¹Lic, Profesor Instructor del Departamento de Formación General y Ciencias Básicas. Universidad Simón Bolívar, Venezuela.
rodneyr@usb.ve
²M.Sc. Profesor agregado Departamento de Física, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Venezuela.
carlosgonzalezgg@gmail.com

Fecha de recepción: 3 de noviembre de 2010 Fecha de aprobación: 19 de mayo de 2011

RESUMEN

El contraste en la termografía, se relaciona con diferencias de temperatura y de emisividad de las superficies estudiadas. Por lo general, el interés está en determinar las temperaturas y poder compensar parcialmente el efecto de la emisividad. Las reflexiones en la superficie de partes del sistema de las radiaciones que provienen de otra parte del mismo, así como el efecto de flujos convectivos, representan inconvenientes que dificultan la interpretación de las imágenes termográficas de los Ensayos no Destructivos. En el presente trabajo, se desarrolló un sistema de adquisición de datos para generar imágenes de termografía acústica en el plano bidimensional, de manera que se pueda identificar los efectos de reflexión de flujos convectivos, como también complementar la interpretación de las imágenes obtenidas mediante la termografía infrarroja. Para capturar datos acústicos, se utilizaron transductores ultrasónicos de 40kHz y fue posible obtener la distribución de temperatura, en condiciones estacionarias de la convección del aire caliente (gas), que se generan de los elementos calefactores cerca de la superficie.

Palabras clave: termografía acústica, termografía infrarroja, flujo de gas.

ABSTRACT

A contrast in thermography is related to variations in temperature and emissions of surfaces analyzed. Typically, the interest focuses on temperature profiles, but they may be partly biased by the emissivity effect. Reflections on surface of system parts with radiation coming from other inner places as well as the effect of convective flows represent problems hindering a reading of thermal images in non-destructive tests. In this paper we developed a data acquisition system for 2D acoustic thermography to identify the effect of a convective flow reflection and complement the reading of images got by infrared thermography. So 40-kHz ultrasonic transducers were used to capture acoustic data, and we could obtain the temperature distribution in stationary conditions by hot air -gas- convection generated from heating components near surface.

Key words: acoustic thermography, infrared thermography, gas flow.

INTRODUCCIÓN

La termografía es una técnica que permite medir temperaturas a distancia y sin necesidad de contacto físico con el objeto por estudiar. Con la captación de la radiación infrarroja del espectro electromagnético, utilizando cámaras termográficas, se puede convertir la energía irradiada en información sobre temperatura y emisividad.

Con respecto de la termografía acústica, se han realizado trabajos como el de la técnica Acusto Eco-Ultrasónica (AU-E), desarrollada con base en los principios de reflexión de ondas de tensión [1]. El sistema corrige el efecto de la temperatura en la velocidad de las ondas a través del sólido para calcular en forma precisa, el espesor del refractario de un horno. La técnica AU-E también permite determinar la ubicación de ciertas anomalías, tales como el desgaste del revestimiento, fisuras y otras que se producen al interior de la estructura del refractario [2].

Hay investigaciones en las cuales la Termografía infrarroja se ha empleado en trabajos que se necesitan varias aplicaciones, especialmente aquellos que requieren determinar la distribución de temperatura y una imagen cualitativa, por ejemplo: los procesos de control de producción o la inspección de aislamiento térmico [3].

Ning Zhu [4], empleó el ultrasonido para aplicaciones termográficas, utilizando los cambios de temperatura para generar imágenes tridimensionales tomografícas. Así mismo, entre las aplicaciones de la termografía infrarroja y ultrasónica, está la evaluación de riesgo de caída de los árboles en pie (estudios fitosanitarios de alineaciones urbanas). Esta técnica permite determinar y localizar con gran exactitud, defectos y huecos internos en el árbol [5].

En la termografía basada en radiaciones infrarrojas, la radiación emitida por la capa de aire contigua a la superficie del objeto estudiado, aunque afecta la imagen termográfica por la baja densidad del aire, en la termografía infrarroja no se puede apreciar la temperatura del aire mismo. Al utilizar ondas acústicas en el aire, es posible realizar la imagen de las capas de aire en la proximidad del objeto, aplicando las modificaciones del tiempo que demora un pulso acústico en atravesar un "camino acústico" particular, para lo cual se utiliza la técnica pulso - eco, que se combina con el corrimiento de fase.

La finalidad del sistema desarrollado se aplica al efecto físico de reflexión del haz ultrasónico en superficies con contraste de temperatura, para generar sonogramas o termografía acústica, para obtener imágenes correspondientes a barridos cartesianos X - Y, para flujo convectivo laminar de gas en un elementos calefactor. Lo anterior como apoyo complementario de la termografía convencional en ensayos no destructivos.

1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

1.1 Elemento calefactor

A continuación, se muestra el elemento calefactor de Constantán que se utilizó para las inspecciones térmicas, y es una aleación formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel (Cu55Ni45), con un trazador para inspección visual de humo con aceite lubricante mineral para comprobar el trazo del gas (aire caliente), que se muestra en flujo laminar en la Figura 1.

Número de Reynolds. Para determinar el número de Reynolds se estableció la velocidad con la expresión del flujo de gas que sale de una chimenea (elemento calefactor), con la siguiente expresión 1 [6]:

Donde:

v: Velocidad teórica de los gases en m/s
g: 9.81m/s²
H: Altura de la chimenea, en m.
Tg: Temperatura absoluta de los gases en la entrada de la chimenea, °K.
Ta: Temperatura absoluta del aire exterior °K

Y luego se utilizó la ecuación para determinar el número de Reynolds donde se tomó una celda convectiva para cada caso de las imágenes de termografía acústica, y que tomada una bobina por cada elemento calefactor (tabla 1), como chimenea ya que estas se componen de múltiples bobinas (figura 1).

1.2 Transductores y Sistema de Barridos

Los transductores empleados en este trabajo de investigación, fueron del tipo piezoeléctrico de f: 40 Khz, diámetro efectivo de 8 mm y una zona de campo cercano a 2 mm; la resolución espacial, determinada en base a la interacción con objetos densos, de bordes definidos, es de 5 mm.

1.3 Corrimiento de Fase

Para obtener el desfase de una señal a otra, se empleó un circuito de corrimiento de fase como se muestra en la figura 2 del diagrama de bloques, que se compuso con un comparador quad (comparador BA10339), que contiene cuatro circuitos comparadores de voltaje independiente conectados a los terminales externos; cada comparador contó con entradas inversoras y no inversoras. El voltaje de alimentación de 5 voltios aplicado sobre el par de terminales, alimentó los tres comparadores que se utilizaron, una vez que la señal de entrada se elevó por encima de 0 voltios la salida conmutó a V⁺, y cuando la entrada descendió por debajo de 0 V la salida cambió a V^-.

En el circuito también se empleó la compuerta lógica Or exclusiva o XOR (SN74L), para el comparador y los respectivos amplificadores operacionales UA741. Un generador de frecuencia se empleó para producir una señal en el piezoeléctrico, utilizándolo en el transductor, y se produjo una señal ultrasónica que va del emisor al receptor (figura 3), atravesando el gas (aire), en régimen estacionario. La señal eléctrica del generador de frecuencia se usó como señal de referencia por el comparador de fase.

Las ondas sinusoidales detectadas por el receptor, son amplificadas por el amplificador operacional (UA741), y convertidas en ondas cuadradas por el (BA10339), que se usaron como señales de referencia. Las dos señales están en diferentes fases y entran en las compuertas lógicas (logic gate), XOR, del SN74LS86. Estas compuertas produjeron señales de pulso con una anchura correspondiente al cambio de fase a través de las dos señales, no en términos de seno y coseno, sino en valores de mínimo y máximo voltaje, dando como resultado una señal de tipo rómbica.

La señal antes mencionada, es función lineal con respecto de media longitud de onda de los transductores. Al detectar cada valor de voltaje, se traduce en variaciones de longitud de onda, de donde se obtiene la velocidad del ultrasonido con la expresión 3 en el gas y luego, determina temperatura por su relación proporcional.

Donde:

y = 1,4 coeficiente de dilatación adiabática
R=8,314 [J/Mol.K]=8,314 [kg.m²/mol.K.s²]
M=29 [g/mol] para el aire

En la parte lateral derecha de la figura 4 se aprecia el escáner de barrido cartesiano en modo pulso - eco, perpendicular y paralela a una superficie plana con contraste de temperatura. La onda acústica se refleja en la superficie sólida, pero también se refleja y se refracta al pasar a través de las capas de aire que tienen diferentes temperaturas, y el objeto de referencia.

2. ANALISIS DE LOS RESULTADOS

Los barridos se realizaron como se presentó en el procedimiento experimental de manera cartesiana, con una incertidumbre implícita de 0,5 °K. Las imágenes se presentan en diferentes tonalidades, el rango de temperatura de la termografía infrarroja no corresponde al régimen estacionario del gradiente de temperatura, sino al calentamiento inicial motivado para que las altas temperaturas sobrepasen el rango de la cámara termográfica que existía.

En la figura 5(c), el escáner se coloca de manera vertical, se utiliza otra vez el mismo elemento calefactor y se dobla en forma de "v"; en la termografía acústica se observa el gas (aire caliente) que se desprende; y el diámetro del elemento calefactor tiene la misma medida del diámetro de la longitud de onda del ultrasonido, y el flujo de gas que se desprende por convección de la superficie (tabla 2) es detectado por el sistema de adquisición datos por corrimiento de fase por reflexión.

En la imagen de termografía acústica figura 5(c), se aprecia la distribución del gradiente de temperatura del gas con apariencia en forma de "v"; en la parte derecha de la termografía, está la deformidad del cerámico con la referencia, que da por eco ultrasónico, una diferencia de fase que parece ser temperatura, pero no lo es, lo cual se debe al haz que incide sobre la cinta adhesiva, genera un cambio de fase por la disminución del tiempo de vuelo del haz ultrasónico, y la producción de ecos, las imágenes no guardan la misma escala.

En la tabla 3, se observa el número de Grashof (Gr), de 74859, que viene a ser el cociente entre las fuerzas de flotación y las fuerzas viscosas que actuaron en el gas, y se encuentra en un rango teórico de 10³ hastalO⁶ para flujo laminar; el número de Rayleigh (Ra), superó el valor crítico de 1708±50 (tabla 3), indicando que las fuerzas de flotamiento sobrepasan los efectos disipativos del arrastre viscoso y la difusión térmica, produciendo la convección del gas (aire caliente), en el sistema experimental (tabla 3), siendo para el parámetro adimensional en el orden para el régimen laminar de 10⁴ hasta 10⁹ aproximadamente.

El número de Prandtl no varía significativamente en relación con la temperatura y su valor característico 0.70 para gases; este es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad del momento (viscosidad), y la difusividad térmica.

En la figura 6(b), se aprecia la termografía infrarroja del material y se destaca que en la termografía acústica de reflexión del haz en el gas, tiene un máximo de temperatura de 670 °K, distribuido en las regiones más claras de la imagen de termografía acústica del ensayo; el rango aparente de temperatura que está en las coordenadas (25,15), de la figura 6(c), obedece a la deformidad del cerámico y a la referencia de cinta adhesiva; las imágenes no guardan la misma escala.

En la figura 6(c), el ensayo se hizo con el escáner colocado verticalmente, con el diámetro del elemento calefactor (bobinas múltiples) de 4 x 10^-3 m., como se menciona en el procedimiento experimental; esta medida coincide con la longitud del transductor ultrasónico, por lo cual el gradiente de temperatura que se aprecia, no corresponde al material del elemento calefactor, colocado de manera diagonal por tener la misma medida de la longitud de onda de los transductores, sino que representa la convección del gas que se forma en las adyacencia de las bobinas múltiples, por conducción (tabla 4).

En la tabla 5, se observa el número de Grashof (Gr), de 74622, que viene siendo el cociente entre las fuerzas de flotación y las fuerzas viscosas que actuaron en el gas, y se encuentra en el rango teórico de este parámetro adimensional de 10³ y 10⁶ para flujo laminar.

El efecto, la transferencia de calor por convección, es significativo para números de Gr mayores de 10³; se observa con el número de Rayleigh (Ra) experimental, que supera el valor crítico de 1708±50, para generar la convección (tabla 5); al superarla, el valor obtenido experimentalmente, indica que las fuerzas de flotamiento sobrepasan los efectos disipativos del arrastre viscoso y la difusión térmica, produciendo la convección del gas (aire caliente), en el sistema experimental (tabla 5), siendo para el parámetro adimensional en el orden para régimen laminar de 10⁴ hasta 10⁹ aproximadamente.

El número de Prandtl no varía significativamente en relación con la temperatura, siendo su valor característico 0.70, para gases lo cual es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento (viscosidad), y la difusividad térmica.

2.1 Discusión de los resultados

La transmisión de calor dependió en alto grado, de la posición que el fluido ocupó respecto de la propia superficie cerámica; es decir, que la presencia de la superficie obligó a que el flujo tuviera trayectoria ascendente en la dirección propia de la placa.

En el flujo de gas del ensayo no destructivo de termografía acústica, el comportamiento del gas está en el parámetro adimensional de Rayleigh comprendido entre 10⁴< Ra < 10⁹ y para Grashof, 10³< Gr < 10⁶, este último, sólo para el caso de flujo laminar en cavidades producidas por convección, como se muestra en cada resultado y se genera en todos los casos, la convección en flujo laminar, permitiendo observar la distribución de temperatura.

La termografía acústica se puede emplear para apoyar la termografía convencional, siempre y cuando se produzca la convección, que sirva sólo para ciertos valores de temperatura, sin exceder el rango del parámetro adimensional de Rayleigh (Ra) y superando su número crítico, siendo (Ra) el cociente entre la fuerza de flotamiento y el producto del arrastre viscoso y la rapidez de difusión térmica.

En los resultados, se observa que las imágenes obtenidas mediante la reflexión o termografía acústica son complementarias a la termografía infrarroja, ya que permite detectar los cambios de temperatura que se producen en el aire, por convección en la superficie plana del objeto que se encuentra con un gradiente de temperatura producido por el elemento calefactor.

Otro aspecto importante, en cuanto a las imágenes obtenidas con la reflexión acústica, es que se pueden obtener mediante amplitud transmitida o reflejada, para corrimiento de fase y para tiempo de tránsito de pulsos; estos métodos suministran información independiente y complementaria a la termografía infrarroja, a partir de datos que se pueden capturar simultáneamente en una operación de rastreo.

Un caso particularmente importante y fácil de aplicar, consiste en la diferenciación entre una superficie caliente y una superficie fría pero reflectante, como es el caso de superficies pulidas y de baja emisividad.

La resolución espacial es del orden de 5 mm, para una longitud de onda de 8 mm y un intervalo espacial de 3 mm en el barrido de la termografía.

3. CONCLUSIONES

En este trabajo, se desarrolló un sistema para adquirir datos ultrasónicos, aplicando la técnica de corrimiento de fase para un montaje con la termografía acústica o de reflexión, con aplicaciones complementarias a los ensayos no destructivos de termografía convencional.

Se hizo tanto el diseño mecánico, como el software con el cual cuenta el sistema, se implemento este último, para automatiza y adquirir datos para después llevar a cabo un procesamiento digital de señales y obtener imágenes con los datos adquiridos.

En relación con las imágenes de termografía acústica, los resultados indican en ambos casos, que son imágenes que sirven como complemento a las termográfica infrarrojas, ya que el gas o aire que se calienta no se puede detectar por el infrarrojo; pero en el ultrasonido, sí se detecta por la variación de las propiedades mecánicas del medio donde se propaga y por ende, cambia la velocidad del sonido y su tiempo de transito; para detectar la convección del gas por su gradiente de temperatura que se generó del elemento calefactor, siendo imposible para el infrarrojo; estando los parámetros adimensionales del gas en los rangos de convección natural laminar de gas para Rayleigh (Ra) de 10⁴ < Ra < 10⁹ y para Grashof (Gr), 10³< Gr < 10⁶, siendo un método ultrasónico innovador, para aplicaciones de ensayos no destructivas.

La técnica desarrollada puede aplicarse en investigaciones sobre fluidos y para determinar velocidades de desplazamiento de gases, y flujo de calor; adicionalmente a los cambios de temperatura como también su distribución espacial. El comportamiento del aire caliente en superficies verticales, en los casos estudiados, corresponde a flujos convectivos en régimen laminar.

En las imágenes de termografía acústica, la resolución espacial fue del orden de 5 mm, para una longitud de onda de 8 mm y un intervalo espacial de 3 mm en el barrido longitudinal, con una resolución de temperatura de 0,6 °C.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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