contribuciones a las técnicas no destructivas para evaluación y prueba de procesos y materiales...

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIN

TESIS DOCTORAL

CONTRIBUCIONES A LAS TCNICAS NO DESTRUCTIVAS PARA EVALUACIN Y PRUEBA DE

PROCESOS Y MATERIALES BASADAS EN RADIACIONES INFRARROJAS

Autor: DANIEL AQUILINO GONZLEZ FERNNDEZ Director: JOS MIGUEL LPEZ HIGUERA

SANTANDER, 2006

Amimadreyhermanos

Yo slo puedo mostrarte la puerta. T eres el nico que tiene que atravesarla

Morfeo, Matrix (1999) Traduccin libre de un extracto del dilogo de Morpheus (Laurence Fishburne) con Neo (Keanu Reeves) en su visita al Oracle (Gloria Foster): I'm trying to free your mind, Neo. But I can only show you the door. You're the one that has to walk through it.

The Matrix (1999)

Escrita y dirigida por Andy Wachowski & Larry Wachowski. Be Afraid Of The Future.

Reconocimientos Los trabajosde investigacinrecogidosenesta tesisdoctoralhansidoposibles,en parte, gracias a los recursos de los proyectos de I+D en los que se hanenmarcado:

Sensor Optoelectrnico para la medida de la TEmperatura de lasPAlanquillasenmaquinasdecoladaContinua,SOTEPAC,1FD971996.

SUbsistemas fotnicos de Generacin, conversin, Amplificacin yprocesamientoparaRedespticasdeSensoresydatos,SuGAROS,TIC20010877C0201.

Estructura Inteligente para Produccin de Barras de Acero, EIPBA,FIT0700002002121.

SIstemasyRedesAvanzadasdeSensoresfotnicos,SIRAS,TEC200405936C0202/MIC.

Caracterizacin de materiales por espectrometra de imagen,CIMACLIQ,TEC200508218C0202.

IgualmenteseagradecealMinisteriodeCienciayTecnologalaconcesinalautordeunabecaFPIadscritaalproyectoSUGAROSTIC20010877C0201.

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Agradecimientos Talvezelapartadoquesuscitaunamayorreflexinentodaobrarealizadaeslaexaltacindelasgratitudeshaciaquienesdeunaformauotrahaninferidoenelautordurante lamisma.Entalsituacin,mehalloeneldesafodesintetizarenunaspocaslneastodoslossentimientosqueaparecenalrecordaralaspersonasquealolargodemividamehanayudado,enseado,guiado,tolerado,animadoeinclusojaleadoenlaconsecucindemisobjetivos.Peroanpecandodecruelyolvidadizo debo truncar lamemoria y limitar este apartado que por ganas seconvertira en toda una obra por s solo. Mi primer agradecimiento a todosaquellos que no son referidos a continuacin pero que saben y que s quedebieran estar aqu.Y, cmono!,mi gratitud a todo lectorpor el inters quemuestraenestehumildetrabajo.

Ayudndomedelareferenciacronolgica,elpuntodepartidaestablecidoparalosagradecimientosesladecisindeemprendereldoctorado.Noesquenohayasidocuriosoconanterioridad,bienlosabamipadre,sinoqueconsideroestepuntodemividacomoeliniciodemicarrerainvestigadora,delacualesunfruto el presente documento. La persona a la que debo este inicio es Csar.Durantemsdedoceaoshasidoungua,unconsejeroyunejemplo.Graciasporestaramilado.

Di los primeros pasos de la mano de Pepe quien me mostr lasinquietudesdelmundode laptica y la Fotnica y soport las innumerablesdudasyquebrantosalasquecomonovatoletenaacostumbrado.Graciasaly sus detalladas correcciones fui aprendiendo y formndome. Y llegu aintegrarmeenelGrupodeIngenieraFotnica.GraciasJosMiguelporguiarmehastalamadurezyofrecermetutiempo,conocimientoyexperienciaenmuchasfacetasque inclusosesalende lacomponenteprofesional.Graciasporhacermesentiragustoyrodeadodelosmos.PorqueenelGrupodeIngenieraFotnicaencontr una familia donde todos sus miembros han hecho posible que loconsiderado por otros como trabajo o estudio yo lo considere una alegra.Muchashoras,muchosdas;pero enverdadhablodeun laboratorio comomicasa ante la fraternidady amistad encontrada en susmiembros:Adolfo,Alex,Ana,Andrs,Bea,Berto,Bobn,Bubka,Carlos,Chux,Cris,David,Esa, Fran,JosMigueljunior,Juan,Mara,Marian,Mauro,Nicolas,Pedro(Alonso,IyII),Puma, Olga, Sergi, Toete y Vik. No es exageracin, nos hemos conocido,consentidoyaguantadocasiadiariodurantelosltimos7aosenlamayoradelos casos, 12 aos (verdad, Toete?), o inclusoms (cantidad indeterminadaperoinferiora30,verdad,Chux?).Enespecial,graciasaFranportodosuapoyoy estar siempre dispuesto a embarcarse conmigo en proyectos y aventuras

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CONTRIBUCIONES A LAS TCNICAS NO DESTRUCTIVAS PARA EVALUACIN Y PRUEBA DE PROCESOS Y MATERIALES BASADAS EN RADIACIONES INFRARROJAS

propiasdegigantes.YnomeolvidodeBeaySara,siempreatentas.GRACIASatodosporquesinvosotrosnohubierasidoposiblellegaraterminaresto.Yesqueelconsiderarsecomoencasaresuelvemuchascomplicaciones,tedaseguridadyproteccinytefacilitalaexistenciapermitindoteunamayordedicacinyunmayoroptimismoalosquehaceresdiarios.

Mesientomuyafortunadodecontarconvariasfamilias.Nosolamentelanaturaly elGrupode IngenieraFotnica.Alldondehe idoheprocuradoy,afortunadamenteconseguido,conocerydesenvolvermeenambientesfamiliaresque, lejosdecasa,sonanmsnecesarios.As gracias,Clemente!porsertquienme fueraabuscaralaeropuertoel1demayode2003.Llegabaaunpaslejanoyextrao,condificultadesconelidiomaysiendolaprimeravezquesalade casa, comoquiendice.Hemos compartidobuenosymalosmomentosperoan los malos no lo han sido tanto al tener tu apoyo. Gracias Xavier porpermitirmeir,formarme,seguirconmisdivagacionesyconoceratodaesagenteque llenmiserdenuevasexperiencias,conocimientos, inquietudes,anhelosytristezas al separarnos. Gracias Alma, Eduardo, Eric, Hermes, Janis, Jassine,Julin,Laurotta,Martina,Paloma,Pamela,Rafael,SilviettaySoledadporhacerdeQubecmisegundohogar.GraciasLilin.

YBath,otrolugardondevolverydondetambindejamigosyfamilia.GraciasfamiliaWay,Simon,Timy,porsupuesto,Darrylquehicisteposibleotronuevoexponencialavancedemiexperienciapersonalyprofesional.

Gracias a mis amigos: ngel, Casco y familia, David, Dita y Edu,Eduardo,Joserra,Marga,Marina,Nacho,Nando,Pablete,Pablo,PatriyVito;susconsejosypacienciaconmigono tienen fin.Graciasamisamig@sdel instituto,losmomentos ldicofestivos en su compaa han servido de va de escape yaliviadoelestrsanteesteproyecto.

Y,obviamente,graciasamifamilianatural.Ellossabenmsquenadieelesfuerzoqueestetrabajohasupuesto.Paraellosestdedicadaestaobra.

Atodosvosotros,misinceragratitud.

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Resumen Lainspeccintrmicabasadaenradiacininfrarrojaproveemedidasrpidas,sincontacto y desde una nica posicin. Su principio bsico es el control yestimacin de diferencias de temperaturas en una superficie o cambios de latemperaturasuperficialconel tiempo,haciendousode lossistemasdemedidamediante infrarrojos. Esta temperatura est relacionada con los patrones detransferencia de calor del cuerpo bajo inspeccin por lo que se logra unalocalizacin de defectos o imperfecciones superficiales y de anormalidadessubsuperficiales.Enesteltimocaso,deformageneral,cuantomayorseaymscercanaalasuperficieestlaimperfeccin,msevidenteresultarsudeteccinalproducirmayoresdiferenciastrmicasenlasuperficie.

Conscientesdelaaplicabilidadpotencialdelatermografainfrarrojaenlaevaluacinnodestructivani invasiva,seplantecomoobjetivogeneraldeestatesiselefectuarcontribucionesalconocimientoylatcnicaque,adems,tuviesenvisosdeaplicacinreal.Paraellosehanidentificadonichosdeaplicacinentrelos que se destacan el control de procesos (particularmente en industriassiderrgicas), la evaluacin de la calidad de productos manufacturados(elementos calefactores en cocinas) y la inspeccin, anlisis y evaluacin dedefectosenestructurascompuestas.

Con el objetivo general en mente y ante la variedad de sistemastermogrficos existentes, de diferentes costes y sensibilidades, se detectancarencias de unos respecto de otros que limitan su aplicabilidad. Igualmente,surgelanecesidaddecompararlosyconelloladefinicindeparmetrosquedeforma objetiva valoren los beneficios de cada uno de ellos. Dentro de laevaluacindedefectos internosenestructurasuobjetos,elconceptodereadedetectabilidadesutilizadopara lacomparacindesistemasdetermografaactivapulsadadeduracincuasiinstantneaydeduracinlarga.Escogerlaexcitacintrmica apropiada solventa limitaciones de digitalizacin en sistemas de bajocoste. Una validacin de este concepto denota la obtencin de resultadoscomparables para sistemas comerciales de gran sensibilidad basados entermografaactivadeflashesyotroshechosamedidademenorcalidadperoque

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aprovechan elmayor contraste trmico inducidopor las excitacionesdepulsolargo.

Igualmente se procura una automatizacin de los procesos de toma dedecisinparaeludir,enlamedidadeloposible,lasubjetividadenelanlisisdelas secuencias trmicas que resta sensibilidad a los resultados cualitativos ycuantitativosque sedesprendendelmismo.Para ello seutilizan conceptosdeVisin Artificial (Machine Vision, Computer Vision o Intelligent Vision)mediantelosquesesimulalahabilidaddelreconocimientoyanlisisdelsistemahumano de ojo y cerebro para tomar decisiones y ofrecer una interpretacinsobre el contenido de una imagen. La posibilidad de adquirir imgenes,analizarlasyrealizarlatomadedecisionesapropiadas,tododeformaautnomayautomtica,esextremadamentetilenaplicacionesdeinspeccinycontroldecalidad. Se aportan diferentes propuestas basadas en mtodos estadsticos ytcnicas transformadas propios del tratamiento de imgenes que procuranimgenes nicas donde todos los defectos detectables son localizados.As selogralaautomatizacinplenadelprocesodedeteccindeanomalasinternas.Elprocesadodelassecuenciastermogrficasesreducidoalusodeunafuncinqueeliminalasubjetividadinherentepropiadelasdecisioneshumanas.

Utilizando con frecuencia la fusin de conocimientos y tcnicasprovenientes sobre todo de la Fsica (fsica del calor, mecnica y pticaprincipalmente)yde lasTICs,enestedocumentoserecogen lascontribucionesms significativas aportadas al rea de inspeccin no destructiva utilizandotermografainfrarroja.

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Abstract Thermal inspection based on infrared radiation provides fast and contactlessmeasurementsfromonelocation.Itsbasicprincipleisthecontrolandassessmentof temperaturedifferenceson a surfaceor changes in thatmeasurement alongtime,using infraredequipment.This temperature isrelated to theheat transferthat occurs in the bodyunder inspection. In this sense, it ispossible to locatesurface and subsurface defects and anomalies. In this last case, generally, thedetectioniseasierastheimperfectionsbecomebiggerandshallower.Thisisdueto the fact that the thermal differences produced on the specimen surface areabnormallydifferentrespectedtosoundareathermaldifferences.

Given the potential applicability of infrared thermography for nondestructiveandnoninvasiveevaluationandtesting,themaingoalofthisthesisisthecontributiontotheknowledgeandtechniquestateoftheart,alwaysfromarealapplicationpointofview.Severalapplicationnicheshavebeenidentified,being stood out process control (principally in siderurgical industry), qualityassessment in manufactured products and the inspection, analysis andevaluationofdefectsincompositematerialstructures.

Considering the objective mentioned above and the wide variety ofthermographic systems, several lacks have been detected in some systemslimiting theiruse. Inaddition, itcouldbe interesting tocompare thesesystemsandhence,toestablishasetofparametersthatobjectivelyevaluatesthebenefitsofanyofthem.Innondestructiveevaluationsofsubsurfacedefectsinstructuresormaterials,theconceptofdetectabilityareaisusedtocomparesystemsexcitedbybothlongpulsethermographyandpulsedthermography.Theselectionofanappropriateexcitationcould lead tocompensate lowbinarization limitations inlowcostsystems.Avalidationof this ideashowssimilarresults forstateofarthigh sensitivity systemsbasedonpulsed thermographyand cheaper labmadesystems.The lattertakesadvantageofthehigherenergy inducedby longpulseexcitationstoovercomethepoordigitalizationeffects.

Inaddition,anautomationofthedecisionprocessisprovidedtoavoid,asmuch as possible, the human subjectivity in the analysis of thermographicsequences. Machine Computer or Intelligent Vision concepts are used to

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achieve thisgoal, simulating the recognitionabilityandanalysisof thehumanbrainandvisionsystemtomakedecisionsandofferaninterpretationregardingaparticular image.Thepossibilityofacquiring images toanalyse themand thendecideover them,allautomatically, isextremelyuseful in inspectionprocessesandquality control.Here,differentproposalsbasedon statisticalmethodsanddata transforms are detailed. They provide unique imageswhere defects arehighlighted.Theprocessingofthermographicsequencesissimplifiedtojustonesingle function that avoids the human subjectivity presented in the decisions,whichshouldbetakeninotherprocessingprocedures.

Byfrequentlyusingacombinationofknowledgeandtechniquescomingfrom the Physics and ICTs, this dissertation collects the most significantcontributions of the author to the NDE&T state of the art within infraredthermographyfield.

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Listas de smbolos especiales Simbolos (Unidades) c capacidad trmica (Ws/Kg K) C contraste trmico cP calor especfico (J / kg K) e efusividad trmica (W s / m2 K) F relacin focal de la lente o espejo fb frecuencia ciega o de corte (Hz) fn ensima frecuencia (Hz) fs frecuencia de muestreo (Hz) h coeficiente de conveccin, constante Planck (W / m2 K) K coeficiente de veracidad k conductividad trmica (W / m K) L espesor (m) P espacio transformado Q conjunto de puntos Q energa absorbida por unidad de rea (J / m2) o potencia emitida (W / m2) T temperatura (K, C) t tiempo (s) tacq tiempo de adquisicin u observacin (s) w(T) ventana de truncamiento temporal z profundidad (m) Letras Griegas (Unidades) (,) coordenadas polares difusividad trmica (m2 / s) gradiente (temperatura o fase) emisividad longitud de onda (m) longitud de difusin (m) densidad (kg / m3) varianza o constante Stefan-Boltzman fase ( o rad) diferencial Subndices y superndices a absoluto amb ambiente b blind d,def defecto ef efectivo (i,j) coordenadas cartesianas I,ef instante efectivo m,max maximo mp ptima observacin prctica n normalizado

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nodef,s, sound, soundarea libre de defectos r running s standard sat saturacin 0 inicial Constantes h universal (o Planck), h = 6.6256 x 10-34 Js c velocidad de la luz, c = 2.9979 x 108 m/s C1 primera constante de radiacin, C1 = 3.742 x 108 W m4 / m2C2 segunda constante de radiacin, C2 = 1.1389 x 104 m K C3 tercera constante de radiacin, C3 = 2897.8 m K Stefan-Boltzman, = 5.6697 x 10-8 W / m2 K4 Acrnimos CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic, Plstico reforzado de Fibra de carbono DAC: Contraste Diferencial Absoluto DAPhC: Contraste Diferencial Absoluto de la fase END: Evaluacin o Ensayo no destructivo FPA: Focal Plane Array FPN: Fixed Pattern Noise, Patrn de ruido fijo FWHM: Anchura a altura mitad GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic, Plstico reforzado de Fibra de vidrio IDAC: Contraste Absoluto Diferencial Interpolado IR: Infrarrojo MDS: Tamao detectable mnimo MRTD: Diferencia de Temperaturas Mnima resoluble MTF: Funcin trasferencia de modulacin NDT&E: NonDestructive Testing and Evaluation, Evaluacin y Prueba no destructivas NEP: Potencia Equivalente de Ruido NETD: Diferencia de Temperaturas equivalente al ruido PCT: Termografa de Componentes Principales PPT: Pulsed Phase Thermography, Termografa Pulsada de fase PTHTa: Algoritmo de uso de la Transformada Hough en Termografa Pulsada PTV: Primer termograma vlido SNR: Signal-to-Noise Ratio, razn seal a ruido TFD: Transformada de Fourier Discreta TI: Termografa Infrarroja UTV: ltimo termograma vlido

DANIEL AQUILINO GONZLEZ FERNNDEZ TESIS DOCTORAL -X-

INDICE PARTE 1 PRELIMINAR.................................................................................................1 1 Introduccin..............................................................................................................5

1.1 Energa trmica, calor y temperatura....................................................................... 5 1.2 Fsica del calor............................................................................................................. 6 1.3 Mtodos pticos para la medida de la transferencia de calor y de la temperatura ............................................................................................................................. 7 1.4 Motivacin ................................................................................................................... 9 1.5 Estructura del documento ........................................................................................ 12

2 Estado del arte de la termografa infrarroja..........................................................17 2.1 Situacin y tendencias............................................................................................... 17

2.1.1 Hardware ...................................................................................................................22 2.1.2 Software ....................................................................................................................23

2.2 Problemticas detectadas ......................................................................................... 25 2.2.1 Efecto de la digitalizacin en las seales termogrficas............................................25 2.2.2 Automatizacin del procesado de imgenes..............................................................28

2.3 Conclusiones y objetivos........................................................................................... 29 PARTE 2 CONTRIBUCIONES ....................................................................................35 3 Detectabilidad de defectos subsuperficiales en sistemas de termografa activa con escasa digitalizacin .....................................................................................39

3.1 Introduccin .............................................................................................................. 39 3.2 Parmetros que definen la detectabilidad de defectos........................................... 40

3.2.1 Factores que influyen en la inexactitud de la medida termogrfica...........................41 3.2.2 Factores que contribuyen a la detectabilidad de defectos subsuperficiales ...............42

3.2.2.a Detectabilidad en las termografas activas pulsadas ...........................................43 3.2.2.b Detectabilidad en funcin de las caractersticas de los defectos.........................48

3.3 Criterio de decisin ................................................................................................... 52 3.4 Criterio de detectabilidad ante una escasa digitalizacin...................................... 53 3.5 Compensacin de una escasa digitalizacin............................................................ 54 3.6 Discusin de los resultados ....................................................................................... 55 3.7 Conclusiones y resultados relevantes ...................................................................... 56

4 Automatizacin del procesado de imgenes ..........................................................61 4.1 Introduccin .............................................................................................................. 61

4.1.1 Adecuacin de los tiempos de adquisicin................................................................61 4.1.2 La problemtica del ajuste de una lnea recta............................................................68

4.2 Mtodos estadsticos.................................................................................................. 69 4.2.1 Automatizacin IDAC...............................................................................................71 4.2.2 Mtodos robustos de estimacin estadstica aplicados a la termografa infrarroja....74

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4.3 Transformaciones en el espacio de datos ................................................................ 74 4.3.1 Transformada Hough.................................................................................................75 4.3.2 Transformada Radon .................................................................................................80

4.4 Identificacin de patrones lineales........................................................................... 83 4.4.1 Fusin de procesados.................................................................................................83

4.4.1.a Automatizacin de la obtencin de la frecuencia de corte .................................85 4.4.1.b Algoritmo DAPhC..............................................................................................86

4.4.2 Excitaciones elctricas...............................................................................................89 4.5 Discusin de los resultados ....................................................................................... 92 4.6 Conclusiones y resultados relevantes....................................................................... 93

PARTE 3 CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS .................................................. 97 5 Conclusiones y lneas futuras ................................................................................ 99

Resumen y conclusiones........................................................................................................ 99 Lneas abiertas y futuros trabajos ..................................................................................... 101

PARTE 4 REFERENCIAS y ANEXOS ..................................................................... 105 6 Bibliografa........................................................................................................... 107

6.1 Referencias por captulos........................................................................................ 107 6.1.1 Referencias del captulo 1........................................................................................107 6.1.2 Referencias del captulo 2........................................................................................107 6.1.3 Referencias del captulo 3........................................................................................108 6.1.4 Referencias del captulo 4........................................................................................108

6.2 Referencias ordenadas alfabticamente ................................................................ 110 6.3 Contribuciones del doctorando consecuencia de la tesis...................................... 114

6.3.1 Contribuciones en el campo de la termografa infrarroja ........................................114 6.3.2 Contribuciones en el campo de la medida de diferentes magnitudes mediante dispositivos pticos...............................................................................................................119

Anexos .......................................................................................................................... 123 A Principios fundamentales de la Fsica del calor...................................................125 B Conocimientos y tcnicas claves en termografa infrarroja .................................133

B.1 La medida termogrfica .........................................................................133 B.2 Modelado de la transferencia de calor....................................................135 B.3 Termografa activa y pasiva ...................................................................136 B.4 Preprocesado de imgenes en termografa infrarroja .............................138 B.5 Excitaciones pticas en termografa infrarroja activa - Orientacin conceptual............................................................................................................138 B.6 Tipos de excitacin ................................................................................139 B.7 Referencias.............................................................................................144

C Aplicaciones industriales de la termografa infrarroja en las que el autor ha colaborado ....................................................................................................................147

C.1 Proyecto SOTEPAC...............................................................................147 C.2 Proyecto ECOPLEI ................................................................................156 C.3 Propuesta de Proyecto EIKA .................................................................161 C.4 Referencias.............................................................................................165

D Tcnicas de procesado de imgenes en secuencias termogrficas.......................167 D.1 Preprocesado de secuencias termogrficas Precisin y exactitud en la medida de temperatura.........................................................................................167 D.2 Procesado de secuencias termogrficas Modelado Directo.................170 D.3 Postprocesados de secuencias termogrficas- Modelado Inverso ..........177 D.4 Referencias.............................................................................................179

E Algoritmos de deteccin de patrones lineales......................................................181 E.1 Algoritmo RANSAC..............................................................................181 E.2 Transformada de Hough.........................................................................182

DANIEL AQUILINO GONZLEZ FERNNDEZ TESIS DOCTORAL -XII-

E.3 La transformada Radon..........................................................................185 F Equipamiento utilizado .......................................................................................187

F.1 Laboratoire de Vision et Systmes Numriques de l'Universit Laval ..187 F.2 Materials Research Centre de University of Bath..................................188 F.3 Grupo de Ingeniera Fotnica de la Universidad de Cantabria ..............190

PARTE 5 Summary......................................................................................................193

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PARTE 1 PRELIMINAR

Enestapartesehaceunaintroduccinalatermografainfrarrojaascomounestudiodelestadodelarteentornoalamisma,comobaseparaformularlosobjetivosquesepretendenalcanzarylasrazonesquelosmotivan.Sefinalizaestableciendolaestructuraqueseseguirenestedocumentodetesis.

Captulos: 1. Introduccin

2. Estado del arte de la termografa infrarroja

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Captulo 1 Introduccin

La obtencinde mapasde temperaturade objetos enbase a la capturayprocesado de las radiaciones infrarrojas emitidas como consecuencia de suestadotrmicoseconocecomoTermografaInfrarroja.Paraello,seutilizancmarasdotadasdelapticaypanelesoarraysdedetectoresinfrarrojosascomode laconsiguienteelectrnicaysoftwareparaeladecuado tratamientodelainformacin.

Dadoqueatravsde ladistribucindetemperaturadeunobjetoy/ode su evolucin en el tiempo se puede obtener, sin contacto alguno,informacinvaliosadelestadofsicoy/oestructuraldelobjeto,laTermografaInfrarrojaresultaserunapoderosatcnicaparalaEvaluacinNoDestructiva.

A continuacin se efecta una breve introduccin a la TermografaInfrarrojayalosconceptosclavesparasuentendimiento.


1 Introduccin Como punto de partida se podra decir, a grandes rasgos, que lamateria, laenerga, el espacioy el tiempo son lasbasesde todo loque existe. Sinquererentrar endiscusiones sobre la existenciadeuniversosparalelosyagujerosdegusano,todopodrasimplificarseconestoscuatrotrminos:1

Sintiempo,sinespacio.Sinmateriaoenerga.Esteeselprincipiodeluniversoynohaynadanisiquieraunpunto,nisiquieraunvaco.Fueradeestanadasealzaunaagitacinun remolino,un chasquido,un algo inconcebiblementepequeo.Y con esealgo, comopartede l, tiempo, espacioyotrasmaravillas llegan espontneamente a suexistencia. La tapa de la caja csmica dePandora ha comenzado a levantarse y de suinteriorsederramantodaslasmaravillasdelacreacin.

1.1 Energa trmica, calor y temperatura Lamateria est compuesta de tomos ymolculas y la energa hace que lostomosy lasmolculasestnenconstantemovimiento:rotandoalrededordesmismas, vibrando o chocndose unas con otras. Elmovimiento y, en su casodesplazamiento,de lostomosymolculascreauna formadeenerga llamadaenergatrmica,queestpresenteentodotipodemateria.Inclusoenlosvacosmsfrosdeespaciohaymateriaqueposeeenerga,muypequeaperomedible.Por lo tanto,una caractersticade lamateria est relacionada con esa energa;hablaremosentoncesdesutemperatura.

Elcaloreslaenergatrmicatotalenunasustanciaocuerpo,porotroladosutemperaturaesunamedidadelaenergatrmicamedia.Latemperaturanoesenergasinounamedidadeella,esunamedidadelcaloroenergatrmicadelaspartculasenunasustancia.Mientrasqueelcalordependedelavelocidaddelaspartculas,desunmero,desutamaoydesutipo,latemperaturanodependedel tamao, del nmero o del tipo de lasmismas2.Ambos trminos resultanmedibles y estamedida acaba siendo de gran importancia paramultitud deprocesos.Sinembargo,porsimplificacinycomodidad,latemperaturaseerige,entreambosconceptos,comoeltrminomsusado.

Tales la importanciade latemperaturaquesehadefinidocomounadelassietemagnitudesfundamentalesdelsistemaInternacionaldeUnidades,SI.Suunidad,elKelvin(K)sehaestablecidomediante laeleccindeunvalorpara latemperaturatermodinmica(absoluta)deunestadodelamateriabiendefinido,universal y reproducible, que se define como la fraccin 1/273,16 de latemperatura termodinmica del punto triple del agua3. La temperatura est 1 Traduccin libre de parte del preludio del libro de David Darling Deep Time: The Journey of a Particle from the Moment of Creation to the Death of the Universe and Beyond, 1989. 2 Esta concepcin y diferenciacin de los trminos de calor y temperatura no apareci hasta los escritos de Joseph Black (1728-1799), quien distingui entre la cantidad (calora) y la intensidad (temperatura) del calor. 3 Uno de los primeros intentos para hacer un estndar de temperaturas ocurri alrededor de AD 170, cuando Galeno, en sus notas mdicas, propone un estndar de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la ebullicin del agua y el hielo.



muypresente en elmundo con enorme influencia en fenmenosnaturales, enprocesos industriales, en laboratorios, en la medicina, etc. y hace que sumedicin y control sea muy frecuente en dichos campos. Hay muy pocaspropiedades de materiales que no cambian con la temperatura yconsecuentemente un alto porcentaje de mtodos de ensayo involucran lamedicin de esta magnitud. Adems, la metrologa de temperatura otermometra caracteriza lamateria en funcin de su comportamiento trmicodiferenciandoperfectamenteloscomportamientoscomunesdelosanmalos.Porejemplo, el hecho de tener una temperatura corporal diferente a la habitualpuederelacionarseconunaetapadeenfermedad4.Elencontrarunazonacalienteenunapiezamecnicapuede indicarabrasinofriccinenesazona.stossonalgunosdelosnumerososejemplosquenospermitenrelacionarungradientedetemperaturaconlaexistenciadedefectosoanormalidadesenlosmateriales.

1.2 Fsica del calor Dentrodelatermologa5,latransferenciadecalorsepuededefinircomolacienciacuyo objetivo es predecir la cesin de energa que se produce entre mediosmateriales como consecuencia de las diferencias de temperatura. Siempre queexistaunadiferenciadetemperaturasenuncuerpooentrecuerpos,debeocurrirunatransferenciadecalor.Latransferenciadecaloresunprocesocomplejoque,para analizarlo fenomenolgicamente, se puede descomponer en tresmecanismos: conduccin, conveccin y radiacin. Aunque estos tres procesospuedentenerlugarsimultneamente,puedeocurrirqueunodelosmecanismospredominesobrelosotrosdos.

Laconduccin trmicaseestablececuandosecreaungradiente trmicoenunmedioestacionario,quepuedeserunslidoounfluido,y,enestecaso,seentiendequelatransferenciadeenergaocurreatravsdelmismomediooentrediferentesmedios. En el caso de la conveccin, la transferencia de energa seestablece entre diferentes medios, donde al menos uno de stos est enmovimiento, generalmente un slido y un fluido o dos fluidos con diferentespropiedades trmicas, cuyas temperaturas en la superficie de contacto sondiferentes.Dado que todo cuerpo con temperaturadiferentedel cero absolutoemiteenergaenformadeondaselectromagnticas,queatemperaturaambientese concentran en la regin infrarroja, el tercermodo de transferencia de calormencionadosedenominaradiacininfrarroja.

Numerosos autores recogen los fundamentos y los detalles de latransferenciadecaloro la termodinmica.Basten,enelanexoA,unosdetallesms concretos de cada mecanismo de transferencia, invitando al lector a laconsulta de obras como [Incropera, 1999], [Sigals, 2003] o cualquier otrareferenciabibliogrficapertenecienteaestecampodelaFsica.

4 Ya en tiempos antiguos, dentro de la filosofa china se consider que la salud, como todo lo que existe en el universo, est vinculada a la armona del cuerpo y del espritu (el yin y el yang). Se estableca una clasificacin en funcin de la temperatura del tipo de enfermedad padecida, el exceso de yin conduce a enfermedades agudas, febriles, secas, mientras que el exceso de yang lleva a enfermedades crnicas, fras o hmedas. 5 Termologa: Parte de la Fsica que trata de todos los fenmenos en los que interviene el calor.

DANIEL AQUILINO GONZLEZ FERNNDEZ TESIS DOCTORAL -6-

CAPTULO 1. INTRODUCCIN

La disponibilidad de sofisticados mtodos numricos que simulen latransferenciadecalornohadisminuido,sinembargo, lanecesidaddemediryobservardeformacuantitativaycualitativa lamisma.Siguesiendonecesarioelproceso experimental que permita el desarrollo de un entendimientofenomenolgicode losprocesos involucradosademsdeunavalidacinde losmodelos que se emplean. Es por ello que sigue tratndose de un campo enexpansin y de aplicacin en numerosos nuevos nichos como por ejemplo elcontrol y mantenimiento, evaluacin y prueba tanto de procesos como dematerialesdondeelcalorytemperaturasonfundamentales.

1.3 Mtodos pticos para la medida de la transferencia de calor y de la temperatura Como se ha invitado a reflexionar en los apartados anteriores, lamedida detemperatura resulta de gran inters en multitud de procesos (qumicos,ambientales, mdicos, mecnicos,) y as se puede constatar simplementerealizandouna investigacin relativaa laampliahistoriade la termometra6.Sehandesarrolladonumerososdispositivosysistemasdemedidade temperaturadesdesiglosantesdeCristohastanuestrosdase,igualmente,sehanpretendidoregular o estandarizar las medidas mediante escalas termomtricas muydiferentesconelobjetivodeconseguirmayorrepetitividadyconsensoensuuso.

Por lo general, los equipos de medida de temperatura (termmetros ytermoscopios, tambinconocidoscomo termmetrosdiferenciales)sebasanen lavariacintrmicaregistradaenmaterialesalentrarencontactoconelcuerpobajoinspeccin. Realmente, la construccin de estos instrumentos conlleva unacaracterizacinpreviade losmaterialeso sustanciasutilizados, siendo losmsindicadosaquellosconuncomportamientotrmicomsregular; lamaneramsregulareslaformadevariacinlinealmenteproporcional.

Siguiendo las leyes de la Termodinmica, al poner en contacto doscuerpos, el calor (energa) fluyedesde el cuerpo conmayor temperatura aldemenor temperaturahastaqueambos cuerposalcancenelequilibrio trmico.Elusodetermmetrosytermoscopiostrata,entonces,deunamedida indirectaenlaque laconduccineselprincipalmecanismode transferenciadecalor.Pero,es siempre necesario el contacto entre los dos cuerpos? Podramedirse unatemperaturasincontactoentreellos?Usartcnicassincontactopodraresultardegranintersyaqueelobjetopuedeestarenmovimientooestartancalientequedegradaraeltermmetrodecontacto.

Larespuestaalaanteriorpreguntapasaporlamedidadelaradiacinquetodocuerpoemitecomoconsecuenciade teneruna temperatura.Elmecanismode transferencia de calor llamado radiacin permite la estimacin de latemperatura de los cuerpos de forma remota, sin contacto. Esto resultamuybeneficiosoalcontribuiraque losmtodosbasadosenestemecanismonoseaninvasivosointrusivos.Deestaforma,surgenlosmtodospticos7.

6 Termometra: Parte de la Termologa que trata la medicin de temperaturas. 7 Mtodos pticos: Tcnicas cuyo fundamento comporta la interrelacin entre la energa electromagntica y la materia. En general se asigna tambin a estos mtodos el nombre global de

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA (2006) -7-


Losmtodospticos son, inherentemente,no intrusivosydeaplicacinsincontacto.Representanmtodosdegransensibilidad,fiabilidadyrapidezquenoalteran,por logeneral, lamuestracuandostaes inspeccionada.Lamayorade estosmtodos se basan enprincipios fsicos conocidosdesde hace siglos ypuedenserclasificadosdeacuerdoacuatroprincipiosbsicos:radiacintrmica,esparcimientode la luz, interaccincon lamateriaymtodos relacionadosconcambios en el ndicede refraccin, entre lasquedestacan aquellasbasadas enmtodos interferomtricosy lasqueutilizan ladeflexinde la luz [Ambrosini,2006].Otraclasificacin frecuentedivide las tcnicaspticasdeacuerdo con laregin espectral que interacciona con la materia. As, se denomina a laespectroscopiacomoderayosX,ultravioletalejano,ultravioletacercanoyvisible,infrarrojocercanoymedio,infrarrojolejano,microondasyradiofrecuencia.

Elrecientedesarrolloycomercializacindelseres,cmarasysistemasdeprocesado de datos soportados por un software apropiado ha permitido unrenacimiento de estas tcnicas y extendido sus posibilidades al anlisiscuantitativo de los datos. Entre las tcnicas de medicin pticas (metrologaptica)msusadasparatermometraseencuentranlapirometraylatermografa.La pirometra8 es un mtodo de medida de temperaturas muy elevadas sincontacto que se basa en unamedidade la radiacin trmica emitidadesde elobjeto.Sinembargo, la limitacindesuusorespondealconocimientodelvalordeemisividadespectraldelasuperficie,unodelosparmetrosdelaecuacindePlanck que debe previamente ser conocido, o se debe suponer, antes que latemperaturarealpuedasercalculada.Enlaprctica,lascondicionesrealesdelasuperficie pueden no ser conocidas, o pueden estar cambiando debido aoxidacin u otros recubrimientos, o la emisividad puede variar con latemperatura del objeto mismo. Esta limitacin llega a solventarse usandopirmetroscon lseropirmetrosdemltiples longitudesdeonda (dualbandomultiwavelengthpyrometers).

Porotrolado,laTermografaInfrarroja(TI)eslatcnicadeproducirunaimagenvisible consecuenciade la luz infrarroja invisible (para elojohumano)emitidaporobjetosdeacuerdoasucondicintrmica[Astarita,2006].SuorigenseremontaaprincipiosdelsigloXIXgraciasalosexperimentosdeW.Herschel(17381822)9,perohasidoen losaos sesenta (dcada19601979)cuando sehaintentadoaplicaralamedidadelatransferenciadecalor[Carlomagno,1989].

espectroscopia. Los efectos que provoca la materia sobre la radiacin son de varios tipos: absorcin de esta ltima, su emisin por parte de la materia en estados excitados, cambio en su trayectoria o en sus planos de vibracin. 8 Derivado de la raz griega pyro- que significa fuego. Los pirmetros de radiacin se clasifican de acuerdo a su principio de medicin en pirmetros de radiacin parcial o pirmetros pticos y pirmetros de radiacin total. Los pirmetros pticos determinan la temperatura de una superficie en base a la ley de radiacin de Planck considerando un valor de longitud de onda de la radiacin emitida por la superficie mientras que los de radiacin total son los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiacin emitida por el cuerpo en base a la ley de Stefan-Boltzmann. 9 En 1800 Herschel investig el poder de calor de los rayos del espectro solar descubriendo que la temperatura del termmetro suba cuando cambiaba del violeta al rojo e incluso ms all del rojo, en una parte donde no haba luz aparente. Sus resultados fueron publicados en las Philosophical



Pirometra o Termografa? Cul de estas dos tcnicas utilizar? Paradilucidaralgunadelasdudasplanteadasconestapreguntaseinvitaalalecturadelsiguienteapartado.

El poder de la imagen Denuestrossentidos,lavistaessindudaelmsdesarrolladoyelmsperfecto.Nuestramemoria es capazdealmacenar cantidadde imgenesy el cerebro esparticularmente eficaz procesndolas. Las imgenes visuales proporcionan atravs del ojo, informacin sobre el color, la forma, la distancia, posicin ymovimientode losobjetos.Unagran cantidadde informacines,por lo tanto,contenidaenunanicaimagenque,comobienrecogeelrefraneroespaol,valemsquemilpalabras.

De lamisma forma, el uso de imgenes permite inspeccionar reas enlugar de tener medidas puntuales. Representan, igualmente, un mayorconocimiento en la medida de procesos que exhiben una alta variabilidadespacial,talescomolatemperaturaolatransferenciadecalor.Lamayorpartedelossensorestrmicos(termopares,termorresistores,pirmetros,calormetros,)slo permiten unamedida puntual (o promediada en el espacio) por lo quelimitan la informacin ofrecida de forma unidimensional (la transferencia decalor quemiden o recogen se asume que es perpendicular a la superficie delsensor).Es as como, con eldesarrollode laTermografa Infrarroja, sta sehaconvertidoenunadelasherramientasmsvaliosasdediagnstico,evaluacinyprueba. Esta tcnica genera imgenes infrarrojas, llamadas termogramas, ofotografasdel calorque emiten losobjetos, en las cuales sepuedemedir sutemperatura. Al estar basada en imgenes, representa un sistema demedidabidimensional. Adems, tratando sus datos con algoritmos y procesados deimgenesapropiadosyrelacionadoscon lamodelizacinde losmecanismosdetransferencia del calor en slidos, la termografa llega a ofrecer informacintridimensional de los mismos. Esto ltimo se desarrollar en un captuloposterior.

1.4 Motivacin Enlaactualidadnosediscutequelacalidadesunfactorprioritarioenlagestindecualquierempresaoproducto.Lospreciosdelosproductossehacencadavezmenos relevantes y factores como la calidad son elementos de decisin. Pero,quseentiendeporcalidad?Esuntrminomuyheterogneoqueimplicavalor,excelencia o superioridad, o simplemente el cumplimientodeuna condicin orequisitoyesaplicabletantoamateriales,aprocesoscomoaproductos.

Como ya se ha mencionado, la medida de temperatura o de latransferenciadecalorresultacrticaenmultituddeprocesosypuede,a lavez,ser utilizada para caracterizar materiales, componentes o estructuras. As, lamedicinexactayprecisadetemperaturasogradientesdelasmismasesdegranimportanciapara todauna seriedeprocesos tcnicos en los que se logran losresultados deseados slo si es posible mantener ciertas temperaturas o Transactions of the Royal Society of London. Herschel encontr que los rayos calricos tambin obedecan las mismas leyes de refraccin y reflexin que la luz visible.



mantenerlasdentrodeunosmrgenesdeterminados.Entredichosprocesos seencuentran,porejemplo, losrelacionadoscon lafusinde losmetales,losde lacoccindelacermica,lafusindelvidrioylasinterizacindelaporcelana.Asmismo, la transferenciadelcalorenunobjetopuedemostrarnoscaractersticaspropiasdelmismooinclusoofrecerinformacinacercadesuestadointerior.

Considerando lo anterior, en este trabajo se presentarn contribucionesbasadas en tcnicas termogrficaspara la evaluacinypruebadematerialesyprocesos de forma no destructiva ni invasiva. Pero, cmo se mide latemperatura?Lossensoresdetemperaturausadoseninspeccintrmicapuedensepararseendoscategoras:sensoresde temperaturadecontactoysensoresdetemperaturasincontacto.Lossensoressincontactosebasanmayoritariamenteensensores infrarrojos10 y miden la radiacin electromagntica generada en lasuperficiede losobjetos.Existendispositivosde imagen infrarroja,escneresdemanoporttiles, sistemas interferomtricos, radimetrosypirmetros.Porotrolado, los sensores con contacto incluyen los dispositivos termoelctricos(termopilas, termoacopladores y termistores11) y aquellos que utilizanrecubrimientos de materiales sensibles a la temperatura (cristales lquidos,pinturas sensibles al calor, componentes termocromticos, papeles sensibles alcalor, fsforos o componentes orgnicos que emiten luz visible cuando sonexcitadospor luzultravioleta).Pero, cules sonmejores?Apesardepoderllegarasermsprecisosyexactosensumedidadelatemperatura,lossensoresde contacto poseen algunas limitaciones como su inconveniencia para medirtemperaturas en objetos que puedan estar enmovimiento, que sean frgiles,inaccesibles, pequeos o estar tan calientes que degraden cualquier sensor alcontactoo,simplemente,puedeninfluiroperturbarelobjetodemedida.

Porelloesdeseableelusodetcnicassincontactodeinspeccintrmicabasadaseninfrarrojoscomoensayosnodestructivosaptosparalaevaluacindecalidades en procesos y productos manufacturados. Pero, qu se utiliza,pirometra o termografa? Utilizando la termografa infrarroja obtenemos elbeneficiodecapturar imgenes(mayorcontenidode informacin)manteniendola rapidez, fiabilidad y seguridad en las medidas. Los sistemas infrarrojosporttiles convierten instantneamente la radiacin trmica enmapas trmicosvisibles que pueden ser visionados en equipos de video convencional o enformatodigitalparapoderrealizarunanlisiscuantitativodetemperatura.

Paraqu sirve la termografa? Enqu tipode inspeccionespuede seraplicada?Lasaplicacionesen lasqueeste tipodeensayonodestructivoresultade granutilidad sonmuy variadas.Muchos equipos que conducen o generancalor o fro son candidatos para ser inspeccionados con estos mtodostermogrficos.Igualmentelosonensayos,procesosycomponentesenlosquelatemperatura sea unamagnitud a controlar.As ocurre en la identificacin de

10 Todo cuerpo a una temperatura superior al cero absoluto emite radiacin, predominantemente en la regin infrarroja. 11 Los termoacopladores o termopares son uniones de dos metales diferentes que al calentar ofrecen una diferencia de potencial entre ellos. Los termopilas son agrupaciones de termoacopladores que incrementan la salida elctrica. Los termoresistores son semiconductores que cambian su resistencia en funcin de la temperatura a la que se encuentran.



fugas,intrusionesdelquidosydelaminaciones,desencoladosoburbujasdeaireenmaterialesdenueva generacin (existeun ampliousodepegamentosparacrear estructuras o aadir cubiertas protectoras). Slo por mencionar algnejemplo,alposibilitarladeteccindeanomalasquemuyamenudoresultanserinvisibles a simple vista, la termografa permite detectar y desencadenar laspertinentesaccionescorrectoras.

Trabajando en el control de procesos de la industria siderrgica y laevaluacin de componentes manufacturados, se pueden emplear distintosmtodos en la inspeccin trmica segn el tipo de anomalas que se esperantratar. As, se pueden dividir los mtodos de inspeccin tratados en mtodosestacionarios y mtodos transitorios segn sean los utilizados para detectaranomalas donde las temperaturas cambianmuy poco con el tiempo (por logeneral, aquellos objetos o procesos trmicamente activos) o bien lo hagandurante elpropio tiempodemedida, respectivamente [Balageas, 1987], [Cielo,1987]. En el primero de los casos, los tipos de anomalas producen grandesdiferenciastrmicas,ydebenserdegrantamaoycercanosalasuperficieparaque las imgenes odatosde temperatura resultantes sean entonces fcilmenteinterpretados.Existeunmayor retoenelcasodeobjetos trmicamentepasivosya que lo esencial en este caso es conseguir un calentamiento y enfriamientouniformes y controlar esos gradientes paramantener las diferencias trmicascausadasporlosdefectos.Enelsegundodeloscasos,cuandolasdiferenciasdetemperaturapuedenproducirseparaluegodesaparecer,mltiplesmedidaseneltiempopermitenuna interpretacincuantitativade lossucesos.Destacarque lafuentedeexcitacindebeserdesconectadaparaeliminarsuinterferenciaconlasmedidas.Entendercmoafrontarunainspeccinresultaimprescindibleparalaexitosaevaluacindelmaterial,procesoocomponente.

Cadacasoparticularrequieredeunconocimientoaprioridelprocesoocomponente,convirtindoseesteconocimientoenalgoindispensablesisequiererealizar un anlisis cuantitativo. Los mecanismos de transferencia de calor deconduccin, radiacin y conveccin son afectados por las caractersticas delmaterial(calorespecfico,densidad,conductividadtrmica,difusividadtrmica,coeficientedeconveccin,emisividad)12ylainspeccintrmicadependedelasvariaciones locales de dichas caractersticas para establecer una diferencia detemperaturasmedible.Esporelloqueresultanecesarioconocer lomejorposible losmecanismos de transferencia de calor para poder obtener lamayor sensibilidad en elanlisisdesecuenciastrmicas. 12 Calor especfico, c: es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura en una unidad por unidad de masa de un material, sin cambio de estado Densidad, : cantidad de masa contenida en un determinado volumen. Conductividad trmica, k: es la cantidad de calor que fluye en una direccin cuando existe una diferencia de temperatura del material en esa direccin, capacidad de los materiales para dejar pasar el calor. Difusividad trmica, : es la velocidad a la cual el calor fluye de una regin de alta temperatura hacia sus alrededores ms fros Factor de conveccin, h: es una medida de cun eficiente el calor es intercambiado entre una superficie y un gas o lquido en movimiento Emisividad, : indica la eficiencia de una superficie como radiador (o absorbedor) de radiacin electromagntica. Es funcin de otras variables, incluyendo color y rugosidad de la superficie.



Adems,eltratamientodigitaldelaimagenpuedeserusadoparamejorarlacalidad de las imgenes trmicas. El filtrado espacial puede suavizar los datoseliminando el ruido de alta frecuencia causado por los dispositivos decalentamiento externos.Por ejemplo, se reemplaza elvalordeunpxelporunpromediadodesuscuatropxelesvecinosmscercanos[Potet,1987].Tcnicasdepromediadode la sealpueden tambinutilizarsepara reducirel ruidode lasimgenes si lasmismas no varan demasiado rpidamente con el tiempo. Lasfuncionessustractivastantoeneldominioespacialcomoeneltemporaleliminanpatrones de no uniformidades de las fuentes de calor, de emisividadessuperficiales o variaciones de temperatura no relacionadas con anomalas(efectosconvectivosoconductivos).Teniendolamedidadetemperaturalomsfiable,precisa y exacta posible, laacertadas.

1.5 Estructura del dLapresentememoriasedtabla:

CParte 1 C

CParte 2

CParte 3 C

CA

A

A

A

Parte 4

MEMORIA DE LA TESIS

Parte 5 S

La primera parteIntroduccin(captulo1)2)dondesedescribe la trecientes en aspectos taldesarrollossoftwareylasa

La segunda partecomparativa de sistemaDetectabilidaddedefectosdeteccin y evaluacin

DANIEL s tareas de anlisis cuantitativo resultan ms precisas y

ocumento ivideencincopartes,comoseapreciaen lasiguiente

Tabla 1-1. Estructura del documento de tesis.

aptulo 1 Introduccin aptulo 2 Estado del arte de la termografa infrarroja

aptulo 3 Detectabilidad de defectos subsuperficiales en sistemas de termografa activa con escasa digitalizacin

aptulo 4 Automatizacin del procesado de imgenes aptulo 5 Conclusiones y lneas futuras aptulo 6 Bibliografa nexo A Principios fundamentales de la Fsica del calor

Conocimientos y tcnicas claves en nexo B termografa infrarroja

nexo C Aplicaciones industriales de la termografa infrarroja

nexo D Tcnicas de procesado de imgenes en secuencias termogrficas Anexo E Algoritmos de deteccin de patrones lineales Anexo F Equipamiento utilizado ummary Summary

comprende los preliminares de la obra con layEstadodelartede latermografa infrarroja(captulocnicayserealizaunrepasode lascontribucionesmses como la actualidad de los sistemas hardware, losplicacionesadhoc.

engloba las contribuciones ms destacadas con unas de termografa activa pulsada en trminos desubsuperficiales(captulo3)ylaAutomatizacindelade defectos internos (captulo 4) donde se procura

AQUILINO GONZLEZ FERNNDEZ TESIS DOCTORAL -12-


automatizar los procesos de decisin en cuanto a la presencia de defectossubsuperficialesendistintosmateriales.

La tercera parte rene lasConclusiones finales, se apunta a las LneasabiertasyseestablecenlosFuturostrabajosaseguir,frutodeestosestudios.

La cuarta parte est constituida por las referencias bibliogrficas y losanexos. Los anexos, seis, recogen otros aspectos de inters tiles en lacomprensindelaobra,caractersticastcnicasdelosequipamientosempleadosyalgortmicasusadas.

Laquintaparterefiereunresumenamplioen inglspara laconsecucindelamencindeDoctoradoEuropeoalaqueaspiraelautor.

Adems, para finalizar se indican ciertas consideraciones preliminaresqueafectanalapresentacindeestedocumento:

Laterminologausadaparaidentificarlasanomalasquesedetectanenlainspeccin trmica puede ocasionar indeterminaciones. La deteccin ylocalizacindediscontinuidadesen la transferenciadecalor tienecomoorigen anomalas que pueden ser provocadas o no y que puedenconsiderarseonodefectos.Sedetectanexactamentede lamisma formalas perforaciones, inclusiones de materiales, desencolados ydiscontinuidades de materiales quedando relacionados al trminodefectossiresultanperjudicialesonodeseados.

Parafacilitarelseguimientodelalectura,lasreferenciasbibliogrficasseincluyenorganizadasporcaptulosuordenadasalfabticamenteyenelformato [primerapellidodelprimerautor,aodepublicacin].Enelcasodecoincidenciadereferencias,seasignan letrasal finalde lasmismasparadiferenciarlas.Enlasreferenciaspropiasdelautor,ladistincinserealizamencionando el lugar de publicacin de la contribucin bien con elacrnimodelcongresobienconelidentificadordelarevista.

Enelltimodeloscaptulossemuestraunlistadodelascontribucionesalas que ha dado lugar este trabajo ordenadas porcolaboraciones/proyectosenlosquesehaparticipado.


Captulo 2 Estado del arte de la termografa

infrarroja

La medida distribuida de la temperatura y su distribucin en el tiempopermite deducir la distribucin del calor y sus flujos.A travs de ello, sincontacto,de formano invasivaynodestructiva, sepuedenpredecirestadosdel material o de su estructura. Para que la inspeccin trmica provearesultados tiles se han de lograr diferencias de temperatura (contrastestrmicos) entre el rasgo de inters y su entorno, mediante un equipo demedidaapropiadoyconocimientoparainterpretaryanalizaradecuadamentelosresultados.

Enestecaptulosemuestran las tendenciasenestecampoa travsdeunanlisisdepublicacionesquerecogenlasltimascontribucionescientficasycatlogosdeproductoscomercialesactualmenteenelmercado.Delamismaforma,se revisaelestadodelconocimientoyde la tcnicade la termografainfrarrojaconel findedetectarcarenciasquesugieran la formulacinde losobjetivos a perseguir con este trabajo doctoral. Los resultados mssignificativos,quese recogernen loscaptulossiguientes,handado lugaralas contribuciones que se incorporan al estado del arte de la termografainfrarroja.


2 Estado del arte de la termografa infrarroja Latemperaturaesunparmetroclaveenprocesosdefabricacin,enevaluacinde materiales y dispositivos, entre otros. Su medida de forma remota (sincontacto)evitalaalteracindelobjetodemedida,delambientequelorodeaodelvalor de la medida. La consecucin de imgenes trmicas posibilita laobservacin bidimensional de los mecanismos de transferencia de calorotorgandomayorcantidadde informacin,encomparacincon las tcnicasdemedid un re conoc (TI)se ensay (UT), Penet Fugas conoc

propi

T

Ven

Inco

2.1 Lamecompanlisameramentepuntuales.Elhechodeaadirlaposibilidaddeunanlisisygistro temporal de esas imgenes, conduce a un mayor control yimientode losprocesosbajo inspeccin.Porello, la termografa infrarrojaposicionacomounaalternativaseria, fiableyprecisaaotras tcnicasdeosnodestructivos(END)comolaRadiologaIndustrial(RX),UltrasonidosCorrientes Inducidas (PE), Partculas Magnticas (PM), Lquidos

rantes(LP), InspeccinVisual (IV),EmisionesAcsticas (EA)oEnsayode (PF) [ASNT,2001].EnelanexoBserecogenunaspinceladassobre losimientosytcnicasclavesenTI.

Cada tcnica END tiene sus propias ventajas e inconvenientes. Lasasdelatermografainfrarrojaseresumenenlasiguientetabla:

abla 2-1. Cuadro resumen de las ventajas e inconvenientes ms representativos en el uso de la termografa infrarroja como ensayo no destructivo. tajas

Rapidezenlainspeccin Sincontacto Seguridad(noinvolucraradiacionesdainas) Resultados relativamente fciles de interpretar

(formatoimagen) Amplio rango de aplicaciones, posee nichos de

aplicacinexclusivos

nvenientes

Dificultad de uniformidad de excitaciones enalgunasmedidas(termografaactiva)

Efectos de mecanismos de transferencia de calormuyvariados(conveccin,radiacinyconduccin)

Capacidad limitada de la deteccin de defectossubsuperficiales

Disponibilidad para inspeccionar especmenes deciertoespesor

Problemasdeemisividad

Situacin y tendencias joraysofisticacindelascmarasdeinfrarrojo,elincrementodelpoderdeutacinylamejoradelsoftware(algoritmos,modelados)involucradoenelisdelassecuenciastermogrficasanimanalabsquedadenuevosnichos



deaplicacindelatermografayaunasustancialmejoradelosresultadosenlasaplicacionesya conocidas.Nohaymsqueobservarelaugede conferenciasypublicacionesquetratanestostpicosyreflexionarsobrelascomunicacionesqueenestosmediosaparecen.

ConferenciasinternacionalescomoThermosenseenAmrica(anual,enelao2006hacelebradosuXXVIIIencuentro internacional)yQIRT (QuantitativeInfrared Thermography, conferencia bianual que celebra durante el 2006 suoctavaedicin)enEuropa,sonespecficasen losusoscientficos, industrialesygenerales de la medida de temperatura y la obtencin de imagen medianteinfrarrojos. Conferencias igualmente internacionales pero con sentido msamplio al ser enfocadas hacia los ensayos no destructivos (END) y donde lainspeccin trmica tiene una clara continuidad son:NDTConference (AnnualBritishConferenceonNonDestructiveTestingqueduranteel2006celebrasu45encuentroanual)ylaECNDT(EuropeanConferenceonNonDestructiveTestingcadacuatroaosalcanzandosunovenaedicinen2006)enEuropayla,tambincadacuatroaos,conferenciamundialWCNDT (WorldConferenceonNDTensu sptima edicin en el 2004). Tambin existen grupos de trabajo como elAdvances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials(IWASPNDE) cada cuatro aos enQubec, Canad, (en su quinta edicin en2005),yelAdvanced InfraredTechnologyandApplications (AITA)bianualenItalia(ensuoctavaedicinen2005).Todosestosencuentrossonejemplosclarosdelarelevanciaydifusinadquiridaporlatermografainfrarrojaenelmundo.

Publicaciones avaladas por las distintas asociaciones (ASNTMaterialsEvaluation,BINDTInsight,QIRTQirt Journal, IEEE,SPIE,),aquellaspropiasdel campo de la caracterizacin de materiales (Research NondestructiveEvaluation,NDT&EInternacional,entreotras),yalgunaspropiasde lapticaode la fsica aplicada (Infrared Physics and Technology, Optical Engineering,AdvancePhysics,Optics andLaserTechnologies,...)presentan en susnmeroslos avancesde una tcnica conmarcado carcter experimental y abarcando eldesarrollo de dispositivos, los ensayos no destructivos, la metrologa, labiomedicina,aplicacionesambientales,laingenieracivil,elmodeladotrmico,

Kurt Ammer realiza anualmente un escrutinio de la literatura endiferentes publicaciones que contiene alguna de las siguientes palabras:thermography, thermometry, temperaturemeasurements o thermology[Ammer,20032006].Utilizaparaellodiversasbasesdedatos(Embase,Medline,Science Direct, HighWire,) y, como resultado, destaca que la palabrathermography(consusvariantesinfrared imagingythermal imaging)eslaquemsvecesaparecereferenciada.


CAPTULO 2. ESTADO DEL ARTE DE LA TERMOGRAFA INFRARROJA


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1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

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enci

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SCOPUS COMPENDEX INSPEC

Figura 2-1. Aparicin de los trminos thermograph*, thermal imaging o infrared testing en distintas bases de datos de recursos bibliogrficos, organizadas por aos.

Enbasesdedatosmuchomscompletas,Scopus13,InspecyCompendex14sepuedeobservar laevolucindelnmerodevecesqueaparecen los trminosthermograph*,thermalimagingoinfraredtesting.LaFigura21recogeelnmero de incidencias, organizadas por aos, observando claramente unatendencia alcista en cuanto a las publicaciones en las que aparece, en ladescripcin de la referencia bibliogrfica, alguno de los trminos previamentecomentados.

Resulta a su vez interesante el grfico recogido en la Figura 22 yoriginadotraslaconsultadelasbasesInspecyCompendex.Enlserepresentalacontribucinporpasesa lasmuestrasde laspublicacionesanteriores.Sindudaalguna, Estados Unidos de Amrica (USA) aparece como el pas que mscontribucionesaestecampoestaportandodesde1969conun30.4%deltotalde7304publicaciones.El segundopas es elReinoUnido conun11.6% siendo elterceroyelcuartoChinayAlemaniaconun4.4%yun4.1%, respectivamente.Estoscuatropasesrepresentanmsdel50%delaspublicacionesenestecampo.Espaaseencuentraenundiscreto21er lugarrepresentandounaportedel0.5%detrs de pases como Grecia, Blgica, Holanda y Suecia con mucha menorpoblacinyquetambinformanpartedelaUninEuropea.

13 Scopus es una novedosa herramienta de navegacin que engloba la mayor coleccin de resmenes, referencias e ndices de literatura cientfica, tcnica y mdica (CTM) a nivel mundial y con referencias citadas de ms de 14.000 publicaciones procedentes de ms de 4.000 editores internacionales desde el ao 1966. Las bsquedas se realizan simultneamente en la base de datos Scopus y en el motor de bsqueda de informacin cientfica en Internet Scirus. http://www.scopus.com/scopus/home.url 14 Inspec y Compendex son bases de datos bibliogrficas en lnea, producidas por Engineering Information, con informacin cientfica y tecnolgica de todas las ramas de la Ingeniera: civil, industrial, mecnica, qumica, ambiental, minera, metalrgica, energtica, de materiales, naval, nuclear, informtica. Contienen ms de 8 millones de referencias y resmenes de artculos de 5.000 revistas especializadas, conferencias e informes tcnicos. Disponible desde 1969. http://www.engineeringvillage2.org


2220845322

299281

231185170

159134

128746255

5345424138

3636

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N publicaciones

USAUK

ChinaAlemania

JapnFrancia

ItaliaCanada

RusiaIsrael

PoloniaIndia

SuizaCorea

SueciaTaiwan

HolandaAustralia

BlgicaGrecia

Espaa

Figura 2-2. Contribuciones por pases que aparecen recogidas en las bases de datos Inspec y Compendex desde 1969 y que contienen alguno de los siguientes trminos: thermograph*, thermal imaging o infrared testing. Se observa un claro predominio del mundo anglosajn en este campo de la ciencia. Espaa aporta un 0.5%, contribucin sensiblemente inferior a la de otros de pases de su entorno.

Realizandolaconsultaporeditores,sedestacancuatrograndesentidadesque auspiciandiferentespublicaciones: elAmerican Institute ofPhysics (AIP),TheInternationalSocietyforOpticalEngineering(SPIE),laeditorialElsevieryelInstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Valindose de losdistintosaccesosonlinequepermitenconsultareltextocompletodecadaunadeellas15,serealizaunacomparativaentrelosdistintoseditoresdelaspublicacionesenlosltimoscincoaos(periodoenerode2000juniode2006).EnlaFigura23seobservaque la tendencia es similar (hayque tener en cuentaque el tiempoinvertido por cada editorial en el proceso de revisin de pares vara de unaspublicaciones a otras) y que Elsevier ha logrado una primaca en los ltimosaos, anteriormente ostentada por el SPIE. Esto se debe al incremento delnmerodepublicacionesdeestaeditorial,laagilizacindelosprocesosdeenvo,correccin y aceptacin (la mayor parte hacen uso de tecnologas web) y lagratuidaddemuchosdesuscontenidos.

Enunintentodeclasificarlascontribucionesqueaparecenenlosdistintosmedios, se toma como referencia la subdivisin en sesiones quepresentan loscongresos ms especficos. Igualmente, la rapidez de publicacin yreconocimientocientficodeloscongresoshacequeseanunabuenamuestradelestadodelarte.As,enbasea loprogramadoen los congresosThermosenseyQIRT, se muestra a continuacin la Figura 24, que refleja el nmero deponenciasyposterspresentadosencadasesindelosltimosencuentros.

15 AIP: http://scitation.aip.org/;SPIE: http://spiedl.org/; Elsevier: http://www.sciencedirect.com/; IEEE: http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/guesthome.jsp



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as

Elsevier AIP SPIE IEEE

Figura 2-3. Contribuciones en los ltimos cinco aos en el campo de la termografa e inspeccin trmica recogidas por cada editor de entre los cuatro seleccionados, esto es, el American Institute of Physics (AIP), The International Society for Optical Engineering (SPIE), la editorial Elsevier y el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). La consulta en la base de datos del IEEE slo ha sido posible realizarla hasta mediados de 2005.

Sobre una muestra de 377 artculos, se observa que los ensayos nodestructivosenglobanelmayornmerodeellossiendoseguidosporelreadelamecnicadeslidosyfluidos.Lassesionesdeensayosnodestructivosabarcanlaevaluacinde especmenes (principalmente compuestos reforzadosde fibradecarbono,CFRP,degranuso en industrias como la aeroespacial), el estudiodedaosporimpactos,fugasdegasesolquidoseinspeccionesvarias,comoelcasode los transbordadores espaciales16. Las contribuciones en la fsica mecnicaincluyen estudios de propiedades termofsicas,modelados del flujo de calor,semiconductores, combustiny llama resultandoel congresoQIRTelprincipalagru

relev desa aplic gene repr infra cien hum

16 Tra Colum la int inves primeEl CA exter carbo fricci

padordeestaspublicaciones.

El campo de la radiometra y la metrologa sigue siendo de especialancia atendiendo a la calibracin de equipos, estudios de emisividades,rrollo de nuevas fuentes de calibracin, El control de procesos yaciones industriales en las ramas de desarrollo de automviles, de laracin de electricidad, deformacin enmquinas, hornos, alimentacin,esenta el 11% de todas las muestras. La evaluacin de materiales eestructuraspropiasde la ingenieracivil continaaportandoconocimientotfico como se observa en las diferentes sesiones, siendo el control de laedadydelascaractersticasdelcementolospilaresdetalrea.

s el desastre del transbordador espacial Columbia en su ltima misin en febrero de 2003, elbia Accident Investigation Borrad (CAIB) hizo una serie de recomendaciones a NASA con

encin de prevenir en el futuro accidentes similares. La primera de las recomendaciones es latigacin de mtodos que certifiquen la integridad de los materiales siendo la termografa elro de los mtodos de ensayos no destructivos seleccionados por la NASA. IB concluy que una pieza de espuma aislante se desprendi, en el despegue, del tanque

no de combustible y golpe el ala izquierda del transbordador causando daos en un panel deno reforzado (reinforced carbon-carbon, RCC). Esto hizo que el aire, sobrecalentado por lan, fundiera la estructura de aluminio del ala y as el Columbia acabara desintegrndose. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA (2006) -21-


Figura 2-4. Porcentaje de las contribuciones distribuidas por materias como resumen de las ltimas conferencias especficas (Thermosense 2004, 2005 y 2006 y OIRT 2004 y 2005). Se observa que el mayor nmero de publicaciones hace referencia al uso de la termografa infrarroja para ensayos no destructivos.

Destacar que en el 2004, las aplicaciones de la inspeccin trmica a ladeteccinde lagripeaviar (SARS)hicieronqueelcampobiomdicoenestasconferencias acumulara un gran nmero de contribuciones (en Thermosense2004, se tuvierondos sesiones especiales en relacin con esta enfermedad quecaus muertes en todo el mundo). El estudio con termografa de tejidoshumanos,deteccindecncerdemamaylosefectosdelaacupunturapresentanavancescualitativosycuantitativosenelcampodelamedicina.

El procesado de imagen mantiene su importancia al recogercontribucionesquepuedenseraplicadasatodas lasdemsfacetasquetenemosen consideracin. Nuevos procesados para el anlisis cuantitativo de lassecuenciastermogrficasyun interspor lastcnicasdereduccinde losdatosparasumejortratamientoyalmacenamiento,acaparanesteapartado.Tambinsehadetectado,aunqueenmenormedidaconun4%delamuestra,laaplicacindela termografa infrarroja a nichos tan especficos como el arte (restauracin ydiagnstico de pinturas, esculturas y monumentos) o el medioambiente(agricultura, incendios forestales,). Finalmente, el resto de los artculosrevisados se agrupan en un nico apartado (otros) que recoge, entre otras,aplicaciones especficas como la EMIR (medida de patrones de radiacin deantenas),sistemasdevigilanciaodeinspeccintrmica.

2.1.1 Hardware

Existe una gran variedad de dispositivos relacionados con la termografainfrarrojaquehanencontradosudesarrollocomercialenlosltimosaos.SiendounatecnologaeminentementemilitarafinalesdelsigloXX,sehaconvertidoenla actualidad en una herramienta de uso comn en multitud de actividadesciviles.

Sehandiseadonuevossistemasdecapturadeimgenessiendocadavezmspequeos,mscompactosyligeros,demayoresvelocidades,sinolvidarunasustancialreduccindesuprecio.Secomercializantecnologasqueproporcionansensoressinnecesidaddeenfriamiento,logrando,adems,matricesdedetectores




demayor tamao,menor ruido,mejorando la resolucin espacial (utilizandonuevos sistemas de lentes) y, adicionalmente, ofreciendo los datos detemperaturadigitalizados.

Antesde estos avances, la cmarade infrarrojos bsica consista enundetectorconunsistemaelectromecnicodebarridodeelevadoruidoylimitadorendimiento. En la actualidad existe una amplia variedad de detectores(cunticos, bolmetros, etc) con interfaces digitales de 14 bits, bajo nivel deruido(menorde20mK),tamaosdeimagende640x382pxeles,yfrecuenciasdemuestreo de hasta decenas de KHz. Las figuras de mrito utilizadas en sucomparacinhancambiadocomoconsecuenciade laevolucinde losmtodosde caracterizacin y lamejora tecnolgica en los respectivos parmetros. Losparmetrosactualmenteaceptadosson:laresponsividad,lapotenciaequivalentede ruido (NEP), la detectividad normalizada, la diferencia de temperaturaequivalente al ruido (NETD), la mnima diferencia de temperatura resoluble(MRTD)y larespuestaen tiempo.Otras,menosusadas,son: la linealidadde larespuesta,elacoploentreelementosdeldetector,elrangodinmicoylafuncintransferenciademodulacin(MTF)[Datskos,2003].EnelAnexoFseencuentraunabreve introduccindescriptivade algunosmodelosde cmarasusadas eninspeccionestermogrficas.

Paraelusoentermografaactiva,tambinexisteunaevolucinnaturalenlossistemasdeexcitacinmejorndose,coneltiempo,laenergaylacalidaddelos pulsos de luz obtenidos con los flashes17, aumentando la variedad defrecuencias generadas con ultrasonidos y creando lseres sintonizables enlongitudesdeondamsacordesconlasnecesidades(infrarrojocercano).

Finalmente,lacapacidaddecomputacinaumentadeformaexponencialpermitiendo el almacenamiento de un mayor nmero de secuenciastermogrficas, el aumento de la velocidad de adquisicin de lasmismas y elprocesadomseficienteyrpidodealgoritmoscadavezmscomplejos.

2.1.2 Software

El software utilizado en termografa infrarroja agrupa un gran nmero defuncionesdefinidasparaelanlisisydiagnsticodelasimgenes,lagrabacin,elalmacenamiento y la recuperacin de las secuencias termogrficas, lacomparacin de imgenes y su catalogacin y, en la actualidad, las funcionespropiasdelanlisiscuantitativodelasmedidastrmicas18.

El procesadoms bsico incluye rutinas para restar las evoluciones deciertospxelesatodalaimagen(muytilsielpxelencuestincorrespondeconuna zona libre de defectos, contrastes trmicos). El uso de transformadasaplicadasatoda lasecuenciadedatosrequierede losalgoritmosmseficientesque,enconjuncinconelhardwaredecomputacin,ofrezcanlosresultadosdel

17 Consultar catlogos de fabricantes y representantes, por ejemplo Cromalite S.L: www.cromalite.com 18 Suele incluir lecturas de la temperatura en un punto, creacin de perfiles X e Y, diferentes paletas de colores, desplazamiento y rotacin de imgenes, magnificacin, anlisis de rea con histogramas, promediado de imgenes, filtrados y grabacin en distintos formatos.


anlisisdelaformamsclarayrpidaposible.Nosedebeolvidarquesetrabajacon tratamiento de imgenes, por lo que el procesado se ve fuertementeimplicadoporlostamaosdeimagenutilizadoshaciendonecesarialainclusinde tcnicasde reduccindedatosbienpara laoperacin con losmismosbienpara su almacenamiento.As sehablade secuencias termogrficas sintetizadas[Shepard,2001]odedescomposicionesdeimgenesencomponentesprincipales(PCT,principalcomponentthermography)[Rajic,2002].

Paraoptimizar laefectividaddelsoftware,eloperadordeunsistemadetermografainfrarrojadebeestarfamiliarizadoconlastcnicasdetratamientodeimagen bsicas. Una vez que la seal infrarroja ha sido preprocesada ytransformadaentemperaturaporelsoftwareincluidonormalmenteenelsistemadecaptura,serealizaaposterioriuntratamientodeimgenes,bienseaparafinesdedeteccindedefectos internosobienparasucaracterizacin (determinacindepropiedadestrmicas,tamaoyprofundidad).Esteprocesadopuedesertansencillo como realizar el contraste absoluto [Maldague, 2001] de los valorestemporales de temperatura entre dos zonas, asegurando que una de ellas sealibre de defectos (soundarea)19.Una vez detectados los defectos, es igualmenteposible estimar la forma y el tamao de losmismos tras la aplicacin de unalgoritmodeextraccindebordeso segmentacin,p.ej.Sobel,Roberts,Canny,etc.

Finalmente,medianteelusodemtodosdeinversindelaprofundidad,se puede establecer la profundidad de los defectos haciendo uso tanto de losdatos en el dominio temporal como en el frecuencial, si aplicamos laTransformadadeFourierdiscreta(TFD).Eneldominiodeltiempo,lamayoradeestastcnicasrequierendeunaetapadecalibracinapartirdelacual,losdatosexperimentalespuedensersometidosaunprocesoderegresinconunarelacinemprica [Ibarra, 2005]. En el dominio frecuencial, losmtodos de inversin,tantoentermografa lockin[Meola,2004]comoentermografapulsadadefase[Ibarra, 2004], se basan en una relacin directa entre la profundidad z y ladifusividadtrmica[Ibarra,2005].

Cualquier software evolucionar por tanto incluyendo cada vezms yms funciones que permitan simplificar, tratar y analizar las secuencias determogramas.Igualmenteincluirfuncionespropiasdelprocesadodeimagenascomo funciones explcitas de uso exclusivo en termografa. Cada fabricanteintegra su propio software en los sistemas termogrficos, al menos con lasfunciones ms comunes relegando las ms explcitas a las propias de cadausuario.ComoejemplosdesoftwarepropietariosedisponedeMOSAIQTM,quepuede ser implementado en los sistemas de inspeccin EchoTherm oThermoScopedeThermalWaveImaging,Inc.(TWI),elMPS5.0delascmarasThermosensorik,elsoftwareThermaCamdeFlirSystemsoelThermoGRAMdeThermoteknix Systems Ltd. Como ejemplo de otro software, desarrolladoexplcitamente por laboratorios para uso genrico, se tiene ThermoFit o 19 La identificacin de esta zona suele ser una tarea poco factible adems de que su eleccin puede condicionar los resultados, haciendo interesante la idea de evitar la identificacin de la soundarea mediante procesado. Esto se consigue con el conocimiento a priori de la transferencia del calor en el material y de la excitacin que se realice.




ThermoBuild20.Finalmente,tambinsedisponedecdigolibrecreadoenMatlabcomoIrViewcreadoporMatthieuKleinydescargabledesdesupginaweb21.

Apesardetodoestedesarrollosoftware,lainspeccinvisualporpartedeunoperadorsiguesiendo laformamscomnmenteadoptadapara ladecisinfinalenladeteccindedefectos.Diferentesorganizacionesalrededordelmundootorgan certificaciones de personal (inspector termogrfico nivel I, II y III)[ASNT,2001].Laautomatizacindecualquierpartedelprocesoevitaenmayoromenor medida la incertidumbre propia de la subjetividad humana,considerndoseunxitoencasodesimplificary,alavez,ejecutarcorrectamenteelprocesodedecisin.

2.2 Problemticas detectadas De la revisin del estado del arte se desprenden problemticas que acontinuacinsondetalladas.

2.2.1 Efecto de la digitalizacin en las seales termogrficas

La digitalizacin de las imgenes en una cmara termogrfica producelimitaciones en lamedidade la temperatura.Una sealde vdeo analgica esdigitalizadadedosformasconunacapturadoradigital:conunmuestreoespacialyconunaconversinanalgicodigital,convirtiendovaloresdevoltajeaunniveldigitaldeunaescaladegrises.

La frecuenciademuestreodeterminaelnmerodepxelesobtenidosencada lnea horizontal. Como mximo, debiera coincidir con la resolucinhorizontal de la cmara pero, an as, probablemente, se produzca unadegradacindelasealdelpxelalnosolaparseperfectamenteconloselementosoriginales que compongan el detector. Por otro lado, la conversin analgicodigital tieneunaresolucindebitporcanalquesueleestarcomprendidaentrelos8y los14bits.Porejemplo,con8bitssepuedenobtener256nivelesenunaescalamonocromticamientras que podran obtenersems de 16millones decolores si ladigitalizacinde8bits se realiza sobre los tres canales cromticos(rojo,verdeyazul).

El efecto de la digitalizacin no slo tiene razn de ser por el uso decmaras con salidadevideo analgica.Las cmaras infrarrojas analgicashanquedadoanticuadas.Sobreladcadadelosochentaapareciotratecnologaquerevolucion el mundo de la medida de temperatura sin contacto. Sedesarrollaronlossensoresdeefectotrmicootambinllamadosmicrobolmetros.

20 Diseados por el IR Thermography Laboratory de Tomsk Polytechnic University, Rusia. ThermoBuild procesa imgenes infrarrojas en termografa de edificacin (programa diseado slo para MatLabTM 6.5 y cmaras ThermaCAMTM IR) obtenindose imgenes de resistencia trmica de paredes, imgenes de prdidas de calor, ThermoFit es un software avanzado de procesado de secuencias termogrficas que incluye la transformacin de Fourier, algoritmos de interpolacin, anlisis derivativo, caracterizacin de defectos, tomografa trmica y tratamientos estadsticos. Est especialmente indicado para el procesado de secuencias de termografa pulsada reconociendo los formatos tpicos de imgenes capturadas y tratando los datos tanto en amplitud como en el dominio temporal y de frecuencia (fase). 21 http://m-klein.com


Tabla 2-2. Resolucin trmica para un rango dinmico de 200C en funcin del nmero de bits utilizados en la digitalizacin de las seales.

Nmero de bits Nmero de niveles Resolucin Trmica 8 256 0,78125 9 512 0,390625

10 1024 0,1953125 11 2048 0,09765625 12 4096 0,04882813 13 8192 0,02441406 14 16384 0,01220703 15 32768 0,00610352 16 65536 0,00305176

stos utilizan el efecto trmico de la radiacin infrarroja para variar lascondiciones elctricas de una microresistencia, compuesta por un materialsemiconductor,yasobtenerunasealproporcionala lapotenciadel infrarrojorecibidoqueesconvertidaaformatodigitalenelpropiosensor.Estatecnologanonecesitaningntipoderefrigeracinyportantoreducedemaneraasombrosaeltamaoyelpesodelossistemastermogrficos.Sinembargo,debidoaserunatecnologa en desarrollo, laminiaturizacin de cmaras conmicrobolmetros,quesalia la luzen2003,hacaque lasalidadigitaldealgunasde lascmarasfuerade8bitsanenel2004.Hoyenda,setienencasilasmismasprestacionesen cmaras de tamao normal que en cmaras miniatura, con resolucionestrmicasde14bits.

Ladigitalizacinestdirectamenterelacionadaconelrangodinmicodetemperaturasque el sistema es capazdemedir.Ladiferenciade temperaturasentreelfondodelaimagenyelobjetivoes,porlogeneral,loquemarcaelrangodinmico, el margen entre la mxima y mnima temperaturas de la escena.Dependiendodeesosvalores,elnmerodenivelesotorgadosenladigitalizacinestablece la mxima resolucin trmica que puede alcanzarse, como puedeobservarseenlaTabla22.

Suponiendoqueelmximorangodetemperaturasamediresde200Cyseusaundigitalizadorde8bits,laresolucintrmicaresultaraserde200C/256= 0.78C.Modificando la ganancia de los amplificadores de los detectores sepuedesensibilizarelsistemademedidaasealesmsdbilesaumentando,portanto eseobtie sdeentra estaresol DT).Cuan debitd 1C,noex, laresolucintrmica.Si lagananciafuera incrementada,deformaquneelmismorangodetensionesdesalidaparaunrangodetemperaturadade100C, laresolucin trmicasera0.39C.Hayquedestacarqueucintrmicapuedesermsrestrictivaquelasensibilidadtrmica(NEdoelNEDTes la limitacin trmica,un incrementode laprofundidadelosdatosnoaportamsinformacin.PorejemplosielNEDTesde0.isteraznaparenteparautilizarmsde11bitsenladigitalizacin.DANIEL AQUILINO GONZLEZ FERNNDEZ TESIS DOCTORAL -26-



V 1

V 2 blanco

negro

T3

T2

T1

Vol

taje

rela

tivo

Temperatura relativa

Ganancia baja; nivel bajo

Ganancia alta; nivel alto

Figura 2-5. Variaciones de la ganancia y del nivel del offset en detectores. El rango dinmico es T2 T1 o T3 T1 segn el

conjunto de valores establecidos para la ganancia y el nivel.

Vistodeotramanera,conunsistemade8bits,cambiarconstantementelagananciayelnivelparapoderexpandirelrangodinmicodemedidaconllevaunaprdidaderesolucintrmica.Enalgunoscasos,lascmarasestnprovistasdeun controlautomticodegananciaydelniveldeoffset (nivelqueajusta latemperaturamnimaenelrango).Laseleccindelagananciayelniveldeoffseten el detector limitan as el rango dinmico de lamedida pero, el ruido, queequivale a un nmero concreto de niveles digitales, tambin semodifica. LaFigura25ilustradosejemploscondiferentegananciayniveldeoffset.

ElrangodinmicodeentradaesT2T1produciendounasalidaentreV2yV1.Paraelsegundoconjuntodevaloresdegananciaynivel,lamismasalidaseraproducidaconunrangodinmicoT3T1.EnamboscasoselvaloraltodesalidaV2corresponderaalcolorblancomientrasqueelvalorbajoV1loharaalnegroen una escala monocromtica. Esta diferencia de tensiones sera digitalizadacorrespondiendo el ruidodel sistema aunniveldigitaldeterminadodiferenteparacadaconjuntodevaloresdegananciaynivel.

Conocidoelequivalentedelruidoennivelesdigitales,seobtieneelrangodinmicocapazdemedirse:

=

NEDT

cindigitalizabitsnmero

nivelesnmeroNEDTdinmicoRango 2 ec. 2.1

Por ejemplo, considerando que una medida del NEDT precisa de unsistema es de 0.1C y que equivale a 4 niveles digitales, con un sistema dedigitalizacin de 8 bits el rango dinmico es de 6.4C. Sin embargo, con unsistemade16bits,elrangodinmicoserade1638C.

Se observa que, segn se incrementa el nmero de bits en ladigitalizacin, el rango dinmico de medida se ampla y que la resolucintrmicaseincrementa.Igualmente,utilizandounnmerodebitsreducidopuedeinducirseunalimitacinenlaresolucintrmicadelsistema,condicinquepodrasermsrestrictivaquelasensibilidadtrmica.


2.2.2 Automatizacin del procesado de imgenes

Anconeldesarrollosoftware,laintervencindeunoperadorsiguesiendomuynecesariayunafuentedeincertidumbres.Enestesentido,seconsideraunxitoelautomatizarcualquierpartedelproceso.

Como sedesprendede la lecturadel anexoD,diferentesproblemticasdebenserresueltasparaobtenerunaautomatizacinenelprocesodedeteccinde defectos en una secuencia termogrfica. En dicho anexo se clasifican losprocedimientosdetratamientodelassecuenciastermogrficasenpreprocesado,procesado y postprocesado segn se refieran a un acondicionamiento, unmodelado directo o la extraccin de informacin de la secuencia,respectivamente.

En el caso de las tcnicas empleadas para el acondicionamiento de lasecuencia (regeneracindepxelesdefectuosos (badpixels), correccinde ruidoaleatorio,correccindePatronesFijosdeRuido (FPN),correccindelencuadre(vignetting),calibracinentemperaturayfiltradodeseales),laautomatizacinesprovista con elusodematricesque corrigen elvalorde cadapxel en cadaimagen mediante factores que engloban todo lo anterior en un proceso denormalizacin y calibracin. Es posible estimar la forma y el tamao de undefecto (postprocesado) al examinar un termograma o fasegrama, tras laaplicacindeunalgoritmodeextraccindebordes,p.ej.Sobel,Roberts,Canny,etc y el uso del concepto de detectabilidad. Para ello, se implementan funcionespropiasdetratamientodeimagendelasquedisponennumerosasaplicaciones.

Los procesados presentados requieren una obligatoria intervencinhumana para la exitosa inspeccin y evaluacin de losmateriales.A grandesrasgos, los mtodos de contraste trmico [Maldague, 2001] presentan laimperiosanecesidadde laeleccindeunrea librededefectos,soundarea,paracompararlasevolucionesyestablecerlospertinentescontrastes.Elmtododelanormalizacin [Zalameda, 2003] requiere la seleccin de la secuencia determogramassobrelaquerealizarlaoperacinquedanombreaestemtodo.Latermografapulsadadefase(pulsedphasethermography,PPT)[Maldague,1996][Ibarra,2005]necesitadeunaoptimizacinde laresolucin frecuencialapartirdel correcto muestreado y truncamiento de la secuencia. La termografa decomponentesprincipales(principalcomponentthermography,PCT)[Rajic,2002]descompone la evolucin de la temperatura superficial en funcin de unconjunto de matrices ortogonales de forma automatizada pero la referenciatemporal,indispensableparalaestimacindeprofundidadesdelosdefectos,sepierde.Elmtododeprimeraysegundaderivadas [Martin,2003]requierendeuna precisa sincronizacin entre la excitacin pulsada y la captura de lasdiferentes imgenes para no afectar al clculo de las derivadas. Losmtodosbasados enLaplace yWavelet [Ibarra, 2006], al igual que la PPT, necesitan elprevioyapropiadoestablecimientodelasescalastemporalesparapoderrealizarlacorrectatransformacin.

contribuciones a las técnicas no destructivas para evaluación y prueba de procesos y materiales...

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