Ventanas Infrarrojas IR

1. Qué son las ventanas infrarrojas.

Definición:

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 seguridad de operación de los equipos.

2. Materiales de las ventanas IR y su Transmisividad.

Existen varios tipos de materiales para utilizar en ventanas IR. La selección específica 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 150°C, que es una condición exigente, hay que ser cuidadosos para seleccionar el material adecuado. 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. 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 que tienen muy buena transmisividad en el rango de longitudes de onda IR, como el diamante y el Cloruro de Sodio (NaCl) entre otros, sin embargo desde el punto de vista práctico y dependiendo de la aplicación, los materiales que tienen buena transmisividad en el rango IR son los siguientes:

  1. Fluoruro de calcio (CaF2)
  2. Zafiro (Al2O3)
  3. Polímero IR
  4. Seleniuro de Zinc (ZnSe)
  5. Germanio (Ge)
  6. Fluoruro de Bario (BaF2)

    propiedades y desempeños de los diferentes materiales lentes de Cámaras Termográficas
    Propiedades y desempeños de los diferentes materiales para lentes de Cámaras Termográficas.

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 anotar 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. Por tanto por su costo no sería un material candidato a ser usado en 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. El Grafico 1 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. 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 esquipo 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:

  1. 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.
  2. Introduzca a la cámara una emisividad ε=1.
  3. Mida la temperatura del objeto sin ventana.
  4. Coloque la ventana en frente de la cámara.
  5. Ajuste la emisividad de la cámara hasta lograr la temperatura inicial medida en el punto
  6. Registre este valor logrado como la transmisividad efectiva de la ventana IR.
Rata de Transmisión de Materiales
Rata de Transmisión de Materiales.

Fluoruro de Calcio (CaF2) vs. Polímero 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).

Polímero IR, Fluoruro de calcio
Polímero IR, Fluoruro de calcio
Ventanas Infrarrojas IR
Ventanas Infrarrojas IR

3. 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 1). 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 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.

En la próxima edición de La Nota Energética:

  • Campo de visión a través de una ventana.
  • Procedimiento de Instalación.
  • Certificaciones y estándares.
  • Implicaciones de las Normas NFPA 70B, NFPA 70E Y RETIE.
  • Análisis costo-beneficio y Recomendaciones.
  • Mitos sobre el uso de las ventanas IR.
  • Conclusiones.

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