Curso de Termografia - Nabor.ppt

Introdução •

Definição de Termometria e Termografia

•

Vantagens da utilização dos Infravermelhos Infra vermelhos

•

História

•

Princípios Básicos

•

Sistema Infravermelho

•

Medições Termográficas

•

Aplicações

•

Aparelhos Infravermelhos

•

Referências

Definição de Termometria É o ramo da ciência que trata da medição de temperaturas. A termometria se divide em duas áreas de acordo com o princípio de medição empregado:

- Medição de contato: busca-se a obtenção de um perfeito equilíbrio térmico entre o sensor e o meio medido. Tal equilíbrio é alcançado principalmente pelos mecanismos da condução e convecção.

- Radiometria: se baseia na detecção da radiação eletromagnética naturalmente emitida pelos corpos em função de sua temperatura absoluta.

Radiometria - A radiometria se enquadra nas técnicas de sensoreamento remoto, onde as medições são realizadas por sensores que não estão em contato físico com o objeto em estudo. - A radiometria pode ser realizada nas faixas espectrais do ultravioleta visível, infravermelho ou microondas, abrangendo grande número de técnicas, dentre as quais a TERMOGRAFIA TERMOGRAFIA.. - A termografia é definida como a técnica de Inspeção Não-destrutiva ou sensoreamento remoto que possibilita a medição de temperaturas à distância e a formação de imagens térmicas de um componente, equipamento ou processo, a partir da radiação infravermelha emitida por  corpos aquecidos

Vantagens da utilização dos Infravermelhos As câmaras de Infravermelho mostram os problemas térmicos e quantifica-os com precisão através da radiação naturalmente emitida pelos objetos em análise.

•

Verificação de equipamentos ou sistemas em pleno funcionamento – NÃO interfere na produção. produção. • Permite a medição de temperaturas à distância, sem a necessidade de contato físico - SEGURANÇA SEGURANÇA.. • A termografia infravermelha é o único diagnóstico técnico que permite instantaneamente visualizar e verificar o comportamento térmico dos objetos em análise. •Apresentam resultado imediato - RAPIDEZ •Inspeção de grandes superfícies em pouco tempo  – •

História

O Espectro Eletromagnético

1666, Issac Newton – analisando a decomposição da luz solar ao atravessar um prisma de vidro, observou uma sucessão de raios coloridos: violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho. Essa imagem colorida foi denominada de espectro, e a luz era composta por minúsculas partículas chamadas corpúsculos, sendo menores para o violeta e progressivamente maiores para o vermelho. •

•A

família de ondas eletromagnéticas, englobando os raios gama, raios X, ultra-violeta, luz, infravermelho, microondas e ondas de televisão e rádio, é denominada Espectro Eletromagnético. -3  •Os

valores das ondas podem ser determinados pelas seguintes unidades:

Mi lím et ro (m m ) = 10  m e t r o  

Micrômetro (μm) = 10 -6 m e t r o   -9 m e t r o   Nanôm etro (nm ) = 10 

História O Espectro Eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética

História O Espectro Eletromagnético Região do Espectro Eletromagnético

Comprimento de onda

Raios Gama

menos que 0,1 Å (Ångstrom)

Raios X

0,1 a 200 Å

Raios Ultravioleta

200 a 4000 Å

Luz visível

4000 a 7500 Å

Infravermelho

Ondas de rádio

infravermelho próximo

7500 Å a 10 microns

infravermelho médio

10 microns a 60 microns

infravermelho longínquo

60 microns a 300 microns

sub milimétrico

300 microns a 1 milímetro

rádio milimétrico

1 milímetro a 1 centímetro

microondas rádio

1 centímetro a vários centímetros

Mi lím et ro (m m ) = 10 -3 metro

Micrômetro (μm) = 10 -6 m e t r o  

-9 m e t r o   Nanôm etro (nm ) = 10 

-1 0 m e t r o   A ng st ro n (Å) = 10 

Relação entre o Comprimento de Onda do Espectro Eletromagnético Ondas de Rádio

>

Microondas

>

Infravermelho

>

Luz Visível

>

Raios Ultravioleta

>

Raios X

>

Raios Gama

Ondas de rádio são radiações eletromagnéticas com comprimento de onda maior e freqüência menor do que a radiação infravermelha. A freqüência das ondas de rádio chama-se radiofreqüência (RF), é a menor do espectro eletromagnético. Estas ondas são usadas para a comunicação em rádios amadores, radiodifusão, telefonia móvel, além das ondas do tipo VHF e UHF. Microondas: também designadas SHF (Super High Frequency) são ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda maiores que os dos raios infravermelhos, mas menores que o comprimento de onda das ondas de rádio variando de 30 cm (1 GHz de freqüência) até 1 cm (30 GHz de freqüência). Infravermelho é uma parte da radiação eletromagnética cujo comprimento de onda é maior que o da luz visível ao olho do ser humano, porém menor que o das microondas, consequentemente, tem menor freqüência que a da luz visível e maior que a das microondas. O vermelho é a cor de comprimento de onda mais larga da luz visível, compreendida entre 1 milímetro a 700 nanômetros. Os infravermelhos estão associados ao calor porque os corpos na temperatura normal emitem radiação térmica no campo dos infravermelhos.

Relação entre o Comprimento de Onda do Espectro Eletromagnético Ondas de Rádio

>

Microondas

>

Infravermelho

>

Luz Visível

>

Raios Ultravioleta

>

Raios X

>

Raios Gama

Espectro visível (ou espectro óptico) é a porção do espectro eletromagnético cuja radiação pode ser captada pelo olho humano. Identifica-se esta radiação como sendo a luz visível, ou simplesmente luz, e situa-se entre a radiação infravermelha e a ultravioleta. Os comprimentos de onda desta radiação estão compreendidos entre os 700 e os 400 nanômetros. Radiação Ultravioleta (UV) é a radiação eletromagnética ou os raios ultravioletas com um comprimento de onda menor que a da luz visível e maior  que a dos raios X. O nome significa mais alta que (além do) violeta (do latim ultra), pelo fato que o violeta é a cor visível com comprimento de onda mais curto e maior freqüência. Raios X: são emissões eletromagnéticas de natureza semelhante à luz visível. Seu comprimento de onda vai de 0,1 ângström até centenas de angströns. Os Raios X propagam-se à velocidade da luz e como qualquer radiação eletromagnética estão sujeitos aos fenômenos de refração, difração, reflexão, interferência e atenuação. Sua penetrância nos materiais é relevante, pois todas as substâncias são transparentes aos Raios X em maior ou menor grau. Radiação Gama ou Raio Gama (γ) é um tipo de radiação eletromagnética produzida geralmente por elementos radioativos, processos subatômicos como a aniquilação de um par pósitron-elétron. Possui comprimento de onda de

História •1750,

James Clerk Maxwell – propôs ser a luz uma radiação (onda) de natureza eletromagnética, produzidas pela oscilação perpendicular de um campo elétrico em relação a uma campo magnético. •Ondas

eletromagnéticas com 0,00040~0,00075 mm de comprimento geram radiação que podem ser captadas pela retina humana (LUZ VISÍVEL). OSCILAÇ O ELETROMAGN TICA

Campo Elétrico

Campo Magnético

História •1850,

William Herschel – estabeleceu uma relação do infravermelho com o comprimento de onda, cujo limite inferior coincide com o limite da percepção visual para o vemelho (0,00075 mm) e o superior com as microondas no campo milimétrico. •1867,

Heinrich Hertz  – demonstrou que as ondas eletromagnéticas se propagam na mesma velocidade que a LUZ (~300.000.000 m/s no vácuo), e seu valor determina a relação entre comprimento de onda e freqüência da radiação.

V= .F V =Velocidade da luz (m/s) = Comprimento de onda (m) F = Frequência (Hertz)

Leis da Radiação História •1860,

Gustav Kirchhoff  – demonstrou que um objeto tem igual capacidade em “absorver” e “emitir” energia radiante. Também definiu como “Corpo Negro” o objeto (padrão de referência) que absorve toda a energia radiante que sobre ele incide. Por conseqüência, é um excelente emissor. •1879,

Josef Stefan – concluiu que toda energia irradiada por um corpo negro é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta. •1884, Ludwing Boltzmann – confirmou a experiência de Stefan através da termodinâmica clássica e criou a Lei deStefan-Boltzmann: W = σ . T4 W = Energia Irradiada (watts/m 2) σ = Constante (5,7 x 10 -8 w/m2K)

LE Boltzmann(1844-1906) O Pai da termografia

História •1899,

Morse – registrou a primeira patente de um pirómetro óptico: •1901, Holborn e Kurlbaum  – através de algumas experiências práticas em laboratórios, desenvolveram um aparelho similar ao criado por Morse, aparentemente sem saber  da sua existência.

História •1913,

L. Bellingham – apresentou um método para detectar a presença de icebergs e navios a vapor  usando um espelho e uma termopilha. •O seu termômetro de Infravermelho é melhor em relação ao pirômetro óptico porque era capaz de detectar objetos com temperatura mais baixa do que a temperatura ambiente. •Se o Titanic tivesse a capacidade de detectar  icebergs...

História •1968 –

apareceu um aparelho analógico, pesado, que requeria um longo tempo de estabilização. •O

aparelho usava um cristal piroelétrico como detector. •Em

1973, um aparelho infravermelho de curto alcance foi criado por  Sensors, Inc. Usava um ponteiro para indicar o ponto exato da medição. •

PRINCÍPIOS BÁSICOS Radiação Térmica Radiação térmica ou transmissão de calor por radiação, é a taxa de emissão de energia de um dado material, numa determinada temperatura. •

A radiação térmica está relacionada com a energia libertada devida as oscilações ou transições dos eletros, átomos, íons ou moléculas mantidos pela energia interna do material. •

Toda forma de matéria com temperatura acima do zero absoluto emite energia térmica. •

•Nos

gases ou outros materiais transparentes (materiais com absorção interna desprezível), a energia térmica irradia-se através de seu volume.

PRINCÍPIOS BÁSICOS Radiação Térmica A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda . • Porém, a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calor. •

E=h.F E = Energia [J] h = constante de Planck [6,63x10-34 Js] F = frequência [s-1]

Relação entre Temperatura e Energia 102

  a   v    i    t 101   a    l   e   r   e    t 1   n   a    i    d -1   a   r 10   a    i   c   n10-2   a    t    i   m    E10-3 10-4 0

1500°C 1000°C 542°C 260°C 20°C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14

Comprimento de Onda (microns)

Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro)

PRINCÍPIOS BÁSICOS Radiação Térmica Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectro eletromagnético, onde está o espectro InfraVermelho. • A zona do visível abrange comprimentos de onda entre 0,4 μm e 0,75 μm, e os InfraVermelhos entre 0,75 μm e 1.000 μm. •Os pirómetros de InfraVermelho estão entre 5 μm e 20 μm. •

PRINCÍPIOS BÁSICOS Corpo Negro É um objeto capaz de absorver toda a radiação que incide sobre ele em qualquer comprimento de onda. É utilizado como um padrão de referência. •

Nenhuma superfície emite mais radiação InfraVermelha que um corpo negro à mesma temperatura. •

Corpo Real As superfícies só são capazes de emitir uma determinada parte da energia. •

•

O parâmetro que determina a capacidade de emissão é

a emissividade .

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Emissividade

Uma radiação (energia) que atinge um corpo, pode ser absorvida (α), refletida (ρ) ou transmitida ( ). •A refletividade (ρ) é a capacidade de um corpo refletir energia. • A transmissividade ( ) mede a capacidade de um corpo transmitir  energia. • A absorvidade (α) mede a capacidade de um corpo absorver  energia. •

A reflectividade (ρ) e a transmissividade ( ) são conceitos associados à natureza do objeto (opaco ou translúcido) e às condições atmosféricas na zona entre sensor e objeto. •

PRINCÍPIOS BÁSICOS Emissividade Emissividade é a capacidade de um corpo em reemitir (refletir) a energia absorvida, e sempre assume valores entre 0 e 1. •

•Pode

ser definida pela “relação entre a energia irradiada por um

corpo qualquer e um corpo negro à mesma temperatura e num determinado comprimento de onda”.  

= W’ / W

= Emisividade

W’ = Corpo qualquer 

W = Corpo Negro •A

emissividade é uma característica da composição química e da textura do material, podendo variar com a temperatura e com o comprimento de onda. •Camadas de óxido, poeira e pintura alteram os valores da emissividade dos corpos.

PRINCÍPIOS BÁSICOS Emissividade •Um

corpo negro possui uma emissividade = 1, •Um corpo cinzento possui emissividade constante, porém < 1. •Um corpo não cinzento (radiador seletivo) possui emissividade que varia ao longo de diferentes comprimentos de onda, mas não com a temperatura.

PRINCÍPIOS BÁSICOS Num corpo não negro, uma parte da radiação total incidente é absorvida e, por conservação de energia, o restante é refletido ( ) na superfície e transmitido ( ) através do corpo: •

ε+ρ+

=1

Corpo negro

Espelho perfeito

ε=1, ρ==0

ρ=1, ε==0

Corpo transparente 

=1, ρ=ε=0

No campo de aplicação da termografia, as superfícies são na maioria das vezes opacas ao Infravermelho ( =0) e a sua capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e menor que 1, assim temos: •

Corpo cinzento:

ε+ρ=1

PRINCÍPIOS BÁSICOS Emissividade •Considerando

a emissividade, a Lei de Stefan-Boltzmann que define a potência radiante fica:

W = σ . ε . T4 W = Potencia radiante [W/m2] σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2]

T = Temperatura absoluta [K] ε = Emissividade

PRINCÍPIOS BÁSICOS Emissividade Emissividades típicas consideradas em termografia

SISTEMA INFRAVERMELHO São equipamentos que detectam os comprimentos de ondas mais longos e convertem a radiação captada em sinais eletrônicos que possibilitam a formação de imagens térmicas e a medição de temperatura à distância. Os principais sistemas infravermelho são: - Radiômetros: São os sistemas mais simples. Neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha, piroelétrico ou quântico, onde é transformada em sinal elétrico. - Termovisores: São sistemas imageadores dotados de recursos para a análise e medição de distribuições térmicas. Os termovisores compõem-se, em geral, de uma unidade de câmera e de uma unidade de vídeo (display).

O S i s t e m a In f r a v e r m e l h o  

Janela e Ótica

453¡C SP1 470¡C EMS

Objeto

Atmosfera

Detetor 

¯.85

Electronica, Display ou Outras Saídas

As medições termográficas são realizadas com a utilização de sistemas infravermelhos, tendo como princípio a comparação entre as intensidades de radiação provenientes do corpo observado e de uma referência de temperatura.

SISTEMA INFRAVERMELHO

ELEMENTOS BÁSICOS: Radiação

Sistema Ótico

Mecanismo de Varredura

Detectores

Processador 

Display

•SISTEMA

ÓTICO: coleta a radiação incidente e direciona ao detector (através de reflexão ou refração). •MECANISMO

DE VARREDURA: define o campo de visão para o sensoriamento de uma cena (pode ser varredura linear, horizontal, vertical ou composição dessas). •DETECTORES:

converte energia radiante captadas pelo sistema em outra forma mensurável de energia (sinal elétrico). •PROCESSADOR:

transforma o sinal elétrico em imageamento (forma de apresentação da informação térmica que permite a observação direta da distribuição de calor nos objetos estudados), através da comparação do sinal do objeto com o sinal de um corpo negro de referência. •DISPLAY:

apresentação da imagem e ou medição, podendo ser  monocromática ou policromática.

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS ESCALA MONOCROMÁTICA: •A

escala monocromática vai do preto ao branco através de suaves variações de tonalidades de cinza. É conhecida como escala Grey.

41,3°C 40 35 30 25 20 18,4°C

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS ESCALA POLICROMÁTICA: •A

escala policromática vai do preto ao branco através de suaves variações de tonalidades de cores, que dependem da escala usada. Em nosso caso usamos a escala IRON, que vai do preto ao branco através de tonalidades de violeta, azul, rosa, vermelho, laranja e amarelo.

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS A medição de temperaturas a partir da radiação natural emitida pelos corpos é denominada PIROMETRIA, quando o comprimento de onda é até 0,70 μm (VISÍVEL). •

•Quando

o comprimento de onda é maior que 0,70 μm (INFRAVERMELHO e MICROONDAS), é denominada RADIOMETRIA. •A

TERMOGRAFIA é uma técnica da radiometria para medição de temperatura, que utiliza sistemas infravermelhos a partir da comparação entre a intensidade da radiação proveniente do objeto com a de uma referência de temperatura. •Genericamente

é a técnica que possibilita a medição de temperatura à distância e a formação de imagens térmicas (termogramas) a partir  da radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos em função de sua temperatura absoluta. Um sensor foto sensível sintonizado para detectar uma banda específica do espectro infravermelho, recebe energia radiante do alvo através do sistema óptico. •

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre a temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho. •

O sistema óptico determina o diâmetro da área circular ou campo de visão do aparelho. •

A relação entre distância do alvo ao pirómetro (D) e o diâmetro do campo de visão (S), determina a resolução óptica do equipamento. •

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS Erros Existe uma forte dependência entre a temperatura, a emissividade e a quantidade de energia emitida pela área delimitada pelo campo de visão do aparelho. •

A redução de energia dada a obstrução causada por vapores e partículas sólidas (Atenuação Atmosférica), assim como variações de emissividade, afetam diretamente a medição da temperatura. •

Industrial:

Aplicações

As principais aplicações da termografia na indústria incluem a área elétrica, onde é importante a localização de componentes defeituosos sem a necessidade de contato físico, e as áreas siderúrgica, petroquímica e fábricas de papel, onde é grande o número de processos envolvendo vastas quantidade de calor  Problemas operacionais podem ser relacionados diretamente com as distribuições externas de temperatura nos equipamentos. •Redes e Equipamentos Elétricos: Um equipamento defeituoso aparece na imagem térmica como ponto quente em comparação com o ambiente ou componentes similares em bom estado (conector, barramentos, fusíveis, grampos, disjuntores, etc...).

Aplicações •Redes

e Equipamentos Elétricos:

Aplicações •Redes

e Equipamentos Elétricos:

Aplicações •Petroquímica:

Inspeção da rede elétrica, localização de problemas de fluxo de produto (válvulas de segurança, purgadores, nível de tanques), inspeção de bombas, acompanhamento da eficiência de refratário e isolamento térmico de fornos, reatores, dutos, trocadores de calor, chaminé e quantificação de perdas de calor em equipamentos de grande porte.

Aplicações •Petroquímica:

Aplicações •Petroquímica:

•Petroquímica:

Aplicações

•Petroquímica:

Aplicações

•Petroquímica:

Aplicações IR - I0000200.027

IR - I0000200.028

47,6 °C

31,8 °C

45

20

40

0

35 30

-20

25

-40

20 17,2

-57,9 TROCADOR DE CALOR

TORRE DE REFRIGEÇÃO

•Petroquímica:

Aplicações

Aplicações •Siderurgia:

Acompanhamento do desgaste do revestimento em alto-fornos, dutos de gás, lingoteiras, regeneradores, carrostorpedo e fornos rotativos, inspeção de rede elétrica e verificação da ocorrência de queda ou desgaste de refratários.

Aplicações •Indústria

de papel: Inspeção de rede elétrica, acompanhamento de desgaste de refratário de forno rotativo, detecção de falhas no isolamento térmico das tubulações de vapor, localização de purgadores defeituosos, controle de secagem da folha e medição de temperatura da máquina de papel.

Aplicações •Militares:

Imageamento noturno, mecanismos de mira das armas, imageamento térmico do solo, controle direcional de mísseis (pelo calor), localização de navios, aeronaves e carros de combate pela emissão térmica.

Aplicações •Astronomia:

Telescópios infravermelhos para identificação e detecção de corpos celestes. •Sensoreamento Remoto: Sensoreamento da terra a partir do espaço, imageamento térmico da terra, levantamentos meteorológicos, geológicos e cartográficos.

Aplicações •Sensoreamento

Remoto:

Aplicações •Médicas:

Termômetros, detecção de câncer de mama e de problemas de circulação. •Aeroespaciais: Identificação de células danificadas em painéis solares de satélites, estudo de desempenho de materiais para naves espaciais, estudos térmicos em áreas de motores a jato.

Aparelhos de Infravermelho HR101 (EXTECH) Este aparelho mede a humidade relativa, temperatura do ar (com uma sonda) e a temperatura de uma superfície (a partir de infravermelhos). A função de Infravermelho inclui um ponteiro laser para indicar do alvo. •

MIKRON 7515 (MIKRON) Utilizado para inspeções, investigação e aplicações médicas. Possui alcance espectral para onda longa, sensibilidade térmica de 10 a 30 ºC, ajustes de emissividade de 0,10-1,0 e preço de 12.000 € a 25.000 €. •

Aparelhos de Infravermelho FLIR 390 (FLIR) •Utilizado

para Inspeções, investigação e aplicações médicas, tem alcance espectral de onda média, gamas de temperaturas de -10 a 450 ºC, sensibilidade térmica