Métodos Experimentais em Energia e Ambiente
Termografia IV (capa) TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA
Ana Isabel Aldeias
Sumário
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Introdução Conceitos Básicos Sis isttemas de Termografia IV Cond Co ndic icio iona nant ntes es fí físi sica cass e te tecn cnol ológ ógic icas as Apliliccações da da Te Termografia IV Vantagens
Sumário
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Introdução Conceitos Básicos Sis isttemas de Termografia IV Cond Co ndic icio iona nant ntes es fí físi sica cass e te tecn cnol ológ ógic icas as Apliliccações da da Te Termografia IV Vantagens
Introdução O que é a termografia infravermelha? •
Ext xte ensã são o da da vi visã são o hu humana at através do do es espect ctrro infravermelho. • Qu Qual alqu quer er cor corpo po em emititem em ra radi diaçã ação o tér térmi mica ca po porr se se enc encon ontr trar arem em a uma temperatura superior ao zero absoluto. • Os si siste stema mass de de ter termo mogr graf afia ia IV ca capt ptam am a rad radia iação ção té térm rmica ica e convertem-na em imagem que representa a distribuição de de temperatura superficial desse corpo.
Conceitos Básicos I Baseia-se na transmissão de calor por radiação Termografia pode ser: i) intrusiva: • contacto com o objecto a medir • a medição de temperatura em objectos móveis é difícil • tempo de resposta: segundos
ii) não-intrusiva:
• não há contacto com o objecto a medir • a medição de temperatura em objectos móveis é fácil • tempo de resposta: µs
Conceitos Básicos II Princípios de Radiação: • Transmissão de energia na forma de onda electromagnética caracterizada por um certo comprimento de onda, λ, capaz de interagir com meios distintos. • O espectro electromagnético está dividido em bandas, delimitadas em função do comprimento de onda, traduzindo as características físicas das fontes emissoras. Raios X 1,E-06
1,E-04
U. V.
Visível
1,E-02
1
0.4 mm
I.V.
Microondas
100
0.75 mm
1,E+04
Ondas de rádio 1,E+06
,
m
100 mm
Radiação Térmic a
A zona de trabalho da termografia é o IV. É nesta zona que é produzida a radiação térmica dos objectos nas temperaturas. V i s ív e l 0 .3 5
I V P r ó x im o 0 .7 5
I V M é d io 1 .5
I V E x tr em o 20
100 0
, m
Conceitos Básicos III Lei de Stefan-Boltzmann: A radiação total emitida por um corpo, em condições ideais, é só função de T e obtém-se integrando a fórmula de Plank ao longo de comprimentos de onda
wb
4
.T
= σ
W : radiação total emitida [ W / m2 ] σ: constante de Boltzman [ 5.8 x10-8 m-2 K-4 ] T : temperatura [ K ]
Conceitos Básicos IV Radiação de corpos reais: Eo : energia emitida Er : energia reflectida Et : energia transmitida : emissividade : coef. de reflexão : coef. transmissibilidade
Condição de equilíbrio: Eo + Er + Et = Ei
+
+ =1
Conceitos Básicos V Radiação de corpos reais (cont): Um corpo real tem uma emissão dada por:
wb • • •
= σ ⋅ ε ⋅
Corpo negro: Espelho perfeito: Corpo transparente:
4
T
ε =
1 ;
ρ = τ =
0
ρ =
1 ;
ε = τ =
0
τ =
1 ;
ε = ρ =
0
Valores típicos de emissividade: Materiais Cobre Aço Alumínio em bruto Alumínio oxidado Alumínio polido Cimento Plástico branco Plástico negro Papel Branco Pele Humana Madeira
Temperatura 100 100
20 32 20
Emissividade 0,05 0,07 0,68 0,85 0,1 0,95 0,84 0,95 0,07-0,9 0,98 0,9
Conceitos Básicos VI • Comprimento de onda, λ
• Ângulo de incidência,
• Temperatura
Não metais
Metais
Conceitos Básicos VII Transmissão espectral da atmosfera: Na maior parte das aplicações da termografia IV, a radiação atravessa a atmosfera antes de chegar ao sensor. A atmosfera, não sendo transparente à radiação infravermelha, as suas características de transmissão dependem de factores como o comprimento de onda.
SWB
LWB
zonas de transmissão mais elevada
Escolha da banda Onda larga Onda curta
Temperatura baixa Temperatura alta
Tendo apenas em conta a distribuição espectral da energia
Caracterização de um sistema termográfico Sensibilidade:
Menor diferença de temperatura que pode ser medida ou detectada: NETD ( Noise Equivalent Temperature Difference) MDT ( Minimum Detectable Temperature )
Resolução Geométrica:
Dimensão do objecto mais pequeno que o sistema é capaz de detectar: SRF ( Slit Response Function ) MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference)
Classificação dos Sistemas de Termografia I.V. Pontuais - Pirómetros IR
Medida de temperatura num ponto Equipamentos fixos e portáteis
Lineares - Scanners de linha
Obtenção de perfis de temperatura Combinados com deslocamento, permitem obter mapas térmicos
Superficiais - Câmaras termográficas
Sistemas de formação de imagens térmicas Distribuição da temperatura superficial em tempo real
Medidores Pontuais vs. Scanners de Linha Medidores Pontuais • Valor médio da temperatura
Scanners de Linha: • Perfil de temperatura ao longo de uma lin
• Gama de funcionamento:
• Gama de funcionamento:
Onda larga – 8 a 13µm
Onda larga – 8 a 13µm Onda curta – 3 a 5µm
• Detectores MCT (Mercúrio-Cádmio-Telúrio) com refrigeração termoeléctrica (efeito de Peltier)
• Elemento sensor tipo termopilha sem refrigeração
Câmaras Termográficas I Proporcionam imagens térmica em escalas de cores ou níveis de cinzento
Permitem que se efectuem medidas e/ou análises sobre a própria imagem
Existem dois tipos de sistemas para a formação de imagem: o sistema de varrimento o sistema FPA (focal plane array)
Câmaras Termográficas II Caracterização das câmaras termográficas: Sistema FPA: Possui grande número de sensores que captam todos os pontos da imagem
Tempo de integração: 15ms
Composição típica dos sensores: PtSi
Sistema de varrimento: Formação da imagem: ponto a ponto através de um sistema de espelhos giratórios
Tempo de integração: 5ms
Sensores do tipo MCT (mercúrio-cádmio-telúrio)
Câmaras Termográficas III Alguma câmaras termográficas utilizam sistemas de refrigeração com o objectivo de: • aumentar a sensibilidade do sensor • minimizar a emissão do sensor Métodos de refrigeração: Azoto líquido
Termoeléctrico ( Efeito de Peltier ): podem atingir-se temperaturas da ordem dos -70ºC
Ciclo de Stirling fechado: podem atingir-se temperaturas da ordem dos -196ºC
Câmaras Termográficas III THERMO CAM E4 (Flir Systems):
• Gama de temperaturas: -20ºC a 250ºC • Sensibilidade: 0,12ºC • Precisão: ±2ºC ou 2% da temperatura absoluta em ºC • Banda espectral: 7,5 a 13µ m
THERMO CAM P60 (Flir Systems):
• Gama de temperaturas: -40ºC a 120ºC (1) 0ºC a 500ºC (2) Até 1500ºC ou até 2000ºC (opcional) • Sensibilidade: 0,12ºC • Precisão: ±2ºC ou 2%
Condicionantes Externos à Medição de Temperatura
Emissividade da superficie • Capacidade do corpo para
Temperatura ambiente • Proporção da radiação vinda do
radiar energia na banda infravermelho
Absorção atmosférica • Redução da radiação que chega à lente ao atravessar a atmosfera
exterior que é reflectida na superficie
Distância Humidade Relativa
Condicionantes Internos à Medição de Temperatura O principal condicionante interno de erro é a radiação emitida pelo próprio sistema. Assim, existe a necessidade de compensar a radiação emitida pelo sistema. Correcção: I det
= τ 1τ 2τ 3
...τ n I p
+ τ 2τ 3
...τ n (1 − τ 1 ) I 1
+ τ 3
...τ n (1 − τ 2 ) I 2
+
... + (1 − τ n )I n
Idet – radiação incidente no detector. Ip – radiação teórica do objecto considerado como corpo negro In – Radiação teórica do n-ésimo elemento óptico considerado como corpo negro
Aplicações I Construção Civil
Localização de fugas caloríficas
•
Determinação de perdas energéticas através de paredes •
Verificação isolamento •
Localização internas •
de
problemas
de
de
humidades
Aplicações II Indústria Automóvel
Análises térmicas aos motores
•
Estudo do aquecimento dos t ravões
•
Controlo dos sistemas de descongelação
•
Aplicações III Electrónica Distribuição de temperatura e Análise Térmica de placas de circuitos impressos •
Inspecção placas •
e
controlo
de
qualidade
Detecção e localização de cur to-circuitos
•
de
Aplicações III Electrónica - Vantagens • Localização de potenciais problemas que evoluiriam para avarias no sistema antes da paragem forçada do equipamento • Localização das áreas de intervenção com exactidão • Redução do tempo de paragem e de reparação de uma avaria • Prevenção de avarias • Redução de perda de equipamento • Aumento da vida útil dos equipamentos
Aplicações IV Instalações Eléctricas Localização de sobre-aquecimentos nos contactos e conexões dos interruptores. •
Detecção de aquecimentos nos bornes de transformadores •
Estudo dos radiadores de refrigeração dos transformadores para localização de obstruções •
Detecção de conexões mal apertadas
•
Aplicações V Indústria de Processo
Controlo de qualidade
•
Monitorização térmica do processo
•
Medida de temperatura dos produtos em cada fase do processo •
Ajustes de maquinaria
•
Aplicações VI Dispositivos Mecânicos
Análise de aquecimento em chumaceiras
•
Detecção de aquecimento por fricção
•
Determinação do estado de bobinas
•
Aplicações Dispositivos Mecânicos e Indústria Processo - Vantagens Localizar problemas potenciais que possivelmente evoluiriam para falhas nos sistemas antes da paragem para manutenção programada •
•
Reduzir a duração das paragens e reparações de emergência
Reduzir o número de homens/hora gastos em menutenção preventiva •
Aumento de vida útil dos equipamentos
•
Prevenir acidentes, lesões pessoais e danos ao património da empresa •
•
Reduzir significativamente a perda de equipamentos
Aplicações VII Medicina
Determinação de probl emas circulatórios
•
Localização de condições inflamatórias ocultas •
Análise de danos musculares
•
Avaliação da resposta do organismo a medicação e/ou tratamentos fisioterapeuticos •
Aplicações VIII Aeronáutica Estudos de estructuras tipo sandwich
•
Análise do comportamento térmico de pás
•
Caracterização térmica de reactores
•
Aplicações IX Vigilância e Segurança Visão nocturn a
•
Vigil ância aérea
•
Combate a incêndios
•
Controlo de tráfego marítimo
•
Visão através de fumo e nevoeiro
•
Vantagens da Termografia Infravermerlha
permite medir a temperatura sem contacto com o objecto
sistema de implementação flexível pois permite medir a temperatura em corpos em movimento, materiais em campos eléctricos ou no vácuo, ambientes hostis, etc
permite visualizar longas distâncias e/ou grandes superfícies
possibilita a visualização do gradiente de temperatura numa superfície ou numa imagem de forma a verificar descontinuidades, perdas ou geração de calor
os sistemas podem ser portáteis e permitir o arquivo de imagens em diferentes formatos
GRANDE POTENCIAL: para além de ser um método de medição
de temperatura proporciona a solução de problemas!
Referências • www.flir.com • www.mra.pt •www.mikron.com • Páginas da cadeira de MEEA
