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Métodos experimentais de energia e ambiente
Técnicas de infravermelhos
Mestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas
Armando Caldeira Pires
IntroduçãoIntrodução
P ê d tili ã d i f lh (IV)• Porquê da utilização dos infravermelhos (IV)
• HistóriaHistória
• Funcionamento
• Aparelhos de IV
A li õ• Aplicações
• ReferênciasReferências
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Armando Caldeira Pires
Porquê da utilizaçãoPorquê da utilização
U i l i il l• Uma imagem vale mais que mil palavras
• A termografia infravermelha é o único diagnósticog gtécnico que permite instantaneamente visualizar everificar o comportamento térmico
• As câmaras de IV mostram os problemastérmicos e quantifica-os com precisam através detérmicos e quantifica os com precisam através demedição sem contacto
• Em Junho de 2001 a revista “Maintenance• Em Junho de 2001, a revista MaintenanceTechnology” escreveu que um investimento de 1€em inspecções com infravermelhos tem um retorno
Mestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas
Armando Caldeira Pires
em inspecções com infravermelhos tem um retornode 4€
História1884 O i i i1884, 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 t di â itermodinâmicos.
• A descoberta de Boltzmann foi simples:R di ã T t 4 C t tRadiação = Temperatura4 x Constante
• Consequentemente, Boltzmann foi chamado o pais da termografia infravermelha
N t ti d té i• Neste tipo de técnica, um pequeno processador dentro do aparelho usa esta formula para prever com precisão a
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Armando Caldeira PiresLE Boltzmann(1844-1906)
Fonte: ZyTemp
formula para prever com precisão a temperatura do alvo
História1899 A i i t t d i ó t1899, 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 19011901
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Armando Caldeira Pires Fonte: ZyTemp
História1913 S Tit i ti id d1913, 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
• O seu termómetro de IV é melhor em relação ao pirómetro óptico porque era capaz de detectar objectos comobjectos com temperatura mais do baixo do que a
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Armando Caldeira Pires Fonte: ZyTemp
qambiente
HISTÓRIA1968 E i i id d lt d1968, Emissividade alterada
• A evolução dos IRT vieram de diversas formas.ç
• Em Julho de 1968 apareceu uma aparelho analógico, pesado, que requeria um longo tempo de estabilizaçãopesado, que requeria um longo tempo de estabilização
•O aparelho usava um cristal piroeléctrico como detector
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Armando Caldeira Pires Fonte: ZyTemp
1973 D l i t d IRT d
HISTÓRIA1973, 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 mediçãoç
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Armando Caldeira PiresFonte: ZyTemp
1977 R l ã d
HISTÓRIA1977, Revolução de um sensor: termopilha em miniatura• Primeira termopilha em miniatura. O seu sensor é mais pequeno que 4mm2.
O i i d i f lh i i t• O primeiro sensor de infravermelhos em miniatura. Antes desta invenção, este tipo de sensores eram maiores que uma moeda (4mm)maiores que uma moeda (4mm)
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Armando Caldeira Pires Fonte: ZyTemp
PRINCIPIOS BÁSICOSRadiação TérmicaRadiação 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 doslibertada devida as oscilações ou transições dos
electrões, átomos, iões ou moléculas mantidos pela
energia interna do material
• Toda forma de matéria com temperatura acima doToda forma de matéria com temperatura acima do
zero absoluto emite energia térmica
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PRINCIPIOS BÁSICOS
Radiação Térmica
• Nos gases ou outros materiais transparentes• 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 ç
metais, apenas algumas centenas de camadas
atómicas mais externas contribuem para a emissão deatómicas mais externas contribuem para a emissão de
energia térmica
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PRINCIPIOS BÁSICOSRadiação Térmica• A lei de Planck descreve, matematicamente, a
id d d i i id i lquantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda • Porém a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores• 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 calorg
Relação entre Temperatura e Energia
va
102E= h ν
1500°C 1000°Ca
rad
ian
te r
ela
tiv
101
1
10-1
E = Energia [J]
h = constante de Planck 34
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1000 C 542°C260°C
20°C Em
itan
ci
10-2
10-3
10-4
0
[6,63x10-34Js]
v = frequência [s-1]
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Comprimento de Onda (microns)
0
Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro)Fonte: Raytek
PRINCIPIOS BÁSICOSRadiação TérmicaRadiação Térmica
• Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectrotemperatura compõem o chamando espectro electromagnético, onde está o espectro IV
• A zona do visível abrange comprimentos de onda entre• 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 μmpirómetros de IV usam a banda entre 5 μm e 20 μm
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Armando Caldeira PiresFonte: Victory
PRINCIPIOS BÁSICOS
Radiação Térmica• As ondas longas têm comprimentos desde 3 a 100 μmAs 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 eAs 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• 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• 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• 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 ondaMestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas
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• As ondas curtas são mais penetrante do que a onda
longa e são boa para metais quentes
PRINCIPIOS BÁSICOS
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 temperaturap g p
Corpo Real
• As superfícies só são capazes de emitir uma determinada parte da energiap g
• O parâmetro que determina a capacidade de emissão é a emissividade
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emissão é a emissividade
PRINCIPIOS BÁSICOSEmissividadeEmissividade• 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 t iti itransmitir energia• A absorvidade (α) mede a capacidade de um corpo absorver energiaenergia
• A reflectividade ρ e a
transmissividade sãotransmissividade são
conceitos associados à
natureza do objecto
(opaco ou translúcido)
e às condições
atmosféricas na zona
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Fonte: Raytek
atmosféricas na zona
entre sensor e objecto
PRINCIPIOS BÁSICOSEmissividadeEmissividadeUm corpo negro possui uma emissividade = 1, um corpoi t i i i id d t t é 1cinzento possui emissividade constante porém < 1 e um
corpo não cinzento possui emissividade que varia aolongo de diferentes comprimentos de onda, mas não comg p ,a temperatura
Emissividade vs. Comprimento de Onda
Distribuição espectral de Diferentes Emissividades
varia c/ comprimento de onda
= 0.9 (Corpo Cinza “Graybody”)
iva
= 1.0 (Corpo Negro “Blackbody”)
p(non-graybody)
En
ergi
a R
elat
i
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Armando Caldeira PiresFonte: Raytek
Comprimento de onda (microns)
PRINCIPIOS BÁSICOS• 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 corporeflectido () na superfície e transmitido () através do corpo
ε+ρ+=1
Corpo negro:
ε=1 ρ==0
Corpo transparente:
=1 ρ=ε=0E lh f itε=1, ρ==0 =1, ρ=ε=0Espelho perfeito:
ρ=1, ε==0
• No campo de aplicação da termografia as superfícies são na maioria das vezes opacas ao IV =0 e a sua
id d i i é t t ( T capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e menor que 1, assim temos:
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Corpo cinzento: ε+ρ=1
Emissi idadePRINCIPIOS BÁSICOS
Emissividade
Um corpo real tem uma emissão dada pela Lei de S f B lStefan-Boltzmann :
W=σεT4W=σεT
W= Potencia radiante [W/m2]
σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2]
T = Temperatura absoluta [K]T = Temperatura absoluta [K]
ε = Emissividade
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EmissividadePRINCIPIOS BÁSICOS
Emissividade
Emissividades típicas consideradas em termografia
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FUNCIONAMENTO
• 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 édi d á d li i d l da temperatura média da área delimitada pelo campo de
visão do aparelho
O S fO Sistema Infravermelho
Janela e Ótica
Objeto Atmosfera Detetor
453¡C
SP1 470¡C
EMS .̄85
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Objeto Atmosfera DetetorElectronica, Display
ou Outras Saídas
Fonte: Raytek
FUNCIONAMENTO
• O sistema óptico determina o diâmetro da área circular ou campo de visão do aparelhoou campo de visão do aparelho
• A relação entre distância do alvo ao pirómetro (D) e o diâmetro do campo de visão (S) determina a resoluçãodiâmetro do campo de visão (S), determina a resolução óptica do equipamento, D:S
Distância x Tamanho do Alvo
O Objeto Deve Preencher o Campo de VisãoCampo de VisãoIdeal Bom Errado
Sensor
Objeto maiorque área de
Objeto menor que área de leitura
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Armando Caldeira PiresFonte: Raytek
leituraObjeto igual a area de leitura
área de leitura
FUNCIONAMENTO
Erros• Existe uma forte dependência entre a temperatura a• 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.
Erros De Temperatura Devido À pIncerteza Na Emissividade
10
88-14 µm Solução :
U8
6
4
2
Usar o menor comprimento de onda possível
% E
rro
5.0 µm
3.9 µm
2.2 µm
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Armando Caldeira Pires
2
0500 1000 1500 2000 2500 3000
1.0 µm
Temperatura do Alvo (°C)
Fonte: Raytek
Aparelhos de IV
HR101• Este aparelho mede a humidade relativa temperatura• Este aparelho mede a humidade relativa, temperaturado ar (com uma sonda) e a temperatura de umasuperfície (a partir de infravermelhos)
• A função de IV inclui um ponteiro laserpara indicar do alvo
Fonte: ExTech
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Armando Caldeira Pires
Fonte: ExTech
Aparelhos de IV
HR101• Temperatura por IV (tempo de resposta): 0,5 s
• Temperatura por sonda (tempo de resposta): 3 minTemperatura por sonda (tempo de resposta): 3 min
• Tempos de resposta numa gama de temperaturas entre 18 a 28°Centre 18 a 28 C
• Emissividade é fixa em 0,95 (A maior parte dos materiais e superfícies pintados ou oxidadas têm umamateriais e superfícies pintados ou oxidadas têm uma emissividade de 0,9)
• D/S = Média aproximada de 8:1 (D = distancia,D/S Média aproximada de 8:1 (D distancia, S = diâmetro)
• Comprimento de onda de 6 a 14 µm
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Armando Caldeira PiresFonte: LI-COR Inc
p µ
Aparelhos de IV
HR101• Poderá demorar até 30 min de estabilização para• Poderá demorar até 30 min de estabilização para mudanças bruscas no ambiente
• Se a superfície alvo está coberta com gelo, óleo, p g , ,sujidade, etc. a medição não será a correcta
• Se a superfície alvo tiver alta reflectividade deve-se i t b i fit tpintar ou cobrir com fita preta
• A superfície do alvo tem que ser maior que zona de alvo
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Armando Caldeira PiresFonte: ExTech
Aparelhos de IV
Mikron 7515 (Inspecções, investigação e aplicações médicas)p ç )
Alcance espectralonda longagGamas de temperaturas-40 a 350 ºCArrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºCAj t d i i id dAjustes de emissividade0,10-1,0
P Fonte: Stockton
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Armando Caldeira Pires
Preço12.000€ a 25.000€
Fonte: Stockton
Aparelhos de IV
FLIR 390 (Inspecções, investigação e aplicações médicas)p ç )
Alcance espectralonda médiaGamas de temperaturas-10 a 450 ºCArrefecimentoventoinhaSensibilidade térmica<0,07 a 30 ºCAj t d i i id dAjustes de emissividade0,10-1,0
PreçoFonte: Stockton
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Preço
12.000€ a 25.000€
Aparelhos de IV
Raytheon 2000AS (vigilância, investigação e aplicações médicas)
Alcance espectralonda longag
Gamas de temperaturas-20 a 1500 ºCArrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºCAj t d i i id dAjustes de emissividade0,10-1,0Preço
Fonte: Stockton
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Preço
4.000€ a 11.000€
Aparelhos de IV
Qwip (sistemas de vigilância, navegação, monitorização do tempo e astronomia)monitorização do tempo e astronomia)
Alcance espectral8 a 12 μm8 a 12 μm
Arrefecimento
Uma pequeno motor fazUma pequeno motor faz
circular hélio de tal modo,
fque consegue arrefecer
a câmara da temperatura
bi t 208ºCambiente para -208ºC,
em 8 minutosFonte: JPL
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Aplicações
Industria Petroquimica
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Aplicações
Manutenção industrial
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Aplicações
Manutenção industrial
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Fonte: Flir
Aplicações
Industria siderúrgica
Fonte: Flir
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Aplicações
Distribuição eléctrica
Fonte: Flir
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Aplicações
Inspecções marinhas
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Fonte: Flir
Aplicações
Investigação
Fonte: Flir
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Aplicações
Infiltrações
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Armando Caldeira Pires
Fonte: Flir
Referencias
• en.wikipedia.org
• www.extech.com
www inframation org• www.inframation.org
• www.flirthermography.com
• www.attinfrared.com
t• www.zytemp.com
• www.amperesautomation.hpg.ig.com.brp pg g
• www.nasa.gov
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• www.vicotrylighting.co.uk
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