Termografia - Modulo Iii_roberto Marcio

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 [email protected] - 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


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.


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).


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)


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.


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


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).


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.


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


n =

1 Gerao Comercial

AGADcada de 50 (USO

MILITAR)AGA 680

Dcada de 60 (USO COMERCIAL)


n =

1 Gerao Comercial Gerao de Imagens

Tecnologia formao de Imagens


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.


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.


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


n =

2 Gerao Comercial


n =

2 Gerao Comercial Fase 2


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.


n =

Termovisor Prism DS

3 Gerao Comercial


n =

Termovisor Agema 550

3 Gerao Comercial


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.


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.


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.


n =

4 Gerao Comercial


n =

4 Gerao Comercial

P20 infrared camera76800 Pixels


4 Gerao Comercial

TH7102 infrared camera76800 Pixels


n =

4 Gerao Comercial

P640 infrared camera307200 Pixels


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


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.


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.


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


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

=

=


Equao matemtica da medio:

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)


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


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


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


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


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