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Técnicas de infravermelhos
Ricardo Trindade
Nº44233
Outubro 2004
Métodos experimentais de energia e ambiente
Introdução
• Porquê da utilização dos infravermelhos (IV)
• História
• Funcionamento
• Aparelhos de IV
• Aplicações
• Referências
Porquê da utilização
• Uma imagem vale mais que mil palavras
• A termografia infravermelha é o único diagnóstico técnico que permite instantaneamente visualizar e verificar o comportamento térmico
• As câmaras de IV mostram os problemas térmicos e quantifica-os com precisam através de medição sem contacto
• Em Junho de 2001, a revista “Maintenance Technology” escreveu que um investimento de 1€ em inspecções com infravermelhos tem um retorno de 4€
História1884, O principio
• Em 1884, L.E. Boltzmann mostrou como a lei empírica do corpo negro de Josef Stefan, formulada em 1879, poderia ser derivada dos princípios físicos termodinâmicos.
• A descoberta de Boltzmann foi simples:Radiação = Temperatura4 x Constante
LE Boltzmann(1844-1906)
Fonte: ZyTemp
• Consequentemente, Boltzmann foi chamado o pais da termografia infravermelha• Neste tipo de técnica, um pequeno processador dentro do aparelho usa esta formula para prever com precisão a temperatura do alvo
História1899, A primeira patente de um pirómetro óptico:• A primeira patente de um pirómetro óptico é devida a Morse em 1899
• Holborn e Kurlbaum, aparentemente sem saber da sua existência, desenvolveram um aparelho similar em 1901
Fonte: ZyTemp
História1913, Se o Titanic tivesse a capacidade de detectar icebergs.....
• L. Bellingham apresentou um método para detectar a presença de icebergs e navios a vapor usando um espelho e uma termopilha
Fonte: ZyTemp
• O seu termómetro de IV é melhor em relação ao pirómetro óptico porque era capaz de detectar objectos com temperatura mais do baixo do que a ambiente
HISTÓRIA1968, Emissividade alterada
• A evolução dos IRT vieram de diversas formas.
• Em Julho de 1968 apareceu uma aparelho analógico, pesado, que requeria um longo tempo de estabilização
•O aparelho usava um cristal piroeléctrico como detector
Fonte: ZyTemp
1973, Desenvolvimento de um IRT de curto alcance
• Em 1973, um IRT de curto alcance foi criado por Sensors, Inc.
• Usava um ponteiro para indicar o ponto exacto da medição
Fonte: ZyTemp
HISTÓRIA
1977, Revolução de um sensor: termopilha em miniatura• Primeira termopilha em miniatura. O seu sensor é mais pequeno que 4mm2.• O primeiro sensor de infravermelhos em miniatura. Antes desta invenção, este tipo de sensores eram maiores que uma moeda (4mm)
Fonte: ZyTemp
HISTÓRIA
PRINCIPIOS BÁSICOS
Radiação Térmica• Radiação térmica ou transmissão de calor por
radiação, é a taxa de emissão de energia de um dado
material, dada a sua temperatura
• A radiação térmica está relacionada com a energia
libertada devida as oscilações ou transições dos
electrões, átomos, iões ou moléculas mantidos pela
energia interna do material
• Toda forma de matéria com temperatura acima do
zero absoluto emite energia térmica
PRINCIPIOS BÁSICOS
Radiação Térmica• Nos gases ou outros materiais transparentes
(materiais com absorção interna desprezível), a energia
térmica irradia-se através de seu volume
• Para materiais com alta absorção interna, como os
metais, apenas algumas centenas de camadas
atómicas mais externas contribuem para a emissão de
energia térmica
PRINCIPIOS 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
Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro)Fonte: Raytek
E= h ν
E = Energia [J]
h = constante de Planck [6,63x10-34Js]
v = frequência [s-1]
PRINCIPIOS BÁSICOS
Radiação Térmica• Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectro electromagnético, onde está o espectro IV• A zona do visível abrange comprimentos de onda entre
0,4 μm e 0,7 μm, e os IV entre 0,7μm e 1000 μm. Os
pirómetros de IV usam a banda entre 5 μm e 20 μm
Fonte: Victory
PRINCIPIOS BÁSICOS
Radiação Térmica• As ondas longas têm comprimentos desde 3 a 100 μm
com uma temperatura de 700°C• As ondas médias vão desde 1,4 a 3 μm, e
temperaturas típicas de 950°C a 1600°C• As ondas curta 0,78 a 1,4 μm, com temperatura de
2200°C• As ondas longas são o mais ou menos sensível à cor e
são absorvida pela água• As ondas médias são insensível à cor e são absorvida
prontamente pela água, por muitos plásticos e pinturas• As ondas curtas são mais penetrante do que a onda
longa e são boa para metais quentes
Corpo Negro
• Um objecto capaz de absorver toda a radiação que incide sobre ele em qualquer comprimento de onda
• Nenhuma superfície emite mais radiação IV 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
PRINCIPIOS BÁSICOS
PRINCIPIOS BÁSICOS
Emissividade• A emissividade mede a capacidade de um corpo emitir energia• Definem-se a reflectividade (ρ) como a capacidade de um corpo
reflectir energia• A transmissividade () mede a capacidade de um corpo transmitir energia• A absorvidade (α) mede a capacidade de um corpo absorver energia
Fonte: Raytek
• A reflectividade ρ e a
transmissividade são
conceitos associados à
natureza do objecto
(opaco ou translúcido)
e às condições
atmosféricas na zona
entre sensor e objecto
PRINCIPIOS BÁSICOS
EmissividadeUm corpo negro possui uma emissividade = 1, um corpo cinzento possui emissividade constante porém < 1 e um corpo não cinzento possui emissividade que varia ao longo de diferentes comprimentos de onda, mas não com a temperatura
Fonte: Raytek
• Num corpo não negro, uma parte da radiação total incidente é absorvida e, por conservação de energia, o restante é reflectido () na superfície e transmitido () através do corpo
ε+ρ+=1
Corpo negro:
ε=1, ρ==0
Corpo transparente:
=1, ρ=ε=0
• No campo de aplicação da termografia as superfícies são na maioria das vezes opacas ao IV =0 e a sua capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e menor que 1, assim temos:
Corpo cinzento: ε+ρ=1
Espelho perfeito:
ρ=1, ε==0
PRINCIPIOS BÁSICOS
Emissividade
Um corpo real tem uma emissão dada pela Lei de Stefan-Boltzmann :
W=σεT4
W= Potencia radiante [W/m2]
σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2]
T = Temperatura absoluta [K]
ε = Emissividade
PRINCIPIOS BÁSICOS
Emissividade
Emissividades típicas consideradas em termografia
PRINCIPIOS BÁSICOS
• Um sensor foto sensível sintonizado para detectar uma banda específica do espectro IV, recebe energia radiante do alvo através do sistema óptico
• Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre a temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho
FUNCIONAMENTO
Fonte: Raytek
• 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, D:S
FUNCIONAMENTO
Fonte: Raytek
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, assim como variações de emissividade, afectam directamente a medição da temperatura.
FUNCIONAMENTO
Fonte: Raytek
HR101 • Este aparelho mede a humidade relativa, temperatura do ar (com uma sonda) e a temperatura de uma superfície (a partir de infravermelhos)
Aparelhos de IV
Fonte: ExTech
• A função de IV inclui um ponteiro laser para indicar do alvo
Aparelhos de IV
Fonte: LI-COR Inc
HR101 • Temperatura por IV (tempo de resposta): 0,5 s
• Temperatura por sonda (tempo de resposta): 3 min
• Tempos de resposta numa gama de temperaturas entre 18 a 28°C
• Emissividade é fixa em 0,95 (A maior parte dos materiais e superfícies pintados ou oxidadas têm uma emissividade de 0,9)
• D/S = Média aproximada de 8:1 (D = distancia, S = diâmetro)
• Comprimento de onda de 6 a 14 µm
Aparelhos de IV
HR101 • Poderá demorar até 30 min de estabilização para mudanças bruscas no ambiente
• Se a superfície alvo está coberta com gelo, óleo, sujidade, etc. a medição não será a correcta
• Se a superfície alvo tiver alta reflectividade deve-se pintar ou cobrir com fita preta
• A superfície do alvo tem que ser maior que zona de alvo
Fonte: ExTech
Mikron 7515 (Inspecções, investigação e aplicações médicas)
Alcance espectralonda longaGamas de temperaturas-40 a 350 ºC
Arrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºC
Ajustes de emissividade0,10-1,0
Preço
12.000€ a 25.000€
Aparelhos de IV
Fonte: Stockton
FLIR 390 (Inspecções, investigação e aplicações médicas) Alcance espectralonda médiaGamas de temperaturas-10 a 450 ºC
ArrefecimentoventoinhaSensibilidade térmica<0,07 a 30 ºC
Ajustes de emissividade0,10-1,0
Preço
12.000€ a 25.000€
Aparelhos de IV
Fonte: Stockton
Raytheon 2000AS (vigilância, investigação e aplicações médicas)
Alcance espectral
onda longa
Gamas de temperaturas-20 a 1500 ºC
Arrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºC
Ajustes de emissividade0,10-1,0
Preço
4.000€ a 11.000€
Aparelhos de IV
Fonte: Stockton
Qwip (sistemas de vigilância, navegação, monitorização do tempo e astronomia)
Alcance espectral
8 a 12 μm
Arrefecimento
Uma pequeno motor faz
circular hélio de tal modo,
que consegue arrefecer
a câmara da temperatura
ambiente para -208ºC,
em 8 minutos
Aparelhos de IV
Fonte: JPL
Industria Petroquimica
Aplicações
Fonte: Flir
Manutenção industrial
Aplicações
Fonte: Flir
Manutenção industrial
Aplicações
Fonte: Flir
Industria siderúrgica
Aplicações
Fonte: Flir
Distribuição eléctrica
Aplicações
Fonte: Flir
Inspecções marinhas
Aplicações
Fonte: Flir
Investigação
Aplicações
Fonte: Flir
Infiltrações
Aplicações
Fonte: Flir
• en.wikipedia.org
• www.extech.com
• www.inframation.org
• www.flirthermography.com
• www.attinfrared.com
• www.zytemp.com
• www.amperesautomation.hpg.ig.com.br
• www.nasa.gov
• www.vicotrylighting.co.uk
Referencias