Principios de la termografía.

Aquí describimos los principios de la termografía tal como los implementan los modernos. cámaras termográficas.

El descubrimiento de la radiación infrarroja.

En 1800, el alemán Friedrich Wilhelm Herschel, más conocido como el astrónomo del rey inglés, Jorge III, y descubridor del planeta Urano, estaba buscando una manera de proteger sus ojos al observar el Sol a través de telescopios y, al probar muestras de vidrio coloreado, observó que algunos dejan pasar más calor que otros. Con la ayuda de un prisma y tres termómetros de mercurio con las bombillas pintadas de negro, Hershel midió la temperatura de los distintos componentes de color de la luz solar refractada a través del prisma e incidente en una pantalla.. Noté un aumento en la temperatura de violeta a rojo., como havia sido observado anteriormente por Landriani, sin embargo, También se observó que el pico de temperatura más alto se produjo en la región oscura., más allá del rojo. Con esto concluyó que había, en esa región, Termómetros de calefacción con luz invisible.. La región fue nombrada Espectro Termométrico y la radiación el nombre de Calor Negro. Décadas más tarde, esta región del espectro electromagnético pasó a denominarse Región infrarroja y radiación, de Radiación infrarroja. Herschel publicó los resultados de sus experimentos en un artículo para Transacciones filosóficas de la Royal Society.

Principios de la termografía. – Figura 1 – La experiencia de Sir William Herschel

A continuación podéis ver un vídeo sobre este descubrimiento..

Principios de la termografía. – Calor y temperatura

El calor es la transferencia de energía de una región a otra como resultado de una diferencia de temperatura entre ellas.. Esta energía se origina por la agitación de las moléculas que componen la materia y su transferencia se produce desde la región más caliente a la región más fría.. el calor es, por lo tanto, un fenómeno transitorio, que cesa cuando ya no hay diferencia de temperatura.

Principios de la termografía. – Figura 2 – Calor y temperatura

Si dos objetos están en equilibrio térmico con un tercer objeto, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Como resultado de esto, Hay un cierto atributo o propiedad de estado que describe los estados termodinámicos de los objetos que están en equilibrio térmico entre sí., y esto se llama temperatura.

Principios de la termografía. – Modos de transferencia de calor

Hay tres modos de transferencia de calor.:

• Conduciendo,
• Convección
• Radiación

Todos los procesos de transferencia de calor ocurren a través de uno o más de estos tres modos.. La termografía infrarroja se basa en la medición del flujo de calor por radiación y es, por lo tanto, estrechamente relacionado con el modo de transferencia de calor por radiación.

Principios de la termografía. – Figura 3 – Procesos de transmisión de calor.

Principios de termografía -Conducción

La conducción se puede definir como el proceso mediante el cual se transfiere energía desde una región de alta temperatura a una región de menor temperatura dentro de un medio. (sólido, liquido o gaseoso) o entre diferentes medios en contacto directo. Este mecanismo puede verse como la transferencia de energía de partículas más energéticas a partículas menos energéticas de una sustancia debido a interacciones entre ellas.. La fuente de calor excita directamente las partículas, que transfieren parte de su energía a las partículas vecinas y estas a su vez la transfieren a otras partículas.. La intensidad del flujo depende de la conductividad térmica del material., con metales que tienen alta conductividad térmica y aislantes que tienen baja conductividad térmica.

La cantidad de calor por unidad de tiempo a través de una placa plana está representada por la figura y expresada por la ley de Fourier en la ecuación..

Principios de la termografía. – Figura 4 – Placa plana con la flecha que indica la dirección del flujo de calor..

en el cual,

 Q/Dt [Js^-1] es el flujo de calor por conducción.

 k [Js^-1.metro^-1.K^-1] es el coeficiente de conductividad térmica del material.

 UNA [metro²] es el área de la sección por la que fluye el calor por conducción, medido perpendicular a la dirección del flujo;

T2-T1 [K] es el gradiente de temperatura en la sección.

L [metro] es el espesor de la sección.

El factor de proporcionalidad k (conductividad térmica) que surge de la ecuación de Fourier es una propiedad de cada material y expresa la mayor o menor facilidad que presenta un material para la conducción del calor.. Los valores numéricos de k varían en un amplio rango dependiendo de la constitución química., Estado físico y temperatura de los materiales.. Cuando el valor de k es alto, el material se considera conductor térmico y, caso contrário, aislante termico. En algunos materiales como el aluminio y el cobre., k varía muy poco con la temperatura, pero en otros, como algunos aceros, k varía significativamente con la temperatura. En estos casos, adoptar, como solución de ingeniería, un valor promedio de k en un rango de temperatura.

la variación, para algunos materiales, de la conductividad térmica con la temperatura se muestra en la figura.

Principios de la termografía. – Figura 5- Variación de la conductividad térmica con la temperatura..

La figura presenta un ejemplo de transferencia de calor por conducción..

Principios de la termografía. – Figura 6 – Transferencia de calor por conducción desde la mano a la pared en el DMC

A continuación puedes ver un vídeo con un ejemplo de conducción de calor..

Principios de la termografía. – Convección

La convección se puede definir como el proceso mediante el cual se transfiere energía de las porciones calientes a las frías de un fluido mediante la acción combinada de: conducción de calor, Almacenamiento de energía y movimiento de mezcla..

El aceite de transformador y el agua de los sistemas de refrigeración son ejemplos de fluidos que producen enfriamiento por convección.. O ar, forzado o no, El equipo de soplado en una subestación es otro ejemplo de un fluido que puede afectar drásticamente la temperatura de ese equipo..

Principios de la termografía. – Figura 7 – Convección en un líquido calefactor

Calor transferido por convección., en la unidad de tiempo, entre una superficie y un fluido no tiene una ecuación simple, pero se puede lograr una aproximación a través de la relación propuesta por Isaac Newton:

en el cual,

Q/Dt [Js^-1] es el flujo de calor transferido por convección.

h [Js^-1.metro^-1.K^-1] es el coeficiente de transferencia de calor por convección.

UNA [metro²] es el área de transferencia de calor.

T1 – T2 [K] es la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido.

El coeficiente de transferencia de calor por convección. h depende de varios factores como: la orientación de la superficie, tipo de fluido, velocidad del fluido y tipo de superficie.

Principios de la termografía. – Radiación

La radiación se puede definir como el proceso mediante el cual se transfiere calor desde una superficie de alta temperatura a una superficie de menor temperatura cuando dichas superficies están separadas en el espacio., Incluso si hay un vacío entre ellos.. La energía así transferida se llama radiación térmica y se presenta en forma de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz..

La transferencia de calor por radiación es la base para medir la temperatura mediante termografía infrarroja, que detecta la radiación procedente del objeto bajo inspección, más específicamente radiación infrarroja.

Principios de la termografía. – Figura 8 – Calefacción con el uso de radiación.

Principios de la termografía. – Radiación infrarroja

Todos los objetos por encima del cero absoluto (0 K o -273,16°C) Emiten radiación térmica debido a la agitación térmica de los átomos y moléculas que los componen.. Cuanto mayor sea esta agitación, Cuanto más caliente está el objeto y más radiación emite.

Principios de la termografía. – El espectro electromagnético

La radiación térmica se puede emitir en los rangos ultravioleta., visible, infrarrojos e incluso el rango de microondas del espectro electromagnético. Sin embargo, para temperaturas típicas encontradas en la Tierra, La mayor parte de la radiación térmica se emite dentro del rango infrarrojo.. Siendo así, Las cámaras de termografía se fabrican con detectores que responden a este rango espectral..

La termografía detecta la radiación infrarroja emitida por el objeto inspeccionado., que es invisible al ojo humano, y lo transforma en imágenes térmicas visibles, con posibilidad de convertirlo en lecturas de temperatura.

Dentro del espectro electromagnético, La radiación infrarroja se encuentra entre la región de radiación visible y la región de radiación de microondas.. Estas regiones se dividen arbitrariamente., dependiendo de los métodos utilizados para producir y detectar la radiación.

Principios de la termografía. – Figura 9 – Espectro electromagnético

Radiación infrarroja, así como la radiación de diferentes regiones del espectro electromagnético, básicamente obedecen las mismas leyes. Propagar en línea recta, reflejar, refractado, son absorbidos, interferir, característica de dispersión del haz, puede concentrarse y viajar, en el vacío, a una velocidad de aproximadamente 3 X 10⁸ EM.

Principios de la termografía. – Onda corta y onda larga

El espectro infrarrojo se puede dividir además en subregiones..

Fabricantes de equipos de termografía infrarroja., referirse a equipos que funcionan en el rango de 8 µm un 14 µm de onda larga (Onda larga – LW) y equipos en la gama de 3 µm un 5 µm de onda corta (Onda corta – SW).

Principios de la termografía. – Figura 10 – Longitudes de onda

También existe el uso de los términos, Infrarrojos reflejados para radiaciones que van desde 0,75 µm un 1,2 µm e infrarrojo térmico para radiación más allá 2 µm.

Principios de la termografía. – el cuerpo negro

Gustav Robert Kirchhoff en 1860 propuso el término cuerpo negro como un cuerpo capaz de absorber toda la radiación incidente, independiente de su longitud de onda, su dirección de incidencia y su polarización. La radiación emitida por él tendría una distribución espectral dependiente únicamente de su temperatura.. Para que un cuerpo así esté en equilibrio termodinámico, debe irradiar energía al mismo ritmo que la absorbe. por lo tanto, un cuerpo negro, además de ser un perfecto absorbente, También es un emisor perfecto..

Principios de la termografía. – Ley de Stefan-Boltzmann

En 1879, Josef Stefan concluyó mediante mediciones experimentales que la cantidad total de energía irradiada por un Cuerpo Negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta., misma conclusión obtenida por medios teóricos por Ludwig Eduard Boltzmann en 1884, Resultando en ley de stefan-boltzmann.

Principios de la termografía. – Figura 11 – ley de stefan-boltzmann

Principios de la termografía. – ley de tablón

El físico alemán Max Karl Ernst Ludwig Planck, en 1900, formuló una teoría para explicar el comportamiento de la radiación emitida por los cuerpos negros.

Max Planck, exponiendo su trabajo ante la Sociedad de Física de Berlín, presentó una fórmula de acuerdo con los resultados experimentales, introduciendo una hipótesis: El movimiento térmico de átomos y moléculas., responsable de generar ondas electromagnéticas, Puede oscilar libremente a cualquier frecuencia., pero la emisión de radiación resultante de esta oscilación se produce de forma discontinua, o sea, a través de pulsos, llamado cuantos y la energía emitida por ellos es proporcional a la frecuencia de oscilación de las partículas, en la forma:

          mi = h f⋅

en el cual, mi [J] es la energía.

h [Js] es la constante de Planck = 6,6260755 X 10^-34 [Js].

F [hz] es la frecuencia de la radiación.

Principios de la termografía. – Figura 12 – Ley de Planck, para radiación de cuerpo negro, expresa la radiancia espectral en función de la longitud de onda y la temperatura del cuerpo negro.

El resplandor total (METRO_segundo) de un cuerpo negro se puede obtener integrando la fórmula de Planck sobre la longitud de onda λ = 0 hasta la longitud de onda λ = ∞.

                  Resultando en:

          METRO_segundo = pagT⁴ 

en el cual,

METRO_segundo [Wm^-2] es el resplandor total.

pag  [Wm^-2.K^-4] es la constante de Stefan-Boltzmann = 5,67051 X 10^-8 [Wm^-2.K^-4].

T [K] es la temperatura absoluta.

Gráficamente, el resplandor total (METRO_segundo) Representa el área bajo la curva de Planck para una temperatura específica.. La Figura muestra el resplandor total del Cuerpo Negro. (METRO_segundo) a una temperatura dada (T).

Principios de la termografía. – Figura 13 – Resplandor total del cuerpo negro (METRO_segundo) a una temperatura dada.

Principios de la termografía. – Leyes de radiación para emisores reales.

Las leyes de radiación descritas hasta ahora se refieren únicamente al Cuerpo Negro.. Los objetos del mundo real no siguen estas leyes en gran parte del espectro, aunque pueden acercarse al comportamiento de un cuerpo negro en ciertos rangos de longitud de onda.

La radiancia de los objetos reales es menor que la de un cuerpo negro y es necesario caracterizar algunas propiedades radiativas de dichos objetos..

Hay dos relaciones entre las propiedades radiativas de los materiales que son muy importantes.. El primero es el que relaciona la absorbancia, reflectancia y transmitancia en el balance de energía radiativa, y la segunda es la ley de Kirchhoff que relaciona absorción y emisividad.

Un cuerpo real al ser impactado por radiación puede presentar los siguientes fenómenos:

• Una fracción de la radiación incidente puede ser absorbida α.
• Una fracción de la radiación incidente se puede reflejar ρ.
• Una fracción de la radiación incidente se puede transmitir τ.

Principios de la termografía. – Figura 12 – Representación gráfica de la radiación incidente sobre un objeto real y las posibles fracciones de radiación absorbida. (un_yo), reflejado (r_yo) y transmitido (t_yo).

La intensidad de estos fenómenos depende de la longitud de onda de la radiación incidente., por lo tanto:

• La absorción espectral α_yo es la relación entre la energía espectral absorbida por un cuerpo y la radiación que incide sobre él.
• La reflexión espectral ρ_yo es la relación entre la energía espectral reflejada por un cuerpo y la radiación incidente sobre él.
• La transmisión espectral τ_yo es la relación entre la energía espectral transmitida por un cuerpo y la radiación que incide sobre él.

La suma de los tres coeficientes αλ, ρλ y τλ para la misma longitud de onda λ, resulta en radiación total:

Alabama + rl + tl = 1

La figura muestra la radiación incidente sobre un objeto real y las posibles fracciones de radiación absorbida. (un_yo), reflejado (r_yo) y transmitido (t_yo).

Para objetos opacos, t_yo = 0 y la relación se simplifica a:

         Alabama + rp = 1

Principios de la termografía. – la emisividad

Otra propiedad llamada emisividad. (mi) Describe la fracción de radiación producida por cualquier superficie en relación con la producida por un Cuerpo Negro a la misma temperatura.. Por tanto, la emisividad espectral (mi_yo) es la relación entre la radiancia espectral de una superficie y la radiancia de un cuerpo negro a la misma temperatura y longitud de onda:

En general, Hay tres tipos de fuentes de radiación., caracterizado por la forma en que la radiancia espectral varía con la longitud de onda:

• cuerpo negro, para lo cual ε_yo = mi = 1.
• Cuerpo gris, para lo cual ε_yo = ε = constante y menor que 1.
• Radiador selectivo, para el cual ε varía con la longitud de onda.

Las curvas de distribución espectral y la emisividad espectral de estas tres fuentes de radiación se presentan en las siguientes figuras.

Principios de la termografía. – Figura 15 – Radiancia espectral de los tres tipos de fuentes de radiación..

Principios de la termografía. – Figura 16 – Emisividad espectral de los tres tipos de fuentes de radiación..

Según la ley de Kirchhoff, la capacidad de un cuerpo para absorber energía incidente en una longitud de onda dada λ es equivalente a la capacidad de ese cuerpo para emitir energía en la misma longitud de onda.

Para una mejor comprensión, Considere un objeto opaco que está en equilibrio térmico.. Su temperatura permanece constante y, según la ley de Kirchhoff, Para que esto suceda, la radiación emitida debe estar equilibrada con la radiación absorbida.. Por otro lado, Si la radiación emitida es mayor que la radiación absorbida, el objeto se enfriará.. Si la radiación absorbida es mayor que la radiación emitida, el objeto se calentará.

La capacidad de una superficie., en emitir y absorber radiación en una longitud de onda determinada, está relacionado con la emisividad espectral, Las superficies con alta emisividad tienen una mayor capacidad de emitir y absorber radiación..

Principios de la termografía. – Factores que afectan la emisividad.

Los principales factores que afectan la emisividad son:

• Tipo de material,
• Rugosidad de la superficie,
• Estructura física y química.
• Espesor del material.

Principios de la termografía. – efecto cavidad

Cada vez que se refleja la radiación, su intensidad yo se reduce por la reflectancia ρ de su superficie. Si la radiación se refleja norte veces, la intensidad resultante es:

           yo = yo_la ⋅_r^norte

en el cual,

yo [W.s^-1] es la intensidad final.

yo_la [W.s^-1] es la intensidad inicial

norte es el número de veces que se refleja la radiación.

Múltiples reflejos tienen un efecto enorme en la intensidad reflejada.. este hecho, conocido como “efecto cavidad”, funciona como un medio para aumentar la emisividad de superficies de baja emisividad como se ilustra en la Figura.

Principios de la termografía. – Figura 13 – Radiación que cae sobre una superficie de baja emisividad..