Termografía
Imágenes infrarrojas utilizadas para revelar la temperatura
Termograma de un edificio tradicional al fondo y una " casa pasiva " en primer plano

La termografía infrarroja ( IRT ), video térmico o imagen térmica , es un proceso en el que una cámara térmica captura y crea una imagen de un objeto mediante el uso de la radiación infrarroja emitida por el objeto en un proceso, que son ejemplos de la ciencia de la imagen infrarroja . Las cámaras termográficas suelen detectar la radiación en el rango infrarrojo largo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000-14.000 nanómetros o 9-14 μm ) y producen imágenes de esa radiación, llamadas termogramas . Dado que la radiación infrarroja es emitida por todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto de acuerdo con la ley de radiación del cuerpo negro , la termografía permite ver el entorno de uno con o sin iluminación visible . La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura; por lo tanto, la termografía permite ver variaciones de temperatura. Cuando se ven a través de una cámara termográfica, los objetos cálidos se destacan bien contra fondos más fríos; los humanos y otros animales de sangre caliente se vuelven fácilmente visibles contra el entorno, de día o de noche. Como resultado, la termografía es particularmente útil para los militares y otros usuarios de cámaras de vigilancia .

Termograma de un gato

Algunos cambios fisiológicos en los seres humanos y otros animales de sangre caliente también pueden ser monitoreados con imágenes térmicas durante el diagnóstico clínico. La termografía se utiliza en la detección de alergias y en la medicina veterinaria . Algunos profesionales de la medicina alternativa promueven su uso para la detección de cáncer de mama , a pesar de la advertencia de la FDA de que "quienes optan por este método en lugar de la mamografía pueden perder la oportunidad de detectar el cáncer en su etapa 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]

Cámara termográfica y pantalla. La termografía puede detectar la temperatura corporal elevada, uno de los signos del virus H1N1 ( gripe porcina ).

La termografía tiene una larga historia, aunque su uso ha aumentado drásticamente 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 que se sobrecalientan , lo que es una señal de un fallo inminente. Los técnicos de construcción de edificios pueden ver las 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 su análisis. Por ello, no siempre se incorpora un módulo de grabación.

Las cámaras termográficas especializadas utilizan matrices de plano focal (FPA) que responden a longitudes de onda más largas (infrarrojos 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 de bajo coste como sensores FPA. Su resolución es considerablemente inferior a la de las cámaras ópticas, en su mayoría 160x120 o 320x240 píxeles , hasta 1280 x 1024 [3] para los modelos más caros. Las cámaras termográficas son mucho más caras que sus homólogas de espectro visible, y los modelos de gama alta suelen tener restringida la exportación debido a los usos militares de esta tecnología. Los bolómetros más antiguos o los modelos más sensibles como InSb requieren refrigeración criogénica , normalmente mediante un refrigerador de ciclo Stirling en miniatura o nitrógeno líquido .

Energía térmica

Comparación de una imagen térmica (arriba) y una fotografía normal (abajo). La bolsa de plástico es casi transparente a los rayos infrarrojos de longitud de onda larga, pero las gafas del hombre son opacas.
Este termograma muestra un calentamiento excesivo en un terminal de un bloque de fusibles eléctricos industriales.
Una imagen térmica que muestra la variación de temperatura en un globo aerostático.

Las imágenes térmicas, o termogramas, son en realidad representaciones 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 ejecutar 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 al objeto para determinar ese valor en lugar de detectar la temperatura real. [4]

Este fenómeno puede resultar más claro si consideramos la fórmula:

Potencia radiante incidente = Potencia radiante emitida + Potencia radiante transmitida + Potencia radiante reflejada;

donde la potencia radiante incidente es el perfil de potencia radiante cuando se observa a través de una cámara termográfica. La potencia radiante emitida es generalmente lo que se pretende medir; la potencia radiante transmitida es la potencia radiante que pasa a través del objeto 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 la potencia radiante × tiempo es igual a la 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 por igual en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético .

Si el objeto irradia a una temperatura más alta que su entorno, se producirá una transferencia de potencia y la potencia se irradiará de lo cálido a lo frío siguiendo el principio establecido en la segunda ley de la termodinámica . Por lo tanto, si hay una zona fría en el termograma, ese objeto absorberá la radiación emitida por el objeto cálido.

La capacidad de los objetos para emitir se denomina emisividad y la de absorber radiación se denomina absortividad . En entornos exteriores, también puede ser necesario tener en cuenta el enfriamiento convectivo del viento al intentar obtener una lectura precisa de la temperatura.

La cámara termográfica emplearía a continuación una serie de algoritmos matemáticos. Como la cámara solo puede ver la radiación electromagnética que es imposible de detectar con el ojo humano , creará una imagen en el visor y registrará una imagen visible, normalmente en formato JPG .

Para realizar 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 influir en la medición, incluida la capacidad de transmisión del medio de transmisión (normalmente el aire) y la temperatura de dicho medio. Todos estos ajustes afectarán el resultado final de la temperatura del objeto que se esté observando.

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 los ajustes adecuados de la cámara y tener cuidado al capturar la imagen, se pueden escanear los sistemas eléctricos y detectar problemas. Las fallas en las trampas de vapor en los sistemas de calentamiento a vapor son fáciles de localizar.

En el área de ahorro de energía, la cámara termográfica puede hacer más. Como 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

La emisividad es un término que suele malinterpretarse y emplearse de forma incorrecta. Representa la capacidad de un material de 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 en 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 valor teórico de 0,00 (sin emisión alguna) hasta un valor igualmente teórico de 1,00 (con emisión alguna). Un ejemplo de una 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 una 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).

Termograma de una serpiente sostenida por un humano

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 medir la temperatura de un objeto con un generador de imágenes por infrarrojos, es necesario estimar o determinar la emisividad del objeto. Para trabajar con rapidez, un termografista puede consultar una tabla de emisividad para un tipo de objeto determinado e ingresar ese valor en el generador de imágenes. El generador de imágenes calculará entonces 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 termografista puede aplicar un material estándar de alta emisividad conocida a la superficie del objeto. El material estándar puede ser tan complejo como un aerosol de emisividad industrial producido específicamente para el 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 entonces 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 termografista debe confiar en las tablas.

Cámaras

Imagen de un Pomerania tomada con luz infrarroja media ("térmica") ( falso color )

Una cámara termográfica (también llamada cámara infrarroja o cámara termográfica , cámara térmica o cámara termográfica ) es un dispositivo que crea una imagen utilizando radiación infrarroja (IR), similar a una cámara normal que forma una imagen utilizando luz visible . En lugar del rango de 400 a 700 nanómetros (nm) de la cámara de luz visible, las cámaras infrarrojas son sensibles a longitudes de onda de aproximadamente 1000 nm (1  micrómetro o μm) a aproximadamente 14 000 nm (14 μm). La práctica de capturar y analizar los datos que proporcionan se llama termografía .

Tipos

Las cámaras termográficas se pueden dividir en dos tipos: aquellas con detectores de imágenes infrarrojas refrigerados y aquellas con detectores no refrigerados.

Detectores infrarrojos refrigerados

Una imagen termográfica de varios lagartos.
Cámara termográfica y pantalla en una terminal de aeropuerto en Grecia. La termografía puede detectar fiebre , uno de los signos de infección .

Los detectores refrigerados suelen estar contenidos en una caja sellada al vacío o en un recipiente Dewar y refrigerados criogénicamente . La refrigeración es necesaria para el funcionamiento de los materiales semiconductores utilizados. Las temperaturas de funcionamiento típicas varían de 4 K (−269 °C) a justo por debajo de la temperatura ambiente, según la tecnología del detector. La mayoría de los detectores refrigerados modernos funcionan en el rango de 60 Kelvin (K) a 100 K (-213 a -173 °C), según el tipo y el nivel de rendimiento. [6]

Sin refrigeración, estos sensores (que detectan y convierten la luz de forma muy similar a las cámaras digitales comunes, pero están hechos de materiales diferentes) quedarían "cegados" o inundados por su propia radiación. Las desventajas de las cámaras infrarrojas refrigeradas son que son caras tanto de producir como de operar. La refrigeración consume mucha energía y tiempo.

La cámara puede necesitar varios minutos para enfriarse antes de poder empezar a funcionar. Los sistemas de refrigeración más utilizados son los refrigeradores Peltier , que, aunque son ineficientes y tienen una capacidad de refrigeración limitada, son relativamente sencillos y compactos. Para obtener una mejor calidad de imagen o para captar imágenes de objetos a baja temperatura, se necesitan refrigeradores criogénicos con motor Stirling . Aunque el aparato de refrigeración puede ser comparativamente voluminoso y caro, las cámaras infrarrojas refrigeradas proporcionan una calidad de imagen muy superior a la de las no refrigeradas, en particular de objetos cercanos o inferiores a la temperatura ambiente. Además, la mayor sensibilidad de las cámaras refrigeradas también permite el uso de lentes con un número F más alto , lo que hace que las lentes de distancia focal larga de alto rendimiento sean más pequeñas y económicas para los detectores refrigerados.

Una alternativa a los refrigeradores de motores Stirling es utilizar gases envasados ​​a alta presión, siendo el nitrógeno una opción habitual. El gas presurizado se expande a través de un orificio de tamaño micro y pasa por un intercambiador de calor en miniatura, lo que da lugar a un enfriamiento regenerativo a través del efecto Joule-Thomson . Para estos sistemas, el suministro de gas presurizado es una preocupación logística para el uso en el campo.

Los materiales utilizados para la detección infrarroja enfriada incluyen fotodetectores basados ​​en una amplia gama de semiconductores de espacio estrecho, incluidos antimoniuro de indio (3-5 μm), arseniuro de indio , telururo de mercurio y cadmio (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm), sulfuro de plomo y seleniuro de plomo .

Los fotodetectores infrarrojos se pueden crear con estructuras de semiconductores de banda prohibida alta, como en los fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico .

Existen varias tecnologías de bolómetros refrigerados superconductores y no superconductores.

En principio, los dispositivos de unión túnel superconductores podrían utilizarse como sensores infrarrojos debido a su estrecha separación. Se han demostrado conjuntos pequeños, pero no se han adoptado ampliamente porque su alta sensibilidad requiere un blindaje cuidadoso de la radiación de fondo.

Los detectores superconductores ofrecen una sensibilidad extrema y algunos pueden registrar fotones individuales. Por ejemplo, la cámara superconductora (SCAM) de la ESA . Sin embargo, no se utilizan habitualmente fuera de la investigación científica.

Detectores infrarrojos no refrigerados

Las cámaras térmicas no refrigeradas utilizan un sensor que funciona a temperatura ambiente o un sensor estabilizado a una temperatura cercana a la ambiente mediante pequeños elementos de control de temperatura. Todos los detectores no refrigerados modernos utilizan sensores que funcionan mediante el cambio de resistencia , voltaje o corriente cuando se calientan con radiación infrarroja. Estos cambios luego se miden y se comparan con los valores a la temperatura de funcionamiento del sensor.

Los sensores infrarrojos no refrigerados se pueden estabilizar a una temperatura de funcionamiento para reducir el ruido de la imagen, pero no se enfrían a bajas temperaturas y no requieren refrigeradores criogénicos voluminosos, costosos y que consumen mucha energía. Esto hace que las cámaras infrarrojas sean más pequeñas y menos costosas. Sin embargo, su resolución y calidad de imagen tienden a ser inferiores a las de los detectores refrigerados. Esto se debe a las diferencias en sus procesos de fabricación, limitados por la tecnología disponible actualmente. Una cámara térmica no refrigerada también debe lidiar con su propia firma térmica.

Los detectores no refrigerados se basan principalmente en materiales piroeléctricos y ferroeléctricos o en tecnología de microbolómetros . [7] Los materiales se utilizan para formar píxeles con propiedades altamente dependientes de la temperatura, que están aislados térmicamente del entorno y se leen electrónicamente.

Imagen térmica de una locomotora de vapor

Los detectores ferroeléctricos funcionan cerca de la temperatura de transición de fase del material del sensor; la temperatura del píxel se lee como la carga de polarización altamente dependiente de la temperatura. La NETD lograda de los detectores ferroeléctricos con óptica f/1 y sensores de 320x240 es de 70-80 mK. Un posible conjunto de sensores consiste en titanato de bario y estroncio unido por una conexión con aislamiento térmico de poliimida .

Los microbolómetros de silicio pueden alcanzar una NETD de hasta 20 mK. Consisten en una capa de silicio amorfo o en un elemento sensor de película fina de óxido de vanadio (V) suspendido sobre un puente de nitruro de silicio por encima de la electrónica de escaneo basada en silicio. La resistencia eléctrica del elemento sensor se mide una vez por cuadro.

Las mejoras actuales de los conjuntos de plano focal no refrigerados (UFPA) se centran principalmente en una mayor sensibilidad y densidad de píxeles. En 2013, DARPA anunció una cámara LWIR de cinco micrones que utiliza un conjunto de plano focal (FPA) de 1280 x 720. [8] Algunos de los materiales utilizados para los conjuntos de sensores son silicio amorfo (a-Si), óxido de vanadio (V) (VOx), [9] manganito de bario y lantano (LBMO), titanato de zirconato de plomo ( PZT), titanato de zirconato de plomo dopado con lantano ( PLZT), tantalato de escandio y plomo (PST), titanato de lantano y plomo (PLT), titanato de plomo (PT), niobato de plomo y zinc (PZN), titanato de plomo y estroncio (PSrT), titanato de bario y estroncio (BST), titanato de bario (BT), sulfoyoduro de antimonio (SbSI) y difluoruro de polivinilideno (PVDF).

Presupuesto

Algunos parámetros de especificación de un sistema de cámara infrarroja son el número de píxeles , la velocidad de cuadros , la capacidad de respuesta , la potencia equivalente al ruido , la diferencia de temperatura equivalente al ruido (NETD), la banda espectral, la relación distancia-punto (D:S), la distancia mínima de enfoque, la vida útil del sensor, la diferencia de temperatura mínima resoluble (MRTD), el campo de visión , el rango dinámico , la potencia de entrada y la masa y el volumen.

Diferencia con la película infrarroja

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 la termografía es de aproximadamente -50 a 2000 °C (-58 a 3632 °F). Por lo tanto, 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 captan 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 utilizan normalmente para termografía debido a los requisitos de alta temperatura, sino que se utilizan con fuentes de infrarrojo cercano activas.

Los dispositivos de visión nocturna tipo luz de estrellas generalmente sólo magnifican la luz ambiental .

Termografía pasiva vs. activa

Todos los objetos que se encuentran 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 la radiación en las bandas infrarrojas de onda media (3 a 5 μm) y larga (7 a 14 μm), 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. [10]

En la termografía pasiva , las características de interés se encuentran naturalmente a una temperatura más alta o más baja que el fondo. La termografía pasiva tiene muchas aplicaciones, como la vigilancia de personas en una escena y el diagnóstico médico (específicamente, la termología ).

En la 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 superlinealesidades de la radiación del cuerpo negro , la termografía activa también se puede utilizar para mejorar la resolución de los sistemas de obtención de imágenes más allá de su límite de difracción o para lograr una microscopía de superresolución . [11]

Ventajas

La termografía muestra una imagen visual por lo que se pueden comparar las temperaturas en un área grande. [12] [13] [14] Es capaz de captar objetivos en movimiento en tiempo real. [12] [13] [14] Es capaz de encontrar deterioro, es decir, componentes de mayor temperatura antes de que fallen. Se puede utilizar para medir u observar en áreas inaccesibles o peligrosas para otros métodos. Es un método de prueba no destructivo. Se puede utilizar para encontrar defectos en ejes, tuberías y otras piezas metálicas o plásticas. [15] Se puede utilizar para detectar objetos en áreas oscuras. Tiene alguna aplicación médica, esencialmente en fisioterapia .

Limitaciones y desventajas

Existen varias cámaras más baratas y más caras. Las cámaras de calidad suelen tener un rango de precio alto (a menudo US$3.000 o más) debido al costo de la matriz de píxeles más grande (la más moderna, 1280 x 1024), aunque también hay modelos más económicos (con matrices de píxeles de 40x40 hasta 160x120 píxeles). Menos píxeles reducen la calidad de la imagen, lo que hace que sea más difícil distinguir objetivos próximos dentro del mismo campo de visión.

También hay una diferencia en la frecuencia de actualización. Algunas cámaras pueden tener un valor de actualización de solo 5 a 15 Hz, mientras que otras (por ejemplo, FLIR X8500sc [3] ) pueden tener 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 la emisividad, la distancia, la temperatura ambiente y la humedad relativa implica que las imágenes resultantes son mediciones inherentemente incorrectas de la temperatura. [16]

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 en la termografía activa. [17]

Las cámaras termográficas crean imágenes térmicas basadas en la energía térmica radiante que reciben. [18] Como los niveles de radiación están influenciados por la emisividad y la reflexión de la radiación, como la luz solar, de la superficie que se está midiendo, esto causa errores en las mediciones. [19]

  • La mayoría de las cámaras tienen una precisión de ±2% o peor en la medición de la temperatura y no son tan precisas como los métodos de contacto. [12] [13] [14]
  • Los métodos e instrumentos se limitan a detectar directamente las temperaturas de la superficie.

Aplicaciones

Termograma aéreo de cometa que revela características sobre/debajo de un campo de juego con césped. La inercia térmica y la transpiración/evaporación diferencial están involucradas
Imágenes térmicas obtenidas con un UAS de un conjunto de paneles solares en Suiza
Mira térmica AN/PAS-13 montada en un rifle AR-15
Imagen termográfica de un lémur de cola anillada

Las imágenes de las cámaras infrarrojas tienden a ser monocromáticas porque las cámaras generalmente utilizan un sensor de imagen que no distingue las diferentes longitudes de onda de la radiación infrarroja. Los sensores de imagen en color requieren una construcción compleja para diferenciar las longitudes de onda, y el color tiene menos significado fuera del espectro visible normal porque las diferentes longitudes de onda no se corresponden de manera uniforme con el sistema de visión del color que utilizamos los humanos.

A veces, estas imágenes monocromáticas se muestran en pseudocolor , donde se utilizan cambios de color en lugar de cambios de intensidad para mostrar los cambios en la señal. Esta técnica, llamada segmentación de densidad , es útil porque, si bien los humanos tienen un rango dinámico mucho mayor en la detección de intensidad que en el color en general, la capacidad de ver diferencias de intensidad finas en áreas brillantes es bastante limitada.

Para su uso en la medición de temperatura, las partes más brillantes (más cálidas) de la imagen se colorean habitualmente de blanco, las temperaturas intermedias de rojo y amarillo, y las partes más tenues (más frías) de negro. Se debe mostrar una escala junto a una imagen de color falso para relacionar los colores con las temperaturas. Su resolución es considerablemente menor que la de las cámaras ópticas, en su mayoría solo 160 x 120 o 320 x 240 píxeles, aunque las cámaras más caras pueden alcanzar una resolución de 1280 x 1024 píxeles. Las cámaras termográficas son mucho más caras que sus contrapartes de espectro visible, aunque las cámaras térmicas complementarias de bajo rendimiento para teléfonos inteligentes comenzaron a estar disponibles por cientos de dólares en 2014. [20] Los modelos de gama alta a menudo se consideran equipos de grado militar de doble uso y están restringidos a la exportación, particularmente si la resolución es de 640 x 480 o mayor, a menos que la frecuencia de actualización sea de 9 Hz o menos. La exportación desde los EE. UU. de cámaras térmicas está regulada por el Reglamento sobre el Tráfico Internacional de Armas . La primera cámara térmica se integró en un teléfono inteligente en 2016, en el Cat S60 .

En los detectores no refrigerados, las diferencias de temperatura en los píxeles del sensor son mínimas: una diferencia de 1 °C en la escena induce una diferencia de tan solo 0,03 °C en el sensor. El tiempo de respuesta de los píxeles también es bastante lento, del orden de decenas de milisegundos.

La termografía tiene muchos otros usos. Por ejemplo, los bomberos la utilizan para ver a través del humo , encontrar personas y localizar focos de incendio. Con la termografía, los técnicos de mantenimiento de líneas eléctricas localizan juntas y piezas sobrecalentadas, un signo revelador de su fallo, para eliminar posibles peligros. Cuando el aislamiento térmico falla, los técnicos de construcción de edificios pueden ver fugas de calor para mejorar la eficiencia del aire acondicionado de calefacción o refrigeración.

Las pezuñas calientes indican una vaca enferma.

Las cámaras termográficas también se instalan en algunos coches de lujo para ayudar al conductor ( visión nocturna automotriz ), el primero de los cuales fue el Cadillac DeVille del año 2000 .

Algunas actividades fisiológicas, en particular reacciones como la fiebre , en los seres humanos y otros animales de sangre caliente también pueden controlarse con imágenes termográficas. Se pueden encontrar cámaras infrarrojas refrigeradas en los principales telescopios de investigación astronómica , incluso en aquellos que no son telescopios infrarrojos .

Las aplicaciones incluyen:

Las cámaras termográficas convierten la energía de la longitud de onda infrarroja en una pantalla de luz visible. Todos los objetos por encima del cero absoluto emiten energía infrarroja térmica, por lo que las cámaras termográficas pueden ver pasivamente todos los objetos, independientemente de la luz ambiental. Sin embargo, la mayoría de las cámaras termográficas solo ven objetos con temperaturas superiores a −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 solo depende de la temperatura del objeto, sino que también es una 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 cámara termográfica del helicóptero Eurocopter EC135 de la Policía Federal Alemana

Campos en los que se utilizan estas técnicas:

Visto desde el espacio por WISE con una cámara térmica , el asteroide 2010 AB78 parece más rojo que las estrellas de fondo, ya que emite la mayor parte de su luz en longitudes de onda infrarrojas más largas. En luz visible y en el infrarrojo cercano es muy débil y difícil de ver.

Normas

ASTM Internacional (ASTM)
  • ASTM C1060, Práctica estándar para la inspección termográfica de instalaciones de aislamiento en cavidades de envolventes de edificios con estructura de madera
  • ASTM C1153, Práctica estándar para la ubicación de aislamiento húmedo en sistemas de techado mediante imágenes infrarrojas
  • ATSM D4788, Método de prueba estándar para detectar delaminación en tableros de puentes mediante termografía infrarroja
  • ASTM E1186, Prácticas estándar para la detección de fugas de aire en envolventes de edificios y sistemas de barrera de aire
  • ASTM E1934, Guía estándar para examinar equipos eléctricos y mecánicos con termografía infrarroja
Organización Internacional de Normalización (ISO)
  • ISO 6781, Aislamiento térmico – Detección cualitativa de irregularidades térmicas en envolventes de edificios – Método infrarrojo
  • ISO 18434-1, Monitoreo de condición y diagnóstico de máquinas – Termografía – Parte 1: Procedimientos generales
  • ISO 18436-7, Monitorización del estado y diagnóstico de máquinas – Requisitos para la cualificación y evaluación del personal – Parte 7: Termografía

Contraparte biológica

La termografía, por definición, se realiza por medio de un instrumento (artefacto), pero algunas criaturas vivientes tienen órganos naturales que funcionan como contrapartes de los bolómetros y, por lo tanto, poseen un tipo rudimentario de capacidad de imagen térmica ( termocepción ). Uno de los ejemplos más conocidos es la detección infrarroja en las serpientes .

Termografía CCD y CMOS

Contornos de color de la temperatura de una brasa ardiente medidos con una cámara CMOS.

Los sensores CMOS y de dispositivos acoplados por carga (CCD) 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 "de cola" de su sensibilidad espectral, es decir, la parte del espectro infrarrojo denominada infrarrojo cercano (NIR), y al utilizar cámaras de CCTV disponibles comercialmente, es posible, en determinadas circunstancias, obtener imágenes térmicas reales de objetos con temperaturas de aproximadamente 280 °C (536 °F) y superiores. [37]

A temperaturas de 600 °C y superiores, también se han utilizado cámaras económicas con sensores CCD y CMOS para la pirometría en el espectro visible. Se han utilizado para hollín en llamas, partículas de carbón ardiendo, materiales calentados, filamentos de SiC y brasas ardientes. [38] Esta pirometría se ha realizado utilizando filtros externos o solo los filtros Bayer del sensor . Se ha realizado utilizando proporciones de color, escalas de grises y/o un híbrido de ambos.

Historia

Descubrimiento e investigación de la radiación infrarroja

El infrarrojo fue descubierto en 1800 por Sir William Herschel como una forma de radiación más allá de la luz roja. [39] Estos "rayos infrarrojos" (infra es el prefijo latino para "debajo") se usaban principalmente para la medición térmica. [40] Hay cuatro leyes básicas de la radiación IR: la ley de radiación térmica de Kirchhoff , la ley de Stefan-Boltzmann , la ley de Planck y la ley de desplazamiento de Wien . El desarrollo de detectores se centró principalmente en el uso de termómetros y bolómetros hasta la Primera Guerra Mundial . Un paso significativo en el desarrollo de detectores ocurrió en 1829, cuando Leopoldo Nobili , usando el efecto Seebeck , creó el primer termopar conocido , fabricando un termómetro mejorado, una termopila rudimentaria . Describió este instrumento a Macedonio Melloni . Inicialmente, desarrollaron conjuntamente un instrumento muy mejorado. Posteriormente, Melloni trabajó solo, creando un instrumento en 1833 (una termopila multielemento ) que podía detectar a una persona a 10 metros de distancia. [41] El siguiente paso significativo en la mejora de los detectores fue el bolómetro, inventado en 1880 por Samuel Pierpont Langley . [42] Langley y su asistente Charles Greeley Abbot continuaron haciendo mejoras en este instrumento. Para 1901, podía detectar la radiación de una vaca a 400 metros de distancia y era sensible a diferencias de temperatura de cien milésimas (0,00001 C) de grado Celsius. [43] [44] La primera cámara termográfica comercial se vendió en 1965 para inspecciones de líneas eléctricas de alto voltaje.

La primera aplicación avanzada de la tecnología IR en el sector civil puede haber sido un dispositivo para detectar la presencia de icebergs y barcos de vapor utilizando un espejo y una termopila, patentado en 1913. [45] Esto fue rápidamente superado por el primer detector de iceberg IR preciso, que no utilizaba termopilas, patentado en 1914 por RD Parker. [46] A esto le siguió la propuesta de GA Barker de utilizar el sistema IR para detectar incendios forestales en 1934. [47] La ​​técnica no se industrializó genuinamente hasta que se utilizó para analizar la uniformidad del calentamiento en tiras de acero calientes en 1935. [48]

Primera cámara termográfica

En 1929, el físico húngaro Kálmán Tihanyi inventó la cámara de televisión electrónica sensible al infrarrojo (visión nocturna) para la defensa antiaérea en Gran Bretaña. [49] La primera cámara termográfica estadounidense desarrollada fue un escáner de línea infrarroja. Este fue creado por el ejército de los EE. UU. y Texas Instruments en 1947 [50] [ verificación fallida ] y tardaba una hora en producir una sola imagen. Si bien se investigaron varios enfoques para mejorar la velocidad y la precisión de la tecnología, uno de los factores más cruciales tenía que ver con el escaneo de una imagen, que la empresa AGA pudo comercializar utilizando un fotoconductor refrigerado. [51]

El primer sistema británico de escaneo de líneas por infrarrojos fue el Yellow Duckling de mediados de los años 50. [52] Este sistema utilizaba un espejo y un detector que rotaban continuamente, con escaneo en el eje Y por el movimiento del avión de transporte. Aunque no tuvo éxito en su aplicación prevista de rastreo submarino por detección de estela, se aplicó a la vigilancia terrestre y se convirtió en la base del escaneo de líneas por infrarrojos militar.

Este trabajo se desarrolló más en el Royal Signals and Radar Establishment en el Reino Unido cuando descubrieron que el telururo de mercurio y cadmio era un fotoconductor que requería mucho menos enfriamiento. Honeywell en los Estados Unidos también desarrolló conjuntos de detectores que podían enfriarse a una temperatura más baja, [ se necesita más explicación ] pero escaneaban mecánicamente. Este método tenía varias desventajas que se podían superar utilizando un sistema de escaneo electrónico. En 1969, Michael Francis Tompsett de la English Electric Valve Company en el Reino Unido patentó una cámara que escaneaba piroelectrónicamente y que alcanzó un alto nivel de rendimiento después de varios otros avances durante la década de 1970. [53] Tompsett también propuso una idea para conjuntos de imágenes térmicas de estado sólido, que finalmente condujeron a los modernos dispositivos de imágenes de corte monocristalino híbridos. [51]

Al utilizar tubos de cámara de vídeo, como vidicones, con un material piroeléctrico como el sulfato de triglicina (TGS) como objetivo, es posible obtener un vidicón sensible en una amplia porción del espectro infrarrojo [54] . Esta tecnología fue precursora de la tecnología moderna de microbolómetros y se utilizó principalmente en cámaras térmicas para extinción de incendios. [55]

Sensores inteligentes

Una de las áreas esenciales de desarrollo para los sistemas de seguridad fue la capacidad de evaluar inteligentemente una señal, así como advertir de la presencia de una amenaza. Bajo el estímulo de la Iniciativa de Defensa Estratégica de los Estados Unidos , comenzaron a aparecer los "sensores inteligentes". Se trata de sensores que podrían integrar detección, extracción de señales, procesamiento y comprensión. [56] Hay dos tipos principales de sensores inteligentes. Uno, similar a lo que se llama un " chip de visión " cuando se utiliza en el rango visible, permite el preprocesamiento utilizando técnicas de detección inteligente debido al aumento en el crecimiento de los microcircuitos integrados. [57] La ​​otra tecnología está más orientada a un uso específico y cumple su objetivo de preprocesamiento a través de su diseño y estructura. [58]

A finales de los años 1990, el uso de los rayos infrarrojos se fue orientando hacia el ámbito civil. Se produjo una drástica reducción de los costes de los conjuntos no refrigerados, lo que, junto con el aumento significativo de los desarrollos, dio lugar a un mercado de doble uso que abarcaba tanto los usos civiles como los militares. [59] Estos usos incluyen el control medioambiental, el análisis de edificios y obras de arte, el diagnóstico médico funcional y los sistemas de guía y prevención de colisiones para vehículos . [60] [61] [62] [63] [64] [65]

Véase también

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