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¿Qué son las ventanas infrarrojas?

Una Ventana Infrarroja (IR) es un dispositivo hecho de un material transmisivo a la Radiación Infrarroja (IR) utilizado para separar ambientes de condiciones diferentes en cuanto presiones, temperaturas, humedades, y contaminaciones, manteniendo dichos sistemas cerrados y protegidos, permitiendo que pase la energía radiante emitida por los objetos confinados y mediante el uso de cámaras termográficas poder detectar con seguridad para el termógrafo la condición de falla que puedan tener, permitiendo actualizar los programas de mantenimiento predictivo y preventivo para garantizar la confiabilidad y por sobre todo la seguridad de las personas en las inspecciones y de operación de los equipos.

Materiales de las ventanas IR y su Transmisividad

Existen varios tipos de materiales para utilizar en ventanas IR. La selección específica

El uso de ventanas infrarrojas (IR) en aplicaciones industriales ha crecido exponencialmente en los últimos cinco años. Mucha de la aceptación reciente ha coincidido con el aumento en el nivel de conciencia de seguridad eléctrica, y la reducción de riesgos. Organizaciones tales como la OSHA, NFPA, CSA, IEEE, ANSI y NETA han sido la vanguardia de este movimiento.

usualmente está orientada según la aplicación, las condiciones ambientales, temperatura, la longitud de onda y consideraciones de costos. Por ejemplo, si se requiere la utilización de una ventana para detectar altas temperaturas en un ambiente que supere los 200°C, que es una condición exigente, hay que ser cuidadosos para seleccionar el material adecuado, no solo por la resistencia del material propiamente tal, sino por la transmisividad que esta pueda presentar a a esa temperatura.

Es importante tener en cuenta también el ambiente en que va a trabajar la ventana, pues materiales diferentes pueden reaccionar de manera diferente a ambientes industriales húmedos, ácidos o alcalinos, e incluso se comportan de manera diferente a los esfuerzos mecánicos como los generados por vibraciones.

¿Importa la durabilidad?

El estrés mecánico puede causar daño en la mayoría de ópticos de cristal, o puede degradar la estructura cristalina, cual aumenta la refracción y reduce la transmisividad. El estrés puede ser causado por gotas de condensación, exposición a ruidos de frecuencias altas o armónicas, o hasta exposición a vibración ambiental. La incompatibilidad con el estrés mecánico

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es una de las razones principales por cual la mayoría de cristales no se consideran adecuados para aplicaciones industriales y ambientes no controlados.

Los diferentes materiales tiene también diferentes transmisividades y es necesario tener en cuenta que éstas no son constantes para todos los rangos de temperatura ni en todo el rango espectral IR donde se usan las cámaras termográficas, tanto en longitudes de onda media MW(3µ a 5µ) como en longitudes de onda larga LW(8µ a 15µ).

Aunque existen varios materiales en la naturaleza que tienen muy buena transmisividad en el rango de longitudes de onda IR, como el diamante y el Cloruro de Sodio (NaCl) entre otros, desde el punto de vista práctico y dependiendo de la aplicación, los materiales que se utilizan en la fabricación de ventanas infrarrojas y tienen buena transmisividad en el rango IR son los siguientes:

• Fluoruro de calcio (CaF2)• Zafiro (Al2O3)• Polímero IR

• Seleniuro de Zinc (ZnSe)• Germanio (Ge)• Fluoruro de Bario (BaF2) En la Tabla 1 podemos distinguir claramente las propiedades y desempeños de los diferentes materiales. El Germanio (Ge), que es de alto costo, es el material preferido para la construcción de lentes para cámaras termográficas por su robustez y excelentes características transmisivas en toda la banda espectral de las cámaras IR. Es de notar que el costo de la óptica de una cámara termográfica está alrededor del 45% del valor de la misma, en donde el lente principal es el componente óptico de más valor, su altísimo costo es la razón fundamental por lo que no se considera una opción para la fabricación de ventanas IR para aplicaciones industriales rutinarias.

Igualmente el Seleniuro de Zinc (ZnSe) es un material costoso y se utiliza para construir ventanas IR en casos muy especiales como en aplicaciones de altas temperaturas, o para carcasas de cámaras termográficas utilizadas para seguridad o monitoreo

en línea de procesos o de equipos a la intemperie como en subestaciones eléctricas de patio.

El fluoruro de Bario (BaF2) por ser un material tóxico es de uso prohibido ambientalmente.

Después de este breve análisis, para aplicaciones industriales en tableros eléctricos y equipo eléctrico en general por el factor costos de materiales nos queda para seleccionar el cristal de Fluoruro de Calcio (CaF2) y el Polímero IR. Para este último, existen dos tipos el opaco y transparente.

El Grafico1 muestra el comportamiento diferente que tienen las transmisividades de los diversos materiales a través del espectro de IR. Se debe notar que algunos materiales como el Zafiro (AL2O3) no serán adecuados para ser utilizados con una camera de longitud de onda larga LW (8µ a 15µ). Otros materiales como el Seleniuro de Zinc (ZnSe) y el Germanio (Ge) son adecuados para uso en MW y en LW, principalmente utilizados para lentes de cámaras termográficas y aplicaciones especiales.

Material

Fluoruro de calcio CaF2 0.13 - 10 55% 90% SI SI NO NO MedioSapphire AI2 03 0.15 - 5.5 0% 90% NO SI NO NO AltoIR Polymer N/A 0.15 - 22 68% 55% NO SI/NO NO SI BajoSapphire Ge 1.8 - 23 90% 90% NO NO NO NO AltoZinc Selenide ZnSe 0.5 - 22 90% 90% NO NO NO NO AltoBarium Fluoride BaF2 0.15 - 12.5 90% 90% SI SI NO NO Medio

SímboloQuímico

Longitud de onda

(µ)

Transmisividad (t) en longitud de

onda larga 9µ

Transmisividad (t) en longitud de

onda corta 4µ

Soluble enH20

Transmisivo en el visible

Clasificado contra arco

eléctrico

Cumple IEEE C.37.20.2

Sección A 3.6.

Costo

Calcium Fluoride CaF2 0.13 - 10 5% 158 YesSapphire AI2 03 0.15 - 5.5 14% 2000 NoIR Polymer N/A 0.1 - 22 21% N/A NoSapphire Ge 1.8 - 23 53% 780 NoZinc Selenide ZnSe 0.5 - 22 29% 120 NoBarium Fluoride BaF2 0.15 - 12.5 7% 82 Yes

Infrome Técnico

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Dada la variabilidad de transmisividades a través de diferentes longitudes de ondas, se necesita definir la taza de transmisión a una longitud de onda específica. Las investigaciones han mostrado que para Mantenimiento Predictivo (PdM) de equipo eléctrico y mecánico en general la mayoría de las fallas se encuentran longitudes de onda cerca de 9µm en la banda LW y cerca de 4µm en la banda MW.

Para las medidas de temperaturas precisas, es irrelevante si el coeficiente de la transmitancia de la ventana es 90%, 50% u otro valor. Lo que sí es importante es que el termógrafo conozca precisamente la taza de transmisividad para el rango de longitud de onda donde se pueden encontrar normalmente las fallas. Entonces, cuando el termógrafo digita el valor correcto de emisividad (ε), ajustado en la cámara o en el software, teniendo en cuenta la transmisividad de la ventana, el cálculo final de la temperatura será preciso y fiable. Sin embargo, si el termógrafo no conoce la transmisividad real, y no ajusta la emisividad en su cámara, los errores pueden ser significativos.

Una manera práctica y fácil de conocer la transmisividad de una ventana, es

precisamente aprovechar cuando se está instalando la ventana, o cuando se está haciendo mantenimiento al tablero eléctrico, utilizando un objeto caliente a una Temperatura promedio de las fallas esperada p.e. un recipiente con agua caliente, siguiendo los siguientes pasos:

• Tome un recipiente con agua caliente y coloque un material adhesivo de alta emisividad y conocida como un trozo de cinta aislante o un sticker de emisividad patronada.

• Introduzca a la cámara una emisividad ε=0,9

• Mida la temperatura del objeto sin ventana.• Coloque la ventana en frente de la cámara.

• Ajuste la emisividad de la cámara hasta lograr la temperatura inicial medida en el punto 3.

• Registre este valor logrado como la transmisividad efectiva de la ventana IR.

Las Ventanas de Cristal en retirada

Tradicionalmente, los Cristales de Fluor (Fluoruro de calcio: CaF2) y (Fluoruro de

bario: BaF2) eran los materiales usados comúnmente en materiales ópticos de ventanas infrarrojas. Sin embargo, cuando el Fluoruro de bario fue clasificado como un cancerígeno, CaF2 se convirtió en el preferido.

Como se muestra en la Tabla 1, ambos BaF2 y CaF2 son solubles al agua y además presentan propiedades higroscópicas (atraen la humedad). Mientras más humedad, más rápido se deteriora el cristal y su transmisión. Ha sido una práctica estándar el prolongar la vida de estos materiales cubriéndolos o revistiéndolos con algún material para reducir el deterioro inevitable debido a la absorción de la humedad. Aunque cubriendo el cristal reduce su degradación, no existe un material que pueda sellarlo completamente. El deterioro es también acelerado cuando los termógrafos rozan la carcasa de los lentes con el material cual cubre el cristal, exponiendo la superficie del cristal.

Todos los fabricantes de cristales para ventanas determinan el requisito de espesor para el diámetro de una ventana calculando el modulo de ruptura. El espesor de la ventana se mantiene constante el diámetro aumenta, la expresión matemática se muestra en la Figura 1.

CaF2AI203GeZnSeBaF2IR1

% d

e Tr

ansm

isivi

dad

t

00

90

80

70

60

50

40

30

20

10

01 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Gráfico1

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No es necesario usar una fórmula para entender el concepto. Si tratas de romper una vara, notaras que es más fácil romper un palo vara más larga, que tratar de romper una parte más pequeña de la misma vara. Lo mismo se aplica a los cristales. Mas grande es el cristal, más frágil será, al |menos que se aumente su espesor. Sin embargo, se debe notar que al aumentar el espesor del material va a reducir la transmitancia de ese material y también afectara las lecturas de temperaturas.

El grafico 2 mostrado abajo muestra el espesor mínimo requerido para que un cristal de

Fluoruro de calcio pueda resistir una presión especificada.

Como muestra el gráfico 2, si CaF2 puede resistir 14.7 psi (1 atmosfera) de presión, el espesor mínimo requerido para una ventana de dos pulgadas de diámetro es 2.8 mm; un cristal de tres pulgadas de diámetro debe ser 4.2 mm de espesor; y un cristal de cuatro pulgadas de diámetro debe ser 5.6 mm de espesor. Vale la pena notar que un panel eléctrico resistente a Arcos eléctricos esta típicamente configurado para que los conductos de plenum abran justo a 25 psi para desviar las fuerzas a la dirección opuesta de los paneles donde las personas trabajan. A 25 psi (la fuerza mínima cual una ventana óptica siente durante un incidente de un arco eléctrico) la ventana de cristal de dos pulgadas de diámetro requiere un espesor mínimo de de 3.7 mm; un cristal de tres pulgadas de diámetro debe tener un espesor mínimo de por lo menos 5.5mm; y un cristal de cuatro pulgadas de diámetro requiere de un espesor mínimo de 7.3 mm para mantener su integridad. Desafortunadamente, no existen ventanas de cristal IR con estos espesores.

Fluoruro de Calcio (CaF2) vs. Polímeros IR:

De acuerdo a lo aquí tratado, los materiales que finalmente se consideran viables por razones económicas y ambientales son el Polímero IR y el fluoruro de calcio. Sin embargo hay diferencias significativas entre uno y otro material especialmente en lo referente a su vida útil, su transmisividad en todo el rango espectral IR, y su desempeño mecánico (Ver Tabla 2).

Tipos de Ventanas

Tanto las ventanas fabricadas en polímero como las fabricadas en fluoruro de calcio, vienen en diámetros estandarizados de 2” (50 mm), 3” (75 mm), y 4” (100 mm) (Ver Figura 2). No se fabrican en diámetros mayores debido a las exigencias mecánicas que deben cumplir, y es claro que a más de 4” (100 mm) dichas exigencias pueden ser incumplidas.

Sin embargo con el polímero y la rejilla que lo sostiene se pueden fabricar ventanas rectangulares de dimensiones tanto estandarizadas como a la medida de necesidades concretas, al igual que si se

Espe

sor (

mm

)

Espeso mínimo seguro de Presión ´V´de CaF2

Cálculos del Módulo de Ruptura para el Fluoruro de calcio en varios diámetros.

35

30

25

20

15

10

5

014t 25 50 100 200 300 500

Gráfico 2

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requiere cubrir equipos cuya geometría implique acomodarse a curvaturas, ello es posible dada la ductilidad del polímero, fabricando igualmente la rejilla con la misma curvatura requerida.

Campo de visión a través de una ventana

Se define como campo de visión, Field of View (FOV) de una cámara termográfica como el ángulo tanto horizontal como vertical del lente de la misma. El valor típico del FOV de una cámara termográfica es de 24°x22°, sin embargo dependiendo del fabricante las cámaras pueden tener diferentes campos de visión. Así que, se recomienda hacer los cálculos basados en lentes estándar (ya que un lente de gran angular quizás no esté disponible). Se debe notar que el cálculo asume que el FOV empieza en la cubierta del panel y se extiende a distancia (d), de la cubierta del panel hasta los componentes objetivo, es decir su profundidad. La longitud a lo largo de ese FOV es una distancia (D). D se calcula multiplicando la distancia (d) por el tangente de la mitad del ángulo del lente y duplicando el resultado.

Teniendo en cuenta lo anterior, se requiere previamente seleccionar el diámetro de la ventana y hacer los cálculos correspondientes para ver que tanto se puede cubrir en D, dependiendo del campo de visión de la cámara (FOV) y del diámetro de la ventana. Debe tenerse especial cuidado en lo cálculos para garantizar el cubrimiento de todos los tramos vertical y horizontal, aprovechando que la cámara se puede separar un poco de la ventana, y que además, a través de la ventana IR la cámara puede ampliar su visión si se inclina hacia arriba y hacia abajo como también hacia los lados, circunstancia que según la experiencia triplica la visión de la cámara permitiendo mediante este factor de 3 ampliar su visión al interior del tablero que se esté inspeccionando, lo cual es un factor definitivo para seleccionar el diámetro adecuado

de una ventana IR, incluso se puede llegar a la decisión de requerirse más de una ventana en un mismo gabinete.

Procedimiento de Instalación

De la instalación correcta de la ventana infrarroja (Ver Figura 2) depende mucho la vida útil de la misma como también su desempeño y utilidad en el largo plazo del panel y carcasa del equipo. La instalación de una ventana IR no afecta la clasificación del panel eléctrico, pues así como se instalan instrumentos y accesorios, la ventana Ir es un accesorio más que lo único que debe cumplir es su desempeño dieléctrico y su clasificación IP que debe ser por lo menos igual o superior a la del panel eléctrico.

Es importante identificar los objetos específicos dentro del panel, focalizándose en conexiones atornilladas, uniones prensadas, soldadas o similares y estas áreas se consideran como los puntos más susceptibles a calentamientos. Estos componentes incluyen:

• Conexiones de cables• Conexiones de barras• Aislador o conexión de los fusibles• Interruptores, contactores y relés

Ejecute una inspección visual rápida del interior del panel eléctrico para identificar estos objetivos. Una vez identificados, de acuerdo a la experiencia determine una emisividad promedio con excepción de componentes que sean reflectivos, mientras el equipo no esté energizado. Los métodos comunes incluyen el uso de cinta eléctrica, pintura de alta temperatura o etiquetas adhesivas de emisividades patronadas. Después que se haya completado la estandarización de la emisividad, es importante fotografiar cada objeto ya que estas fotos se usarán como plantillas de

reportes y referencias en el futuro.

Herramientas: Antes de empezar cualquier instalación, chequee y asegure tener todas las herramientas requeridas, como taladro, brocas, copa-sierras de diferentes diámetros, punto de centro, martillo, limas, pintura anticorrosiva, equipo de seguridad como guantes, gafas.

Etiquetas: A toda ventana instalada se le debe colocar sobre el panel y debajo de misma una etiqueta con información importante para futuras inspecciones. Puede contener dos partes, una parte que identifica identificar la ventana y como se usa y la otra parte tener la siguiente información la cual será crítica en la inspección infrarroja:

Cada ventana de inspección debe tener un número único, especialmente si hay varias ventanas en un panel eléctrico.

Documente el tipo de ventana (MW o LW) y la longitud de onda efectiva. Para la nueva ventana de polímero IR transparente debe marcar BW, puesto que trabaja en ambas longitudes de ondaRegistre la transmisividad de la ventana, como también el valor de compensación que se encontró.

Ajuste la emisividad en la cámara para compensar por las pérdidas de emisividad y transmisión. Multiplica la emisividad del objetivo por la tasa de transmisión de la ventana.

Línea de Base: Después de completar la instalación de la ventana, y de energizar el equipo, dejando un tiempo para que todos los componentes adquieran su temperatura de trabajo, el termógrafo debe ejecutar una inspección para tener una línea base y comparar con las futuras inspecciones.

Claudio Soto Torres

Ingeniero Industrial de la Universidad de Santiago de Chile.

Técnico en Mantenimiento de Equipos Industriales de la Universidad

de Santiago de Chile

Socio Fundador y Gerente General de CST Group

a) Ventana circular no 100% traslúcida en el visible en polímero grado industrial con rejilla cumpliendo IEEE C27.

b) Ventanas en polímero grado industrial circulares y rectangulares no 100% traslúcidas en el visible con rejilla cumpliendo IEEE C27.

c) Ventanas en cristal de fluoruro de calcio (CaF2)

d) Ventana circular 100% trasúcida en el visible en polímero grado industrial con rejilla cumpliendo IEEE C27.

Figura 2: Tipos de Ventanas Infrarrojas