La termografía infrarroja ( IRT ), video térmico y/o imágenes térmicas , es un proceso en el que una cámara térmica captura y crea una imagen de un objeto mediante el uso de radiación infrarroja emitida por el objeto en un proceso, que son ejemplos de ciencia de imágenes infrarrojas . Las cámaras termográficas suelen detectar radiación en el rango infrarrojo largo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000 a 14.000 nanómetros o 9 a 14 μm ) y producen imágenes de esa radiación, llamadas termogramas . Dado que, según la ley de radiación del cuerpo negro , todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación infrarroja , la termografía permite ver el entorno con o sin iluminación visible . La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura; por lo tanto, la termografía permite ver las variaciones de temperatura. Cuando se observan a través de una cámara termográfica, los objetos cálidos destacan bien sobre fondos más fríos; los humanos y otros animales de sangre caliente se vuelven fácilmente visibles en el medio ambiente, de día o de noche. Como resultado, la termografía es particularmente útil para los militares y otros usuarios de cámaras de vigilancia .
Algunos cambios fisiológicos en los seres humanos y otros animales de sangre caliente también pueden controlarse mediante imágenes térmicas durante el diagnóstico clínico. La termografía se utiliza en la detección de alergias y en medicina veterinaria . Algunos profesionales de la medicina alternativa promueven su uso para el cribado mamario , a pesar de que la FDA advierte que "aquellas que opten por este método en lugar de la mamografía pueden perder la oportunidad de detectar el cáncer en su fase más temprana". [1] El personal del gobierno y del aeropuerto utilizó la termografía para detectar casos sospechosos de gripe porcina durante la pandemia de 2009. [2]
La termografía tiene una larga historia, aunque su uso ha aumentado dramáticamente con las aplicaciones comerciales e industriales de los últimos cincuenta años. Los bomberos utilizan la termografía para ver a través del humo , encontrar personas y localizar la base de un incendio. Los técnicos de mantenimiento utilizan la termografía para localizar juntas y secciones de líneas eléctricas sobrecalentadas , que son señal de falla inminente. Los técnicos de construcción de edificios pueden ver firmas térmicas que indican fugas de calor en un aislamiento térmico defectuoso y pueden utilizar los resultados para mejorar la eficiencia de las unidades de calefacción y aire acondicionado.
La apariencia y el funcionamiento de una cámara termográfica moderna suelen ser similares a los de una videocámara . A menudo, el termograma en vivo revela las variaciones de temperatura con tanta claridad que no es necesaria una fotografía para el análisis. Por lo tanto, no siempre hay un módulo de grabación integrado.
Las cámaras termográficas especializadas utilizan matrices de plano focal (FPA) que responden a longitudes de onda más largas (infrarrojas de longitud de onda media y larga). Los tipos más comunes son InSb , InGaAs , HgCdTe y QWIP FPA. Las tecnologías más nuevas utilizan microbolómetros no refrigerados y de bajo coste como sensores FPA. Su resolución es considerablemente inferior a la de las cámaras ópticas, principalmente 160x120 o 320x240 píxeles , hasta 1280 x 1024 [3] para los modelos más caros. Las cámaras termográficas son mucho más caras que sus contrapartes de espectro visible, y los modelos de gama alta a menudo tienen restricciones de exportación debido a los usos militares de esta tecnología. Los bolómetros más antiguos o los modelos más sensibles, como el InSb, requieren enfriamiento criogénico , generalmente mediante un refrigerador de ciclo Stirling en miniatura o nitrógeno líquido .
Las imágenes térmicas, o termogramas, son en realidad presentaciones visuales de la cantidad de energía infrarroja emitida, transmitida y reflejada por un objeto. Debido a que existen múltiples fuentes de energía infrarroja, es difícil obtener una temperatura precisa de un objeto utilizando este método. Una cámara termográfica es capaz de realizar algoritmos para interpretar esos datos y construir una imagen. Aunque la imagen muestra al espectador una aproximación de la temperatura a la que está funcionando el objeto, la cámara en realidad utiliza múltiples fuentes de datos basadas en las áreas que rodean el objeto para determinar ese valor en lugar de detectar la temperatura real. [4]
Este fenómeno puede resultar más claro si se considera la fórmula:
donde la potencia radiante incidente es el perfil de potencia radiante cuando se ve a través de una cámara termográfica. La potencia radiante emitida es generalmente lo que se pretende medir; potencia radiante transmitida es la potencia radiante que atraviesa el sujeto desde una fuente térmica remota, y; La potencia radiante reflejada es la cantidad de potencia radiante que se refleja en la superficie del objeto desde una fuente térmica remota.
Este fenómeno ocurre en todas partes, todo el tiempo. Es un proceso conocido como intercambio de calor radiante, ya que potencia radiante × tiempo es igual a energía radiante . Sin embargo, en el caso de la termografía infrarroja, la ecuación anterior se utiliza para describir la potencia radiante dentro de la banda de paso de longitud de onda espectral de la cámara termográfica en uso. Los requisitos de intercambio de calor radiante descritos en la ecuación se aplican igualmente en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético .
Si el objeto irradia a una temperatura más alta que su entorno, entonces se producirá una transferencia de energía y la energía se irradiará de lo cálido a lo frío siguiendo el principio establecido en la segunda ley de la termodinámica . Entonces, si hay un área fría en el termograma, ese objeto absorberá la radiación emitida por el objeto cálido.
La capacidad de los objetos para emitir se llama emisividad , la de absorber radiación se llama absortividad . En ambientes exteriores, es posible que también sea necesario considerar el enfriamiento convectivo causado por el viento al intentar obtener una lectura de temperatura precisa.
A continuación, la cámara termográfica emplearía una serie de algoritmos matemáticos. Dado que la cámara sólo puede ver la radiación electromagnética que es imposible de detectar con el ojo humano , creará una imagen en el visor y grabará una imagen visible, generalmente en formato JPG .
Para desempeñar la función de registrador de temperatura sin contacto, la cámara cambiará la temperatura del objeto que se está viendo con su configuración de emisividad.
Se pueden utilizar otros algoritmos para afectar la medición, incluida la capacidad de transmisión del medio de transmisión (generalmente aire) y la temperatura de ese medio de transmisión. Todas estas configuraciones afectarán el resultado final de la temperatura del objeto que se está viendo.
Esta funcionalidad convierte a la cámara termográfica en una excelente herramienta para el mantenimiento de sistemas eléctricos y mecánicos en la industria y el comercio. Al utilizar la configuración adecuada de la cámara y tener cuidado al capturar la imagen, se pueden escanear los sistemas eléctricos y se pueden encontrar problemas. Las fallas en las trampas de vapor en los sistemas de calefacción por vapor son fáciles de localizar.
En el ámbito del ahorro de energía, la cámara termográfica puede hacer más. Debido a que puede ver la temperatura de radiación efectiva de un objeto, así como hacia dónde irradia ese objeto, también puede ayudar a localizar fuentes de fugas térmicas y regiones sobrecalentadas.
Emisividad es un término que a menudo se malinterpreta y se utiliza incorrectamente. Representa la capacidad de un material para emitir radiación térmica y es una propiedad óptica de la materia .
Cada material tiene una emisividad diferente, que puede variar según la temperatura y la longitud de onda infrarroja. [5] Por ejemplo, las superficies metálicas limpias tienen una emisividad que disminuye en longitudes de onda más largas; muchos materiales dieléctricos, como el cuarzo (SiO 2 ), el zafiro (Al 2 O 3 ), el fluoruro de calcio (CaF 2 ), etc., tienen una emisividad que aumenta a longitudes de onda más largas; Los óxidos simples, como el óxido de hierro (Fe 2 O 3 ), muestran una emisividad relativamente plana en el espectro infrarrojo.
La emisividad de un material puede variar desde un teórico 0,00 (completamente no emisor) hasta un igualmente teórico 1,00 (completamente emisor). Un ejemplo de sustancia con baja emisividad sería la plata, con un coeficiente de emisividad de 0,02. Un ejemplo de una sustancia con alta emisividad sería el asfalto, con un coeficiente de emisividad de 0,98.
Un cuerpo negro es un objeto teórico con una emisividad de 1 que irradia radiación térmica característica de su temperatura de contacto. Es decir, si la temperatura de contacto de un radiador de cuerpo negro térmicamente uniforme fuera de 50 °C (122 °F), el cuerpo negro emitiría una radiación térmica característica de 50 °C (122 °F).
Un objeto ordinario emite menos radiación infrarroja que un cuerpo negro teórico. La fracción de su emisión real respecto de la emisión teórica (del cuerpo negro) es su emisividad (o coeficiente de emisividad).
Para realizar una medición de la temperatura de un objeto utilizando un generador de imágenes infrarrojas, es necesario estimar o determinar la emisividad del objeto. Para un trabajo rápido, un termógrafo puede consultar una tabla de emisividad para un tipo determinado de objeto e ingresar ese valor en la cámara. Luego, el generador de imágenes calcularía la temperatura de contacto del objeto en función del valor ingresado en la tabla y la emisión de radiación infrarroja del objeto detectada por el generador de imágenes.
Para obtener una medición de temperatura más precisa, un termógrafo puede aplicar un material estándar de alta emisividad conocida a la superficie del objeto. El material estándar puede ser tan complejo como un spray de emisividad industrial producido específicamente para este propósito, o tan simple como una cinta aislante negra estándar , con una emisividad de aproximadamente 0,97. La temperatura conocida del objeto se puede medir utilizando la emisividad estándar. Si se desea, la emisividad real del objeto (en una parte del objeto que no está cubierta por el material estándar) se puede determinar ajustando la configuración del generador de imágenes a la temperatura conocida. Sin embargo, hay situaciones en las que dicha prueba de emisividad no es posible debido a condiciones peligrosas o inaccesibles. En estas situaciones, el termógrafo debe basarse en tablas.
La película IR es sensible a la radiación infrarroja (IR) en el rango de 250 a 500 °C (482 a 932 °F), mientras que el rango de termografía es aproximadamente de -50 a 2000 °C (-58 a 3632 °F). Entonces, para que una película IR funcione termográficamente, el objeto medido debe estar a más de 250 °C (482 °F) o reflejar la radiación infrarroja de algo que esté al menos a esa temperatura.
Los dispositivos de visión nocturna por infrarrojos obtienen imágenes en el infrarrojo cercano, justo más allá del espectro visual, y pueden ver el infrarrojo cercano emitido o reflejado en completa oscuridad visual. Sin embargo, nuevamente, estos no se usan generalmente para termografía debido a los requisitos de alta temperatura, sino que se usan con fuentes activas de infrarrojo cercano.
Los dispositivos de visión nocturna tipo Starlight generalmente solo magnifican la luz ambiental .
Todos los objetos por encima de la temperatura del cero absoluto (0 K ) emiten radiación infrarroja . Por lo tanto, una excelente manera de medir las variaciones térmicas es utilizar un dispositivo de visión infrarroja , generalmente una cámara infrarroja de matriz de plano focal (FPA) capaz de detectar radiación en ondas infrarrojas medias (3 a 5 μm) y largas (7 a 14 μm). bandas, denominadas MWIR y LWIR, correspondientes a dos de las ventanas infrarrojas de alta transmitancia . Los perfiles de temperatura anormales en la superficie de un objeto son una indicación de un problema potencial. [6]
En termografía pasiva , las características de interés se encuentran naturalmente a una temperatura mayor o menor que la del fondo. La termografía pasiva tiene muchas aplicaciones como la vigilancia de personas en un lugar y el diagnóstico médico (específicamente termología ).
En termografía activa , se requiere una fuente de energía para producir un contraste térmico entre la característica de interés y el fondo. El enfoque activo es necesario en muchos casos dado que las piezas inspeccionadas suelen estar en equilibrio con el entorno. Dadas las superlinealidades de la radiación del cuerpo negro , la termografía activa también se puede utilizar para mejorar la resolución de los sistemas de imágenes más allá de su límite de difracción o para lograr una microscopía de superresolución . [7]
La termografía muestra una imagen visual para poder comparar las temperaturas en un área grande. [8] [9] [10] Es capaz de capturar objetivos en movimiento en tiempo real. [8] [9] [10] Es capaz de encontrar deterioro, es decir, componentes con temperaturas más altas antes de que fallen. Puede usarse para medir u observar en áreas inaccesibles o peligrosas para otros métodos. Es un método de prueba no destructivo. Puede utilizarse para encontrar defectos en ejes, tuberías y otras piezas de metal o plástico. [11] Se puede utilizar para detectar objetos en áreas oscuras. Tiene alguna aplicación médica, fundamentalmente en fisioterapia .
Hay varias cámaras más baratas y más caras. Las cámaras de calidad suelen tener un precio elevado (a menudo 3.000 dólares estadounidenses o más) debido al coste de la matriz de píxeles más grande (de última generación, 1280 x 1024), mientras que los modelos menos costosos (con matrices de píxeles de 40 x 40 hasta 160 x 120 píxeles) son también disponible. Menos píxeles reducen la calidad de la imagen, lo que hace más difícil distinguir objetivos próximos dentro del mismo campo de visión.
También hay una diferencia en la frecuencia de actualización. Es posible que algunas cámaras solo tengan un valor de actualización de 5 a 15 Hz, otras (por ejemplo, FLIR X8500sc [3] ) 180 Hz o incluso más en modo sin ventana completa.
Además la lente puede estar integrada o no.
Muchos modelos no proporcionan las mediciones de irradiancia utilizadas para construir la imagen de salida; la pérdida de esta información sin una calibración correcta de emisividad, distancia y temperatura ambiente y humedad relativa implica que las imágenes resultantes son mediciones de temperatura inherentemente incorrectas. [12]
Las imágenes pueden ser difíciles de interpretar con precisión cuando se basan en ciertos objetos, específicamente objetos con temperaturas erráticas, aunque este problema se reduce con las imágenes térmicas activas. [13]
Las cámaras termográficas crean imágenes térmicas basadas en la energía térmica radiante que recibe. [14] Como los niveles de radiación están influenciados por la emisividad y el reflejo de la radiación, como la luz solar, de la superficie que se mide, esto provoca errores en las mediciones. [15]
Las cámaras termográficas convierten la energía de la longitud de onda infrarroja en una visualización de luz visible. Todos los objetos por encima del cero absoluto emiten energía térmica infrarroja, por lo que las cámaras térmicas pueden ver pasivamente todos los objetos, independientemente de la luz ambiental. Sin embargo, la mayoría de las cámaras térmicas solo ven objetos a más de -50 °C (-58 °F).
El espectro y la cantidad de radiación térmica dependen en gran medida de la temperatura de la superficie de un objeto . Esto hace posible que una cámara termográfica muestre la temperatura de un objeto. Sin embargo, otros factores también influyen en la radiación, lo que limita la precisión de esta técnica. Por ejemplo, la radiación no sólo depende de la temperatura del objeto, sino que también es función de la emisividad del objeto. Además, la radiación se origina en el entorno y se refleja en el objeto, y la radiación del objeto y la radiación reflejada también se verán influenciadas por la absorción de la atmósfera .
La termografía, por definición, se realiza mediante un instrumento (artefacto), pero algunos seres vivos tienen órganos naturales que funcionan como contrapartes de los bolómetros y, por lo tanto, poseen un tipo tosco de capacidad de obtención de imágenes térmicas ( termocepción ). Uno de los ejemplos más conocidos es la detección infrarroja en serpientes .
Los sensores CCD y CMOS no especializados tienen la mayor parte de su sensibilidad espectral en el rango de longitud de onda de la luz visible. Sin embargo, al utilizar el área "final" de su sensibilidad espectral, es decir, la parte del espectro infrarrojo llamada infrarrojo cercano (NIR), y al usar una cámara CCTV disponible en el mercado, es posible, bajo ciertas circunstancias, obtener imágenes térmicas reales. de objetos con temperaturas de aproximadamente 280 °C (536 °F) y superiores. [27]
A partir de temperaturas de 600 °C se han utilizado también cámaras económicas con sensores CCD y CMOS para la pirometría en el espectro visible. Se han utilizado para hollín en llamas, quema de partículas de carbón, materiales calentados, filamentos de SiC y brasas humeantes. [28] Esta pirometría se ha realizado utilizando filtros externos o únicamente los filtros Bayer del sensor . Se ha realizado utilizando proporciones de color, escalas de grises y/o un híbrido de ambas.
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