ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE TERMOGRAFIA ACTIVA Y PATRONES DE SPECKLE PARA LA MEDIDA DE HUMEDAD EN

MADERAF J Madruga*, S Sfarra**, S Perilli**, E Pivarčiová***, J. M López-Higuera*

* Photonic Engineering Group- Universidad de Cantabria, Department TEISA, Plaza de la ciencia s/n 39005, Santander (Cantabria) España, francisco.madruga@unican.es

** Las.E.R. Laboratory, Department of Industrial and Information Engineering and Economics, University of L’Aquila, Piazzale E. Pontieri, no. 1, I-67100, L’Aquila (AQ), Italy, stefano.sfarra@univaq.it

** Faculty of Environmental and Technology Manufacturing, Technical University in Zvolen, Ul. T.G. Masaryka 2174/24, 960 53, Zvolen, Slovakia, jozef.cernecky@tuzvo.sk

ResumenLa relación entre la madera y su grado de humedad es uno de los más importantes aspectos para su uso en construcción y rehabilitación. La madera presenta un comportamiento similar a una esponja por lo que la humedad se relaciona con la dilatación y contracción de este material. La evaluación no destructiva de la cantidad de humedad en madera permite delimitar rehabilitaciones de edificios o muestras históricas, así como cuantificar la calidad de capas protectoras a base de silicatos usadas por los rehabilitadores. En esta comunicación se presenta un estudio comparativo de dos métodos sin contacto para este cometido. Usando termografía activa se determinan parámetros térmicos de la madera relacionados con la cantidad de agua que contiene. El patrón de interferencia de Speckle se utiliza para cuantificar la expansión y contracción de la madera y que se puede relacionar con la cantidad de agua. Para el estudio se han utilizado 27 muestras de madera donde se ha introducido de forma controlada cantidades de agua. Aplicando procesados a los termogramas e imágenes capturadas se determinan la relación entre el contenido de agua en la madera y el parámetro que lo relaciona en estas técnicas.

IntroducciónUno de los más importantes aspectos para el uso de madera en construcción y restauración es la relación de la madera y la humedad. La madera es higroscópica, lo que significa que la madera se comporta como una esponja ganando o perdiendo humedad desde el aire según las condiciones ambientales del entorno. Esta ganancia y perdida de humedad provoca también que la madera se dilata o contraiga de acuerdo con los cambios de humedad que sufra.

Durante los primeros años del siglo XXI, algunas de las técnicas termográficas aplicadas al estudio de edificaciones de mampostería fueron aplicadas e a la inspección de edificios de madera en Norteamérica. La medida de la cantidad de humedad o contenido de agua en un punto de la zona analizada provee información del área entera.

La termografía infrarroja es una técnica de Ensayos No Destructivos (NDT) que presenta ventajas como como su rapidez de inspección, sin contacto, más segura para el operador y además de poseer nichos exclusivos de aplicación presentan también una gran amigabilidad al estar basado en imagen y una serie de problemas asociados como la dificultad de homogeneizar las excitaciones, control de los variados mecanismos de transferencia de calor o respuestas mecánicas. Esta técnica se complementa en un gran número de aplicaciones con la metrología usando patrones de luz estructurada (speckle)

con la que comparte su velocidad de inspección, ser sin contacto, segura por no utilizar radiaciones ionizantes y también una amigabilidad por representarse en forma de imagen de modo muy intuitivo. En el presente trabajo se presentan estudio de las medidas realizadas utilizado las dos técnicas propuestas, así como las técnicas de preprocesado, procesado

Descripción del montaje Se montó un sistema de medida dual speckle interferencia y termografía activa con excitación tipo step heating. El sistema fue aplicado a la medida de muestras de madera generadas con diferentes orientaciones de sus fibras naturales suministradas por el centro de materiales de Technical University de Zvolen en Eslovaquia. El sistema dual está formado por un láser de luz roja de 660 nm y 100 mW de potencia, un sistema de espejos que guían esta luz. hasta un cristal esmerado que provoca un guiado multidireccional del láser y que termina con una proyección de un patrón de speckle sobre la muestra que es capturado con una cámara Canon SX monocroma con un filtro paso banda centrado en 660nm y con una anchura de 10 nm. Por el otro lado se tiene un cámara térmico FLIR S65 y dos focos de 250W cada uno para conseguir una excitación lo más homogénea posible sobre la muestra. Todo el montaje se controla utilizando dos ordenadores uno para cada conjunto cámara-excitación. Todo el montaje se muestra en la figura 1 remarcado la parte speckle en verde y la parte termográfica en azul.

Figura 1. Montaje realizado para la medida del sistemaSe han construido 27 especímenes con forma de paralepípedo ortoedro con dos lados iguales de valor 20 mm y un lado desigual de valor 50 mm. Los especímenes se han fabricado con fibras de madera alineadas al azar.

Los especímenes pesan cada uno unos 30gr y se ubican dentro de un soporte que tiene en la parte superior un conducto por donde introducimos el agua. Cada espécimen va a ser medido en seco y posteriormente introducimos 3ml de agua tras cada medida hasta introducir 3cl en total considerando este valor el 100% de contenido de agua.

Una vez puesto el espécimen y añadido el agua a través del conducto del soporte se captura un total de 190 imágenes visibles, en un ciclo que comprenderá 10 imágenes

visibles sin ninguna excitación o imágenes de background, 60 imágenes visibles con el láser proyectado, 50 imágenes con el láser proyectado durante el calentamiento (estas imágenes aparecerán cegadas por los focos de excitación térmica) y 70 imágenes con el laser proyectado durante el enfriamiento de la muestra y 130 termogramas (10 de background, 50 de calentamiento y 70 de enfriamiento)

Medidas termográficas La determinación del contenido de agua usando la termografia infrarroja se basa en la técnica activa del step heating. La muestra se calienta durante 500 segundos para cada una de las medidas capturando un termograma cada 10 s. Durante 700 segundos la secuencia de termogramas de enfriamiento.Usando la expresión de la evolución de la temperatura (T(t)) en la superficie del paralepipedo en el caso de flujo de calor constant (Q) se puede calcular el parámetro m definido comoError: Reference source not found:

m=T ( t )−T i

√ t=2 ·Q

√ π·(√k·ρ·Cp )−1

(1)Donde k es la conductividad termica, es la densidad y Cp es el calor especifico, el contenido de agua afecta a la capacidad teérmica de los materiales. La difusión de agua dentro de las fibras de madera incrementa el calor especifico, la conductividad y la densidad de los materiales, por lo que dicha difusión puede ser cuantificada utilizando el parámetro m definido en la Eq. (1).

Medidas del patrón de speckle Para la determinación del contenido de agua usando el patron de speckle se pueden utilizar diferentes técnicas de contraste (2). La utilizada en este trabajo es la técnica photothermal speckle modution (PSM) (3). Una secuencia de 60 specklegramas en un tiempo de 600s se obtiene en cada difusión de agua. Ta obtención del parámetro PSM de la secuencia del termograma se obtiene según el esquema presentado en la figura 2

Figura 2. Obtención del parámetro PSM.El parámetro PSM se obtiene de la secuencia de specklegramas como sigue:

1. La transformada rápida de Fourier(FFT) se aplica a cada pixel de la secuencia individualmente.

2. El espectro de la FFT para cada pixel se promedia con todos los pixeles resultando en el espectro PSM de la secuencia de specklegramas.

3. El espectro PSM presenta valores de interés a baja frecuencia porque la difusión del agua es lenta. El valor de menor frecuencia obtenido se puede correlar con la difusión del agua La figura 3 muestra cómo se produce esa variación cuando cambia el contenido del agua. La componente de frecuencia 1/600 Hz es la seleccionada. Esta frecuencia se puede bajar aumentando la ventana de visión.

Figura 3. Parámetro PFM (amplitud de la primera frecuencia del espectro promediado).

Resultados obtenidosLos resultados (figura 4) muestran que la técnica de PSM con Speckle permite modelar el contenido de agua pero las medidas obtenidas desde la termografía no presentan precisión con el contenido de agua.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Water content(W%)

0.5

1

1.5

2

2.5

M p

aram

eter

Samples No Coating

Figura 4. Resultados que correlan el contenido de agua a los dos parámetros seleccionado para la medida.

Conclusiones

Se ha presentado un estudio comparativo entre dos técnicas no destructivas para poder medir el contenido de agua en probetas construidas con fibras de madera. El método basado en termografía activa step heating y el calculo de un parámetro m relacionado con las propiedades de densidad, conductividad térmica y calor especifico presenta una mala adecuación en valores de contenido de agua por debajo del 50%.

En el método basado en el patrón de speckle se ha utilizado la técnica photothermal speckle modution (PSM) que aunque presenta un comportamiento no lineal permite modelar el contenido de agua de la muestra utilizada.

Referencias(1) N. Ludwig, V. Redaelli, E. Rosina, F. Augelli, Moisture detection in wood and

plaster by IR thermography. Infrared Physics & Technology 46, 2004.

(2) M. Draijer, E. Hordebrink, T. Van Leeuwen, W. Steenbergen “ Review of laser speckle contrast techniques for visualizing tissue perfusion” Laser Medical Science 24, 639-651 2009,

(3) A. Stolyarov, R. Sullenberger, D. Crompton, T. Jeys, B. Saar, and W. Herzog, "Photothermal speckle modulation for noncontact materials characterization," Opt. Lett. 40, 5786-5789 2015