad del equipo, la distancia al equipo y el rango de temperaturas. También, se deben mantener las medidas de seguridad (Ver sección 4.3) y los elementos de protección personal (ver ANEXO B). En el momento de las tomas de los termogramas, se recomienda llenar el formato de inspección con los parámetros, observaciones de cada equipo y permite llevar un registro ordenado de éstos, facilitando el análisis posterior de las imágenes térmicas y disminuyendo los errores en la generación de los reportes, al igual, se recomienda tomar una foto digital del equipo para ser más específico cuando se cree el informe. 8. Cuando se concluye la ruta de inspección se procede a finalizar la orden de trabajo. 9. Una vez se descarguen las imágenes en el software termográfico empleado para el análisis posterior de los termogramas de forma individual teniendo en cuenta las normas, la tendencia térmica del equipo, sí existe. Con el fin de establecer el grado de severidad en que se encuentra los elementos inspeccionados. 10. Finalizado, el análisis se elaboran los reportes respectivos y se actualiza el historial térmico de los equipos. Sí, del análisis anterior establece una falla se genera la orden de trabajo para el mantenimiento respectivo además toda esta información de debe ser archivada para retroalimentar el PMP. 110111 11. Finalizado el mantenimiento correctivo del equipo o equipos se recomienda hacer una re-inspección termográfica de estos para confirmar que se ha corregido la falla. Figura 47. Metodología para la inspección termográfica de equipos PLAN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO (PMP) GENERACIÓN Y PROGRAMACIÓN DE ORDENES DE TRABAJO PARA LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REVISIÓN DE LA ORDEN DE TRABAJO PORGRAMADA GENERACIÓN DE LAORDEN DE TRABAJO DE REINSPECCIÓN TERMOGRAFICA DE LOS EQUIPOS REALIZACIÓN DEL MANTENIMIENTO NO IDENTIFICACIÓN DE LA RUTA A EJECUTARSE Y REVISIÓN DE LAS TENDENCIAS TÉRMICAS DE LOS EQUIPOS A INSPECCIONAR GENERACIÓN DE LA ORDEN DE MANTENIMIENTO DE LOS EQUIPOS CON FALLA DILIGENCIAMIENTO DE LOS PERMISOS DE TRABAJO REQUERIDOS POR LA EMPRESA SI FALLAS ENCONTRADAS REVISIÓN DE LA CÁMARA TERMOGRÁFICA CON SUS COMPONENTES, Y ELEMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA Y HUMEDAD ARCHIVO DE TERMOGRAMAS, INFORMES E HISTORIAL TÉRMICO IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS Y PARÁMETROS DE COMPENSACIÓN EN SITIO TOMA DE LAS IMÁGENES TÉRMICAS Y DILIGENCIAMIENTO DE LOS FORMATOS DE INSPECCIÓN ELABORACIÓN DE LAS TENDENCIAS TÉRMICAS FINALIZACIÓN DE LA ORDEN DE TRABAJO ANÁLISIS DE LOS TERMOGRAMAS ELABORACIÓN DE LOS INFORMES Fuente: Autores. 111112 4.2.1 Formas de inspección termográficas. Existen dos métodos de análisis con termografía infrarroja, cualitativo y cuantitativo Inspección termográfica cualitativa. Este método consiste en obtener imágenes de la radiación infrarroja de un sistema, objeto o proceso para su posterior análisis y a sí revelar la presencia de anomalías, determinar su posición y presentar informes de la información adquirida. Figura 48. Termogramas de un transformador analizado con un método cualitativo Fuente: tomado de [12]. 112113 En la Figura 48 se encuentran los termogramas de dos fases de un transformador. En la inspección cualitativa se analiza sí existe una anomalía, donde se encuentra y la forma del gradiente térmico. Se hace una comparación entre las fases más cercanas y se concluye que la fase de la derecha presenta un punto caliente y el gradiente térmico de las dos fases es diferente, por la tanto existe una anomalía en una de las fases (derecha) y la otra tiene un comportamiento normal para la carga existente Inspección termográfica cuantitativa. Este método mide la temperatura en la imagen térmica para diagnosticar la severidad de la falla, teniendo en cuenta factores como la carga, el viento, etc., y así establecer su prioridad a la hora de efectuar el mantenimiento correctivo respectivo. Figura 49. Termogramas de un transformador analizado con un método cuantitativo Figura: tomado de [12]. Los termogramas de la Figura 48 y la Figura 49 son los mismos; en esta última figura se miden el valor de la temperatura a cada fase y se encuentra que la diferencia es de 6 ºC. Las preguntas que surgen son Cuan grave es la 113114 anomalía?, Cuándo será necesario reparar?, La temperatura de la conexión caliente, y la supuesta normal son normales?, En qué nos apoyamos para tomar una decisión de reparar o no?, entre otras. Para resolver estas inquietudes se debe establecer un criterio de clasificación de fallos y en la presentación de los informes es obligatorio especificar qué criterios se emplearon para evaluar los termogramas. En la actualidad, existen diferentes criterios publicados por diferentes asociaciones o por la experiencia del termógrafo. Estos criterios tienen en cuenta el delta de temperatura (medida de la diferencia de temperatura) para determinar la magnitud de la anomalía, comparando con la referencia. Un ejemplo de clasificación de fallos es presentado en la siguiente tabla. Tabla 4. Ejemplo de clasificación de fallos Delta Temperatura Clase Recomendación ΔT > 80 ºC A Una anomalía muy grave que requiere atención inmediata. 50 ºC < ΔT 80 ºC B Una anomalía seria que necesita reparación en menos de 60 días. 5 ºC < ΔT 50 ºC C Una anomalía que requiere monitoreo periódicamente, pero que se reparará cuando sea conveniente ΔT 5 ºC D Condición aceptable Fuente: Autores. Para el ejemplo de la Figura 48 y la Figura 49, el delta de temperatura es de 6 ºC tomando como referencia la fase de la izquierda y según la Tabla 4 se puede clasificar la avería como clase C y requiere de monitoreo periódico. 114115 4.2.2 Formas de medición. Existen dos formas de medición: directa e indirecta. En la medición directa no existe otro elemento que se interponga entre la cámara y el objeto observado (ver Figura 50). Figura 50. Medición directa Fuente: Autores Por el contrario en una medición indirecta existe una superficie entre la cámara termográfica y el elemento objetivo (ver Figura 51), considerando lo anterior, sí existe una variación pequeña de temperatura en el exterior puede indicar problemas graves en la parte interna del equipo. Figura 51. Medición indirecta Fuente: Autores. 115116 4.3 NORMAS, ESTÁNDARES Y PUBLICACIONES TÉCNICAS SOBRE TERMOGRAFÍA INFRARROJA Los trabajos de inspección termográfica para el mantenimiento ocurren en ambientes peligrosos, por esta razón se han establecido normas, estándares y publicaciones técnicas para reducir el riesgo y las conductas peligrosas al igual que criterios técnicos para hacer el diagnóstico del grado de severidad de la falla American Society for Testing and Materials (ASTM International). Es una organización internacional encargada de desarrollar normas desde 1898 que se usan para investigaciones, sistemas de calidad, comprobación y aceptación de productos, entre otras. En el caso particular de las inspecciones termográficas en los equipos eléctricos y mecánicos se ha publicado la norma ASTM E1934: Guía estándar para examinar equipo eléctrico y mecánico con termografía infrarroja, esta norma proporciona directrices detallas para el desarrollo de una metodología para realizar una inspección termográfica. Algunos de los apartados incluidos son [31]: Las responsabilidades comunes del usuario final y del termógrafo infrarrojo al usar la termografía infrarroja. Una guía del contenido específico requerido para documentar las inspecciones termográficas infrarrojas cualitativas y cuantitativas del equipo eléctrico y mecánico. Recopilación en una lista de todos los sistemas y equipos que serán inspeccionados. Un sistema de informe recomendado para facilitar la cobertura de anomalías y dar seguimiento a la condición del equipo con el tiempo para comparar las condiciones actuales con las pasadas. 116117 Un termógrafo calificado deber realizar inspecciones de equipo eléctrico energizado y debe ser asistido por un electricista con licencia, ingeniero, profesional u otra persona que conoce el equipo y esté calificado para trabajar con el equipo energizado. Las inspecciones termográficas se deben realizar con cámaras termográficas infrarrojas. La carga eléctrica y las condiciones ambientales debes ser consideradas. Las carcasas de los armarios deben ser abiertos para una vista directa de los componentes eléctricos siempre que sea posible National Fire Protection Association (NFPA). Esta asociación tiene dos normas que son aplicables para el mantenimiento del equipo eléctrico y la seguridad en el sitio de trabajo y del personal cuando se realiza una inspección mediante termografía infrarroja Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces NFPA 70E. Esta norma se orienta específicamente a los requisitos necesarios para la protección del personal en el área de trabajo. La norma consta de cuatro partes que cubren los aspectos de la seguridad eléctrica, los requerimientos de seguridad de la instalación, las prácticas de trabajo relacionadas con la seguridad, los requerimientos de seguridad relacionados con el mantenimiento y los requerimientos de seguridad para equipos especiales. Existen tres requisitos específicos para el trabajo termográfico con equipo eléctrico energizado [32]: 1. Las personas que hacen el trabajo deben ser entrenadas y deben ser calificadas. 2. Los Elementos de Protección Personal (EPP) debe ser utilizado de acuerdo con la exposición al peligro. 117118 3. La evaluación del Destello de Arco debe ser realizada para determinar el nivel apropiado de EPP requerido. Elementos de Protección Personal. Los elementos adecuados para la protección deben cumplir con las normas aceptadas a nivel internacional (ver Tabla 5) Tabla 5. Normas asociadas a los elementos de protección personal. Implemento de Seguridad Protección de la cabeza Protección de los ojos y de la cara Guantes Mangas Mangas y guantes Protectores de la piel Pies Inspección visual Indumentaria Fuente: [29] Normas ANSI Z89.1: Requirements for protective Headwear for Industrial Workers. ANSI Z87.1: Practice for Occupational and Educational Eye and Face Protection. ASTM D 120: Standard Specification for Rubber Insulating Gloves. ASTM D 1051: Standard Specification for Rubber Insulating Sleeves. ASTM F 496: Standard Specification for In-Service Caare of Insulating Gloves and Sleeves. ASTM F 696: Standard Specification for Leather Protectors for Rubber Insulating Gloves and Millens. ASTM F 1117: Standard Specification for Dielectric Overshoe Footwear. ANSI Z41: Standard for Personnel Protection, Protective Footwear. ASTM F 1236: Standard Guide for Visual Inspection of Electrical Protective Rubber Products. ASTM F 1505: Standard Specification for Protective Wearing Apparel for Use by Electrical Workers When Exposed to Momentary Electric Arc and Related Thermal Hazards. 118119 Los diferentes elementos de protección personal se abordan en el ANEXO B Electric Equipment Maintenance NFPA 70B. Esta norma está orientada a los requerimientos relacionados con el mantenimiento del equipo y de las instalaciones eléctricas, además incluye información para elaborar un plan de mantenimiento preventivo que determina cuales equipos son los más críticos e importantes, la capacitación del personal, frecuencias de inspección, entre otras Occupational Safety Health Administration (OSHA). La OSHA tiene como objetivo la seguridad y la salud de los trabajadores. La norma OHSAS Occupational Health and Safety Zone, se aplica para reducir los riesgos de los termógrafos en el momento de hacer una inspección, porque se evalúan y se realizan recomendaciones sobre los escenarios de peligro como: caídas, trayectos riesgos, entradas a espacios confinados y descargas eléctricas. Para disminuir estas situaciones se establece que: Se puede minimizar el riesgo de heridas en una descarga de arco eléctrico simplemente ubicándose a una distancia prudente de la zona de peligro. En la Tabla 6 están definidas las distancias mínimas para la realización de una inspección con termografía infrarroja. 119120 Tabla 6. Distancias mínimas de seguridad para inspecciones con termografía, norma OSHA TENSIÓN 300 V 750 V 750 V - 2 kv 2 kv 15 kv 15 kv 36 kv Fuente: tomado de [3]. DISTANCIA MÍNIMA DE SEGURIDAD 1 m 1,2 m 5 m 5,8 m Sí no es posible mantener esta distancia es recomendado el uso de un lente especial que adaptado a la cámara termográfica, permite realizar la inspección a una distancia mayor, sin perder las cualidades requeridas. o El termógrafo debe utilizar un equipo de protección personal (EPP), que resista a la descarga como otro medio para el manejo del riesgo. o Una recomendación principal es realizar una pre-inspección para establecer las condiciones de seguridad del lugar. o Es importante efectuar un pre-escaneo de las casillas o tableros de los equipos con la cámara termográfica antes de ser abiertos, de esta manera, sí existe una temperatura alta comparada con las demás se debe tener precaución antes de abrirla InterNational Electrical Testing Association (NETA). En un capítulo de la norma Acceptance Testing Specifications for Electric Power Distribution Equipment and Systems publicado por NETA, es dedicado a las inspecciones eléctricas con termografía infrarroja y presenta los siguientes criterios [34]: 120121 Inspección visual y mecánica Inspeccionar la condición física, eléctrica y mecánica. Remover todas las cubiertas necesarias a priori para la inspección termográfica. Utilizando los dispositivos de seguridad y protección apropiados, y el equipo de protección personal. El equipo inspeccionado debe incluir todos los dispositivos que transporten corriente. Parámetros de prueba Inspeccionar sistemas de distribución con equipos de imagen capaces de detectar una diferencia de temperatura mínima de 1 C a 30 C. El equipo debe detectar la radiación emitida y convertir la radiación detectada a una señal visual. Las inspecciones termográficas deben ser realizadas durante periodos la carga máxima posible pero no menos del 40% de la carga promedio del equipo eléctrico que está siendo inspeccionado. Referirse a ANSI/NFPA 70B-1994, Sección (inspección infrarroja). Valores de prueba Este es uno de los aspectos más relevantes de esta norma, como apoyo al proceso de análisis de los resultados de una inspección termográfica. La NETA proporciona la Tabla 7 que muestra los criterios para ayudar a determinar el grado de severidad de un problema eléctrico, esta tabla se 121122 encuentra referenciada al 100% de la carga máxima del equipo, es la más empleada en el diagnóstico de los equipos eléctricos y es válida únicamente para mediciones directas de temperatura. Tabla 7. Clasificación de fallas eléctricas según NETA Tabla de clasificación de fallas eléctricas según NETA (International Electric Testing Association) NIVEL TEMPERATURA MEDIDA CALIFICACIÓN ACCIÓN De 1 ºC a 10 ºC O/A ó De 1 ºC a 3 ºC O/S De 11 ºC a 20 ºC O/A ó De 4 ºC a 15 ºC O/S De 21 ºC a 40 ºC O/A ó >15 ºC O/S Posible Deficiencia Probable Deficiencia Deficiencia 4 > 40 ºC O/A ó>15 ºC O/S Deficiencia mayor O/A: Sobre Temperatura Ambiente O/S: Sobre Temperatura de cuerpo similar en condición Fuente: tomada de [34]. Se requiere más información Reparar en la próxima parada disponible Reparar tan pronto como sea posible Reparar inmediatamente Las especificaciones de temperatura varían en exactitud dependiendo de del tipo de equipo. El calor es generalmente proporcional al cuadrado de la corriente. Por lo tanto, la corriente de la carga tendría un mayor impacto en el delta de temperatura. En ausencia de consensos para normalización de deltas de temperatura, los valores de la tabla anterior son lineamientos razonables. Sin embargo, como apoyo a estos criterios de diagnóstico es conveniente tomar nota del nivel de carga del circuito, y del balance de corrientes en sistemas trifásicos. 122123 Es un requerimiento necesario y válido que la persona que se desempeña en la inspección eléctrica sea entrenada y experimentada, en lo concerniente a los aparatos y sistemas que estén siendo evaluados, como en el conocimiento de la metodología termográfica. Reportes o informes de termografía Las recomendaciones hechas por la norma NETA del contenido de los reportes termográficas son las siguientes: Descripción del equipo a ser inspeccionado. Discrepancias. Diferencia de temperatura entre el área concerniente y el área de referencia. Causa probable de la diferencia de temperatura. Áreas inspeccionadas. Identificar las áreas y equipos inaccesibles y/o no observables. Identificar las condiciones de carga en el momento de la inspección. Tomar fotografías y/o termogramas del área deficiente. Acción recomendada International Organization for Standardization (ISO). La ISO ha publicado normas referentes a los trabajos y certificaciones en termografía infrarroja. A continuación resumen de las normas [30], [31]: ISO :2008. Condición de vigilancia y diagnóstico de máquinas Termografía- Parte 1: Procedimientos Generales. 123124 ISO :2004. Supervisión de condición y diagnóstico de máquinas Requisitos para el entrenamiento y la certificación del personal Parte 1: Requisitos para certificar organismos y el proceso de la certificación. ISO :2008. Supervisión de condición y diagnóstico de máquinas Requisitos para la calificación y la evaluación del personal Parte 7: Termografía. ISO/DIS Condición de vigilancia y diagnóstico de máquinas Requisitos de formación y certificación del personal Parte 8: Comportamiento térmico. ISO 9712:2005. Prueba no destructiva Calificación y certificación del personal Otras normas y publicaciones. Aparte de las mencionadas anteriormente, existen otras normas y publicaciones técnicas, acerca de las inspecciones con termografía y seguridad eléctrica, de las cuales se muestran algunas: National Electrical Safety Code (NESC) ANSI C2. Esta norma se encuentra orientada a la reglamentación para garantizar la seguridad del personal durante la instalación, operación y mantenimiento de redes eléctricas y de comunicaciones y su equipo asociado. El NESC cubre los equipos de las compañías de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, que no son cubiertas por la NFPA 70 [29]. 124125 Norma Técnica Colombiana 2050, Código Eléctrico Colombiano. Esta norma está basada en el National Electrical Code-NFPA 70. De acuerdo con la Resolución número de 2004 del Ministerio de Minas y Energía, es obligatorio el cumplimiento en Colombia de sus siete primeros capítulos. 4.4 FALLAS POSIBLES A DETECTAR MEDIANTE TERMOGRAFÍA INFRARROJA Algunas de las fallas posibles que se pueden descubrir mediante una inspección termográfica en los diferentes sistemas, se describen a continuación Inspecciones en Sistemas Eléctricos. La inspección de equipos eléctricos de alta, media y baja tensión, es la aplicación más común de la termografía infrarroja (ver Figura 52). En los sistemas eléctricos, la termografía infrarroja es fundamental para la disminuir los riegos de un accidente eléctrico que pueden originar un incendio, una explosión o daños en máquinas críticas del proceso, además de la pérdida de potencia, producción, horas hombre, entre otras, porque se puede comprobar el estado de los mismos sin la desconexión de los equipos y sin un contacto físico. 125126 Figura 52. Termogramas de aplicaciones en el área eléctrica Fuente: tomado de [12], [21]. Figura Termograma de la inspección de las conexiones de un transformador de potencia. Figura Inspección termográfica a los elementos en suspensión de una torre de alta tensión. Figura Inspección a los fusibles de un tablero de control para la verificación de su funcionalidad. Figura Termograma de inspección a las conexiones de un transformador. Figura Inspección de tablero de interruptores con problemas de conexión. Figura Termograma a un banco de baterías, existe un sobrecalentamiento en la resistencia. En el área eléctrica a una falla se le conoce como un punto caliente o excepción, el fundamento de su detección se basa en el sobrecalentamiento que un componente eléctrico experimenta cuando se genera un aumento de la resistencia eléctrica como consecuencia de un falso contacto, de suciedad, 126127 corrosión, aumento de la resistencia eléctrica, sobrecargas o fallas de aislamiento [3]. La principal función de la inspección termográfica es encontrar puntos calientes o fríos que representen una anormalidad en las instalaciones eléctricas que pueden detectarse con la cámara de termografía. Las fuentes más frecuentes que producen incrementos de la temperatura en éstas, se encuentran: cortocircuitos, corrientes inductivas, alta resistencia eléctrica y tierras energizadas. Los puntos fríos son temperaturas inferiores a las normales de operación, con estos puntos es posible diagnosticar: circuitos abiertos, componentes inoperativos, entre otros (ver Figura 53). Figura 53. Termograma con punto caliente en un contactor y un punto frío en tablero de fusibles. Fuente: [12]. Este método de inspección permite trabajar únicamente los puntos críticos y no todos los componentes reduciendo los tiempos; algunos de los puntos que se normalmente se analizan son: conectores que se aflojan, seccionadores con 127128 cuerpos deformados, fusibles degradados por transitorios, aisladores fracturados por esfuerzos, interruptores con mala tierra, balance de las fases, relés y aislamientos [3]. Los sistemas eléctricos se encuentran presentes en diferentes aplicaciones que requieren una transformación de la energía suministrada como por ejemplo en energía mecánica. Sin embargo, ningún sistema es 100% eficiente para realizar estas transformaciones de energía y según el principio de conservación de la energía: la energía total es la misma antes y después de la transformación, es decir, el porcentaje de pérdidas se transforma en otro tipo. Este fenómeno no es deseado en diversas aplicaciones, pero es útil esta transformación en energía térmica para la detección de fallas porque se encuentra relacionado con el aumento de la resistencia eléctrica o de la carga eléctrica de un sistema y la relación del calor con estas variables es conocida como el Efecto Joule. La ley de Joule establece que la potencia disipada en un elemento, es igual al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia. (21) Donde, P Potencia disipada R Resistencia I Corriente eléctrica Considerando la corriente relativamente constante, es la resistencia la que influirá directamente en un cambio en la potencia disipada. Algunas causas para el aumento de ésta son: conexiones sueltas, conexiones sucias, conexiones corroídas, mal contacto en la conexión y adelgazamiento del conductor [21]. 128129 Otras razones por las cuales la potencia disipada aumenta es el aumento de la corriente circulante en el sistema esto ocasiona: sobrecargas, desequilibrios de fases, cortocircuitos. En los anteriores párrafos se exponen los dos patrones térmicos básicos asociados con los fallos eléctricos: el primer patrón una alta resistencia provocada por un contacto deficiente de la superficie y el segundo patrón un circuito sobrecargado o un problema de desequilibrio multifásico, a continuación se ilustra estos comportamientos con algunos termogramas. La Figura 54 corresponde a un controlador de un motor trifásico, donde una de las conexiones se encuentra suelta y provoca un aumento de la resistencia del conector por lo tanto la temperatura es superior a los niveles normales para este caso es 13 ºC sobre un cuerpo similar en condición normal. Figura 54. Controlador de un motor trifásico con un problema de contacto. Fuente: tomada de [12]. En la Figura 55 se muestra una instalación de fusibles trifásicos en la que un extremo de un fusible presenta un contacto eléctrico deficiente, el cual provoca una temperatura 45 ºC mayor en comparación con las demás conexiones del 129130 fusible. Como se aprecia en el termograma el punto caliente solo se presenta en un extremo, sí el fusible tuviera los dos extremos con temperaturas elevadas se interpretaría como un desequilibrio de fase o una sobrecarga. Figura 55. Caja de distribución de energía con un problema de conexión en un fusible. Fuente: tomado de [12]. Figura 56. Termogramas de aplicaciones en equipos eléctricos con sobrecargas. Fuente: tomada de [27]. 130131 Figura 56-1 y Figura Termogramas de la inspección es un disyuntor de un circuito estándar. Figura Inspección termográfica a un controlador. En la figura anterior (Figura 56) los sistemas eléctricos inspeccionados presentan problemas de sobrecargas, en las Figura 56-1 y 56-2, la temperatura de los disyuntores es de 60 ºC por encima de la temperatura ambiente y los cables que se muestran en color azul también se encuentran con un temperatura elevada, entre 45 y 50 ºC. Para la Figura 56-3, una de las líneas del controlador muestra una temperatura de 20 ºC superior con respecto a las demás [27]. Una recomendación para los equipos eléctricos es que deben estar con carga total o por lo menos en el 40% de la carga normal para realizar las inspecciones termográficas, porque el calor generado por una conexión suelta aumenta al cuadrado la carga y las fallas se pueden apreciar. Otra sugerencia al realizar las inspecciones, es abrir las carcasas de los armarios eléctricos y tomar las imágenes directamente a los circuitos eléctricos y sus componentes, porque las cámaras termográficas no pueden ver a través de los armarios o de las bandejas de bus de metal. Sí se detecta una temperatura anormal en la superficie exterior, ciertamente la temperatura en el interior será mucho mayor (Ver Figura 57). 131132 Figura 57. Termograma exterior e interior de una caja de interruptores. Fuente: tomada de [12] Inspección termográfica de equipos mecánicos y electromecánicos. En casi todas las industrias se también se encuentran equipos mecánicos y electromecánicos como son motores, bombas, intercambiadores de calor, entre otros. Al igual que los sistemas eléctricos se encuentran incluidos en los planes de mantenimiento, generalmente, las máquinas rotativas son los equipos analizados bajo las inspecciones termográficas porque sus componentes están en contacto y generan fricción, sí existe un mal funcionamiento se evidenciará por un aumento de la temperatura debido a desgaste, mala lubricación o mal alineamiento de las piezas de la máquina. Además, existen otras aplicaciones en procesos de hornos, monitorización de turbinas, inspección de intercambiadores de calor, compresores, bombas, acoples, poleas, cadenas, transportadores, embragues, reductores, elevadores, 132133 válvulas de corte y retención, etc.; y las razones habituales de los puntos críticos o desviaciones de temperaturas en los anteriores equipos son [27]: Mala refrigeración, debida a la reducción del flujo de aire. Los problemas de calidad eléctrica, como desequilibrio, sobrecarga o quinto armónico (tensión) causarán la disipación del calor. Alineación incorrecta. Problemas de aislamiento con los bobinados de motores. Problemas de rodamiento: lubricación, desgaste, etc. Fricción debida al desgaste, a una alineación incorrecta o a una lubricación inadecuada. Defectos de válvulas o cañerías como bloqueos, filtraciones, etc. En la inspección termográfica se debe conocer el funcionamiento básico, el procedimiento de inspección de seguridad, las características de flujo de calor y observar la maquina durante el arranque, enfriamiento y funcionamiento normal; para el análisis de los resultados se basa en la comparación entre componentes trabajando en condiciones similares de carga. Los problemas más comunes en los equipos mecánicos y electromecánicos, se encuentran relacionados en la figura134 Figura 58. Termogramas de varias aplicaciones de sistemas mecánicos Fuente: [12]. Figura Termograma al devanado de un motor eléctrico con puntos calientes y cortocircuitos. Figura Inspección termográfica a los cojinetes de un motor eléctrico. Figura Termograma a los rodamientos de una bomba por falta de mantenimiento. Figura58-4. Imagen térmica de una transmisión por correas, donde se encuentran demasiado tensas y alcanzan temperaturas excesivas. Figura Inspección termográfica a los rodamientos de una cinta transportadora. Figura Termograma de una válvula en una industria petroquímica. 134135 Figura Imagen térmica de un intercambiador de calor de placas, que presenta una obturación de canales. Figura Termograma de una caja de engranajes con problemas en los rodamientos por una mala lubricación. Figura Inspección térmica de unas trampas de vapor, donde se tiene problemas en una de ellas por una fuga de vapor, debido a un mal mantenimiento. La localización de filtraciones o bloqueos en las válvulas, cañerías o trampas de vapor se debe tener en cuenta que no estén cubiertas con material aislante y la temperatura del fluido conducido por ellas este lo suficientemente caliente o frío con respecto a la temperatura ambiente. En una inspección termográfica a cajas reductoras de engranajes, se conoce que el calor se genera por el roce del contacto entre los dientes de los engranajes, de los rodamientos que soportan los ejes y por la agitación del lubricante. La capacidad de disipación del calor producido está caracterizado por la potencia térmica que es definido por los fabricantes como la potencia mecánica máxima que se puede transmitir en forma continua durante tres horas sin que se produzca sobrecalentamiento de esta [21]. Generalmente, los valores están dados para una temperatura ambiente de 38 ºC y a nivel del mar, para condiciones diferentes se debe hacer una corrección por un factor de altura y un factor de temperatura de acuerdo con el fabricante. En la Tabla 8 y la Tabla 9, se muestran algunos ejemplos de los factores del fabricante de cajas de engranajes marca FALK. 135136 Tabla 8. Factor de corrección de la potencia térmica en función de la altura. Fuente: tomada de [21]. Altitud (pies) Factor Tabla 9. Factor de corrección de la potencia térmica en función de la temperatura. Fuente: tomada de [21]. Temperatura ambiente (ºC) Factor Además, las cajas reductoras por recomendación del fabricante tienen una temperatura máxima permitida que se encuentra dada por las características del lubricante, especialmente por su viscosidad. La ventaja principal del empleo de la técnica termografía infrarroja para las máquinas con rodamientos es la rapidez con la que se puede reconocer 136137 rodamientos dañados y por medio de un análisis de vibraciones se puede determinar la causa de la falla. Otro equipo presente en un gran número de empresas son los motores eléctricos, para los cuales los fabricantes determinan una temperatura máxima de operación que se encuentra determinada por el tipo de material aislante con que están construidos, este material se degrada rápidamente cuando se somete a temperaturas elevadas puesto que por cada 10 ºC de aumento sobre la temperatura máxima nominal, la vida del motor se ve reducida en un 50% [21] Inspección termográfica de sistemas electrónicos. Los circuitos electrónicos poseen un gran número de componentes pequeños y de formas irregulares y por medio de las imágenes termográficas se pueden analizar y detectar su funcionamiento (ver Figura 59), así determinar de forma remota las características térmicas y comprobar los defectos de diseño, fabricación o uso. Figura 59. Termogramas de circuitos electrónicos Fuente: [9]. 137138 Las aplicaciones más notables son la producción de placas de circuito impreso y la conexión de cables en circuitos integrados; los ingenieros emplean las cámaras termográficas para supervisar el perfil térmico de los circuitos impresos y basados en los resultados hacer las modificaciones correspondientes para un mejor su desempeño, además de poder localizar soldaduras inadecuadas en el circuito, trazas rotas entre componentes, fluctuación eléctrica de los hilos, falta de componentes o componentes soldados incorrectamente, polaridad invertida de componentes, ubicaciones incorrectas de los elementos, entre otras [28] Inspección termográfica de sistemas térmicos y refractarios. Esta aplicación es orientada al mantenimiento de materiales aislantes y refractarios, así como a la detección y medida de pérdidas energéticas por defectos o desgaste del aislamiento, diseño de equipos, fugas de redes de agua caliente, fallas en sellos térmicos de cámaras frigoríficas, fugas de aire acondicionado, puentes térmicos, etc., lo cual permite prolongar la vida útil de las estructuras o equipos, evitar accidentes por el deterioro de los mismos originada por el flujo de gases de combustión o del material de la parte interior de estos. También se obtiene un ahorro económico porque se hace un eficiente uso de la energía y la reducción de emisiones de CO 2. La inspección termográfica puede diagnosticar de una forma ágil y eficaz la condición global de los aislamientos o refractarios tanto en aplicaciones de calor como de frío. Algunas de las aplicaciones más comunes son: calderas, cámaras frigoríficas, conductos de refrigeración, hornos eléctricos de arco, hornos de calentamiento, hornos de vidrio, hornos rotatorios, sistemas de calefacción, tanques, tuberías, ductos de vapor o agua u otro producto, secadores, cucharones, crisoles y quemadores. 138139 En la Figura 60 se muestran varios ejemplos de sistemas térmicos y refractarios y las fallas encontradas. Figura 60. Termogramas de sistemas térmicos y refractarios. Fuente: [12]. Figura Termograma a un tanque de amoníaco que presenta una formación de hielo sobre el aislamiento de poliuretano donde el interior se encuentra a -33 ºC. Figura Imagen térmica de un aislamiento refractario en mal estado, que produce la presencia de una zona caliente en la parte externa de la ramificación. Figura 60-3 y Inspección termográfica a los serpentines y quemadores en hornos. Figura Visualización del nivel de líquido en un tanque de almacenamiento. 139140 En la Tabla 10 presenta un resumen de las aplicaciones tratadas anteriormente con los equipos que se suelen inspeccionar y sus fallas más comunes. Tabla 10. Resumen de equipos y fallas en los sistemas inspeccionados por termografía infrarroja para el área de mantenimiento. SISTEMAS EQUIPOS A INSPECCIONAR FALLAS MÁS COMUNES SISTEMAS ELÉCTRICOS Líneas de transmisión. Conexiones fatigadas. Redes de distribución. Conexiones deficientes. Subestaciones eléctricas. Corrientes inductivas. Transformadores eléctricos. Cortocircuitos. Sobrecargas. Trampas de ondas. Cargas desbalanceadas. Pararrayos. Tierras energizadas. Seccionadores. Perdidas eléctricas. Interruptores. Circuitos abiertos. Barrajes de conexión. Alta resistencia eléctrica Bancos de batería Avería del aislamiento Centro de control de Componentes eléctricos motores. instalados Breakers, contactores. inapropiadamente. Motores. Componentes Controladores. deteriorados y/o Interruptores automáticos. corroídos. Condensadores. Fallas de los Cajas de fusibles. componentes. Armónicos. 140141 Tabla 10 (continuación) SISTEMAS EQUIPOS A INSPECCIONAR FALLAS MÁS COMUNES SISTEMAS MECÁNICOS SISTEMAS ELECTRÓNICOS Motores eléctricos. Rodamientos en mal Motores Diesel. estado. Compresores. Inyectores mal Bombas. calibrados. Turbinas. Consumo de Válvulas de corte y combustible. retención. Exceso de lubricación. Cajas de engranajes. Falta de lubricación. Reductores. Desgaste. Embragues. Desalineamiento. Ejes acoplados. Desbalanceo. Rodamientos. Fricción. Chumaceras. Esfuerzos anormales. Engranajes. Correas desajustadas. Correas. Mala refrigeración. Poleas. Reducción del flujo de Cadenas. aire. Intercambiadores de calor. Cintas giratorias motrices. Fallas de los componentes. Tarjetas. Componentes deteriorados. Chips. Calentamiento excesivo. Condensadores. Diseño deficiente de los Circuitos integrados. Placas de circuito. componentes. Soldadura inadecuada. Trazas rotas. Polaridad invertida. 141142 Tabla 10 (Continuación) SISTEMAS EQUIPOS A INSPECCIONAR FALLAS MÁS COMUNES SISTEMAS TÉRMICOS Fuente: Autores Hornos. Radiadores. Calderas. Tuberías de vapor. Tanques de almacenamiento. Torres de enfriamiento. Chimeneas. Quemadores. Sistemas hidráulicos. Cámaras frigoríficas. Conductos de refrigeración Ductos de vapor o agua u otro producto. Secadores. Cucharones. Crisoles. Desgaste del refractario. Obstrucciones. Deterioros de aislamientos. Fugas de calor. Fugas de vapor. Sellos deteriorados. Niveles de almacenamiento en los tanques. 4.5 CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DE EXCEPCIONES EN LOS TERMOGRAMAS PARA LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS, MECÁNICOS Y TÉRMICOS El criterio de evaluación de las excepciones termográficas es a través de la diferencia de temperatura (ΔT) existente entre la temperatura monitoreada y la temperatura de referencia ya se la temperatura ambiente, la temperatura de 142143 un equipo con iguales características, sometidos a las mismas condiciones de operación. Por lo tanto la diferencia de temperatura está dada por la ecuación 22: (22) Para evaluar y analizar el delta de temperatura de las imágenes térmicas de los sistemas eléctricos, mecánicos o térmicos se hace por medio de los diferentes estándares existentes que son empleados como referencias o guías para la determinación del grado de severidad de la avería encontrada y su respectiva acción correctiva, sin embargo, se debe tener en cuenta otros factores como: seguridad, producción, funcionalidad del sistema, economía, correlación con otros datos y observaciones, cargas eléctricas, existencia de partes de repuesto, programas de supervisión, historia térmica del equipo, temperatura real de operación del equipo que son únicas para cada aplicación [21] Sistemas eléctricos. Los estándares más empleados en el análisis de las excepciones termográficas o puntos calientes de los equipos eléctricos son: United States Navy (USN), InterNational Electrical Testing Association (NETA), Nuclear Maintenance Applicationos Center (NMAC) y The Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company (HSB). 143144 Tabla 11. Estándares utilizados en las inspecciones de equipos eléctricos. USN NMAC HSB Acción ΔT Acción ΔT Acción ΔT Reparación recomendable Reparación importante Reparación obligatoria Reparación inmediata ºC sobre el ambiente ºC sobre el ambiente ºC sobre el ambiente >70 ºC sobre el ambiente Fuente: tomada de [21]. Aconsejable Intermedio Serio Crítico 0,5 8 ºC sobre normal 9 28 ºC sobre normal ºC sobre normal >56 ºC sobre normal Advertencia Alerta Alarma Peligro 5 10 ºC sobre normal ºC sobre normal ºC sobre normal >41 ºC sobre normal Un ejemplo de las acciones a tomar con las recomendaciones específicas de cada categoría del estándar HSB, se muestra a continuación: Advertencia: No-crítica. Supervisar y/o reparar cuando sea posible. Alerta: Reparar en un lapso de 6 meses. Alarma: Programar un cese de actividades para reparar en un lapso no mayor a 30 días. Peligro: Reparar tan pronto como sea posible. Los estándares de la NETA proporcionan un grado de severidad asociado al intervalo de temperatura referenciado a la temperatura ambiente o a la temperatura del dispositivo bajo operación normal (ver Tabla 7), ésta tabla solamente es aplicable para equipos eléctricos. Otras tablas para la evaluación de las excepciones termográficas para equipo eléctrico son: 144145 El C.S.I USA tiene dos tablas clasificatorias de fallas basadas, la primera al 50% de la carga nominal (ver Tabla 12) y la segunda es la más recomendada por seguridad y trabaja al 100% de la carga nominal [21]. (ver Tabla 13) Tabla 12. Rangos de temperatura de equipos al 50% de carga. Clase ΔT Descripción 1 0 a 5 ºC Debería ser mantenido o reparado durante el siguiente mantenimiento programado. 2 5 a 30 ºC Mantener o reparar pronto, en el momento más oportuno o conveniente. 3 >30 ºC Actuar inmediatamente. Fuente: [21]. Tabla 13. Rangos de temperatura de equipos al 100% de carga. Rangos de temperatura de ΔT y prioridad de reparación equipos de baja tensión Rangos de temperatura de ΔT y prioridad de reparación equipos de alta tensión Rutina < 15 ºC Rutina < 20 ºC Intermedia 15,1 a 23,0 ºC Intermedia 20,1 a 30,0 ºC Seria 23,1 a 30,0 ºC Seria 30,1 a 40,0 ºC Emergencia >30,1 ºC Emergencia >40,1 ºC Fuente: [21]. El Ejército Estados Unidos de América tiene su propio estándar de criterios de evaluación de anomalías para equipo eléctrico. (Ver Tabla 14) 145146 Tabla 14. Estándar Militar para equipos eléctricos. Prioridad Delta T Acción recomendada 4 10 a 25 ºC Componente con falla poco probable pero el mantenimiento correctivo requerido hasta el próximo mantenimiento programado a 40 ºC Componente con falla probable si no se corrige 2 40 a 70 ºC Componente con falla si no se corrige 1 >70ºC Componente con falla inminente. Detener e informar. Fuente: [33]. También existen los criterios de evaluación del delta de temperatura basados en la experiencia y conocimiento de los termógrafos en la Tabla 15 es un ejemplo de este tipo de criterios. Tabla 15. Escala de prioridad para Sistemas Eléctricos. ΔT ( ºC) CONDICIÓN CONSIDERACIONES 0 5 Normal Estado normal de operación Ligeramente Severo Severo Crítico 31 o superior Fuente: [9]. Peligroso Anormalidad suave, se deben tomar medidas correctivas en el próximo mantenimiento programado o cuando el proceso lo permita. Anormalidad que indica una falla en progreso para la cual se deben tomar medidas correctivas prioritarias en el programa de mantenimiento. Anormalidad que indica una falla presente, las medidas correctivas son requeridas tan pronto sea posible. Anormalidad que indica una falla presente. Se requieren medidas correctivas inmediatas. 146147 Para el caso de los motores eléctricos la temperatura máxima, se encuentra dada a la mayor temperatura interna que alcanza el sistema de aislamiento y cuando el motor opera a una temperatura ambiente de 40 ºC. La Tabla 16 muestra en forma resumida la temperatura máxima permitida para cada clase de aislamiento, según la norma IEEE Tabla 16. Clasificación por temperatura de varios aislamientos en motores eléctricos. Tipo de aislamiento Temperatura Clase A 105 ºC 221 ºF Clase E* 120 ºC 248 ºF Clase B 130 ºC 266 ºF Clase F 155 ºC 311 ºF Clase H 180 ºC 356 ºF Clase N 200 ºC 392 ºF Basado para una temperatura ambiente de 40 ºC (104 ºF) *Usado en equipo Europeo Fuente: [21]. La temperatura medida mediante la termografía infrarroja en los motores eléctricos es una medición indirecta, por lo tanto se considera que la temperatura interior es 20 ºC superior a la externa Sistemas mecánicos. Al igual, que en los sistemas eléctricos existen diferentes clasificaciones para las anomalías de los sistemas mecánicos basados el delta de temperatura y desarrollados por la experiencia adquirida de los termógrafos, de los equipos y el proceso, pero no existe una norma 147148 establecida solo recomendaciones. En las siguientes tablas (Tabla 17 y Tabla 18) se muestran algunos ejemplos: Tabla 17. Tabla de clasificación del delta de temperaturas basadas en la experiencia para equipos eléctricos y mecánicos. Prioridad ΔT Acción recomendada 4 1 a 10 ºC Medidas correctivas deben ser tomadas en el siguiente mantenimiento programado. 3 >10 a 20 ºC Medidas correctivas requieren ser programadas. 2 >20 a 40 ºC Medidas correctivas son requeridas tan pronto sea posible. 1 >40 ºC Medidas correctivas son requeridas inmediatamente. Fuente: tomada de [33]. Tabla 18. Escala de prioridad para Sistemas Mecánicos. ΔT ( ºC) CONDICIÓN CONSIDERACIONES 0 5 Normal Estado normal de operación Ligeramente Severo Severo Crítico 36 o Peligroso superior Fuente: tomada de [9]. Anormalidad suave, la cual es necesaria monitorear para establecer su avance. Anormalidad que indica una falla en progreso para la cual es necesario programar una inspección. Anormalidad que indica una falla presente y se debe realizar una jornada de mantenimiento correctivo programado. Anormalidad que indica una falla presente y se debe realizar un correctivo inmediato. 148149 4.5.3 Sistemas térmicos. Basados en la experiencia de los termógrafos en esta área se publican recomendaciones para la clasificación de las excepciones térmicas. Un ejemplo de este tipo de clasificación se relaciona en la Tabla 19. Tabla 19. Escala de prioridad para Sistemas Térmicos. ΔT ( ºC) CONDICIÓN CONSIDERACIONES 0 15 Normal Estado normal de operación Ligeramente Severo Severo Crítico 41 o superior Peligroso Fuente: tomada de [9]. Anormalidad suave, la cual es necesaria monitorear para establecer su avance. Anormalidad que indica una falla en progreso para la cual es necesario programar una inspección. Anormalidad que indica una falla presente y para lo cual se debe realizar un mantenimiento correctivo programado. Anormalidad que indica una falla presente y se deben tomar medidas correctivas inmediatas. 4.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA EN UNA INSPECCIÓN CON TERMOGRAFÍA INFRARROJA La inspección termográfica es afectada por diferentes variables que causan errores en la detección de excepciones térmicas, porque la cámara termográfica capta toda la radiación infrarroja saliente del objeto con una componente del entorno. Esto trae como consecuencia, una medición errónea de la temperatura y así mismo la generación de los reportes con información errónea que afectan el objetivo del Plan de Mantenimiento Predictivo. 149150 Los factores que un termógrafo debe considerar para el desarrollo de una buena inspección son: Emisividad. Este es el parámetro del objeto en estudio más importante que se debe considerar, porque de acuerdo a la ecuación de Stefan Boltzmann (Ec. 4), la temperatura es dependiente de este valor y es igual a: (23) Por lo anterior, sí el valor de emisividad ingresado a la cámara termográfica no es correcto esto genera errores en la medición de temperatura, por lo tanto el delta de temperatura y la clasificación de la excepción serán incorrectas. En la Figura 61 se tienen dos termogramas de un vaso de acero inoxidable con ε=0,16 y sobre él cinta eléctrica aislante con ε=0,95 de diferentes colores, con la función punto de la cámara termográfica se señalan las temperaturas de cada material y se encuentra que la temperatura cambia en cada material al modificar este parámetro. Figura 61. Medición de temperatura con una emisividad Fuente: Autores. 150151 La emisividad de un cuerpo es afectada por diferentes factores entre ellos: Del material: madera, plástico, bronce, hormigón, hielo, porcelana, goma, acero, etc. Estructura superficial: Suave, pulido, desgastado, brillante, basto, etc. Geometría. El ángulo de visión determina la emisividad efectiva de la superficie. La longitud de onda: la emisividad de la misma superficie puede ser diferente para cámaras de onda larga o corta. Grandes variaciones de temperatura pueden afectar a la emisividad. Por lo anterior, la emisividad afecta directamente la medida de la temperatura pero no la forma de la imagen; debido a esto, los termogramas de materiales con emisividad alta se pueden medir e interpretar fácilmente. Por el contrario, los materiales de emisividad baja reflejan los objetos y por esto las medidas de temperatura son erradas, por esta causa es recomendable cubrir con pinturas especiales los equipos que presenten emisividad baja o emplear otra técnica de diagnóstico Factores del entorno. Los factores ambientales afectan los resultados de la inspección termográfica, puesto que la radiación emitida por el objeto es transmitida por la atmósfera donde ella absorbe un poco la radiación del objeto y emite la propia. Según lo visto en la sección , la única radiación que depende de la temperatura es la radiación emitida, por esto, se debe hacer una compensación de los parámetros del entorno para tener una medida real de la temperatura del objeto porque la cámara toma es una temperatura aparente (todas las componentes, Figura 62). El termógrafo debe introducir estos parámetros y la cámara termográfica realiza esta compensación automáticamente. Los factores que influyen son: temperatura ambiente y 151152 reflejada, el viento, carga solar, la distancia, la presencia de superficies reflectivas en el área de observación y la humedad relativa. Figura 62. Factores del entorno que afectan la medición de temperatura Fuente: tomada de [12] Temperatura ambiente y temperatura reflejada. El termógrafo en el momento de realizar la inspección y generar el informe debe tener presente estas temperaturas. La temperatura ambiente, es la temperatura de la atmósfera entre el objeto y la cámara termográfica; esta permite hacer una comparación con las temperaturas de las diferentes partes del equipo y este delta de temperatura ser contrastado con la tabla de criterios de severidad de fallos. El termógrafo debe tenerlas siempre presentes para no dar una falsa alarma con temperaturas elevadas que pueden corresponder a condiciones climáticas en las que se encuentra el equipo en operación. Sin embargo, es importante tener presente las temperaturas normales de funcionamiento de los equipos que lo rodean y de las partes del equipo en particular. En este tema la experiencia del 152153 termógrafo es significativa, según el área de aplicación como medicina, electrónica, eléctrica, mecánica, etc. En cambio, la temperatura reflejada es la temperatura aparente de cualquier objeto que se refleje en el cuerpo en estudio y no es una variable incidente en los resultados de la inspección, pero se emplea para compensar la radiación reflejad en el cuerpo y la radiación emitida desde la atmósfera entre la cámara y el propio cuerpo en estudio. Se recomienda, compensar la temperatura reflejad de forma correcta si la emisividad del cuerpo es baja, la distancia es grande entre la cámara y el objeto y la temperatura del cuerpo es relativamente cercana a la atmosfera que la rodea [3] El viento. La velocidad del viento es un factor que se comporta como una fuente de enfriamiento por convección que afecta la medición de temperatura, porque a una mayor velocidad del viento, mayor es la pérdida de calor por efecto de la convección forzada y la temperatura medida será más baja comparada con la real, lo cual implica errores de medida y diagnósticos erróneos, en la Figura 63 se ilustra esta situación porque al comparar las dos figuras se observa que el número de puntos calientes es diferente. Figura 63. Efecto del viento en una imagen térmica. Fuente: tomado de [12]. 153154 Es recomendable no realizar inspecciones termográficas con viento fuerte porque se pueden pasar por alto anomalías o se presentarán errores al interpretar el ΔT, porque éste se reduce debido al efecto de enfriamiento producido por el viento ilustrado en la figura anterior Presencia de superficies reflectivas en el área de observación. Los reflejos producidos por la incidencia de la luz solar o artificial u otro objeto sobre superficies reflectivas del equipo o sistema a inspeccionar pueden causar errores en el análisis del termograma, por esto se hace necesario, en el momento de realizar la inspección, revisar si un punto con elevada incandescencia corresponde a un punto caliente o a un reflejo. Un reflejo aparece como un punto caliente en una superficie de baja emisividad, si enfrente de ella existe una fuente de calor, al mover el ángulo de la cámara o al quitar la fuente en la superficie aparece otra cosa. (Ver Figura 64) Figura 64. Efecto de un reflejo en una superficie de baja emisividad Fuente: tomada de [12]. 154155 Existen partes en las que sucede esto con frecuencia, generalmente, en las láminas con la que están hechas las cubiertas de muchos equipos, en el caso en que no se les aplique algún tipo de pintura. Para determinar si existen reflejos y evitar estos errores de análisis, algunas recomendaciones son: No situarse en frente del objetivo, así se evita que el termógrafo se refleje. Sí existe la presencia de un punto caliente, moverse alrededor, sí este se mueve se trata de un reflejo. Sí el área lo permite emplear un trozo de cartón o similar para apantallar la fuente de reflejo. Se deben buscar gradientes térmicos del punto caliente, sí la zona no muestra este comportamiento es un reflejo. Buscar partes del equipo con alta emisividad Distancia. Es definida como el espacio que existe entre el objeto de estudio y la cámara termográfica, con este factor se considera, dado que la atmosfera absorbe parte de la radiación emitida por el objeto; a una mayor distancia, la radiación absorbida será mayor y dependerá de la resolución de la cámara si registra y determina la posición de una anomalía. Por consiguiente, es recomendable establecer mediante criterios técnicos las distancias máximas de inspección teniendo siempre presente las distancias mínimas de seguridad de los diferentes equipos y con esto obtener imágenes térmicas donde se edifiquen claramente los elementos de los equipos o sistemas. Otro factor para tener en cuenta es el tamaño del objeto, porque este debe cubrir el contorno interior del punto o spot (hilos cruzados del medidor 155156 puntual) para no inducir errores. Sí se inspecciona objetos pequeños se recomienda realizar la inspección lo más cerca posible, pero teniendo en cuenta siempre las distancias mínimas de seguridad Carga solar. La influencia que ejerce el sol como fuente natural de radiación en los equipos u objetos que se encuentran expuestos se observa en la Figura 65. Esta influencia afecta los resultados de la inspección termográfica porque pueden existir casos donde este efecto oculte una anomalía como una condición normal de operación o produzca una falsa anomalía. Figura 65. Efecto de la carga solar en un tanque de almacenamiento Fuente: tomada de [12]. En consecuencia, las inspecciones termográficas se deben realizar en diferentes cargas solares para no pasar por alto fallas que se puedan estar presentando. Se recomienda ejecutar las inspecciones en horas donde la carga solar es baja temprano en la mañana o tarde en horas de la tarde. 156157 4.6.3 Conocimiento de la cámara termográfica. La experiencia y el conocimiento del termógrafo en el manejo de la cámara y en los sistemas a inspeccionar son importantes para seleccionar las utilidades de la cámara para tener una mejor compresión del campo térmico u obtener una imagen de calidad que brinde una información confiable El rango de temperatura y la paleta de colores. Se deben seleccionar según los niveles de temperaturas observadas en el equipo porque el rango influye en la precisión de la medida, puesto que este limita la cantidad de radiación que llega al detector. Para la elección de las paletas de colores se debe tener presente que ellas dan un mayor o menor contraste a la imagen térmica. Se recomienda; Si existen variaciones pequeñas de temperatura (bajo contraste térmico) se emplee una paleta de alto contraste. Por el contrario, para un alto contraste térmico se debe utilizar una paleta de bajo contraste. Figura 66. Contraste de termogramas en diferentes rangos de temperatura Figura: tomada de [12]. 157158 La Figura 66 es un ejemplo de la selección de estos dos factores, en la Figura 66-a la temperatura del seccionador es de 27 ºC y tiene un delta de temperatura aceptable de 8 ºC, pero los colores en que se muestran sugieren una reparación urgente. Por el contrario, para el caso del disyuntor de la Figura 66-b, se seleccionó un rango de temperatura y una paleta de colores adecuados con las niveles de temperatura del elemento estudiado, y de esta forma se presenta claramente una diferencia marcada de colores, para una diferencia grande de temperatura, generando una alarma de manera justificada Enfoque. Consiste en hacer que la imagen de un objeto obtenido de un aparato óptico se produzca exactamente en un plano u objeto determinado, una toma fuera de afecta la precisión de la medición de la temperatura [39]. (Ver Figura 67) Figura 67. Termogramas con enfoque deficiente Fuente: tomada de [12]. 158159 Otra consecuencia de un mal enfoque, es la falta de claridad que no permite determinar con facilidad cuál es la parte del equipo que presenta falla y por ende, no se pueda hacer el mantenimiento correctivo, por esto se recomienda que el informe este acompañado de una imagen digital que permita señalar el lugar donde se presenta la avería del equipo. También, se recomienda tomar imágenes térmicas desde diferentes ángulos de vista, de modo que se tenga una visión más completa de la falla Composición. La composición se refiere a la forma de cómo se presenta el objeto o cuerpo en la imagen. Una imagen térmica con una composición inadecuada puede omitir información (ver Figura 68) Figura 68. Efecto de la composición en un termograma Fuente: tomadas de [12]. 159160 En la Figura 68 es un ejemplo de una composición de imagen deficiente porque en el termograma de la izquierda se omite la chimenea del fondo y se puede pensar que el elemento inspeccionado tiene una falla grave. 4.7 REPORTE TERMOGRÁFICO El informe de una inspección con termografía para los sistemas eléctricos y/o mecánicos incluye aspectos recomendados en la norma NETA y las partes del reporte son: 1. Fecha y hora de la inspección 2. Sección y equipo donde se encuentra el elemento inspeccionado 3. Imagen fotográfica e infrarroja del elemento 4. Temperaturas registradas. 5. Gráfica de temperatura relacionada con la imagen infrarroja (sí el software lo permite). 6. Clasificación de la excepción encontrada referenciada al 100% de la máxima carga, y con un criterio de clasificación como la Tabla 7 de criterios de la NETA, esta es válida únicamente para mediciones directas de temperatura crítica y recomendaciones para corregir el problema. 7. Información general se encuentra el nombre del termógrafo, el nombre del archivo de la imagen IR, y los parámetros de comparación. 8. Recomendaciones En la Figura 69 se muestra un informe termográfico de un contactor del tablero de alta tensión de corriente alterna de la subestación central de una empresa, en esta figura se resaltan las partes del informe. Cada empresa tiene formatos diferentes de cómo se presenta la información pero debe contener mínimo 160161 estas 8 partes sí el software de análisis permite realizara histogramas y tendencias. Figura 69. Reporte termográfico con sus partes Fuente: Carlos Caicedo Pérez y autores. 161162 4.7.1 Ejemplos de reportes termográficos en aplicaciones reales de sistemas eléctricos, mecánicos y térmicos. En las figuras siguientes se muestran ejemplos de informes de diferentes sistemas. Figura 70. Reporte termográfico de un sistema mecánico. NOMBRE DE LA EMPRESA REPORTE DE INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA SECCION: EQUIPO: FALLA: Transmisión por Correas Calentamiento en uno de los extremos de la correa IMAGEN TÉRMICA IMAGEN VISUAL HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS INFORMACIÓN GENERAL Parámetro Valores Información Valores Temperatura del Fecha: 10-Sep-09 punto caliente 48,2 ºC Hora: 10:35 Temperatura de Nombre del archivo: IR Referencia 31,4 ºC Termografo: Carlos Caicedo Pérez Delta de Temperatura 16,8 ºC Emisividad: 0.94 PERFIL Humedad relativa: Temperatura ambiente: Distancia al Obejo: 65% 23 ºC 3 m Clasificiación Severa ANALISIS Y RECOMENDACIONES 1. Se observa un calentamiento en uno de los extremos de la correa 2. Es necesario verificar la tensión de la correa y su estado 3. Parar el equipo, revisar la tension de la correa y el estado en que se encuentra 4. Cambiar la correa si es necesario 5. Verificar el funcionamiento después de la reparación Fuente: tomado de [9]. 162163 Figura 71. Reporte termográfico de un sistema eléctrico NOMBRE DE LA EMPRESA REPORTE DE INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA SECCION: SALA DE CONTROL EQUIPO: CARGADOR FL 82 FALLA: RESISTENCIA FUERA DE SERVICIO IMAGEN TÉRMICA IMAGEN VISUAL HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS INFORMACIÓN GENERAL Parámetro Valores Información Valores S1 24,3 ºC Fecha: 24 de mayo de 2010 S2 65,7 ºC Hora: 09:15 L1: Temp. Promedio 28,6 ºC Nombre del archivo: IR L1: Temp Max 67,8 ºC Termografo: Carlos Caicedo Pérez L1: Temp Min 20,4 ºC Emisividad: Humedad relativa: Temperatura ambiente: Distancia al Obejo: Clasificiación Según NETA % 24.3 ºC 2 m Deficiencia Mayor PERFIL ANALISIS Y RECOMENDACIONES 1. Desenergizar cargador 2. Verificar contactos y condición física de la resistencia 3. Reemplazar resistencia si es necesario 4. Referencia de la resistencia 5W500ΩJ Fuente: Carlos Caicedo Pérez 163164 Figura 72. Reporte de Inspección con termografía en una línea eléctrica aérea 13.8 kv NOMBRE DE LA EMPRESA REPORTE DE INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA SECCION: LÍNEA ELÉCTRICA AÉREA 13.8 kv EQUIPO: ESTRUCTURA 2 FALLA: ALTA TEMPERATURA CONECTOR DE SALIDA FUSIBLE FASE A IMAGEN TÉRMICA IMAGEN VISUAL HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS INFORMACIÓN GENERAL Parámetro Valores Información Valores S1 80,2 ºC Fecha: 03 de mayo de 2010 S2 32,0 ºC Hora: 16:18 S3 31,4 ºC Nombre del archivo: IR L1: Temp. Promedio 20,6 ºC Termografo: Carlos Caicedo Perez L1: Temp Max 80,8 ºC Emisividad: 0,95 L1: Temp Min 0,9 ºC Humedad relativa: Temperatura ambiente: Distancia al Obejo: Clasificiación según NETA: 68% 25,9 ºC 5 m Deficiencia Mayor PERFIL ANALISIS Y RECOMENDACIONES 1.Desenergizar línea indicada 2. Limpiar superficies de contacto 3. Verificar integridad del conector y remplazar de ser necesario 4. Reconectar con torque apropiado Fuente: Carlos Caicedo Pérez. 164 Mostrar más
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