ArtículosNúmero 1

Método para la certificación de mantas térmicas por medio de termografía infrarroja

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José Luis Ortiz
Laboratorio de metrología
“CASSIDIAN AIR SYSTEMS”

El propósito de este invento es proporcionar un procedimiento que permita solucionar los problemas que ocurren cuando se mide la temperatura superficial de los elementos denominados “mantas térmicas”, y se usa el método tradicional de la medida por medio de pirómetros ópticos.

Este procedimiento incluye la calibración, bajo condiciones de certificación de las mediciones, y con trazabilidad a la Escala Internacional de Temperatura (ITS-90) del Sistema Internacional de Unidades, por medio de una cámara infrarroja que se utiliza como sistema de medida para la adquisición de imágenes térmicas.

Otro de sus objetivos es el de definir y crear un software específico para la calibración, caracterización y procesado de los datos adquiridos y la generación de los registros e informes necesarios para la certificación de las “mantas térmicas”.

The aim of this invention is to provide a procedure and one system to solve the problems that occur when measuring temperatures over thermal blankets surfaces, using the traditional optical pyrometer method.

This procedure includes the calibration, under the conditions of the certification measurements, and with traceability to the International Temperature Scale (ITS-90) of the International System of Units, for the infrared camera that is used like as a means for the acquisition of the images.

Another objective is to create a specific software to calibrate, characterize and process the acquired data and to obtain the certification records for the thermical blankets.

Introducción

El objeto principal de esta invención ha sido dar una solución práctica, viable y que resuelva los problemas que presenta usualmente la medida de temperatura superficial por el método de la pirometría óptica, garantizando el cumplimiento de los requisitos normativos internos de la empresa, asi como certificar la uniformidad térmica de los medios de producción denominados “mantas térmicas”.

Los elementos denominados “mantas térmicas” consisten, básicamente en un elemento calefactor formado por una resistencia eléctrica integrada, o embebida en un caucho siliconado flexible y reforzado con fibra de vidrio. Sus formas, tamaños y configuración se adaptan a los de las superficies a calentar. Su aplicación principal, aunque no única, consiste en proporcionar calor superficial en
zonas de piezas fabricadas con materiales compuestos termoestables que hayan sido reparadas y, por lo tanto, necesiten polimerizar la resina que compone la matriz de los materiales aportados en la reparación. No siendo admisible que la totalidad de la pieza sufra un nuevo ciclo de “curado” en autoclave y con las condiciones de temperatura y presión que son necesarias cuando la totalidad de los materiales no se han polimerizado por primera vez.

El procedimiento objeto de la presente invención, consiste en el desarrollo de un sistema de certificación metrológica, mediante la medida, adquisición y procesado de las “imágenes térmicas” de las “mantas térmicas” (objetos a certificar); utilizando para ello técnicas de análisis y evaluación no destructivas, basadas en el tratamiento de imágenes infrarrojas, con selección de banda espectral.

El procedimiento desarrollado incluye la calibración de la cámara infrarroja utilizada como medio principal de adquisición de imágenes, en las condiciones en las que se realizan las mediciones de certificación, y con trazabilidad a la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) del Sistema Internacional de Unidades (S.I.).

Asimismo, incluye el “software” específico desarrollado para la calibración, caracterización de la cámara, procesado de los datos y obtención de los informes de certificación de las mantas térmicas.

Estos medios se utilizan en los procesos de polimerización (curado) de los materiales compuestos que se emplean en las reparaciones de elementales y subconjuntos fabricados a base de dichos materiales como pueden ser largueros, costillas, bordes de ataque, flaps, tapas de registro….

La “uniformidad térmica” – dentro de unas tolerancias definidas – es la garantía de que el proceso de curado se puede desarrollar con una alta probabilidad de que no se obtengan procesos de polimerización de las resinas que componen los materiales compuestos, no aceptables durante la reparación.

Metodología

El proceso consta de los siguientes pasos:

  1. Preparación de las mantas térmicas a certificar, incluyendo:
    • Preparación de una bolsa de vacío por encima de una placa de fibra de carbono pre-impregnada.
    • Configuración del ciclo térmico.
  2. Colocación del marco en posición de medida:
    • Posición preferente: horizontal.
    • Ángulo máximo: 40º
  3. Comienzo del ciclo de curado:
    • Temperaturas habituales, entre 170 ºC y 185 ºC.
  4. Preparación de la cámara infrarroja, incluyendo:
    • Calentamiento del sistema.
    • Control de la distancia entre la cámara y la superficie de la manta térmica a certificar.
    • Control del ángulo entre la cámara, el soporte de la manta térmica y el suelo.
  5. Adquisición de las imágenes térmicas:
    • Configuración de los parámetros del proceso:
      • Número de imágenes a adquirir.
      • Tiempo entre imágenes.
      • Proceso tipo manual o automático.
      • Tamaño de la célula básica.
      • Adquisición de las imágenes.
  6. Procesado y evaluación de las imágenes térmicas y expresión de los resultados de la evaluación recogidos en un informe de certificación.

Descripción detallada del proceso

Haciendo referencia a los dibujos y, en particular, a la Fig. 1, se describe, en primer lugar, cómo se prepara la manta térmica para cometerla al procedimiento de certificación termográfica de acuerdo con el presente proceso.

Sobre una mesa o soporte de material térmicamente aislante, por ejemplo de madera, se coloca una estructura laminada de fibra de carbono polimerizada y, sobre ésta, una lámina tejida de base de fibra de vidrio que, en este caso se ha representado cuadrada pero que puede adoptar cualquier otra forma que se adapte mejor al tipo de manta térmica a certificar. Directamente sobre dicha lámina se dispone una capa de aislamiento de caucho, por ejemplo y sobre ésta, una lámina delgada de fibra de vidrio.

Sobre este apilamiento se coloca directamente la manta con su cara de utilización hacia arriba. De un lado de dicha manta sobresalen los correspondientes terminales de alimentación.


Sobre la manta se coloca, al menos, un termopar de referencia, fijándose tanto la manta – por sus bordes- como dicho termopar sobre la manta mediante, por ejemplo, cinta adhesiva
capaz de soportar altas temperaturas.

Por último, se dispone sobre la manta térmica y el termopar así montados, una lámina adicional de fibra de vidrio, similar a la lámina antes mencionada y, finalmente, se cubre el conjunto con una lámina de plástico de alta temperatura para bolsas de vacío provista, en un lugar adecuado de la misma, de una válvula de vacío que descansa sobre un cojín de fibra de vidrio interpuesto entre el pie de dicha válvula y la capa de material subyacente. La siguiente operación que se lleva a cabo para preparar dicha manta térmica es la de recortar los márgenes sobrantes de dicha lámina de plástico de manera que sus bordes queden enrasados con los bordes de la lámina de base.

Sería posible, igualmente, que dicha lámina de plástico estuviese dotada de una válvula adicional (no mostrada) para conexión de un vacuómetro.

Para terminar la configuración de la manta térmica para su certificación, debe definirse una bolsa de vacío uniendo, en relación de obturación, la periferia de la lámina de plástico a la placa de base de fi bra de carbono. Esto se realiza mediante la aplicación, en forma conocida, de una cinta de masilla por todo el contorno del conjunto, prestando especial atención a la aplicación de la masilla en las zonas de salida de los conductores de alimentación para la manta térmica y de salida del conducto del termopar, de manera que se consiga una hermeticidad absoluta.

En la Fig. 1 bis se ilustra esquemáticamente, a modo de ejemplo, una disposición espacial del soporte para el conjunto de manta térmica preparada para su certificación y de la cámara infrarroja (IR) con la que se realizará la lectura termográfica de dicha manta térmica.

La estructura que alberga la manta térmica en su interior puede disponerse en posición horizontal, sobre dicho soporte térmicamente aislante pero, alternativamente, también es posible disponerla de manera que forme con la horizontal un cierto ángulo θbase, de preferencia inferior a 40º, con vistas a flexibilizar el procedimiento de medida.

En cualquier caso, las posiciones espaciales relativas de la cámara de IR y de la estructura de bolsa de vacío deben ser tales que la manta térmica quede centrada y ocupe la mayor parte de la imagen. Naturalmente, para conseguir esto existe la posibilidad de regular la posición de ambos elementos pero, preferiblemente, manteniendo el eje geométrico de la cámara perpendicular al plano de la manta térmica 1 con el fin de evitar distorsiones de la imagen.


En la Fig 1 bis, se puede ver que θbase es el ángulo que formará la manta térmica dispuesta sobre la base aislante con la horizontal y θcámara es el ángulo de inclinación de la cámara. Para conseguir una imagen sin distorsión debe cumplirse que el ángulo lateral de observación sea de 0º y que θbase + θcámara = 90º.

En este punto, con la manta térmica dispuesta en cualquiera de las dos posiciones (horizontal o inclinada), se inicia el ciclo de medida que ha de utilizarse para la certifiación y que, típicamente, comprende:

  • a) una primera fase de calentamiento, que denominaremos segmento 1, con una duración de, por ejemplo, unos 40 minutos;
  • b) una segunda fase de estabilización de la temperatura, denominada segmento 2, cuya duración máxima será de unos 120 minutos, típicamente de unos 20 a unos 30 minutos, y
  • c) una tercera y última fase de enfriamiento, denominada segmento 3, con una duración de unos 30 minutos. La temperatura de consigna en este ciclo es de unos 175 ºC, admitiéndose otras temperaturas de consigna en función de la temperatura de polimerización de la resina que ha de curarse con la manta térmica.

En primer lugar, se conecta una fuente de vacío (no mostrada) a la válvula de vacío, con lo que se consigue el vacío en el conjunto antes descrito que contiene la manta a certificar. Luego, se conecta la alimentación eléctrica a la manta térmica, se espera a que la temperatura en su superficie sea notablemente superior a la temperatura ambiente, por ejemplo durante unos 30 minutos. En estas condiciones la manta térmica ofrecerá una clara imagen IR que facilitará el posicionamiento y el enfoque de la cámara de IR.

La cámara de IR se monta frente a la manta térmica ya preparada, a una distancia tal que sea posible conseguir un encuadre óptimo de toda la superficie de la misma (entre 1,5 m y 3 m). Dicha cámara lleva incorporado en su lente un filtro óptico estrecho (longitud de onda central en torno a unos 4 μm). Por su parte, la salida de video analógica de la cámara se conecta a un monitor de visualización adecuado (no ilustrado), para permitir la observación en tiempo real del escenario en IR, y la salida de video digital de la misma se conecta con la tarjeta de adquisición de imágenes del ordenador de control, adquisición y procesado de las mismas (no mostrado). Finalmente, se conecta la cámara de IR a una fuente de alimentación específica.

El control de la cámara puede realizarse a partir de un cuadro de control externo o mediante un ordenador, merced a las conexiones adecuadas con cada uno de ellos.

Con el equipo así dispuesto, es posible modifi car el ángulo lateral y el de inclinación de la cámara de IR para obtener una imagen en la que la manta térmica 1 aparezca centrada y ocupando la mayor parte de la imagen. Debe ponerse cuidado, como se ha mencionado en lo que antecede, en conseguir que la observación se realice en dirección sustancialmente perpendicular respecto al plano de la manta.

Los últimos ajustes de enfoque, posición e inclinación de la cámara para obtener una imagen adecuada de la manta térmica se realizan en tanto se alcanza el segmento 2 del ciclo de medida que se está realizando, es decir, se llega al inicio de la fase de estabilización de la temperatura.

Por otra parte, se prepara el sistema de adquisición configurando adecuadamente la tarjeta de adquisición de imágenes incorporada en el ordenador de control y, por último, se inicia la ejecución de un software específico, para la certificación de mantas térmicas, que desarrolla las siguientes fases operativas.

1) Fase de configuración: se comprueba que la configuración establecida es la adecuada para el desarrollo de la certificación y se realizan los cambios oportunos. Entre otros parámetros, deben definirse el número de imágenes que se desea capturar en la fase de adquisición, la separación temporal entre éstas, si la adquisición se realizará en forma automática o manual y, también, se define un valor de umbral de la diferencia de temperaturas máxima y mínima.


2) Fase de adquisición: se seguirán las indicaciones ofrecidas por el programa de certificación, facilitándose un identificador de la manta térmica con el fin de generar un área específica para el almacenamiento de los datos relacionados con la certificación en curso. Además, deberá definirse un rectángulo delimitador de la manta térmica sobre la imagen ofrecida por la cámara de IR, especificándose las dimensiones de dicha manta. Una vez terminada la captura de imágenes, el ordenador almacenará la secuencia de imágenes capturadas y generará y guardará una imagen promedio de dicha secuencia.

3) Fase de enfriamiento: El último paso del procedimiento del presente invento es el denominado segmento 3 o fase de enfriamiento, al término del cual se desconecta la fuente de vacío de la válvula, se desconecta la alimentación de la manta térmica y del termopar de referencia, desconectándose por fin la cámara de IR, con lo que se da por terminado el procedimiento de certificación de la manta térmica.

4) Fase de procesado. Una vez completado este ciclo de medición, se procede al apagado del equipo de medición, incluida la cámara de IR.

5) Fase de generación del informe de certificación: Para ello, y trabajando siempre con el software desarrollado al efecto, se diseña en primer lugar una retícula de análisis termométrico sobre la imagen promedio generada en la fase de adquisición antes descrita. Dicho diseño comprende tres pasos: selección del punto de inicio de la retícula; selección del tamaño de la celda básica de la retícula, y selección del número de celdas en horizontal y en vertical. A partir de esta selección, el software determinará los valores extremos de las celdas (temperatura máxima y mínima). Si la diferencia de temperatura entre estas celdas extremas es inferior al umbral previamente definido en la fase de configuración (MDTR = Máxima diferencia de temperatura para rechazo), el software recomendará la aceptación de la manta térmica. En caso contrario, se pasará a una fase de acotación, consistente en la marcación de las células de la retícula que quedan dentro de un rango de temperaturas, simétrico o asimétrico en torno a la temperatura media de la manta térmica (temperatura media de toda la retícula de análisis).


En cualquier caso, el software genera finalmente un informe de certificación que incorpora las imágenes procesadas en un formato estándar de imagen.

Por supuesto, antes de iniciar un procedimiento de certificación o en momentos deseados, debe procederse a la calibración en emisividad de la cámara de infrarrojo. Para ello se cuenta con dos modos de calibración alternativos: mediante una manta de calibración o mediante un cuerpo gris de calibración.

En el primer modo se prepara la manta de calibración, tal y como se muestra en la Fig. 2, en forma parecida a la preparación que se realiza para llevar a cabo el proceso de certificación de la manta, es decir, se dispone una base, un cojín de caucho como aislamiento, una capa de fibra de vidrio, una manta térmica con un tamaño aproximado de 30 cm x 30 cm, un termopar de referencia cerca de uno de los bordes de la manta y sin que se encuentre en el centro de la misma. Estos elementos se aseguran en posición mediante cinta adhesiva para alta temperatura.

Sobre el centro de la manta térmica se coloca entonces una lámina plana de cobre o de aluminio anodizado (con vistas a conseguir una alta emisividad) con un grosor de entre 1 mm y 2 mm, con unas dimensiones de, aproximadamente, (7 x 7) cm. Dicha lámina se asegura, también, mediante cinta adhesiva para alta temperatura y su propósito es corregir la falta de homogeneidad en temperatura que presenta la manta térmica debido a su estructura interna de filamentos arrollados.


La configuración de esta manta térmica de calibración se remata con una nueva lámina de fibra de vidrio y una lámina de plástico de vacío, al igual que en la realización preferida anteriormente descrita. De igual manera, la estructura se encierra adhiriendo la lámina de plástico situada como lámina de cubierta a los bordes de dicha base mediante la masilla correspondiente.

Este conjunto de vacío de manta de calibración se dispone horizontalmente, junto con una estructura térmicamente aislante que la eleve unos 10 cm por encima del soporte elegido.

Se conecta el termopar de referencia al equipo de medición, se aplica vacío a la manta de calibración y se lanza el ciclo de medida programado que se pretende utilizar para la calibración en emisividad.

En lo que respecta al procedimiento de calibración, éste se realizará para varias temperaturas (T1, T2, …, Tn).

En caso de que el procedimiento de calibración se lleve a cabo mediante una manta térmica de calibración, los pasos seguidos son los mismos que para realizar la certificación de uno de estos objetos, salvo que cuando se encuentra el procedimiento en el segmento 1 del ciclo de medida (fase de calentamiento) y la manta alcance la primera temperatura de medida, T1, el ciclo se detiene durante un cierto tiempo, en el transcurso del cual la temperatura de consigna de la manta será T1, de modo que el equipo se regulará para mantener la manta a dicha temperatura.

Conclusiones

Las ventajas principales que se han conseguido con este proceso frente al método alternativo pirométrico son:

  1. Muy baja incertidumbre de medida:
    Cámara infrarroja =2 ºC (k = 3; factor de cobertura de ≈ 99%)
    Pirómetro óptico: (6 a 8) ºC ; (k=2 factor de cobertura de ≈ 95%)
  2. Calibración con trazabilidad a la Escala Internacional de Temperatura (I.T.S.-90) del Sistema Internacional de Unidades.
  3. Es posible aplicar correcciones a las magnitudes de influencia que afectan al mensurando.
  4. Se evita al máximo la influencia del operador que obtiene los valores de temperatura.
  5. Se mejora notablemente la exactitud de las medidas.
  6. Una reducción muy significativa del tiempo necesario para adquirir y estudiar las imágenes térmicas (desde 8 horas a 30 minutos).
  7. Posibilidad de obtener registros gráficos y digitales de las imágenes térmicas.
  8. Posibilidad de medir simultáneamente la totalidad de la superficie a certificar, en lugar de las medidas localizadas al “diámetro del tamaño blanco” del pirómetro.
  9. Es posible analizar los resultados con la incertidumbre que se necesita en este tipo de certificaciones.

Este Proceso de certificación ha obtenido las siguientes patentes:

  • Solicitud española con fecha 11/03/2004 y nº P200400599, publicada el 01/12/2005, concedida la patente nº 2244319 el 17/05/2006.
  • Solicitud europea con fecha 28/02/2005 y nº 5381008, publicada (EP1574831) el 25/01/2006, todavía en trámite, con última comunicación a las objeciones contestada el 06/04/2009.
  • Solicitud US con fecha 03/03/2005 y num11/071056, publicada el 20/03/2008, concedida la patente nº US2008068590 el 31/03/2009.

El desarrollo de este procedimiento recibió una Subvención – con cargo al Programa Nacional de Acción Estratégica sobre Estructuras Avanzadas, del Programa PROFIT (ejercicio 2001) del Ministerio de Ciencia y Tecnología por un importe total de 13 656,01 euros.

Referencias

[1]F. López, J.M. Yebras y otros: Informe Final para la “Certificación Termográfica de Mantas Térmicas” Departamento de Física Laboratorio de Sensores IR Medio Ambientales Universidad Carlos III de Madrid (mayo de 2003).

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