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TERMOGRAFÍA INFRARROJA: DETECTORES SENSIBLES IR

PRYSMA Airborne Inspection Services – SIA, es la división de servicios de inspección aérea de Prysma y como actores pioneros de la implantación y desarrollo de la termografía IR desde el año 1980 en España, queremos reivindicar que esta técnica, aplicada en todas esas fases del ciclo energético eléctrico, colabora en gran medida y con un coste muy reducido en la mejora de la eficiencia energética eléctrica, siendo el complemento necesario del resto de técnicas de registro, análisis y medición.

Recordemos que en 3 capítulos íbamos a ofrecer una visión amplia de la bondad de esta técnica de inspección. Estos eran los siguientes:

  1. Conceptos Fundamentales

  2. Detectores sensibles IR

  3. Aplicaciones en energía e industria

DETECTORES SENSIBLES IR

Históricamente, la primera radiación conocida es la que llamamos “visible” que es la que detecta el ojo humano. Esta radiación, a su vez, tiene diferentes longitudes de onda (lo que se  llaman “colores” y que van desde el rojo al violeta. La radiación inmediatamente por debajo del rojo se le llama “Radiación Infrarroja” y la que está por encima del violeta se llama “Radiación Ultravioleta”, que no las capta el ojo humano y, por tanto, son “invisibles”. A continuación reproducimos (Wikipedia) un cuadro significativo del espectro electromagnético:

Espectro

Para poder percibir, estudiar, visualizar y patentizar las diferentes regiones o parte de las diferentes regiones del espectro electromagnético se han diseñado y se siguen diseñando diferentes detectores. Aparatos de radio, de televisión, equipos de rayos X, etc.

La Naturaleza emite diferentes radiaciones. El ojo humano sólo ve las radiaciones visibles porque está diseñado para captar los colores. Normalmente los colores que vemos son el reflejo que tienen los cuerpos a la luz blanca que viene del sol.  La luz blanca es la mezcla de todos los colores, de todas las longitudes de onda del espectro visible. Cuando vemos algo de color rojo es porque la superficie de ese cuerpo ha captado toda la radiación  de luz blanca que le llega, absorbe todos los colores, acepta y asume todos los colores y rechaza el color rojo. Por eso, el ojo  ve el rojo que se ha reflejado en la superficie del cuerpo. Cuando decimos que algo es rojo o azul o amarillo o el color que sea, en realidad, tiene todos los colores excepto el color que vemos. Los colores que vemos en la Naturaleza son colores que las superficies de los cuerpos han rechazado. Son los colores reflejados, rechazados, no asumidos, no aceptados. Ya lo dice el antiguo proverbio castellano: “Dime de qué presumes y te diré de lo que careces”. El bonito coche color rojo Ferrari que tiene tu vecino es cualquier cosa menos rojo, así es que, quédate tranquilo.

Los cuerpos que vemos blancos es porque reflejan toda la luz que les llega, que es blanca. No absorben ningún color; no “tienen” ningún color. Y los que vemos de color negro es porque absorben todos los colores y, por tanto, no vemos ningún color reflejado. Lo vemos negro. Por eso, si metemos algún cuerpo en un recinto todo cerrado y oscuro, si no hay luz, no vemos nada porque, fundamentalmente a temperatura ambiente, los cuerpos no emiten luz visible.

Pero los cuerpos, todos, sí emiten otras radiaciones. Si nos vamos al espectro infrarrojo y pudiéramos ver con nuestros ojos la radiación que emiten veríamos los cuerpos en la oscuridad. Si tenemos un detector que sea sensible a la radiación infrarroja y que pueda medir la intensidad de esa radiación, por la Ley de Stefan-Boltzmann, si conocemos la emisividad de esa superficie del cuerpo, podremos conocer su temperatura a distancia, sin contacto con el cuerpo.

En 1980 ya se habían desarrollado dos tipos de detectores industriales para cámaras termográficas. El de Antimoniuro de Indio (InSb) y el de Mercurio-Cadmio-Teluro (HgCdTe). Los dos tipos de detectores eran sensibles a la radiación infrarroja. Lo que yo no sabía entonces era que uno era más adecuado a longitudes de onda más cortas (dentro del infrarrojo) y el otro era más apropiado para longitudes de onda más largas. A mayores temperaturas, longitudes de onda más cortas y a menores temperaturas, longitudes de onda mayores. Es decir que un detector de InSb es más apropiado para detectar altas temperaturas y el de Hg-Cd-Te es mejor para bajas temperaturas. El de InSb detecta longitudes de onda de 2 a 6 micras y el de Hg-Cd-Te  de 8 a 12 micras. El primero es para “Banda corta” y el segundo para “Banda Larga”.

Y ¿por qué Banda Larga y Banda Corta? ¿Por qué de 2 a 6 micras y de 8 a 12 micras?

La superficie del cuerpo del que queremos conocer su temperatura emite radiación infrarroja, según su emisividad. Y hasta que llega a la lente de la cámara termográfica, que es dentro de la cámara donde está el detector, debe atravesar una porción de atmósfera, de aire, si es que el cuerpo emisor y la cámara están en este mundo y no en otro planeta o en el espacio. Debido a que el aire contiene Anhídrido Carbónico (CO₂), Vapor de Agua (H₂O) y otros gases aparte del Nitrógeno Molecular (N₂) y del Oxígeno Molecular (O₂),  el aire atmosférico absorbe radiación infrarroja. Y absorbe más o menos según las longitudes de onda.

Una gráfica típica de la transmisión de longitudes de onda del infrarrojo a través del aire atmosférico estándar es la siguiente:

gráfica longitudes

donde se ve que para longitudes de onda comprendidas entre 5,5 y 7,5 micras, la atmósfera se comporta como un filtro, no deja pasar al infrarrojo, es opaca para esa radiación. Sin embargo, la atmósfera es muy transparente para longitudes de onda comprendidas entre 3 y 4,5 micras y también lo es para longitudes de onda entre 8 y 13 micras. Son lo que se llaman “Ventanas al Infrarrojo”. La atmósfera tiene dos ventanas al infrarrojo, fundamentalmente y depende de la composición real del aire, del ambiente. Esta gráfica, sacada del libro “La Thermographie Infrarouge” de Gilbert Gaussorgues  (Editorial Technique et Documentation, 1ª Edición. París, 1981), es un ejemplo y la curva puede variar algo dependiendo de si hay o no mucha humedad en el ambiente. De ahí que los detectores industriales estándar se hayan desarrollado para captar estos dos rangos de longitudes de onda. Y así, el detector para longitudes de onda de 2 a 6 micras se le llama de onda corta (Short Wave) y el de 8 a 12 micras se le llama de onda larga (Long Wave). Por eso, hay cámaras SW y cámaras LW. También hay cámaras BW (Broad Wave, Onda Ancha) ya que su detector está diseñado para captar prácticamente todo el espectro infrarrojo.

El detector de la cámara, es sensible a ciertas longitudes de onda y lo que hace es convertir esa radiación que le llega en una señal eléctrica que, por medios electrónicos y mecánicos que comentaremos someramente, presenta de forma visible en una pantalla de televisión. Y así es posible para el ojo humano “ver” la radiación infrarroja.

El usar una cámara SW o LW depende del rango de temperaturas que debemos estudiar. La curva de respuesta eléctrica del detector o sensor de InSb es baja para temperaturas ambientes y va subiendo a medida que aumenta la temperatura a estudiar. Le pasa lo contrario al sensor de HgCdTe, que su respuesta eléctrica es muy alta a bajas temperaturas y baja muy significativamente a altas temperaturas. Si ponemos en un eje de coordenadas estas dos curvas tendríamos algo como esto:

gráfica 2

El punto donde se cortan las dos curvas corresponde a una temperatura de unos 100 ⁰C, lo que significa que para temperaturas mayores a 100⁰C se debería usar una cámara SW y para temperaturas menores a 100⁰C, una LW.

Tanto el sensor de InSb como el de HgCdTe deben ir refrigerados a muy baja temperatura. La razón es para que el pico de su propia radiación quede fuera de rango y no interfiera con la radiación exterior que detecta. Por eso, estos sensores van adosados a un vaso Dewar que contiene Nitrógeno líquido a una temperatura de unos 200⁰C bajo cero, es decir, a unos 73 K.. Actualmente se utilizan comercialmente otro tipo de sensores, como los de óxido de Vanadio y otros basados en el efecto Stirling, pero son menos exactos aunque no necesitan refrigeración y son más baratos. Un vaso Dewar es un recipiente de doble pared, cerrado al vacío, que hace disminuir muy significativamente las pérdidas por conducción, convección o radiación del líquido que contiene y que conserva así el frío o el calor del contenido. Es como un termo de café pero algo más sofisticado. El vaso Dewar de la cámara, antes de poner ésta en funcionamiento, debe ser rellenado de Nitrógeno Líquido (LN₂) que, previamente se ha llevado al lugar de trabajo en otro recipiente Dewar  de mucha más capacidad.

PRYSMA – SIA, dispone de un equipo experto de técnicos e ingenieros capaz de obtener un rendimiento muy elevado en la captación e interpretación de la información térmica de  instalaciones.

Autor:
Fernando Biel Gayé
Prysma SIA