Cámaras Térmicas

Cámaras Térmicas
Funcionamiento y
Protocolos de Uso
S/2do. Dr. Iván Sánchez
Departamento de Física
1
Motivación
Recuento histórico
¿Cómo funcionan?
Usos en el área
bomberil
Perspectivas futuras
2
La misma escena vista por
tres cámaras IR diferentes
Amon et al. NIST Special Publication 1040 (2005).
Hay muchos factores detrás del resultado que se obtiene al usar una cámara térmica. En 1998
la marina estadounidense realizó un estudio de las cámaras disponibles, para determinar las
más aptas para soportar el ambiente de un incendio a bordo de una embarcación [1].
El NIST ha realizado varios estudios sobre cámaras con diferentes tipos de detectores,
probadas en diferentes condiciones. Los resultados de estos estudios muestran que la calidad
de la imagen varía con los tipos de detectores y las condiciones. En la diapositiva se muestra
una misma escena vista con tres cámaras diferentes. Cada una de las tres cámaras muestra
claramente la posición de los gases calientes, pero la información útil que uno puede obtener
varía mucho entre las tres [2].
[1] F. Crowson, B. Gagnon, and S. Cockerham, Evaluation of Commercially Available Thermal
Imaging Cameras for Navy Shipboard Fire Fighting, Report No. SS99-001, Department of the
Navy, Office of the Assistant Secretary (Installations and Environment), Washington, DC,
February 1999, 60 pp.
[2] Francine Amon, Nelson Bryner, Anthony HaminsThermal. Imaging Research Needs for
First Responders: Workshop Proceedings. NIST Special Publication 1040 (2005).
3
HISTORIA
*
1940-1960: Usos militares
*
1970: Tubo Piroeléctrico
1980: Detectores sin enfriamiento
*
1990: Microbolómetros
Se libera la tecnología y comienza
el uso comercial, policial y bomberil.
Visión nocturna, miras IR,
misiles…
*http://www.militaryinfrared.com/Stealth_IR.html
La tecnología para las cámaras infrarrojas apareció desde los años 1940s. En
plena segunda guerra mundial se desarrollaron os primeros analizadores
lineales capaces de producir una imagen en dos dimensiones.
Los primeros usos fueron militares, para reconocimiento aéreo o satelital,
direccionamiento de misiles y más adelante, visión nocturna y miras
infrarrojas.
4
HISTORIA
*
1940-1960: Usos militares
1970: Tubo Piroeléctrico
1980: Detectores sin enfriamiento
1990: Microbolómetros
Se libera la tecnología y comienza
el uso comercial, policial y bomberil.
La marina británica usó cámaras
piroeléctricas a finales de los 80
para combatir incendios
*www.dcfp.navy.mil/mc/presentations/ThermImg.htm
En los años setenta las compañías Philips y English Electronic Valve,
desarrollaron el tubo piroeléctrico.
La mayoría de los equipos utilizados entonces necesitaban ser enfriados a
temperatura muy bajas para mejorar su sensibilidad. De ahí que la
portabilidad fuera muy limitaba.
5
HISTORIA
*
1940-1960: Usos militares
1970: Tubo Piroeléctrico
1980: Detectores sin
enfriamiento
Las primeras cámaras bomberiles
eran toscas e incómodas
1990: Microbolómetros
Se libera la tecnología y comienza
el uso comercial, policial y bomberil.
*Rapid Intervention Company Operations, Pag. 211. Thomson Delmar Learning, 2005.
En los años 1980 se desarrollaron nuevos sensores de estado sólido, como
los de Bario Estroncio Titanato (llamados BST por sus siglas en inglés) y los
microbolómetros. Estos detectores fueron los primeros que no necesitaban
enfriamiento criogénico para tener buena sensibilidad, lo que abrió las
posibilidades de uso portátil.
6
HISTORIA
**
1940-1960: Usos militares
*
1970: Tubo Piroeléctrico
1980: Detectores sin enfriamiento
1990: Microbolómetros
Se libera la tecnología y comienza
el uso comercial, policial y bomberil.
** http://isgfire.com/
* http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
Luego de 1992, se liberó mucha de la tecnología desarrollada hasta ese
momento en el campo militar. De ahí comenzó la carrera por ofrecer cámaras
acordes a las necesidades de actividades como el combate de incendios y el
combate del crimen.
7
Tomado de “Thermal Imaging and Predictive Maintenance” disponible en
http://www.thermoteknix.com/content/english/misc/publications/papers/documents/thermographic_predictive_maintenance.doc
8
λ
http://www.fao.org/DOCREP/003/T0355S/T0355S02.htm
El principio básico que usan las cámaras térmicas
es la detección de radiación infrarroja.
La radiación infrarroja es uno de los diferentes tipos
de radiación electromagnética. Ésta última es el
producto de interacciones entre campos
magnéticos y eléctricos, y dependiendo de su
frecuencia tiene varios usos. Una onda
electromagnética está formada por dos campos:
uno eléctrico y otro magnético, que viajan a la
velocidad de la luz (en el vacío es
aproximadamente 300000 Km/s). Las ondas
electromagnéticas tienen energía, la cual es
aprovechable de diferentes maneras, puede ser
usada para excitar una antena de radio, para
estimular sensores como nuestros ojos o las
películas de las radiografías. Muchas veces se usa
la longitud de onda en vez de la frecuencia para
describir una onda electromagnética. La frecuencia
se mide en Hertz (un Hertz es una oscilación por
segundo), y da una idea de la cantidad de veces
que el campo eléctrico de una onda cambia su
signo en un segundo. La longitud de onda se mide
en metros y es la distancia que avanza una onda
en una oscilación. Se obtiene de dividir la velocidad
de la onda entre la frecuencia. En la figura de la
derecha se aprecia lo que es una longitud de onda,
para el caso de las olas que se forman en un
estanque luego de lanzar una piedra. En ese caso
la onda se propaga a través del agua. Las ondas
electromagnéticas, a diferencia de las ondas de
sonido, que necesitan un medio (aire, agua, un
sólido) para propagarse, se propagan también a
través del vacío.
Chaisson y McMillan. Astronomy Today. Pearson Prentice Hall (2005)
λ
Chaisson y McMillan. Astronomy Today. Pearson Prentice Hall (2005)
Electromagnética
Radiación
¿Cómo Funcionan?
http://www.fao.org/DOCREP/003/T0355S/T0355S02.htm
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¿Cómo Funcionan?
Radiación térmica
I (λ , T ) =
8πhcε
1
λ5
e hc / λkT − 1
Ley de distribución espectral de Planck
λmax =
u
T
Ley de Wien para el máximo de emisión
La parte del espectro correspondiente al infrarrojo, es donde todo cuerpo emite radiación
térmica (también se emite en las otras partes del espectro, pero con una intensidad tan
pequeña que se vuelve imperceptible).
Todos los objetos emiten radiación infrarroja dependiendo de la temperatura a la que se
encuentren. Mientras más caliente está un objeto, mayor intensidad emitirá y la longitud de
onda donde se emite el máximo de radiación se irá haciendo más pequeña (esto está descrito
por las Leyes de Wien y de Planck).
La figura de la derecha muestra un ejemplo que clarifica esto. Se muestra una barra de metal
calentada por un inductor en forma de espiral. La parte de la barra que está fuera del inductor,
está fuera del efecto calentador y por esto luce del color del metal. A medida que nos
acercamos a la parte de la barra que está siendo calentada el color de la barra va cambiando
a rojo y luego a amarillo, es decir su longitud de onda va disminuyendo. La barra no cambia de
color, ella sigue siento plateada, pero comienza a EMITIR radiación de calor, una parte de la
cual cae en el espectro visible.
Una taza de café caliente emite radiación térmica. Esa radiación no la podemos detectar con
los ojos porque tiene una longitud de onda menor que el espectro visible, sin embargo la
podemos sentir con la mano sin necesidad de tocar la taza. Si la taza la metiéramos dentro de
un horno y la llevásemos a mil grados de temperatura, entonces veríamos que se torna roja o
amarilla (suponiendo que el material de la taza soporte esas temperaturas, el café claramente
se vaporizaría).
10
Intensidad
Visible
IR Cercano
IR Corto
IR Medio
IR Lejano
0.3- 0.7
0.7- 1.1
1
1.12.5
2.5- 7
7-15
3000
250
0,8
2500
200
0,6
0,4
150
2000
1450°C
0,2
100
1500
0
1000
1450 °C
5
10
15
0
0
500
700°C
0
50
5
10
15
0
0
5
10
15
Longitud de onda (micras)
Un objeto puede emitir radiación por varías razones. Por ejemplo los materiales radiactivos
que espontáneamente emiten radiación (en ese caso de rayox X o gamma). Planck derivó una
expresión para la RADIACIÓN TÉRMICA de un objeto, entendida como la radiación que emite
el objeto debido única y exclusivamente a su temperatura. Esa expresión es la que aparece en
la diapositiva anterior, i da la intensidad radiada en función de la temperatura T, de la longitud
de onda emitida λ, y de unas constantes fundamentales como la velocidad de la luz c, la
constante de Boltzmann k y la constate de Planck h.
El espectro infrarrojo se subdivide en el infrarrojo cercano, el infrarrojo corto, el infrarrojo
medio y el infrarrojo lejano. De todas estas subdivisiones, la que se usa en cámaras térmicas
bomberiles es el infrarrojo lejano. Esto es así por dos razones principales: por un lado, la
mayoría de las emisiones de objetos con temperaturas entre 20 y 2000 grados centígrados
caen dentro del IR lejano, y que las demás subdivisiones no pueden penetrar el humo tan
fácilmente.
La expresión de Planck para la intensidad de la radiación térmica se grafica en la dispositiva
para tres diferentes temperaturas típicas de un incendio (fuego ≈ 1500 °C, gases calientes ≈
700 °C y cosas como los humanos ≈ 50 °C). Como se verá, la diferencia en intensidad
producida es de varios órdenes de magnitud. Ese contraste es el que permite diferencia
claramente una víctima o una fuente de calor, del resto de la imagen. Véase que la intensidad
que cae en la zona del IR lejano, es siempre importante, a diferencia de la que cae en el IR
cercano o corto, donde a temperaturas como la de los humanos prácticamente no hay
emisión. Es decir, si una cámara detectara el espectro IR cercano o corto, no podría ver
humanos. Véase además como el pico de intensidad (la longitud de onda a la cual la emisión
es máxima) se corre hacia valores más pequeños a medida que aumenta la temperatura. El
sol, cuya corona está a más de 3000 °C tiene el pico de emisión en el rango visible.
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Una Cámara Térmica básicamente:
Detecta radiación IR
/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
Traduce los
diferentes
valores
detectados en
una imagen
Una cámara térmica entonces es un dispositivo que es capaz de detectar la
radiación térmica emitida por una escena y luego traducir los diferentes
valores a una imagen.
Podría traducirse el valor simplemente a un sonido, y que cuando la cámara
viese algo a mucha temperatura, emitiera una alarma. Esto no sería muy útil.
Generalmente, por simplicidad se usa una imagen en escala de grises, con el
blanco correspondiendo a objetos a mayor temperatura, y el negro a objetos a
menor temperatura. La elección podría ser al revés, pero se usa esa
convención.
Si el proceso de “traducción” es más complejo, entonces se pueden usar
colores. En esos casos se suele usar el rojo para las zonas más calientes y el
azul para las más frías (esto es paradójico porque en la realidad, un objeto
emitiendo en el azul está a mucha más temperatura que un objeto emitiendo
en el rojo, recuérdese que la Ley de Wien predice que la longitud de onda del
máximo de emisión disminuye al aumentar la temperatura).
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¿Cómo Funcionan?
Lente
(Germanio)
Detector
Pantalla
Señal eléctrica
/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
Ondas IR
Procesador
Los componentes básicos de una cámara térmica son:
Lente: como en toda cámara, es necesario lente que enfoque los rayos de
radiación IR sobre el detector. En este caso, el lente no es de vidrio, pues este
material es opaco a la radiación IR. Suelen fabricarse de germanio. Haciendo
una analogía con la visión, el lente sería como el cristalino del ojo.
Detector: es la pieza fundamental, que detecta la radiación IR y la convierte
en una señal eléctrica. Hay diferentes tipos de detectores, los más usados en
cámaras bomberiles son los de BST y los microbolómetros. Estos sensores
son construidos a partir de semiconductores. En algunas cámaras no
bomberiles, o algunas usadas en detección remota (ver diapositiva XX), es
necesario enfriar los detectores a temperaturas bajas para mejorar su
sensibilidad (para esto se usan gases licuados como nitrógeno o helio).
Haciendo una analogía con la visión, el detector sería como los conos del ojo,
que transforman la luz visible en una señal eléctrica que sale por el nervio
óptico.
Procesador: es básicamente una pequeña computadora que interpreta la
señal enviada por el detector y la transforma en otra señal apta para ser
utilizada en una pantalla. En el caso de la visión el procesador sería el
cerebro, quien interpreta la señal eléctrica del nervio óptico y la aprecia como
una imagen.
13
14
ε es típico del material
La masa y la densidad de los objetos determinan
su capacidad de emitir radiación IR
Tomado de http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
Cuando observamos una imagen en una cámara térmica, lo que importa es
únicamente la temperatura del objeto. Sin embargo, diferentes materiales
tienen pequeñas diferencias en la emisividad ε, por lo que ligeramente
podemos diferenciar la revista de la mesa.
A veces se observa la formación de un halo negro alrededor de los cuerpos
calientes. Esto suele corregirse con el
15
Tipos de emisores de
radiación IR:
Emisores de fuente directa
Emisores activos
Emisores pasivos
*
*http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
En el servicio bomberil, las cámaras se utilizan principalmente en ambientes
con altas temperaturas, a diferencia del uso industrial o de seguridad.
Se puede hablar de tres tipos de emisores de energía infrarrojo, los cuales
dan una idea de cómo las características de un objeto influyen en la imagen
que se observa en la pantalla de una CT.
Los EMISORES DE FUENTE DIRECTA son los que emiten la mayor cantidad
de energía térmica y se pueden detectar fácilmente con una CT. El fuego, los
gases calientes y los objetos que se han calentado intensamente debido a la
acción del fuego son ejemplos de este tipo de emisores.
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Tipos de emisores de
radiación IR:
Emisores de fuente directa
*
Emisores activos
Emisores pasivos
*http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
Los EMISORES ACTIVOS son aquellos que generan su propia radiación
térmica, pero en menor medida que los emisores de fuente directa. Por
ejemplo los humanos y los animales. Estos objetos pueden ser enmascarados
por ejemplo por la ropa, el equipo de protección y los escombros.
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Tipos de emisores de
radiación IR:
Emisores de fuente directa
*
Emisores activos
Emisores pasivos
*http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
Los EMISORES PASIVOS son objetos inanimados cuya temperatura depende
del ambiente que los rodea y del tiempo de exposición al fuego. Las leyes de
la física nos dicen que el calor siempre fluye hacia los objetos fríos, hasta que
el objeto y el ambiente tengan la misma temperatura. Los emisores pasivos
absorben calor de esta manera. El sofá de la imagen, las paredes y el piso, no
se diferencian tanto entre sí como entre ellos y la ventana, que al recibir luz
solar se vuelve un emisor de fuente directa.
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Inversión térmica:
Todo
depende del
contraste
*
(No todo
cuerpo
blanco es
una víctima)
*http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
Dependiendo de la temperatura global de lo que se esté observando con una
CT, puede ocurrir lo que se conoce como INVERSIÓN TÉRMICA: que
emisores activos (cuya imagen típicamente es blanca) se vuelvan negros.
Esto sucede debido a que la temperatura de los objetos que rodean al emisor
activo es tan alta, que su imagen se vuelve oscura respecto a lo demás. El
bombero del centro de la imagen, al estar dentro de una habitación llena de
gases calientes, aparece como negro. Sus compañeros en la habitación
continua se ven más claros, sin embargo no llegan a verse blancos pues se
combinan dos factores: la inversión térmica y el apantallamiento por el equipo
de protección personal (que es un emisor pasivo).
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Penetración:
Vidrio: IR no lo penetra.
Vidrio caliente emite IR
*
Agua: IR no la penetra, a
menos que sea vapor
Neblina: IR puede o no
penetrarla
*http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
Así como la luz visible es bloqueada por objetos como una pared, pero puede
penetrar un trozo de vidrio, la radiación IR penetra algunos medios y otros no.
El vidrio NO ES TRANSPARENTE PARA LA RADIACIÓN IR, por lo que no se
puede ver a través de una ventana con una CT. Sin embargo el vidrio caliente,
emitirá radiación térmica.
El agua tampoco es transparente a la radiación IR. Véase el chorro liso de la
figura central como aparece negro en la imagen, teniendo detrás objetos que
emiten intensamente. Aunque un chorro liso no puede ser penetrado, puede
haber algo de penetración en el vapor de agua.
Un chorro de neblina puede o no ser atravesado por la radiación IR,
dependiendo del tamaño de sus gotas. Un estudio del efecto de chorros de
agua (por ejemplo de rociadores) se puede encontrar en [1].
[1] John F. Widmann y Jason Duchez. The effect of water sprays on fire fighter
thermal imagers. Fire Safety Journal 39, 217–238 (2004).
20
Penetración:
Humo: SI
Humo (partículas suspendidas)
Atraviesa el
humo
IR
Luz visible
Es dispersada
por las
partí
partículas
*http://thermalimager.bullard.com/training/presentations.cfm
El humo si es atravesado por la radiación IR, de hecho esa es la ventaja
principal que tiene esta última para que sea usada por los cuerpos de
bomberos. El humo está formado por partículas suspendidas producto de la
combustión. El tamaño típico de esas partículas es muy similar a la longitud
de onda de la luz visible. Por esta razón las ondas de luz chocan con las
partículas siendo dispersadas por ellas. La radiación térmica detectada por las
CT, tiene una longitud de onda mayor al tamaño típico de las partículas de
humo, por lo que puede atravesarlo sin interactuar con ellas.
Sin embargo, el humo suele estar caliente. En ese caso el humo producirá su
propia radiación IR, que dependiendo de la temperatura podrá ser más
intensa que la que lo atraviesa (pasaría entonces como los vidrios ahumados
de los vehículos, donde la luz que reflejan es más intensa que la luz que viene
de adentro del carro).
También es bueno precisar que no toda la radiación IR es capaz de atravesar
el humo. Sólo la radiación del IR lejano lo logra. El infrarrojo medio y el
cercano tienen longitudes de onda comparables al tamaño de las partículas de
humo, por lo que son dispersadas por estas.
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¿Cómo Funcionan?
Partes de una cámara
Debido a las fuertes exigencias del uso bomberil, no sólo basta con tener un
detector sin necesidad de enfriamiento, suficientemente pequeño. La cámara
debe ser capaz de soportar altas temperaturas, golpes, agua entre otros
factores de desgaste.
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Una cosa es Visión Infraroja y otra Visión
Nocturna
– VN amplifica laluz visible existente
– VI detecta radiación IR sin importar las condiciones
de luz
Visión nocturna
Detector
IR
Infrared
Detector
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Detección
remota
http://fire.feric.ca/36152002/WorkshopPresentation/Thomas.ppt
A la hora de combatir incendios forestales grandes, el esfuerzo es manejado
por Equipos Multitarea Interinstitucionales, que planean y ejecutan
operaciones tácticas (el ejemplo estadounidense es el National Wildfire
Coordinating Group http://www.nwcg.gov/). Imágenes infrarrojas suelen ser
adquiridas al comienzo de la noche, final de la tarde por analizadores lineales
montados en aviones o helicópteros, y luego son interpretados durante la
noche por un intérprete infrarrojo para obtener el perímetro del incendio. El
perímetro obtenido se pasa a mapas topográficos junto a información
concerniente a la ubicación de cortafuegos, zonas de seguridad, fuentes de
agua entre otros puntos de importancia. El mapa es presentado en las
reuniones preparativas matutinas a los grupos multitarea, quienes lo utilizan
para planear las operaciones del día.
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Las imágenes térmicas permiten definir el
perímetro del incendio y ubicar puntos
neurálgicos
La detección aérea remota tiene muchos usos.
En el área de operaciones tácticas, no sólo puede indicar la posición de focos, sino que
estudiando la radiancia, se pueden determinar las zonas donde haya comportamiento crítico
del fuego, para coordinar las prioridades en el combate y la seguridad de las operaciones
terrestres.
En el área de planificación estratégica, se usan para tratar de controlar el impacto de los
incendios en el medio ambiente, desarrollando políticas de control de combustibles. Las
imágenes térmicas permiten calcular las emanaciones y la pérdida de biomasa a través de
modelos.
La página del National Infrared Operations del servicio forestal de los Estados Unidos
(http://nirops.fs.fed.us/UASDemo/), es un buen sitio para darse una idea del estado del arte
respecto al uso de cámaras térmicas en operaciones de incendios forestales.
Algunas referencias sobre detección remota:
[1] Philip J. Riggan, Robert G. Tissell, Robert N. Lockwood, James A. Brass, Joao Antonio
Raposo Pereira, Heloisa S. Miranda, Antonio C. Miranda, Teresa Campos, And Robert
Higgins. Remote Measurement Of Energy And Carbon Flux From Wildfires In Brazil.
Ecological Applications, 14(3), 855–872 (2004).
[2] http://www.firemapper.com/
36
http://www.fireimaging.com/fires/2006/california/esperanza/299/geviewnortheast2.jpg
La información de las imágenes bidimensionales tomadas por las cámaras
térmicas es analizada y llevada a representaciones topográficas en 3D. La
información se coloca en internet, en servidores que permiten a los equipos
multitarea acceder a la información. Las imágenes no sólo son vistas en las
reuniones matutinas sino que pueden ser accesadas desde celulares o PDAs.
La fotografía mostrada corresponde al incendio de Esperanza, en el condado
Riverside, de California, USA, el 26 de octubre de 2006 a las
11:17
horas.
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