By Tintas penetrantes gy DIEGagETANCOURT 02, 2010 126 pagcs ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACION TESIS DOCTORAL CONTRIBUCIONES A LAS TECNICAS NO DESTRUCTIVAS PARA EVALUACION Y PRUEBA DE PROCESOS Y MATERIALES BASADAS EN RADIACIONES INFRARROJAS Autor: Director: DANIEL AQUILINO GONZÁLEZ FERNÁNDEZ JOSÉ MIGUEL LÓPEZ HIGUERA SANTANDEZ 2005 or 126 to View nut*ge que se han enmarcado: • • «Sensor Optoelectrónico A mi madre y herma s Yo sólo puedo m es el único que tiene que atravesarla» Morfeo, Matrix (1999) Traducción libre de un extracto del diálogo de Morpheus Laurence Fishburne) con Neo (Keanu Reeves) en su visita al Oracle (Gloria Foster): «l’m trying to free your mind, Neo.
But I can only show you the door. You’re the one that has to walk through it». The Matrix (1999) Escrita y dirigida por Andy Wachowski & Larry Wachowski. Be Afraid OfThe Future. Reconocimientos Los trabajos de investigación recogidos en esta tesis doctoral han sido posibles, en parte, gracias a los recursos de los proyectos de 1+D en los a la concesión al autor de una beca FPI adscrita al proyecto SUGAROS TIC2001 0877<02-01. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA (2006) Agradecimientos Tal vez el apartado que suscita una mayor reflexión en toda o bra realizada es la exaltación de las gratitudes hacia quienes de una forma u otra han inferido en el autor durante la mis ma.
En tal situación, me hallo en el desafío de sintetizar en unas pocas lineas todos los sentimientos que aparecen al record ar a las personas que a lo largo de mi vida me han ayudado , enseñado, guiado, tolerado, animado e incluso jaleado en la consecución de mis objetivos. Pero aún pecando de cruel y olvidadizo debo truncar la memoria y limitar este apartado que por ganas se convertiría en toda una obra por sí solo. Mi primer agradecimiento a todos aquellos que no son referidos a continuación pero que saben y que sé que debieran estar aquí. Y, icómo no! , mi gratitud a todo lector por el interés que muestra en este humilde trabajo. Ayudánd ome de la referencia cronológica, el punto de partida establecido para los agradecimientos es la decisión de emprender el docto rado.
No es que no haya sido «curioso» con anterioridad, bien lo sabía mi padre, sino que considero este punto de mi vida co mo el inicio de mi carrera investigadora, de la cual es un fruto el presente documento. La persona a la que debo este nicio es César. Durante más de doce ahos ha sido un guia, u n consejero y un ejemplo. Gracias por estar a mi lado. Di los prmeros pasos de la mano de pepe quien me mostró las inquietudes del mundo de la Óptica y la Fotónica y soportó las innumerables dudas y quebrantos a las que co mo «novato» le tenía acostumbrado. Gracias a él y sus detall innumerables dudas y quebrantos a las que como «novato» le te nía acostumbrado. Gracias a él y sus detalladas correcciones fui aprendiendo y formándome.
Y llegué a integrarme en el Grupo de Ingeniería Fotónica. GraclasJosé Miguel por guiarme asta la madurez y ofrecerme tu tiempo, conocimiento y exper iencia en muchas facetas que incluso se salen de la component e profesional. Gracias por hacerme sentir a gusto y rodeado de los míos. Porque en el Grupo de Ingeniería Fotónica encontré una familia donde todos sus miembros han hecho posible que lo considerado por otros como trabajo o estudio yo lo considere una alegría. Muchas horas, muchos dias; pero en verdad hablo de un laboratorio como mi casa ante la fraternidad y amistad encontrada en sus miembros: Adolfo, Alex, Ana, Andrés, Bea, Berto, Bobín, Bubka, Carlos, Chux,
Cris, David, Esaú, Fran, José Miguel «junior, Juan, María, Mar ian, Mauro, Nicolas, Pedro (Alonso, ly II), Puma, Olga, Sergi, Toñete y Vik. No es exageración, nos hemos conocido, consentido y aguantado casi a diario durante los últimos 7 añ os en la mayoría de los casos, 12 años (¿verdad, Toñete? ), o incluso más (cantidad indeterminada pero inferior a 30, ¿verd ad, Chux? ). En especial, gracias a Fran por todo su apoyo y estar siempre dispuesto a embarcarse conmigo en proyectos y aventuras CONTRIBUCIONES A LAS TÉCNICAS NO DESTRUCTIVAS PARA EVALUACION Y PRUEBA DE PROCESOS Y MATERIALES BASADAS EN propias de gigantes. Y no me olvido de Bea y Sara, siem pre atentas. GRACIAS a todos porque sin vosotros no hubiera sido posible llegar to.
Y es que el considerarse como e todos porque sin vosotros no hubiera sido posible llegar a ter minar esto. Y es que el considerarse como en casa resuelve muchas complicaciones, te da seguridad y protección y te fac illta la «existencia» permitiéndote una mayor dedicación y un mayor optimismo a los quehaceres diarios. Me siento muy afo rtunado de contar con varias familias. No solamente la natural y el Grupo de Ingeniería Fotónica. Allá donde he ido he rocurado y, afortunadamente conseguido, conocer y desenvo Iverme en ambientes familiares que, lejos de casa, son aún más necesarios. Así igracias, Clemente! por ser tú quien me fuera a buscar al aeropuerto el 1 de mayo de 2003.
Llegaba a un país lejano y extraño, con dificultades con el idioma y siendo la primera vez que salía de casa, como quien dice. Hemos compartido buenos y malos momentos pero aún los malos no lo han sido tanto al tener tu apoyo. Gracias Xavier por permitirme ir, formarme, seguir con mis divagaciones y conoce ra toda esa gente que llenó mi ser de nuevas experiencias, onocimientos, inquietudes, anhelos y tristezas al separarnos. Gracias Alma, Eduardo, Eric, Hermes, Janis, Jassine, Julián, Laurotta, Martina, Paloma, Pamela, Rafael, Silvietta y Soledad por hacer de Québec mi segundo hogar. Gracias Lilián. Y Bath , otro lugar donde volveré y donde también dejé amigos y famllia.
Gracias familia Way, Simon, Tim y, por supuesto, Darryl que hic iste posible otro nuevo exponencial avance de mi experiencia personal y profesional. Gracias a mis amigos: Ángel, Casco y familia, David, Dita y Edu, Eduardo, Joserra, Marga, Marina, Nac o, Nando, Pablete, Pablo, Patri y Vito; sus consejos y paciencia conmigo no tienen f 40F o; sus consejos y paciencia conmigo no tienen fin. Gracias a mis amig@s del instituto, los momentos lúdico- festivos en su compañía han servido de vía de escape y allviado el estrés ante este proyecto. Y, obviamente, gracias a mi familia natural. Ellos saben más que nadie el esfuerzo que este trabajo ha supuesto. para ellos está dedicada esta obra. A todos vosotros, mi sincera gratitud.
DANIEL AQUILINO GONZÁLEZ FERNÁNDEZ – TESIS DOCTORAL Resumen La inspección térmica basada en radiación infrarroja provee me idas rápidas, sin contacto y desde una única posición. Su principio básico es el control y estimación de diferencias de temperaturas en una superficie o cambios de la temperatura superficial con el tiempo, haciendo uso de los sistemas de medida mediante infrarrojos. Esta temperatura está relacionada con los patrones de transferencia de calor del cuerpo bajo inspección por lo que se logra una localización de defectos o imperfecciones superficiales y de anormalidades subsuperficiales. En este último caso, de f orma general, cuanto mayor sea y más cercana a la superficie sté la imperfección, más evidente resultaré su detección al producir mayores diferencias térmicas en la superficie.
Conscie ntes de la aplicabilidad potencial de la termografía infrarroja en la evaluación no destructiva ni invasiva, se planteó como objetivo general de esta tesis el efectuar contribuciones al co nocimiento y la técnica que, además, tuviesen visos de aplicació n real. Para ello se han identificado «nichos de aplicación» entre los que se destacan el control de procesos (particularmente en industrias siderúrgicas), la evaluación de la calidad de roducto procesos (particularmente en industrias siderúrgicas), la evaluación de la calidad de productos manufacturados (elementos calefactores en cocinas) y la inspección, análisis y evaluación de defectos en estructuras compuestas.
Con el objetivo general en mente y ante la variedad de sistemas termográficos existentes, de diferentes costes y sensibilidades, se detectan carencias de unos respecto de otros que limitan su aplicabilidad. Igualmente, surge la necesidad de compararlos y con ello la definición de parámetros que de forma objetiva valoren los beneficios e cada uno de ellos. Dentro de la evaluación de defectos internos en estructuras u objetos, el concepto de área de detectabllidad es utilizado para la comparación d e sistemas de termografía activa pulsada de duración cuasi- instantánea y de duración larga. Escoger la excitación térmica apropiada solventa limitaciones de digitalización en sistemas de bajo coste.
Una validación de este concepto denota la obtención de resultados comparables para sistemas comerciales de gran sensibilidad basados en termografía activ a de flashes y otros hechos a medida de menor calidad pero que EVALUACIÓN PRUEBA DE PROCESOS Y MATERIALES BASADAS aprovechan el mayor contraste térmico inducido por las excitaciones de pulso largo. Igualmente se procura una automatización de los procesos de toma de decisión para el udir, en la medida de lo posible, la subjetividad en el análisis de las secuencias térmicas que resta sensibilidad a los resultados cualitativos y secuencias térmicas que resta sensibilidad a los resultados cualitativos y cuantitativos que se desprenden del mismo.
Para ello se utilizan conceptos de Visión Artificial (Machine Vision, Computer Vison o Intelligent Vision) mediante los que e simula la habilidad del reconocimiento y análisis del sistema humano de ojo y cerebro para tomar decisiones y ofrecer una interpretación sobre el contenido de una imagen. La posibilidad de adquirir imágenes, analizarlas y realizar la t oma de decisiones apropiadas, todo de forma autónoma y automática, es extremadamente útil en aplicaciones de inspe cción y control de calidad. Se aportan diferentes propuestas basadas en métodos estadísticos y técnicas transformadas propios del tratamiento de imágenes que procuran imágenes únicas donde todos los defectos detectables son localizados. Así se logra la automatización plena del proceso de detección d e anomalías internas.
El procesado de las secuencias termog ráficas es reducido al uso de una función que elimina la subjetiv idad inherente propia de las decisiones humanas. Utilizando con frecuencia la fusión de conocimientos y técnicas provenientes sobre todo de la Física (física del calor, mecánica y óptica principalmente) y de las TICS, en este documento se recogen las contribuciones más significativas aportadas al área de inspección no destructiva utilizando termografía infrarroja. DANIEL AQUILINO GONZÁLEZ FERNÁNDEZ – TESIS DOCrORAL Abstract Thermal inspection based on infrared radiation provides fast and contactless measurements from one location.
Its ba sic principle is the control and assessment of temperature differences measurements from one location. Its basic principle is the contr 01 and assessment of temperature differences on a surface or changes in that measurement along time, using infrared equipment. This temperature is related to the heat transfer that occurs in the body under inspection. In this sense, it is possible to locate surface and subsurface defects and anomalies. In this last case, generally, the detection is easier s the imperfections become bigger and shallower. This is due to the fact that the thermal differences produced on the specimen surface are abnormally different respected to soun d area thermal differences.
Given the potential applicability of infrared thermography for non- destructive and non- invasive evaluation and testing, the main goal of this thesls is the contribution to the knowledge and technique state of the ar t, always from a real-application point of view. Several application «niches» have been identified, being stood out process control (principally in siderurgical industry), quality assessment in anufactured products and the inspection, analysis and evaluation of defects in composite material structures. Considering the objective mentioned above and the Wide variety of thermographic systems, several lacks have been detected in some systems limiting their use.
In addition, it could be interesting to compare these systems and hence, to establish a set of parameters tha t objectively evaluates the benefits of any of them. In non- destructive evaluations of subsurface defects in structures or materials, the concept of detectability area is us ed to compare systems excited by both long- pulse thermog xcited by both long-pulse thermography and pulsed therm ography. The selection of an appropriate excitation could lead to compensate Iow binarization limitations in Iow cost systems. A valldation of this idea shows similar results for state-of-art high sensitivity systems based on pulsed thermography and cheaper lab-made systems.
The latter ta kes advantage of the higher energy induced by long-pulse excitations to overcome the poor digitalization effects. In additi on, an automation of the decision process is provided to avoid, as much as possible, the human subjectivity in the analysis of hermographic sequences. Machine – Computer or Intelligent Vision concepts are used to -VII- EVALUACIÓN Y PRUEBA DE PROCESOS Y MATERIALES BASADAS achieve this goal, simulating the recognition ability and analysis of the human brain and vision system to make declsi Ons and Offer an interpretation regardinga particular image. The possibility of acquiring images to analyse them and then decide over them, all automatically, is extremely useful in inspection processes and quality control.
Here, different proposals based on statistical methods and data transforms are detailed. They provide unique images here defects are highlighted. The processing of thermograp hic sequences is simplified to just one single function that avolds the human subjectivity presented in the decisions, which should be taken in other processing procedures. By frequ ently using a combination of knowledge and techniques coming from the Physics and ICTs, this dissertation coll By frequently using a combination of knowledge and techniques c oming from the Physics and ICTs, this dissertation collects the most significant contributions of the author to the NDE&T state of the art within infrared thermography field.
Listas de s[mbolos especiales Simbolos (Unidades) c capacidad térmica (W•s/Kg K) C contraste térmico cp calor específico (J kg K) e efusividad térmica (W sh / m2 K) F relación focal de la lente o espejo fb frecuencia ciega o de corte (Hz) fn enésima frecuencia (Hz) fs frecuencia de muestreo (Hz) h coeficiente de conveccion, constante Planck (W / m2 K) K coeficiente de veracidad k conductividad térmica (W / m K) espesor (m) P espacio transformado Q conjunto de puntos Q energía absorbida por unidad de área 0 / m2) o potencia emitida (W / m2) T temperatura (K, C) t tiempo (s) tacq tiempo e adquisición u observación (s) w(T) ventana de truncamiento temporal z profundidad (m) Letras Griegas (Unidades) (p,B) coordenadas polares a difusividad térmica (m2 / s) gradiente (temperatura o fase) E emisividad longitud de onda (m) longitud de difusión (m) p densidad (kg / m3) o varianza o constante Stefan-goltzman cp fase (0 0 rad) 8 diferencial Subíndices y superíndices a absoluto amb ambiente b blind d,def defecto ef efectivo (i,j) coordenadas I,ef instante cartesianas efectivo m,max maximo mp óptima observación práctica n normalizado CONTRIBUCIONES A LAS ESTRUCTIVAS PARA
