Cámaras térmicas para drones: todo lo que necesitas saber
Cámaras de Onda Larga en el IR
Tabla de contenidos
Ya sea que desee invertir en el uso de drones equipados con tecnología térmica para su negocio o que sea un piloto de drones, este artículo le enseñará qué es una cámara térmica, cómo se utilizan en la industria de los drones, qué cualidades debe buscar en una cámara térmica, y las cámaras térmicas para drones más populares que existen en la actualidad.
Así que comencemos.
1. TERMOGRAFÍA ¿QUÉ ES?
La termografía es una ciencia que permite determinar temperaturas a distancia y sin necesidad de contacto físico con el objeto analizado. Esto permite captar la radiación infrarroja del espectro electromagnético que se relaciona directamente con la temperatura del objeto a analizar, gracias a las cámaras termográficas.
2. TEORÍA DE LA TERMOGRAFÍA
La radiación infrarroja, o radiación IR es un tipo de radiación electromagnética, de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. Su rango de longitudes de onda va desde unos 0,7 hasta los 1000 micrómetros. A efecto prácticos, en esta publicación, nos quedaremos que las cámara térmicas son de Onda Larga (LWIR – Long Wave Infrared Radiation) que van desde los 8 a los 14 µm
Una cámara IR convierte la radiación infrarroja invisible que le llega al sensor en una imagen visible. La energía térmica (calor) del objeto de estudio, es cedido en forma de radiación desde éste a la cámara. Esta intensidad de radiación, pasa a través del sistema óptico (lente de germanio el cual le hace peculiar, y caro, al ser capaz de dejar pasar la radiación a través de él) y es tratada en el detector. El sistema electrónico amplifica la señal generada y esta es procesada y traducida en un valor numérico (digitalizado) para ser después mostrado como una imagen.
Resolución IR es el número de pixeles del detector FPA de la cámara (FPA: Focal Planning Área – Matriz de Plano Focal). Cuantos más pixeles tenga, más alta la resolución IR lo que significa que, a altas resoluciones comparadas con resoluciones más bajas, se pueden ver o medir detalles más pequeños a la misma distancia. O lo que es lo mismo: el objeto del mismo tamaño se puede ver o medir a una mayor distancia con una cámara de mayor resolución. Con una óptica dada, entre más alta sea la resolución IR, mejor será la imagen térmica, obviamente también son más caras.
Resolución Espacial según definición de la ISO 16714-3:2016(en) describe la habilidad de una cámara infrarroja para resolver objetos o detalles pequeños.
Sin entrar en detalles, es necesario conocer lo que son el FOV, IFOV, MFOV
FOV (Field Of View o Campo de Visión). Vendría a ser el número de pixeles totales de la cámara.
a = FOV horizontal b = FOV vertical
IFOV (Instantaneous Field Of View o campo instantáneo de visión)
IFOV es lo que ve “un solo pixel”, se define como el tamaño del detector proyectado a través de la lente sobre el objeto. Es una medición de ángulos que se expresa en miliradianes (mrad).
El IFOV varía con:
- Tamaño del detector (número de pixeles)
- Tipo de lente
- Distancia entre la cámara y el objetivo
La Resolución espacial requerida, depende del tamaño del objeto. Si un objeto es demasiado pequeño para crear una señal cuando su radiación golpea al detector, no podremos verlo.
MFOV, vendría a ser aquel en el que el objeto más pequeño a medir es aquel no solo que se vea, sino cuya temperatura se pueda medir bien.
Para medir con precisión, el objeto de medición debe ser 2 o 3 veces mayor que el objeto visible más pequeño. A efectos prácticos, se entiende el MFOV como todo lo que se encuentra en el interior del puntero de la cámara. Todo lo que este fuera, no será medido por el MFOV
3. CÁMARA TÉRMICA, ASPECTOS QUE HAY QUE TENER EN CUENTA
Gimbal
El gimbal proporciona dos elementos claves a la hora de tomar imágenes con un dron, por un lado es el medio de sujetar la cámara al dron y que no se caiga y por otro lado es el que mantiene estabilizada la cámara térmica mientras el dron vuela. Sin él, las imágenes del dron saldrían borrosas o movidas por un temblor constante.
Funcionalidad radiométrica
Las cámaras térmicas profesionales, proporcionan datos radiométricos que indican las temperaturas absolutas de los objetos en cada pixel. Esto es un detalle clave de estas cámaras. Cada pixel del FOV de una cámara térmica (Field Of View) y que no debería de ser inferior a 640×512 pixeles, cada uno de esos pixeles capta la radiación térmica que le llega al sensor y cada uno guarda su información térmica (que podrá ser procesado posteriormente) consiguiendo tener la temperatura real de cada pixel capturado. De esta manera, se obtienen lecturas precisas de temperatura. Si bien esto suena muy bien, no es del todo cierto. Para poder obtener lecturas reales y exactas de los objetos a medir, debe de haber unas compensaciones por la naturaleza del objeto, por las reflexiones que pueden y que existen del entorno, la temperatura ambiente, la distancia y otras consideraciones que no son aptas para un profano en la materia. Para ello hay que adquirir los conocimientos que se imparten desde organismos acreditados para ello y que formen a los pilotos como Termógrafos debidamente acreditados. El ITC (Infrared Training Center) es el organismo con más solvencia en la actualidad para adquirir estos conocimientos. Simplificándolo mucho, no se puede coger una cámara térmica, pulsar al botón guardar una imagen y decir: soy termógrafo. Va mucho más allá.
Distancia focal de la lente
La distancia focal proporciona el ángulo de visión y se mide en milímetros (mm). Cuanto más ancha sea la lente, menor será la distancia focal. Cuanto más estrecha sea la lente, mayor será la distancia focal. La mayoría de las cámaras térmicas para drones tienen distancias focales fijas de 13 o 19 mm.
Frecuencia de transmisión
Las cámaras térmicas generalmente transmiten imágenes a una frecuencia de 9 o 30 Hertz (Hz) al controlador. Solo tiene que saber que a 9 Hz, los videos darán como resultado una transmisión de video más entrecortada en comparación con las cámaras de 30 Hz que será más fluida.
4. APLICACIONES MÁS COMUNES PARA EL USO DE DRONES TÉRMICOS
4.1 Extinción de Incendios
Los drones con cámaras térmicas, pueden detectar rápidamente tanto pequeños incendios localizados como forestales e identificar sus puntos más calientes. Tienen la capacidad de ver a través del humo y las malas condiciones de iluminación. Y después de un incendio, los drones pueden proporcionar evaluaciones de los daños producidos. Todo esto ayuda a mantener a los bomberos fuera de peligro tanto como sea posible y localizar los puntos donde es necesario trabajar.
4.2. Inspecciones de líneas eléctricas
Con la ayuda de sensores térmicos, los drones pueden detectar problemas eléctricos en las líneas eléctricas. Esto no solo proporciona datos de inspección altamente precisos a una fracción del coste tradicional de de este trabajo, sino que también permite que los operarios que trabajan en este tipo de instalaciones permanezcan en el suelo fuera de peligro mientras se inspecciona la zona deseada.
4.3. Inspecciones en fachadas y azoteas
Desde casas residenciales hasta grandes edificios comerciales, las azoteas de los mismos necesitan una inspección frecuente para detectar anomalías o defectos de construcción como fugas de calor. Las cámaras térmicas instaladas en drones, gracias a la perspectiva, pueden ayudar a detectarlos para asegurarse de que las azoteas se mantengan térmicamente operacionales.
4.4. Búsqueda y rescate
Los drones pueden ayudar a localizar a las personas desaparecidas al detectar su calor corporal. Pueden ayudar a las fuerzas del orden recopilando inteligencia en tiempo real tanto sobre las víctimas como sobre los delincuentes. No solo pueden desplegarse más rápidamente que un equipo de tierra tradicional, sino que también pueden cubrir grandes cantidades de tierra volando a velocidades de hasta 100 km/h desde cien metros de altura. De esta manera, puede reducir drásticamente el tiempo que lleva realizar misiones de búsqueda y rescate satisfactorias.
4.5. Inspecciones en Plantas Solares
Los drones equipados con cámaras térmicas, pueden inspeccionar plantas solares para asegurarse de que funcionan con la máxima eficiencia. Al ser capaces de distinguir cambios de temperatura en una superficie, pueden detectar fácilmente las diferentes tipos de anomalías que aparecen en este tipo de instalaciones y que deben corregirse si no se quiere perder dinero con la inversión realizada por un mal funcionamiento. Realizar esto, un mantenimiento térmico por medio de drones, repercute en un ahorro económico y garantiza los recursos de sus propietarios a largo plazo y les ayuda a aprovechar al máximo las condiciones de las garantías de los paneles solares si estas fueran necesarias.
A medida que los drones térmicos continúen desarrollándose, veremos que cada vez más industrias los usan con este propósito. Sea cual sea su negocio, probablemente haya al menos una forma en que podría beneficiarse de esta tecnología.
5. CÁMARA TÉRMICA
5.1. Valor/Rango de temperatura a medir
La temperatura más alta y más baja que se requiere medir, determinan el rango de temperatura que necesita la cámara termográfica. El rango es el conjunto de temperaturas que la cámara es capaz de medir.
Es muy importante antes de comprar una cámara termográfica, conocer primero el rango de temperaturas que nos vamos a encontrar en nuestra aplicación y que necesitamos medir.
5.2. Rango espectral
El rango espectral es el rango de longitudes de onda que detecta el sensor de la cámara termográfica.
El rango espectral es un factor importante a considerar cuando seleccionamos una cámara termográfica y estará en función del material objetivo y de su emisividad. La emisividad es el parámetro que determina la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u objeto debido a su temperatura.
Las cámaras industriales suelen estar catalogadas en tres tipos:
LWIR (infrarrojo lejano) 8 – 14 μm para medidas de temperatura “bajas” entre -50°C y 900°C (excepcionalmente hasta 1500°C)
NIR (infrarrojo cercano) 0,7 – 1,4 μm para medidas de temperaturas elevadas (450°C hasta 2450°C)
MWIR (infrarrojo medio) 3 – 5 μm para medición de temperaturas bajas e intermedias con elevada precisión (la gran mayoría refrigeradas y de coste elevado)
Todas las cámaras térmicas para drones son LWIR o de Onda Larga.
5.3. Sensibilidad (NETD)
La sensibilidad térmica (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD) equivale al menor diferencial en temperatura capaz de medir la cámara sin ser atribuido a ruido propio. La sensibilidad térmica viene a ser el equivalente a la resolución térmica de la cámara termográfica (es el valor mínimo de medición entre dos temperaturas consecutivas). Usualmente medido a 30 ºC.
Cuanto más sensible sea el detector (NETD más baja), más sutiles serán los detalles de temperatura que mostrará la imagen térmica.
Las cámaras termográficas convencionales tienen un NETD entre 80mK y 100mK, mientras que las cámaras de mayor sensibilidad pueden estar en 40mK, incluso 10mK en términos industriales. Estos datos suelen venir en las especificaciones técnicas de las cámara y en su Certificado de Calibración. Necesario para cumplir la norma del IEC-62446-3
5.4. Resolución
Cuanto mayor sea la resolución de la cámara térmica, más píxeles habrá en cada imagen, que repercutirá en la definición de las imágenes a capturar. La resolución óptima de una cámara térmica para drones, debe der ser de: 640×512 pixeles. Una resolución menor, tendría una pérdida de información térmica importante puesto que cuanto mayor sea la resolución del detector, mayor será la nitidez y precisión de cada punto individual de la imagen, lo que permitirá efectuar mediciones más precisas y tomar mejores decisiones.
Las cámaras termográficas con mayor resolución pueden medir objetivos más pequeños a una mayor distancia y crear termografías más nítidas, de manera que se realizan mediciones más precisas y fiables.
5.5. Óptica/Campo de Visión FOV (Field of View)
El campo de visión (FOV) está determinado por la lente de la cámara termográfica y se refiere a la extensión de la escena que la cámara puede capturar. Cuanto mayor sea el campo de visión, mayor es la superficie o el espacio que se puede capturar con la cámara. Viene relacionado con la resolución de la cámara que en drones ya hemos comentado debe de ser de 640×512 pixeles.
5.6. Lentes (enfoque)
A la hora de capturar imágenes térmicas, disponer de un enfoque preciso significa, no sólamente obtener una imagen nítida, sino realizar la medición de temperatura de manera fiable.
Algunas cámaras termográficas pueden estar disponibles con múltiples lentes para diferentes tipos de aplicaciones. Una cámara que permite cambiar la lente aumenta su versatilidad.
Representación de dos lentes, una de 15º y otra de 25º
Conociendo la distancia a la que va a volar el dron y el tamaño del detalle más pequeño que queremos medir en la escena, podemos identificar la óptica idónea para nuestra aplicación.
5.7. Emisividad y Temperatura aparente reflejada
La radiación registrada por la cámara termográfica se compone de la radiación de onda larga emitida, reflejada y transmitida proveniente de los objetos presentes en el campo de visión de la cámara.
ε: Emisividad ρ: Reflexión τ: Transmisión
La radiación que le llegará al sensor es la suma de ambas y se puede dar en tanto por uno o en tanto por ciento (también conocida como ley kirchhoff.
ε + ρ + τ = 1
Dado que en la práctica la transmisión juega un papel despreciable en objetos sólidos, la variable τ se omite en la fórmula que se simplifica a:
ε + ρ = 1
Emisividad (ε)
• El parámetro de «emisividad» describe que tan bien la superficie del objeto emite radiación infrarroja.
• La emisividad correcta debe ser ingresada por el operador.
• Una emisividad incorrecta dará mediciones incorrectas.
Temperatura Aparente Reflejada (Trefl)
• Todo objeto emite radiación.
• El objetivo actúa parcialmente como un espejo, siempre reflejará alguna radiación de su entorno en la cámara.
• Esta radiación, es conocida como “Temperatura aparente reflejada”
• Si ingresa este parámetro de forma incorrecta, la temperatura medida, será también incorrecta.
Debido a ello es fundamental ingresar estos dos valores de ε y Trefl en la cámara antes de realizar una inspección termográfica. Circunstancia que muchas que se montan en drones, no cumplen.
5.8.Certificado de calibración
Una cámara IR radiométrica debe venir con su certificado de calibración para justificar que las temperaturas medidas están dentro de la precisión de la cámara o el error absoluto que tiene a la hora de hacer una medición de la temperatura de un objeto. Éste se puede encontrar en las especificaciones de la cámara y que debería de ser ±1-2% de la lectura, o ±1-2 ºC.
¿Y qué es esto del certificado de calibración?
La respuesta es que a una cámara térmica en laboratorio le van haciendo distintas mediciones de temperatura cuando enfocan a cuerpos negros de temperaturas conocidas y se van añadiendo en una curva las intensidades de radiación que van midiendo a la diferentes temperaturas que se les somete a los cuerpos negros en dicho laboratorio. Una vez completada la curva con la lente elegida en la cámara, se cargan estas curvas en la cámara para que cuando vaya a medir la temperatura de un objeto, al recibir su intensidad de radiación, esta interpreta la temperatura que tiene y le asocie el gradiente de color que haya elegido el termógrafo en la paleta correspondiente. Este certificado que debería de suministrar la marca de la cámara, es lo que justifica que las temperaturas que demos en los informes como termógrafos sean fidedignas y no orientativas.
