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Termografia - Modulo
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TERMOGRAFIATERMOGRAFIAMMDULO IIIDULO III
ENGENHARIA DE MANUTENENGENHARIA DE MANUTENO NA O NA GESTO PARA RESULTADOS GESTO PARA RESULTADOS
CEManCEManCENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA ENGENHARIA DE MANUTENCENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA ENGENHARIA DE MANUTENOO
Prof. Dr. Roberto Mrcio de Andrade rma@ufmg.br - 9977.8923
SISTEMAS DE MEDIO DE TEMPERATURA SEM CONTATO:
TERMOCMERAS
OBJETIVOS
Aplicar os conceitos bsicos de
Termodinmica e Transmisso de Calor na
medio de temperatura sem contato.
Conhecer os sistemas de medio e as
tcnicas para medio de Temperatura sem
contato.
PrincPrincpiopio de FuncionamentoFuncionamento Todo corpo uma
temperatura finita emite energia, como funo da
temperatura, na forma de onda eletromagntica (na
faixa de 0,1 m a 100 m - radiao trmica).
TEMPERATURA SEM CONTATO
Visvel
Lei de Wien:
maxT = 2.897,8 m
, , , , m
E (,,,,)[kW/m2 m]
Infravermelho
RADIAO DO CORPO NEGRO
CORPO CINZENTO
3 - superfcie negra;
4 - superfcie seletiva;
5 - superfcie cinzenta.
En(,T)
RADIOSIDADE
Radiosidade espectral (J) taxa de radiao que deixa uma unidade de rea de superfcie, em [W/(m2)].
4vvs
4ssns TTGEJ +=+=
G
nEsJ
G
FLUXO DE CALOR ENTRE DUAS SUPERFCIES CINZENTAS COM MEIO PARTICIPANTE
giji
jiij
FA1
JJq
=
ijq
gijiFA1R
=
iJ jJ
Ai Ti
Aj Tj
ijq
TERMMETOS SEM CONTATOTipos de termmetros: monocromtico (pirmetro ptico/de filamento); duas cores (razo); radiao total; termocmera.
Existem duas tipologias de sensores: trmicos - a radiao incidente absorvida como calor e o
aumento da temperatura produz uma sinal de sada. Ex.: Termopilha e piroeltrico.
fotodiodo - os ftons incidentes carregam os eltrons da banda de valncia para a banda de conduo, desde que o fton tenha energia maior do que a lacuna de energia entre essas duas bandas.
TERMMETRO DE FILAMENTO
Sistema ptico que permite o confronto visvel entre a luminosidade de um filamento de tungstnio
incandescente e do objeto de medida.
Trabalha com filtro vermelho a = 0,65 m.
um instrumento usado para T (700 a 4 000)C um instrumento padro para T > 1 235 C.
TERMMETRO DE FILAMENTO
Observador varia I varia TfImagem do filamento desaparece quando Tf = To
Objeto Lente
Filamento
Filtro vermelho
Ocular
GalvanmetroFilamento incandescente
of TT >
TRMMETROS DUAS CORES
Determina To a partir da relao entre as emisses monocromticas hemisfricas em dois comprimentos de ondas distintos, 1 e 2.
=
0i
25i
1
exp
i
TC
CE
i
=
120
2
5
1
2 11exp2
1
2
1
TC
EE
Para 1 e 2:
A emisso monocromtica hemisfrica a 1 :
Supondo corpo cinzento 1111= 1111....Medindo-se E1111e E1111,,,, determina-se T0.
TRMMETROS DUAS CORES
til especialmente em ambientes muito sujos.
Alto custo
Necessidade de se conhecer a emissividade do material nos dois comprimentos de onda de operao.
TERMMETROS DE RADIAO TOTAL
Resposta espectral de 0,3 m a 20 m. Medem uma poro significativa de toda radiao
trmica emitida pela superfcie. So baratos e simples. Possuem baixa
sensibilidade e so susceptveis a erros de absoro (Logo, devem ser usados muito prximos da superfcie de interesse).
Faixa de temperatura: (200 a 1 300)C Limites de erro: entre 3 % e 4 %
TERMMETROS TOTAL
Com lenteCom lente
Objeto Sensor termopilha
OcularLenteLenteTo
TTii
TTtt
Com espelho
Objeto Sensor termopilha
Ocular
Espelho
TToo
TTii
TTtt
SELEO DE UM TERMMETRO DE RADIAO
Faixa de medio de temperatura
Incerteza de medio
Comprimento de onda de operao
Campo de viso (tamanho de alvo/distncia)
Tempo de resposta
Condies ambientais
Calibrao
USANDO O TERMMETRO DE RADIAO
Conhea a emissividade da superfcie. Gaste algum tempo antes da medio estudando o manual do termmetro e amostras do seu material.
Reflexes. Verifique a existncia de fontes de reflexo prximas a superfcie que vai ser medida (objetos brilhantes, luz solar, chamas, resistncias, paredes de fornos e lmpadas incandescentes.
Ambiente. Evite levar o termmetro em reas com muita poeira, altas temperaturas e umidade excessiva. Acima de 70 C necessrio um sistema de resfriamento.
Absoro . O alvo deve ser visvel ao termmetro. Certifique-se que no hjanelas opacas, fumaa, poeira ou nvoa
Campo de viso O campo de viso deve estar completamente preenchido .
Segurana e exposio a fontes brilhantes. Nunca focalize o sol com o termmetro de radiao.
EVOLUO TECNOLOGICA DOS
TERMOVISORES
OBJETIVOS
Apresentar a Evoluo Tecnolgica dos
sensores e funcionamento dos Termovisores
n =
400 AC: Hipcrates usa a lama medicinal e o toque para determinar doenas de pacientes.
1595: Galileo inventa o thermoscope, cujo princpio de funcionamento baseava-se na variao de volume de um gs com a temperatura
1717: Fahrenheit Inventou um mtodo de purificao do mercrio que permitia seu uso em lugar do lcool. Props uma escala de temperaturas tendo como referncias o ponto de fuso da gua salgada e a temperatura do corpo humano
BREVE HISTRIA DA TERMOMETRIA
n =
1742: Anders Centgrado, astrnomo sueco, apresentou o Centgrado que e hoje a escala de temperatura mais usada no mundo.
1800: Coube a Willian Herschel verificar que o mximo de aquecimento ocorria fora do espectro visvel, alm do vermelho. Os termmetros empregados por Herschel necessitavam de 16 minutos para cada medio e permitiam uma preciso de 0,2oC.
BREVE HISTRIA DA TERMOMETRIA
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
Em 1800, Sir Willian Herschel descobriu o infravermelho. Ele estava interessado na medida da quantidade de calor associada a cada cor. Para fazer isto ele usou termmetros com bulbos pretos e mediu a temperatura nas diferentes cores do espectro da luz solar que atravessava um prisma. Ele percebeu que a temperatura crescia da parte azul para a parte vermelha do espectro. Ele posicionou o termmetro um pouco alm da parte vermelha do espectro, em uma regio onde no havia incidncia de luz visvel e constatou que a temperatura media era mais alta. Concluiu que deveria haver outro tipo de luz que no podia ser vista. Esta luz ele chamou de infravermelho
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/
Prisma
Termmetro Fundo branco
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
Checar a temperatura dos
termmetros distante do espectro,
mas na parte sombreada da caixa.
A imagem acima mostra a
temperatura antes dos termmetros
serem colocados sob o espectro.
Todos os 3 mostram a leitura de 76oF,
quando dispostos na sombra.
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
A imagem mostra as leituras da temperatura aps um minuto.
O 1 termmetro (regio azul do espectro) mostra a mais baixa leitura, no muito maior que a da rea sombreada da caixa .
O 2 termmetro (regio amarela do espectro) mostra uma temperatura mais alta que a da parte azul.
O 3 termmetro (regio escura) mostra a mais alta temperatura das 3 regies (o sol moveu-se levemente neste tempo em que a imagem foi tomada, e conseqentemente o termmetro mais a direita tem uma poro pequena do bulbo iluminado pelo espectro vermelho).
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
A diferena entre as 3 leituras continua a crescer at que a temperatura final seja alcanada. A rea escura mostra uma temperatura maior que as reas que esto nas regies iluminadas com a luz visvel.
As leituras finais sero:
azul: 80 oF (26,7C)amarelo: 83 F (28,3C)infravermelho: 86 F (30,0C)
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
A diferena entre as temperaturas das cores no espectro varia com o comprimento do espectro, o qual depende de aspectos metereolgicos e da distncia do prisma, crescente do azul para o infravermelho.
Experimento de Herschel descoberta da radiao infravermelha.
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
n =
1840: John Herschel, filho de Willian Herschel, desenvolveu um processo de deteco e registro da
radiao infravermelha incidente baseado na
evaporao diferencial de um filme de leo, em um processo semelhante fotografia.
1860: J. Herschel produziu o primeiro "filme" infra-vermelho
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
n =
1929: Czerny inventa evaporagrafo que mais
eficazmente produziu termograma.
1946: O exrcito americano desenvolveu o primeiro scner de linha infra-vermelho. Um termograma foi
produzido reunindo muitas linhas (levou horas).1954: O primeiro scner de imagem infra-vermelho
foi feito. Levou 45 minutos para produzir um
termograma
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
n =
1960: Scners infra-vermelhos levaram 4 minutos para produzir uma imagem.
1966: Introduo do primeiro imageador de tempo real comercialmente disponvel", produzindo 20 imagens/segundo. Seus detectores refrigerados a nitrognio liquido.
1985: Introduzido detectores trmicos eletricamente resfriados (Efeito Peltier).
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
n =
1990: Introduzido a alta resoluo de imagens formadas pelo espelho com arranjo de plano focal (FPA), capaz de produzir 70.000 pontos por imagem (pixel), com detectores refrigerados nos sistemas Criostato, (Split Stirling)
1997: Detectores sem refrigerao (micro-bolometros), com resoluo melhorada da imagem e preciso de medida de temperatura.
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
Os equipamentos de termografia j passaram por quatro fases importantes, sendo que, ns como
usurios para aplicaes civis, somos beneficiados
pelos grandes investimentos feitos pelas potencias
militares nessa rea.
INTRODUO AO TERMOVISORES
n =
1 Gerao Comercial
Arrefecimento do Detector de IR Nitrognio
Obtido pela destilao do ar lquido, se usa em criogenia, j que na presso atmosfrica condensa a -196 C.
usado como veiculo refrigerante.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
1 Gerao ComercialPrimeiro sistema infravermelho de uso
industrial (AGA THV 660) Dcada de 60
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
1 Gerao Comercial
AGADcada de 50 (USO
MILITAR)AGA 680
Dcada de 60 (USO COMERCIAL)
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
1 Gerao Comercial Gerao de Imagens
Tecnologia formao de Imagens
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
2 Gerao ComercialArrefecimento do Detector de IR Termeltrico/PeltierEfeito Peltier uma corrente eltrica forada a passar por junes de metais diferentes, resulta em aquecimento de uma juno e resfriamento da outra.
Os dispositivos prticos de efeito Peltier usam semicondutores para uma maior densidade de corrente e, assim, de potncia.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
2 Gerao Comercial
Em geral o material semicondutor telureto de bismuto altamente dopado para criar semicondutores tipo P e tipo N. Ao circular corrente pelas junes, calor transferido de uma para outra e o dispositivo funciona como um refrigerador sem partes mveis.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
Na prtica no usado apenas um par de junes, mas uma srie delas para maximizar a potncia de resfriamento.Figura 01 as junes so eletricamente ligadas em srie e termicamente em paralelo. Figura 02 vrias sries so agrupadas em forma de matriz, formando um conjunto ou mdulo de aspecto conforme.
Fig. 1 Fig. 2
2 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
2 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
2 Gerao Comercial Fase 2
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
3 Gerao ComercialArrefecimento do Detector de IR Split Stirling/CriostatoO gs Helio comprimido dentro de um micro-cilindro chegando a atingir a temperatura de -192C.A utilizao dessa tcnica no arrefecimento dos detectores faz com que ao ligar a termocmera a formao das imagens trmicas somente acontecem aps alguns minutos.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
Termovisor Prism DS
3 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
Termovisor Agema 550
3 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
4 Gerao ComercialArrefecimento do Detector de IR microbolmetroOrigens: A tecnologia do microbolmetro foi originalmente desenvolvida pela Honeywell, em meados da dcada de 80, como um contrato classificado para Departamento de Defesa dos USA. O Governo Americano homologou a tecnologia em 1992. Aps a homologao, a Honeywell licenciou sua tecnologia para vrios fabricantes.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
4 Gerao ComercialUm microbolmetro um tipo especfico de *bolmetrousado como um detector em uma cmera trmica. uma grade de xido de vandio ou silcio amorfo, com sensores de calor em cima de uma grade correspondente de silcio. A Radiao infravermelha a partir de uma gama especfica de comprimentos de onda atinja o xido de vandio e muda a sua resistncia eltrica.
*BolmetroUm bolmetro funciona como uma resistncia varivel quando aquecida. Formada de finas lminas de platina ou nquel ou de um semicondutor.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
4 Gerao ComercialEssa mudana na resistncia medida e transformada em temperaturas que pode ser representado graficamente. A grade do microbolmetro comumente encontrada em dois tamanhos, uma matriz 320 240 ou menos caro a matriz 160 120. Ambos os arranjos fornecem a mesma resoluo com a maior variedade proporcionando um campo mais vasto para visualizao. As grades maiores, de 640 480 leques foram anunciados em 2005.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
4 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
4 Gerao Comercial
P20 infrared camera76800 Pixels
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
4 Gerao Comercial
TH7102 infrared camera76800 Pixels
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
n =
4 Gerao Comercial
P640 infrared camera307200 Pixels
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
Campo de viso/distncia mnima(ex.: 24 x 18)/0,3 m
FOV / IFOV
Resoluo espacial (resoluo geomtrica)(ex.: 1,3 mrad)
funo: da dimenso angular de um elementoda matriz de detectores; da nitidez da imagem edo espaamento entre as linhas da matriz.
Est relacionada com a mnima dimenso necessria do objeto, sem que esta afete a temperatura medida
TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
Sensibilidade trmica (ex.: 0,08 C 30 C)Resoluo trmica
Resoluo de temperatura
NETD = desvio padro da disperso de Tout
causada por rudos no sistema. NETD, influncia
do rudo no circuito eltrico no erro de medio.
TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
MRTD mnima resoluo da diferena de temperatura. Parmetro importante para verificar a capacidade da termocmera em detectar e identificar o alvo.
MDTD mnima diferena de temperatura identificvel.
Ambos fornecem uma boa indicao da resoluo do sistema e da capacidade de medir pequenos alvos.
TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
Resoluo da imagemNmeros de pixels ou nmero de linhas por campo. Estrelacionada com a qualidade da imagem.
Accuracy (Exatido). Ex.: Valor tpico 2 % de Tout mas no menor do que 2 C.
A maioria dos fabricantes no informam as condies ambientais nas quais foram obtidos os resultados (T= 23 C). Em condies reais esta temperatura chega a variar de (-10 a 40) C.
Elementos Elementos pticos. Sensibilidade do pticos. Sensibilidade do detector. Componentes eletrnicosdetector. Componentes eletrnicos
TERMOCMERAS- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
International Lighting Vocabulary of CIE
Guide for Spectroscopy Catalog, Jobin Yvon
Hudson R.D., infrared System Engineering, John Wiley & Sons
ASTM
Zissis George J. Infrared & Electro-Optical Systems Handbook
Maldague X.P. The Infrared Methodology and Technology
Chrzanowski, K. Non-Contact Thermometry Measurement Errors,
2001
INCERTEZA DO RESULTADO NA
MEDIO DE TEMPERATURA
OBJETIVOS
Identificar as principais fontes de incerteza na edio de temperatura sem contato: termometria de Radiao Infravermelho
Resultado de uma medio
Procedimento de medio
Termocmera
N de imagensHora do diaPerodo do anoDistancia
Calibrao/avaliaoEstabilidade com o tempo. Temperatura do detectorAjuste da emissividadeLinearizao, Filtro.
RugosidadeEmissividadeTransmitnciaReflectnciaCavidadeFluorescncia
Condies Ambientais
Mensurando
VentoTemperaturaUmidadePoluioAbsoroSujeiraFumaaReflexes
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Sinal eltrico de sada da
medio ++
Clculo do sinal
corrigido++
Clculo da temperatura
de sada
Funo inversa Tout = f(Scor)
Hipteses assumidas sobre as condies de
medio
Temperatura ambiente refletida
Emissividade
Transmissividade
Tout
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
PROCESSO DE MEDIO
dsTM
FRA
gTS )()(),(14
)( Fbb2 CSdbbbb2
1
+=
a(a)a
opopba(a)bba(a)arcor
)()()1(
TSTSSS
=
( )
ob
bb
bbbbobcorobout
)()((
TTdTdS
TSTSTT
=
=
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Equao matemtica da medio:
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Temperatura indicada pela termocmera com relao ao ajuste da emissividade (e)
Para-raio tipo cermico e = 0,88 0,02
58
60
62
64
66
68
70
72
74
266 268 270 272 274 276 278Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Temperatura e = 0,88
Temperatura e = 0,75
Termopar (T2)
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Temperatura indicada pela termocmera com relao ao ajuste da emissividade
Para-raio tipo Cermico = 0,88 0,02
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Termopar de referncia+U95% /C-U95% /Ce = 0,91e = 0,90
e = 0,86
e = 0,85
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Temperatura indicada pela termocmera com relao o ngulo de viso
Componente n 617 e = 0,15 0,01 - Angulo 60 a esquerda
4042444648505254565860
236 238 240 242 244 246 248Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Termopar de referncia T6Termopar de referncia T7Temperatura e = 0,15
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
58,2
58,4
58,6
58,8
59,0
59,2
59,4
59,6
59,8
60,0
320 321 322 323
Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Termopar de refernciaTemperatura AR01
Temperatura indicada pela termocmera com relao ao ngulo de visoPara-raio do tipo Cermico na posio horizontal com suporte isolado
e = 0,88 0,02
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Temperatura indicada pela termocmera com relao a selao da rea de medio (AR)Componente n 617
e = 0,15 0,01
62
63
64
65
66
67
68
69
70
216 218 220 222 224 226 228
Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Temperatura AR01
Temperatura AR02
Termopar dereferncia T6Termopar dereferncia T7
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
CEManCEManCENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA CENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA ENGENHARIA DE MANUTENENGENHARIA DE MANUTENOO
RealizaRealizao:o:
ENGENHARIA DE MANUTENENGENHARIA DE MANUTENO NA O NA GESTO PARA RESULTADOS GESTO PARA RESULTADOS
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