Termografía en la industria

La termografía y el análisis de imágenes aportan grandes avances a la visión artificial en el sector industrial

Alberto Isasi Andrieu, Jose Antonio Arteche Vicario e Iñaki Araquistain, investigadores de Tecnalia

27/03/2014
La termografía es una técnica empleada para la medición de la temperatura superficial de los objetos a distancia y sin contacto. Para ello, los sensores empleados son capaces de captar la radiación infrarroja que emite cualquier objeto cuya temperatura esté por encima del cero absoluto. Esta radiación térmica está situada entre los 500 y 14.000 nanómetros del espectro electromagnético. Existen varias formas de tomar el valor de temperatura de un objeto mediante técnicas termográficas, siendo los más comunes los pirómetros, que proporcionan una medida puntual del objeto, y las cámaras termográficas, mucho más versátiles, y que proporcionan una imagen de la temperatura de la escena.

1. Introducción

Cuando se usan cámaras de visión artificial se puede trabajar con dos tipologías diferentes de imágenes: las termográficas y las térmicas. Las primeras, proporcionan una medida exacta del valor de temperatura real de los objetos. Son un mapa de la temperatura de los objetos y normalmente son datos en bruto que se han de procesar y no se pueden visualizar directamente. Las segundas, las imágenes térmicas, son más bien cualitativas, una imagen que representa, para la escena captada, las diferencias de temperatura existentes, pero sin ser capaces de determinar la temperatura exacta de un punto concreto de la misma.

Son dos formas de trabajar con la misma información, pero con usos y finalidades diferentes. Con las imágenes térmicas se pueden ver los estados de los elementos de un sistema y usar la información para mantenimiento preventivo, observando qué zonas acumulan mayor temperatura siendo estas, generalmente, los primeros puntos de rotura. También se pueden usar en el sector eléctrico, por ejemplo, para detectar los puntos calientes que generarán cortocircuitos si no se refrigeran adecuadamente.

Por otra parte, la finalidad de la imagen termográfica se sitúa en el área del control de procesos y calidad y se utiliza por ejemplo, para discriminar la entrada de un punto crítico que depende de la temperatura, para validar que el producto intermedio cumple con lo necesario o si se debe descartar por estar demasiado caliente o demasiado frío.

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Fig. 1. Fuga de calor (izquierda), huella termográfica de una persona (centro), conductos en funcionamiento (derecha)

2. Usos tradicionales de la imagen térmica en el sector industrial

Tradicionalmente, el análisis termográfico se ha usado en muchos sectores del mundo industrial. Desde el más directo como pueden ser las acerías o forjas, pasando por otros sectores tan diferentes como el electrónico o arquitectónico.

Por ejemplo, en el ámbito de la edificación de viviendas, es necesario poder analizar la distribución térmica de la fachada para detectar, entre otras cosas, problemas de aislamiento, fugas de calor, discontinuidades internas en la construcción… Problemática difícil de evaluar a simple vista sin interactuar directamente con el edificio construido.

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Fig. 2. Falta de aislamiento térmico en fachada (izquierda) y conductos de la calefacción (derecha).

Otro sector que emplea de forma rutinaria en las labores de mantenimiento la termografía es el sector eléctrico. Es importante saber el estado del tendido eléctrico, el cableado y los aislantes, pues una falla en uno de ellos puede generar importantes y cuantiosas pérdidas a la empresa. Es por ello que se realizan labores de mantenimiento preventivo analizando la temperatura de dichos elementos para determinar si existe sobrecalentamiento en algún punto y, de haberlo, realizar un análisis en profundidad para establecer su causa y subsanarla.

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Fig. 3. Puntos calientes en tendidos eléctricos.

Pero no sólo es necesario analizar las grandes plantas eléctricas y sus estaciones, sino que a escala más pequeña, en el sector de la microelectrónica, también se emplea la termografía para, de igual manera que en los tendidos eléctricos de alta potencia, detectar puntos calientes y posibles causantes de cortocircuitos en función del análisis de qué componentes son los que más temperatura adquieren en el diseño de una placa electrónica y poder aplicar las medidas necesarias para disipar calor evitando así futuros problemas.

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Fig. 4. Puntos calientes en circuitos eléctricos.

Otra problemática del mundo industrial en la que también se emplea la termografía es a la hora de detectar fugas de gases nocivos. Mediante los sistemas termográficos es posible detectar la presencia de estos gases mucho antes que otros sistemas de alarma y reaccionar con rapidez. Por ejemplo, fugas de gas butano o de propano nocivas para el ser humano pueden ser detectadas con cámaras termográficas calibradas para observar la longitud de onda del espectro infrarrojo donde estos gases presentan su pico de absorción.

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Fig. 5. Imagen termográfica de los humos y gases de un incendio.

3. Nuevos usos y campos de aplicación

Con el avance de la tecnología y el desarrollo de nuevos sensores cada vez más baratos y mejores, la penetración de los sistemas termográficos en el mundo industrial está avanzando más y más cada día. Hace unos años, el usar un sistema de visión termográfico en lugar de una cámara normal añadía un sobrecoste en hardware difícil de justificar en muchas ocasiones. Además, la resolución de los sensores no era muy elevada, teniendo en el mejor de los casos resoluciones de imágenes termográficas de 360x240 píxeles con tiempos de disparo lentos, mientras que con una cámara convencional se podían alcanzar resoluciones de imágenes y tiempos de captura muy superiores.

Con las nuevas cámaras termográficas se pueden conseguir unos tiempos de procesamiento muy buenos a unas resoluciones de imagen lo suficientemente grandes como para pensar el emplear todo el conocimiento adquirido con los sistemas convencionales de visión artificial en el mundo termográfico. Es decir que, actualmente, todos los algoritmos y métodos diseñados para trabajar en imágenes en gris se pueden aplicar directamente a las imágenes termográficas adquiridas en continuo como si de una cámara tradicional se tratara.

Este hecho abre las puertas a una infinidad de soluciones que hasta ahora han sido muy complejas porque es posible liberar de mucha carga de procesamiento en la detección de los elementos de interés simplemente filtrando la temperatura de los mismos.

Con todo esto en mente, desde Tecnalia se han desarrollado una serie de soluciones orientadas tanto al control de procesos con a la trazabilidad y gestión de calidad del producto fabricado, empleando la potencia de la imagen térmica sobre los algoritmos de alto nivel que se han venido usando hasta la fecha.

Por ejemplo, en el ámbito del control de calidad, se está trabajando en un nuevo sistema que permite evaluar la calidad de un cordón de soldadura analizando la distribución térmica del mismo durante el proceso.

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Fig. 6. Imagen termográfica de un cordón de soldadura.

Haciendo uso del mapa de temperaturas, es posible determinar mediante algoritmos de procesamiento de imagen, posibles zonas de error debidas a faltas de aporte de material, puntos de la soldadura quemados o demasiado fríos, etc.

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Fig. 7. Ejemplos de soldadura quemada, soldadura fría y falta de fusión.

De esta forma, una vez terminado el proceso de soldadura, se podrá determinar la naturaleza del mismo, determinando si es una unión de calidad o no.

Como se ha comentado anteriormente, la termografía también puede resultar de bastante utilidad en el control de procesos. Por ejemplo, en un proceso productivo donde se trabaja con acero a muy alta temperatura para la fabricación de tubos, es muy importante poder determinar el estado y la temperatura de los múltiplos de tubo que van a entrar a las diferentes prensas de extrusión y perforado para poder estimar si puede haber problemas de rotura, en caso de que el múltiplo entre demasiado frío.

Para poder determinar estas condiciones, se han desarrollado una serie de aplicaciones donde, dada una imagen termográfica del múltiplo de acero justo antes de la entrada a la prensa, es posible determinar de forma totalmente automática diferentes temperaturas de la superficie y el interior del múltiplo (máximas, mínimas, medias…), mediante las cuales se podrá determinar si se permite la entrada a la prensa o se recircula a los hornos para que recupere la temperatura necesaria.

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Fig. 8. Detección automática de diferentes contornos de un tubo y análisis de temperatura de cada uno de ellos.

Otro ejemplo en el que la termografía puede ser realmente útil se encuentra en los procesos de colada de las acerías, tanto en los procesos de colada continua como en los procesos de colada en molde. Para los fabricantes de piezas de hierro para, por ejemplo, el sector de automoción, el conocimiento de la temperatura del hierro en el horno de moldeo es fundamental, por lo que una medida precisa de la temperatura es muy importante para determinar propiedades metalúrgicas del metal

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Fig. 9. Detección automática del vertido del caldo sobre molde y análisis instantáneo de temperatura.

Actualmente, el control de la temperatura en este tipo de procesos se realiza con sondas o cañas introducidas dentro del baño de metal líquido, que tienen una inercia térmica considerable, pudiendo llegar a calentar de más el caldo cuando se inicia el proceso desde un estado frío. Sin embargo, con las cámaras termográficas es posible obtener una medida instantánea durante el proceso del vertido siendo esa la temperatura real del caldo, con lo que es posible operar con un margen de reacción mucho mayor, teniendo en cuenta además el ahorro en sondas anual.

Otro aspecto que se ha de tener en cuentas es que con el sistema de termografía es posible añadir funcionalidades aparte de la medida de temperatura instantánea como pueden ser, por ejemplo, el detectar cuándo aparecen las natas en el vertido para detenerlo antes de que estas caigan de la cuchara.

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Fig. 10. Análisis instantáneo del chorro de metal líquido en el proceso de moldeo.

4. Conclusiones

Como se ha podido observar con los ejemplos expuestos en los puntos anteriores, el mundo de la imagen termográfica es capaz de ofrecer un amplio abanico de soluciones a muchos de los problemas del sector industrial, llegando a resolver problemáticas de forma sencilla donde para los sistemas de visión convencional requerirían de muchos algoritmos complejos para ofrecer la misma solución o incluso, en algunas situaciones, siendo incapaces de resolver el problema por las propias limitaciones del espectro visible con el que trabajan las cámaras.

También se ha podido comprobar el avance que existe en el campo de la termografía, existiendo hoy día en el mercado cámaras capaces de ofrecer unas prestaciones similares a las cámaras convencionales, tanto en resolución de imagen como en velocidad de proceso.

Obviamente la termografía no va a ser la solución a toda la problemática del mundo industrial, pero sí se ha convertido en una opción robusta que se ha de tener en cuenta a la hora de diseñar la mejor solución posible a los problemas existentes en el sector industrial.

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