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Conceptos de la Termografía Infrarroja

Para poder realizar y entender todo lo relacionado con la Termografía Infrarroja es importante tener claros los conceptos más importantes. 

En este caso vamos a hablar de calor, temperatura y sus diferencias.  También, las diferentes formas en que el calor se transfiere, las ondas infrarrojas y qué se mide cuando utilizamos una cámara de termografía infrarroja. 

Calor Y Temperatura

Entender la diferencia entre calor y temperatura es muy importante para poder avanzar en el estudio de la termografía infrarroja. 

En primer lugar, el calor se refiere al movimiento de las moléculas en el cuerpo. Este movimiento se le conoce como energía cinética. Este movimiento lo podemos medir en Joules y siempre se va dar de cuerpos de mayor energía a cuerpos con menor energía. 

Ejemplo de Moléculas

Por otro lado, la temperatura es la medida de la energía interna de un cuerpo, es decir, que tanto calor existe en un cuerpo. Sus unidades más utilizadas son Celsius, Farenheit y Kelvin. 

Como vemos son definiciones parecidas pero no deben tomarse como lo mismo. El calor es la habilidad de hacer trabajo (trabajo mecánico) y la temperatura se encarga de medir ese trabajo. Cuanto mayor sea el movimiento de las moléculas,  más calor, existe mayor temperatura. Porque la energía interna es mayor. 

Por ejemplo, cuando para nuestro desayuno cocinamos un huevo en una sartén, lo que calienta el huevo es el calor. Porque se transfiere de la superficie más caliente (sartén)  a la más fría(la superficie del huevo). Y de igual manera la temperatura del huevo cambia y permite que se cocine a nuestro gusto. 

Equilibrio Térmico

Ya vimos que cuando hay mayor movimiento de moléculas van hacía los cuerpos de menor movimiento. En términos de calor, cuando un elemento caliente entra en contacto con uno frío va a transferir su energía. 

El equilibrio térmico ocurre cuando después de cambios en las propiedades de los dos cuerpos, no hay más transferencia de calor.

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Siguiendo con nuestro desayuno, cuando servimos una taza de café y la dejamos a temperatura ambiente. Lo que ocurre es que la taza de café va a cambiar de temperatura hasta que esté a la misma temperatura del ambiente. 

Dependiendo de la diferencia de temperatura, este proceso puede tomar más o menos tiempo. 

Escalas de temperatura

Ya vimos que para cuantificar la temperatura usamos tres escalas muy conocidas, Celsius, Farenheit y Kelvin.

Las escalas de temperatura son muy importantes en la termografía infrarroja porque nos ayudan a ver la gravedad o intensidad del objetivo medido.  A pesar que las cámaras termográficas no miden temperatura sino la radiación térmica, es común utilizar esa información y asociarla a temperaturas para poder tomar decisiones. 

Cada escala considera dos puntos de referencia, uno superior y otro inferior y un número de divisiones entre las referencias señaladas.

La primera escala es la Celsius. Establece su cero grados en el punto de congelación del agua y 100 grados en el punto de ebullición. 

En la escala Kelvin sucede lo mismo. La distancia que hay entre el punto de congelación y ebullición está a 100 intervalos de distancia. 

Esto hace que un incremento de un grado celsius sea comparable con un grado Kelvin. 

Lo particular de la escala Kelvin es que no tiene valores negativos y su cero es un valor teórico conocido como cero absoluto. En este valor no habría movimiento de partículas. 

Por último, la escala Fahrenheit parece tener valores un poco más aleatorios en cuanto a su explicación. Sin embargo es utilizada por muchas personas y hacer la conversión entre cualquiera de las 3 escalas es bastante sencillo con simples fórmulas matemáticas. 

Transferencia de calor

En el ejemplo del desayuno vimos que puede haber intercambio de energía entre diferentes cuerpos. A esto se le conoce como transferencia de calor y existen varias formas de intercambio. 

El resultado de la transferencia de calor puede generar que los objetos cambien de estado. Por ejemplo de sólido a líquido o de líquido a vapor, como cuando se hierve agua. 

Dependiendo del tipo de transferencia se puede dividir entre conducción, convección o radiación.

Por Conducción

Este tipo de transferencia es muy común en sólidos y se da por contacto entre moléculas. 

Vamos a ver un ejemplo donde es fácil ir visualizando los diferentes tipos de transferencia. 

Cuando tenemos un recipiente con agua en una estufa  y la comenzamos a calentar, la llama va calentando el recipiente. Así pasa de la parte caliente a la fría, haciendo vibrar las moléculas hasta que todo el recipiente llegue a un equilibrio térmico. 

En ocasiones podremos ver que la zonas que se calientan, cambian de color o de estado. Como un hielo que dejamos en una mesa. 

En general los materiales que son buenos conductores se les conoce como materiales conductores y los que no, se les conoce como aislantes. 

Por Convección

El segundo tipo de transferencia se da cuando existen diferencias entre las densidades de los objetos que entran en contacto. 

Si por ejemplo en un recipiente se calienta agua, a medida que la temperatura del recipiente sube, el agua comienza a generar burbujas. 

En otras palabras podríamos decir que hay un cambio en las densidades de los materiales, debido a que las burbujas comienzan a subir hasta la superficie del líquido mientras que el agua más fría comienza a descender. 

De esta manera las burbujas empiezan a salir a la superficie del líquido y se genera un movimiento continuo debido a la convección. 

Radiación

Por último, tenemos la transferencia por radiación. Es una transferencia de calor por Longitudes de Onda de energía electromagnética.

En el ejemplo anterior, la llama generada en la parrilla produce ondas electromagnéticas que viajan en el espacio. Estas ondas transfieren calor y se pueden medir. 

Contrario a las otras dos formas de transferencia, esta no necesita un medio por lo que puede viajar en el vacío. Por ejemplo el sol es una fuente de calor y lo recibimos después de viajar en el espacio, atravesar todas las barreras atmosféricas y llegar a nosotros. 

En la termografía infrarroja esta es la forma en que se mide el calor de los objetos. Y las características del emisor son muy importantes porque las cámaras termográficas necesitan apoyarse de esta información para producir datos correctos. 

Ondas Infrarrojas

En la transferencia por radiación cada movimiento de las partículas cargadas produce radiación electromagnética a diferentes frecuencias. 

Si agrupamos todas las emisiones electromagnéticas tomando sus respectivas longitudes de onda tenemos algo llamado espectro electromagnético. 

En este espectro podemos encontrar desde ondas de radio hasta rayos gamma. 

En el centro del espectro se encuentra el espectro visible, que es el rango donde los humanos podemos ver y percibir colores. En un extremo del rango visible se encuentran las ondas infrarrojas. Estas ondas no las podemos ver con nuestros ojos pero si sentirlas en forma de calor. 

La diferencia de energía infrarroja también está relacionada con el calor de cada objeto. Los humanos emitimos energía infrarroja, pero sentir el calor producido es más difícil comparado con una fogata. 

Para poder medir y cuantificar la energía producida por las ondas infrarrojas, es necesario utilizar sensores especiales para esto. 

En el caso de los trabajos industriales el elemento para medir en la mayoría de los casos son las cámaras termográficas. 

Antes de ver el funcionamiento de las cámaras es importante entender cómo se comportan los elementos medidos para que la configuración de las medidas sea correcta y los datos sean útiles. 

Emitancia, Reflejancia y Transmitancia

Para poder medir la energía infrarroja radiada hay 3 conceptos muy importantes que debemos entender. 

El primero es la emitancia, que es la capacidad de un objeto para emitir energía infrarroja. 

Para cuantificar la emitancia existe una rango  de 0 a 1. En el valor cero la emitancia es como la de un elemento de laboratorio denominado “cuerpo negro”. Un cuerpo  negro es aquel que absorbe toda la radiación que recibe pero que emite la máxima radiación.

Entonces en los valores cercanos a 0 encontraremos aluminios y espejos, mientras que en valores cercanos a 1 podemos encontrar  el cuerpo humano que es un muy buen emisor de la radiación. 

De manera contraria podríamos decir que la reflejancia es la capacidad de los cuerpos para reflejar la energía y por tanto son muy malos emisores de radiación. 

En ambos casos el valor depende de las características físicas del objeto.
Para las mediciones de termografía infrarroja y sobre todo para las mediciones industriales es importante conocer esas características. Por ejemplo, los materiales de construcción deben estar identificados, pues así sabremos su  valor de emitancia y podremos calibrar nuestras cámaras. 

El último caso es la transmitancia, que se refiere a la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en determinada cantidad de tiempo. Lo más usual es que esa energía se evidencie en forma de calor. 

En este caso el ejemplo más común son los vidrios. Como a través de ellos pasa la energía entonces no poseen un valor de emisividad alto. En las cámaras esto se ve como una pared y no como lo vemos con nuestros ojos, un objeto transparente. 

Como la mayoría de objetos estudiados no son transparentes, esta propiedad se debe determinar cuidadosamente para no cometer errores en los  análisis de termografía infrarroja. 

Cámara Termográfica

Por último, tenemos la cámara termográfica. Como ya lo hemos mencionado la cámara termográfica detecta la energía infrarroja de los objetos no la temperatura.

Para poder tener datos más útiles la cámara convierte esos datos infrarrojos en una imagen a la que se le asignan valores de temperatura. Estos valores se calculan con la información medida por el sensor y con las características de emisividad que podemos manipular dentro de la cámara. 

Para que las mediciones sean correctas  debe haber entrenamiento. El mayor error se debe a no tener claro los conceptos técnicos y configurar de manera errónea la cámara. 

Cada fabricante incluye diferentes características en sus cámaras, pero en el fondo el mismo principio de funcionamiento. El principal elemento es un sensor encargado de recolectar información y un sistema de procesamiento de esa señal. 

Entre las características más importantes están el rango de temperatura, que dicta los límites tanto inferiores como máximos de detección de la cámara.  Y la resolución del sensor que es la cantidad de información por píxel que puede registrar el sensor. Para mediciones industriales de campo, el valor mínimo recomendado es de 320 x 240. En general a mayor distancia es necesaria mayor resolución para tener una medida.

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