Medición sin contacto de temperatura y su diagnóstico

Un gran avance en el campo de la termometría y termografía produjo la aparición de un gran número de termómetros sin contacto y sistemas de termovisión en el mercado. Hay disponibles termómetros de infrarrojos también llamados pirómetros. La característica más importante es su naturaleza no invasiva de medición.

Características de mediciones con infrarrojos

• sin intercambio de calor entre el objeto medido y el sensor de temperatura,
• no crea ningún cambio temporal en la distribución de la temperatura en el lugar de contacto del sensor con el objeto,
• No es necesario esperar a que se estabilice la temperatura, es decir, a que la temperatura del sensor sea idéntica a la del objeto de medición.

Utilización de pirómetros para el diagnóstico térmico

La medición de los termómetros por infrarrojos, control y registro de los resultados extiende de manera significativa las capacidades del diagnóstico de temperatura y de las mediciones dinámicas. El diagnóstico de temperatura (térmica) incluye cambios temporales de la temperatura y distribución espacial de la temperatura. Sobre la base de monitoreo continuo o inspección periódica se puede evaluar el estado técnico de muchos dispositivos y componentes, llevar a cabo un seguimiento de la medición de la temperatura en los procesos productivos, operativos (físicos y químicos), así como de la logística y el almacenamiento.

Ejemplos de áreas de aplicación de la medición de temperatura sin contacto

• Supervisión operativa de rodamientos y rodillos,
• Diagnóstico de sistemas electrónicos y componentes PCB,
• Control de temperatura de elementos y equipos de con voltaje,
• Medición de temperatura en las zonas EX,
• Medición de temperatura de los componentes de pequeño tamaño,
• Control de temperatura en interiores de espacios de almacenamiento y producción.

Efecto de la temperatura en el cojinete de las máquinas

Durante la explotación de las máquinas con los componentes móviles junto a otros elementos en movimiento, el calentamiento excesivo se debe a una mayor fricción, desajuste en los elementos móviles o cambio en la distribución de la fuerza. Los elementos más vulnerables son todo tipo de rodamientos. En este caso, un aumento de la temperatura es una clara indicación de:

• Desgaste de explotación,
• Cambio en la geometría de las fuerzas o del centro de gravedad del sistema rotatorio (desequilibrio)
• Muy poca o demasiada grasa,
• Parámetros incorrectos de grasa. La monitorización periódica de la temperatura del cojinete o los lugares donde se instalan, con el termómetro de infrarrojos, es importante ya que permite la evaluación del estado técnico y también ayuda a la realización de una previsión de funcionamiento.

Temperatura de rodillos guía

Los efectos de sobrecalentamiento también son visibles en partes móviles, y en los rodillos de guía. El control de temperatura en los sistemas de rodillos permite realizar fácilmente el diagnóstico o localizar los rollos individuales, cuyas propiedades cinéticas son significativamente diferentes.

Diagnóstico de los componentes electrónicos y placas PCB

Otra área importante de aplicación del diagnóstico de temperatura son los componentes electrónicos y las placas PCB. Debido al pequeño tamaño de elementos SMD y THT, los termómetro sin contacto con una alta resolución óptica son óptimos y, a menudo son la única manera de diagnosticar la temperatura en las placas PCB. Esto es debido a las limitaciones de espacio y la medición del riesgo potencial de causar un cortocircuito con la sonda de temperatura.

Control de sistemas

Mediante la medición de la temperatura de los circuitos, semiconductores, condensadores, radiadores y carcasas se puede evaluar el estado técnico o diagnosticar el comportamiento anómalo del sistema, como resultado del nivel de temperatura inapropiado en los componentes individuales. El control y la medición de la temperatura de los semiconductores de potencia y de los sistemas de refrigeración con disipadores de calor es relativamente fácil. Una parte de los sistemas semiconductores de potencia funciona a altas temperaturas. Estas están cerca de la temperatura máxima admisible debido al alto valor de la pérdida de corriente o resistencia que existe en las conexiones. A través de la medición local de temperatura (puntual), es posible identificar la conexión defectuosa que tiene una mayor resistencia y también los defectos locales en los elementos de aislamiento. Además, utilizando el pirómetro puede determinar fácilmente la distribución de la temperatura en la superficie de los disipadores de calor y armarios, que a menudo funcionan como una disipación de calor de los sistemas en los módulos electrónicos integrados.

Evaluación de la temperatura de los transformadores, inductores y resistencias

El termómetro sin contacto es indispensable en la estimación de la temperatura de los transformadores, bobinas, resistencias y otros elementos electrónicos de formas irregulares, sin una superficie plana y cubiertos con un aislamiento eléctrico de barniz de alta resistencia térmica, en la que se puede realizar la medición con termómetros electrónicos convencionales. Además, el uso de termómetros con sondas convencionales de resistencia o termopares es a menudo imposible en la medición de la temperatura de los elementos conductores que están bajo tensión eléctrica.

Pirómetro una forma natural para crear aislamiento

La medición de la temperatura con el pirómetro proporciona el mejor aislamiento galvánico natural del objeto medido, estando bajo tensión. Durante una prueba de este tipo podría, de hecho, causar daños al termómetro o haber una descarga eléctrica, a consecuencia de la conexión galvánica del termómetro con el circuito eléctrico. La medición de temperatura sin contacto elimina este peligro y permite diagnosticar sin peligro las piezas y los componentes eléctricos en condiciones de funcionamiento, incluso a muy altas tensiones.

Mediciones de sustancias químicas y las instalaciones de procesamiento

El uso de la medición de temperatura sin contacto aumenta la seguridad y reduce el riesgo en caso de las mediciones de productos químicos, envases peligrosos y plantas de procesamiento en las que dichas sustancias se transforman o almacenan. Gracias al pirómetro se puede aislar fácilmente zonas fuera de peligro, reducir la protección directa y eliminar las costosas soluciones especiales en relación a los sensores y termómetros. Como ejemplo nos sirve la industria petroquímica con su producción y el envasado de productos químicos inflamables.

Mediciones en objetos de pequeño tamaño

La siguiente área de uso de termómetros pirométricos son las mediciones de objetos de pequeño tamaño, y aquellos en los que la capacidad de volumen y el calor del objeto de medición es comparable con las dimensiones y la capacidad del sensor de temperatura. En tales casos, en el momento de contacto, como resultado de la diferencia de temperatura entre el sensor y el objeto, aparece un intercambio intenso de calor resultando en un gran cambio de temperatura del objeto. Esto significa que el sensor de contacto (PT100, termopar, NTC, semiconductor) durante la medición se enfría o calienta intensamente el objeto o cambia la distribución de la temperatura local. Este largo proceso de determinación de la temperatura del objeto reduce la fiabilidad y la precisión de la medición.

Tiempo de medición en condiciones fijadas

Conociendo la constante temporal del sensor de temperatura se puede determinar el tiempo imprescindible para la realización de la medición en las condiciones fijadas. En la práctica, este tiempo va de 3 a 5 constantes de tiempo. La constante temporal τ del termómetro es el tiempo necesario para alcanzar el 63% de la amplitud total de cambio. En caso de la medición con un pirómetro, el problema de la configuración de la temperatura del sensor no existe y puede realizarse mucho más rápido, sin tener en cuenta las constantes temporales de la medición. La única demora en la respuesta es el tiempo de medición del aparato, que es significativamente más corto que la constante de tiempo y generalmente no excede de algunas decenas de milisegundos.

Infrarrojos en superficies de almacenamiento

La enorme área de uso de los termómetros con infrarrojos son las zonas de almacenaje y producción en las que hay rigores de temperatura (climáticos). Concretamente son las recomendaciones de temperatura establecidas durante la fabricación, almacenaje y el transporte de comida o productos farmacológicos. Estas recomendaciones relativas al control continuo de temperatura periódica u ocasional surgen de:

• normas vigentes (internacionales, nacionales, sectoriales y de empresa),
• las generalmente aceptadas “buenas prácticas” como p.ej. La Buena Práctica de Fabricación, del inglés GMP, La Buena Práctica de Distribución, del inglés GDP,
• estándares industriales como el sistema HACCP sobre la alimentación, el sistema FARMAKOPEA sobre productos farmacéuticos.

Pirómetros y la industria alimentaria y farmacéutica

Como regla general, los termómetros sin contacto no están diseñados para el seguimiento y registro de la temperatura en las industrias alimentarias y farmacéuticas. Sin embargo, debido a la falta de contacto y una medición instantánea, se utilizan en las siguientes situaciones:

• ahí donde pueden aparecer cambios locales de temperatura y donde directamente no se han instalado termómetros convencionales, p.ej.: áreas de grandes dimensiones de logística y almacenaje, naves de producción,
• En caso de duda y necesidad de comparar las diferentes mediciones de termómetros,
• Durante la inspección periódica u ocasional,
• En caso de avería del sistema de refrigeración o del sistema de monitoreo de refrigeración.

El impacto del factor de la emisividad en las mediciones

En las mediciones con termómetros de infrarrojos hay que tener en cuenta que los resultados de las mediciones serán tan precisas, cuanto se sepa del factor de emisividad de dicho objeto. La temperatura real dentro de la instalación y la temperatura media de todo el objeto puede ser diferente de la temperatura en la capa superficial y directamente sobre la superficie, en la que la medición se realiza sin contacto.

Factor de emisividad

Calibración de pirómetros

Control y calibración de la medición de termómetro de infrarrojos se puede hacer mediante la comparación de las indicaciones del termómetro de referencia (por lo general un sensor convencional termómetro PT100 RTD o termopar), y luego ajustar el valor de emisividad correcta. Otra forma de mejorar la exactitud de las indicaciones es un ajuste directo de la emisividad, si se determina o se sabe con precisión. Más comercialmente disponibles pirómetro permite la medición en el rango de emisividad efectiva de 0,1 a 1. Además, los dispositivos están equipados con la función de los valores de ajuste suave.

El control y la calibración de la medición con el termómetro de infrarrojos puede hacerse mediante la comparación de las indicaciones con el termómetro de referencia (generalmente mediante un termómetro convencional con sensor PT100, RTD o con un termopar), y a continuación ajustar el valor de emisividad correcto. Otra forma de mejorar la exactitud de las indicaciones es un ajuste directo de la emisividad, si está determinado o se sabe con precisión. La mayoría de los pirómetro disponibles en el mercado permite la medición en el rango de emisividad efectiva de 0,1 a 1. Además, los dispositivos están equipados con la función de ajuste del valor del factor de emisividad.

Determinación del factor de emisividad

Vale la pena recordar que los valores típicos de los coeficientes de los materiales más populares son tabulados y ampliamente disponible. Sin embargo, la emisividad depende no sólo de la propia materia. Muy a menudo, el estado físico y químico de la superficie del elemento diagnosticado determina el valor efectivo de este parámetro. Por ejemplo, la superficie de cobre pulido contará con emisividad inferior al 0,1, la superficie del cobre oxidado se caracteriza por un factor de 0,6 ÷ 0,7, y en el caso de la superficie de cobre oxidado y recubierta con pátina podría aumentar hasta 0,9.

Diferencias en los valores de emisividad

Una gran propagación del factor de emisividad se aplica prácticamente a todas las superficies metálicas, que están sujetas a los procesos de oxidación y corrosión junto a los usos físicos. Los plásticos y los materiales de origen natural son similares en composición y pueden tener variaciones en el factor de emisividad en el nivel de varios puntos porcentuales.

Superficie de medición activa

Otro elemento importante al que debería prestarse atención en la medición de la temperatura con el termómetro sin contacto, es la determinación de la superficie activa de medición, como resultado de la resolución de un instrumento óptico. La resolución óptica es la relación de D (distancia del termómetro) a S (el diámetro de la zona de medición). Si la resolución óptica es de 10:1, entonces para la medición de la distancia de seguimiento de 100 mm, el diámetro del círculo en el que se realiza será de 10mm.

Resolución óptica

Una gran resolución óptica aumenta considerablemente las propiedades de medición del termómetro, ya que la medición será más selectiva y se realizará en una superficie considerablemente inferior. Entonces no aparecerá el efecto de promediado de los resultados de medición de temperatura de la gran superficie. Para las mediciones puntuales, en áreas muy pequeñas, sirven los termómetros sin contacto cuyo factor de resolución óptica puede alcanzar valores de 100:1.

Conclusión

Hay que subrayar que es crucial para los termómetros por infrarrojos su alta velocidad y la facilidad de medición y su naturaleza sin contacto. Estas características, sin duda, determinan la muy alta utilidad práctica de los pirómetros.