análise de sistemas de energia e máquinas elétricas com...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Análise de Sistemas de Energia e Máquinas Elétricas com recurso a termografia

Tiago Miguel Dias Oliveira

VERSÃO PROVISÓRIA

Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Major Energia

Orientador: Professor Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa

Janeiro de 2012

ii

© Tiago Miguel Dias Oliveira, 2012

iii

Resumo

A evolução e a crescente utilização da termografia nos mais diversos campos da indústria

levaram a um aumento de interesse sobre os fundamentos das técnicas termográficas. A

parametrização dos fatores de influência na medição da radiação infravermelha é considerada

fundamental, para que as leituras sejam fiáveis e de precisão elevada.

A dissertação tem como principal objetivo a descrição do trabalho desenvolvido pelo

autor, sobre a análise de sistemas de energia e máquinas elétricas com recurso a termografia

e teve origem numa parceria entre a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

(FEUP) e a empresa Efacec Energia, Máquinas e Equipamentos Elétricos, SA. Com o crescente

interesse da empresa Efacec em tecnologias termográficas, foi proposto o desenvolvimento

de uma metodologia para aplicação das técnicas termográficas em grandes transformadores

de potência.

Na dissertação descreve-se o procedimento, analisam-se os resultados obtidos e extraem-

se conclusões da investigação experimental realizada com vista à calibração de uma câmara

termográfica disponibilizada pela empresa, em todos os aspetos considerados relevantes e à

elaboração de um protocolo com os passos a seguir numa inspeção termográfica.

Apresenta-se, também, na dissertação, o desenvolvimento de uma folha de cálculo para

uma análise quantitativa de imagens termográficas, de forma a complementar as

funcionalidades do software disponível na FEUP para o efeito.

v

Abstract

The evolution and the increasing use of thermography in various fields of industry led to

an increase of interest on the basis of thermographic techniques. The parameterization of the

factors of influence in the measurement of infrared radiation is considered essential so that

the measures are reliable and of high precision. This dissertation has as main goal the description of the author`s work on the analysis of

power systems and electric machines using thermography and is originated from a partnership

between the Faculty of Engineering of the University of Porto (FEUP) and the company Efacec

Energia, Máquinas e Equipamentos Eléctricos, SA. With the growing interest in the company

Efacec on the thermographic technology, was proposed to develop a methodology for

application of thermographic techniques in large power transformers.

In the dissertation, the procedure is described, the obtained results are analyzed and

conclusions are extracted from the experimental investigation, carried out with sight to the

calibration of a thermal imager, provided by the company, in all aspects considered relevant

and the elaboration of a protocol with the following steps in a thermographic inspection.

It is also stated, in the dissertation, the development of a spreadsheet for a quantitative

analysis of thermographic images, to complement the functionality of the software available

for this purpose in FEUP.

vii

Agradecimentos

Em primeiro lugar, tenho de expressar todo o meu carinho e admiração aos meus pais, à

minha irmã e restante família, pelo apoio incondicional, pela confiança depositada, pelo

orgulho, pelas palavras amigas e conselhos nos momentos mais difíceis.

Ao meu orientador, o Professor Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa,

pela amizade, pela disponibilidade, apoio, dedicação e organização durante a realização da

dissertação.

A todos os colaboradores do Laboratório de Ensaios da Efacec, pelos conhecimentos

partilhados, pelo apoio e pelo material disponibilizado para a elaboração da dissertação. Em

especial ao Eng.º Dinis Pinto e ao Eng.º Henrique Ribas.

Aos meus amigos Ricardo Bessa, Joaquim Pedro, Pedro Costa, Tiago Azevedo, Pedro

Correia, Vanessa Pina, António Pinheiro e João Pedro Costa pelo companheirismo, pelos

momentos de alegria partilhados e acima de tudo pela amizade.

Por fim, agradeço à Filipa, por todo o amor, pela compreensão, pela motivação e por toda

a paciência.

ix

Índice

Resumo ...........................................................................................iii

Abstract ............................................................................................v

Agradecimentos ................................................................................ vii

Índice .............................................................................................. ix

Lista de figuras ................................................................................. xii

Lista de tabelas .............................................................................. xvii

Capítulo 1 ........................................................................................ 1

Introdução ....................................................................................................... 1

1.1 - Objectivos e Metodologia .......................................................................... 21.2 - Apresentação do trabalho .......................................................................... 3

Capítulo 2 ........................................................................................ 5

Tecnicas termográficas e seus fundamentos .............................................................. 5

2.1 - Fenómenos de transferência de calor ............................................................ 62.1.1 - Condução ...................................................................................... 72.1.2 - Convecção ..................................................................................... 82.1.3 - Radiação ....................................................................................... 92.1.3.1 - Lei de Stephan-Boltzmann .......................................................... 102.1.3.2 - Lei de Planck .......................................................................... 102.1.3.3 - Lei do deslocamento de Wien ...................................................... 12

2.2 - Espetro Eletromagnético ......................................................................... 132.3 - Caraterísticas da radiação infravermelha ..................................................... 142.4 - Medição da radiação infravermelha ............................................................ 16

2.4.1 - Fatores de influência na medição da radiação infravermelha ..................... 172.4.2 - Emissividade ................................................................................. 182.4.2.1 - Variação da emissividade com o ângulo de visão ............................... 182.4.2.2 - Variação da emissividade com a temperatura do objeto ...................... 192.4.2.3 - Variação da emissividade com a condição e forma de uma superfície ...... 202.4.2.4 - Técnica para determinação da emissividade de um objeto ................... 212.4.2.5 - Tabela de emissividade .............................................................. 232.4.3 - Influência atmosférica ..................................................................... 244.3.3.1 - Transmissão atmosférica ............................................................ 244.3.3.2 – Fatores climáticos .................................................................... 262.4.4 - Exatidão da medição de temperatura .................................................. 28

2.5 - Ensaios Termográficos: Análise Qualitativa e Quantitativa ................................ 292.5.1 - Análise Qualitativa ......................................................................... 292.5.2 - Análise Quantitativa ....................................................................... 30

2.6 - Breve História da Termografia .................................................................. 302.6.1 - Escalas de temperatura e Termómetros ............................................... 312.6.2 - Radiação Infravermelha ................................................................... 33

x

2.7 - Síntese ............................................................................................... 37

Capítulo 3 ....................................................................................... 39

Técnicas termográficas e suas aplicações ............................................................... 39

3.1 - Aplicação na Ciência .............................................................................. 403.1.1 - Medicina ..................................................................................... 413.1.2 - Medicina Veterinária ....................................................................... 443.1.3 - Astronomia .................................................................................. 453.1.4 - Arqueologia .................................................................................. 463.1.5 - Geologia ...................................................................................... 473.1.6 - Monitorização da cobertura do solo ..................................................... 483.1.7 - Oceanografia ................................................................................ 493.1.8 - Meteorologia ................................................................................ 50

3.2 - Aplicação em Segurança e Vigilância .......................................................... 513.2.1 - Militar ........................................................................................ 513.2.2 - Vigilância .................................................................................... 533.2.3 - Buscas e salvamento ....................................................................... 553.2.4 - Combate a incêndios ...................................................................... 55

3.3 - Aplicação em Edifícios ............................................................................ 573.3.1 - Deteção de zonas com isolamento deficiente ......................................... 583.3.2 - Deteção de fugas de ar .................................................................... 593.3.3 - Deteção de humidade ..................................................................... 603.3.4 - Inspeção de tubagens, sistema de aquecimento e ar condicionado ............... 62

3.4 - Aplicação em Sistemas de Fluido e Vapor ..................................................... 633.5 - Aplicação em Sistemas Mecânicos .............................................................. 653.6 - Aplicação em Instalações Elétricas ............................................................. 66

3.6.1 - Ligações soltas ou deterioradas ......................................................... 673.6.2 - Circuitos em Sobrecarga .................................................................. 683.6.3 - Circuitos com desequilibrio de cargas .................................................. 693.6.4 - Harmónicos .................................................................................. 703.6.5 - Equipamentos defeituosos ................................................................ 713.6.6 - Transformadores ........................................................................... 723.6.7 - Quadros Elétricos ........................................................................... 74

3.7 - Aplicação em Energias Renováveis ............................................................. 763.7.1 - Aproveitamentos de Energia Eólica ..................................................... 763.7.2 - Sistemas Fotovoltaicos .................................................................... 79

3.8 - Outras aplicações na Indústria .................................................................. 843.8.1 - Controlo do Processo de Fabrico ........................................................ 843.8.2 - Automação ................................................................................... 873.8.3 - Eletrónica .................................................................................... 89

3.9 - Síntese ............................................................................................... 90

Capítulo 4 ....................................................................................... 91

Aplicação da termografia a grandes transformadores de potência ................................. 91

4.1 - Caraterização do problema ...................................................................... 914.1.1 - Identificação dos pontos de interesse nos transformadores de potência ........ 934.1.2 - Caraterização da câmara termográfica ................................................ 934.1.3 - Parametrização revelante e dificuldades intrínsecas ................................ 94

4.2 - Tipos de problemas a considerar e metodologias para os tratar .......................... 944.2.1 - Pontos de interesse selecionados ....................................................... 95

4.3 - Resultados Obtidos ................................................................................ 964.3.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto ................................ 964.3.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão ..................................... 974.3.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície ................................... 984.3.3.1 - Variação da emissividade com a cor creme ...................................... 994.3.3.2 - Variação da emissividade com a cor cinzento claro ........................... 1004.3.3.3 - Variação da emissividade com a cor cinzento escuro ......................... 101

xi

4.3.3.4 – Variação da emissividade com a cor verde ..................................... 1014.3.4 - Testes sobre um transformador de potência em funcionamento ................. 1024.3.4.1 - Resultados e sua análise ............................................................ 1034.3.5 - Conclusões experimentais ............................................................... 107

4.4 - Modo Operatório Proposto ...................................................................... 1084.5 - Desenvolvimento de uma folha de cálculo para análise de imagens termográficas .. 109

4.5.1 - Caraterização do problema .............................................................. 1094.5.1.1 - Caracterização da câmara termográfica ........................................ 1094.5.1.2 - Caracterização do software FLIR QuickReport ................................. 1104.5.2 - Desenvolvimento da aplicação .......................................................... 1104.5.2.1 - Modo Operatório ..................................................................... 1114.5.3 - Resultados .................................................................................. 1144.5.3.1 - Linha de Perfil ....................................................................... 1144.5.3.2 - Gráfico de Superfície 3D ........................................................... 1154.5.4 - Graduação de cores ....................................................................... 116

4.6 - Síntese .............................................................................................. 117

Capítulo 5 ..................................................................................... 119

Conclusões e trabalho futuro ............................................................................. 119

5.1 - Conclusões ......................................................................................... 1195.2 - Trabalho futuro ................................................................................... 120

Referências bibliográficas .................................................................. 121

Anexo A ........................................................................................ 125

Anexo B ........................................................................................ 127

B.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto .......................................... 127

B.2 – Variação da emissividade com o ângulo de visão ............................................... 128

B.3 – Variação da emissividade com a cor da superfície ............................................. 129

B.3.1 - Variação da emissividade com a cor creme ............................................... 129B.3.2 - Variação da emissividade com a cor cinzento claro ..................................... 131B.3.3 – Variação da emissividade com a cor cinzento escuro .................................... 132B.3.4 – Variação da emissividade com a cor verde ................................................ 134

B.4 – Testes sobre um transformador de potência em funcionamento ............................ 135

B.5 – Gráficos de Superfície ............................................................................... 147

xii

Lista de figuras

Figura 2.1 - Exemplo de fluxo de calor condutivo [4]. ................................................. 8

Figura 2.2 - Exemplo de fluxo de calor convectivo forçado [4]. ..................................... 9

Figura 2.3 - Traçado da emitância espetral de um corpo negro radiante [9]. ................... 11

Figura 2.4 - Traçado da emitância espetral corpo negro em escala logarítmica [4]. ........... 12

Figura 2.5 - Espetro eletromagnético [11]. ............................................................ 13

Figura 2.6 - Variação da emissividade com o comprimento de onda [15]. ....................... 15

Figura 2.7 - Emissão, Reflexão e Transmissão [14]. .................................................. 15

Figura 2.8 - Medição da radiação infravermelha [12]. ............................................... 16

Figura 2.9 - Variação da emissividade com o ângulo de visão [6]. ................................. 19

Figura 2.10 - Variação da emissividade com a temperatura (metais) [15]. ...................... 19

Figura 2.11 - Variação da emissividade com a temperatura (dielétricos) [15]. ................. 20

Figura 2.12 - Variação da emissividade com a condição da superfície [15]. ..................... 20

Figura 2.13 - Fonte de reflexão (1) [12]. ............................................................... 21

Figura 2.14 - Medição da intensidade da radiação da fonte de reflexão [12]. .................. 22

Figura 2.15 - Metodo Refletor [12]. ..................................................................... 22

Figura 2.16 - Transmissão infravermelha (Distância = 0,3Km, Nível do mar) [18]. ............. 26

Figura 2.17 - Transmissão infravermelha (Distância = 1,8Km, Nível do mar) [17]. ............. 26

Figura 2.18 - Redução da Temperatura em função da velocidade do vento [6]. ................ 27

Figura 2.19 – Desenvolvimento dos detectores de infravermelhos ao longo dos anos [22]. ... 37

Figura 3.1 - Termograma com escala de cores. ....................................................... 39

Figura 3.2 - Deteção de cancro da mama [27]. ........................................................ 42

Figura 3.3 - Zonas de Dor [28]. ........................................................................... 42

Figura 3.4 - Procedimentos Cirúrgicos [27]. ............................................................ 42

Figura 3.5 - Lesão músculo – esquelécticas [27]. ...................................................... 43

Figura 3.6 - Deteção de gripe [29]. ...................................................................... 43

xiii

Figura 3.7 - Deteção de lesões em cavalos [30]. ...................................................... 44

Figura 3.8 - Galáxia Maffei2 [31]. ........................................................................ 45

Figura 3.9 - Estrada Arqueológica [32]. ................................................................. 46

Figura 3.10 - Imagem termográfica geológica [10]. .................................................. 47

Figura 3.11 - Monitorização da cobertura do solo [10]. .............................................. 48

Figura 3.12 - Monitorização dos oceanos [10]. ........................................................ 50

Figura 3.13 - Mapa Meteorológico [10]. ................................................................. 50

Figura 3.14 - Aplicações Militares [2,6]. ................................................................ 51

Figura 3.15 - Fiscalização de canais marítimos [20]. ................................................. 52

Figura 3.16 - Inspeção de um Navio [2]. ................................................................ 52

Figura 3.17 - UAV Antex – X03 desenvolvido em Portugal [33]. .................................... 53

Figura 3.18 - Vigilância de suspeitos [2]. ............................................................... 54

Figura 3.19 - Vigilância de instalações [2]. ............................................................ 54

Figura 3.20 - Buscas de vítimas de naufrágio [33]. ................................................... 55

Figura 3.21 - Deteção de vítimas em incêndios [13]. ................................................. 55

Figura 3.22 - Imagem termográfica de combate a incêndio [2]. .................................. 56

Figura 3.23 - Imagem termográfica de incêndio num navio [33]. ................................. 56

Figura 3.24 - Imagem termográfica de um edifício [35]. ............................................ 58

Figura 3.25 - Deteção de isolamento deficiente [36]. ................................................ 59

Figura 3.26 - Deteção de fugas de ar [36]. ............................................................. 60

Figura 3.27 - Deteção de humidade [36]. .............................................................. 61

Figura 3.28 - Deteção de humidade em coberturas [35]. ............................................ 62

Figura 3.29 - Inspeção de tubagens e sistema de aquecimento [10,20,35]. ..................... 63

Figura 3.30 - Imagens termográficas de sistemas de vapor [45]. .................................. 64

Figura 3.31 - Imagens termográficas de refratário e tubagem [45]. ............................... 64

Figura 3.32 - Imagens termográficas de sistemas mecânicos [47]. ................................ 65

Figura 3.33 - Imagens termográficas de ligações soltas [48,49]. ................................... 67

Figura 3.34 - Imagem termográfica de circuito em sobrecarga. ................................... 68

Figura 3.35 - Imagem termográfica de circuito com desequilíbrio de carga. .................... 69

Figura 3.36 - Linha de perfil da imagem termográfica da Figura 2.58. ........................... 69

xiv

Figura 3.37 - Imagem termográfica de efeitos de harmónicos [49]. ............................... 71

Figura 3.38 - Imagens termográficas de equipamentos defeituosos. .............................. 72

Figura 3.39 - Imagens termográficas de transformadores [49]. .................................... 74

Figura 3.40 - Imagens termográficas de uma pá [60]. ............................................... 77

Figura 3.41 - Imagens termográficas de impactos sofridos por uma pá [60]. .................... 77

Figura 3.42 - Imagem termográfica de termografia ativa [60]. .................................... 78

Figura 3.43 - Imagem termográfica do interior da cabina de uma turbina eólica [61]. ........ 79

Figura 3.44 - Curva característica de uma célula solar [64]. ....................................... 80

Figura 3.45 - Efeito da temperatura na curva característica de uma célula solar [65]. ....... 81

Figura 3.46 - Esquema de termografia ativa [67]. .................................................... 82

Figura 3.47 - Imagens termográficas de derivações em células solares defeituosas [66]. ..... 82

Figura 3.48 - Imagem termográfica de um painel fotovoltaico [65]. .............................. 83

Figura 3.49 - Imagem termográfica de painéis com zonas sobreaquecidas [65]. ................ 83

Figura 3.50 - Imagens termográficas na indústria alimentar [39]. ................................. 85

Figura 3.51 - Imagem termográfica na indústria papeleira [40]. ................................... 86

Figura 3.52 - Imagens termográficas de assento e vidros num automóvel [41]. ................. 87

Figura 3.53 - Imagens termográficas de pneus e conversores catalíticos [42]. .................. 88

Figura 3.54 - Imagens termográficas de placas de circuitos impressos [44]. .................... 90

Figura 4.1 - Exemplar de um transformador de potência. ........................................... 92

Figura 4.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão (experimental). .................. 98

Figura 4.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme). ........................ 100

Figura 4.4 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento claro). .............. 100

Figura 4.5 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento escuro). ............ 101

Figura 4.6 - Variação da emissividade com a cor da superfície (verde). ......................... 102

Figura 4.7 - Método de curto-circuito para ensaio de aquecimento (modelo monofássico). . 102

Figura 4.8 - Variação da temperatura de referência ao longo das séries de medidas. ........ 104

Figura 4.9 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (BT Tampa Superior). .............................................................................................. 105

Figura 4.10 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (Gola 1). .. 106

Figura 4.11 - Esquema do processo de geração de gráficos. ....................................... 111

xv

Figura 4.12 - Marcação de linha e superfície com QuickReport. .................................. 112

Figura 4.13 - Opções para exportação de dados radiométricos. .................................. 112

Figura 4.14 - Indicação de caminho para leitura dos valores radiométricos. ................... 113

Figura 4.15 - Geração do gráfico. ....................................................................... 113

Figura 4.16 - Marcação de linha e exportação de dados radiométricos com QuickReport. ... 114

Figura 4.17 - Superfície total e exportação de dados radiométricos com QuickReport. ...... 115

Figura 4.18 - Superfície 3D. .............................................................................. 116

Figura B.1 - Variação da emissividade com o ângulo de visão (experimental). ................. 129

Figura B.2 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme). ........................ 130

Figura B.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento claro). .............. 132

Figura B.4 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento escuro). ............ 133

Figura B.5 - Variação da emissividade com a cor da superfície (verde). ......................... 135

Figura B.6 - Variação da temperatura de referência ao longo das séries de medidas. ........ 135

Figura B.7 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (BT Tampa Superior). .............................................................................................. 139

Figura B.8 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (Parede Lateral 1). ............................................................................................. 140



Figura B.11 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (Gola 1). .. 141



Figura B.14 - Desvios Relativos em todos os pontos de estudo, ao longo das séries de medidas. ............................................................................................... 146

Figura B.15 – Grafico de superfície 3D rodado 90 graus ............................................. 147

Figura B.16 – Gráfico de superfície 3D rodado 180 graus. .......................................... 148

Figura B.17 – Grafico de superfície 3D rodado 90 graus. ............................................ 148

xvii

Lista de tabelas

Tabela 2.1 - Valores típicos dos processos para diferentes corpos. ................................ 16

Tabela 2.2 - Valores típicos de emissividade para diferentes materiais. ......................... 24

Tabela 2.3 - Fator de correção devido à ação do vento. ............................................. 28

Tabela 4.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto ................................. 96

Tabela 4.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão ...................................... 97

Tabela 4.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme). ........................ 99

Tabela 4.4 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (BT Tampa Superior). .............................................................................................. 104

Tabela 4.5 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Gola 1). ............... 105

Tabela 4.6 - Erros relativos das leituras efetuadas (BT Tampa Superior). ....................... 106

Tabela 4.7 - Erros relativos das leituras efetuadas (Gola 3). ...................................... 107

Tabela 4.8 - Valor da emissividade para as diferentes cores de tinta. ........................... 108

Tabela A.1 – Valores de emissividade ................................................................... 125

Tabela B.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto ................................ 127

Tabela B.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão ..................................... 128

Tabela B.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme). ....................... 129

Tabela B.4 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento claro). ............. 131

Tabela B.5 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento escuro). ............ 132

Tabela B.6 - Variação da emissividade com a cor da superfície (verde). ........................ 134

Tabela B.7 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (BT Tampa Superior). .............................................................................................. 136

Tabela B.8 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Parede Lateral 1). .. 136

Tabela B.9 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Parede Lateral 2). .. 137

Tabela B.10 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Parede Lateral 3). . 137

Tabela B.11 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Gola 1). .............. 138

Tabela B.12 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Gola 2). .............. 138

xviii Introdução

xviii

Tabela B.13 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Gola 3). ............. 139

Tabela B.14 - Desvios relativos das leituras efetuadas (BT Tampa Superior). .................. 143

Tabela B.15 - Desvios relativos das leituras efetuadas (Parede Lateral 1). ..................... 143



Tabela B.18 - Desvios relativos das leituras efetuadas (Gola 1). .................................. 145



Tabela B.21 - Valor da emissividade para as diferentes cores de tinta. ......................... 147

xix

Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabética)

CDI Carrier Density Imaging

CRPS Síndrome de Dor Regional Complexa

CTS Condições de Teste Standard

DEEC Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

EL Electroluminescência

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

FMDUP Faculdade de Medicina Dentária da Universidade do Porto

IRAS Infrared Astronomical Satellite

MPP Ponto de Potência Máxima

NETA InterNational Electrical Testing Association

NOCT Nominal Operating Cell Temperature

QCM Quadro de Comando de Motores

QD Quadro de Distribuição

QM Quadro de Máquinas

QGBT Quadro Geral de Baixa Tensão do Posto de Transformação

QP Quadro Parcial

PITVANT Programa de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Autónomos Não –

Tripulados

SI Sistema Internacional

UAV Unmanned Aerial Vehicle

xx

Lista de símbolos

𝑄 Calor (𝐽)

𝑞′′ Fluxo de calor (𝑊/𝑚2)

𝑞𝑐′′ Quantidade de calor transferido por condução, por unidade de área, na

unidade de tempo (𝑊/𝑚2)

𝑞𝑐 Quantidade de calor transmitido por condução, através de uma superfície (𝑊)

𝑞ℎ′′ Quantidade de calor transferido por convecção, por unidade de área, na


𝑞ℎ Quantidade de calor transmitido por convecção, através de uma superfície(𝑊)

𝑞𝑟′′ Quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na


𝑞𝑟 Quantidade de calor transmitido por radiação, através de uma superfície (𝑊)

°𝐶 Celsius

℉ Fahrenheit

K Kelvin

𝜔 Frequência angular

𝛼 Ângulo

𝐴 Secção transversal (𝑚2)

𝑘 Condutividade térmica (𝑊/𝑚 ∗ 𝐾)

𝑙 Comprimento do material condutor (m)

𝑇1 − 𝑇2 Diferença de Temperaturas (K)

𝑇𝑠 Temperatura de superfície (K)

𝑇𝑏 Temperatura do fluido que envolve a superfície (K)

𝑇 Temperatura (K)

ℎ Coeficiente de transferência de calor (𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾)

𝜎 Constante de Stephan-Boltzmann (5.67 𝑥 10 −8 𝑊/(𝑚2𝐾4))

𝑓, 𝜐 Frequência (Hz)

𝑊(𝜆,𝑇) Emitância espectral do corpo negro radiante (𝑊 𝑚2,⁄ 𝜇𝑚)

𝜆 Comprimento de onda (m)

ℎ Constante de Planck (6.626 × 10−34 𝐽 ∙ 𝑠)

𝐾 Constante de Boltzmann (1.381 × 10−23 𝐽/𝐾)

𝑒 Número de Euler

𝑐 Velocidade da luz (≃ 3 × 108 𝑚/𝑠)

𝑏 Constante de radiação (2898 𝜇𝑚 ∗ 𝐾)

𝜀 Emissividade

𝜌 Reflexão espectral

𝛼 Absorção espectral

xxi

𝜏 Transmissão espectral

𝑈 Sinal de saída detector

𝑊𝑡𝑜𝑡 Quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na

unidade de tempo total (𝑊/𝑚2)

𝑊𝑜𝑏𝑗 Quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na

unidade de tempo, pelo objeto (𝑊/𝑚2)

𝑊𝑟𝑒𝑓𝑙 Quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na

unidade de tempo, por uma fonte ambiental (𝑊/𝑚2)

𝑊𝑎𝑡𝑚 Quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na

unidade de tempo, pela atmosfera (𝑊/𝑚2) 𝑑𝑅(𝜆,𝑇)𝑑𝜆

Radiância espectral por comprimento de onda (𝑊/𝑚3)

𝐼 Intensidade da radiação incidente (𝑊 ∙ 𝑠𝑟−1)

𝐼0 Intensidade da radiação incidente inicial (𝑊 ∙ 𝑠𝑟−1)

𝐼𝐵 Corrente eléctrica de serviço (A)

𝐼𝑍 Intensidade máxima admissível (A)

𝐸 Irradiância (𝑊/𝑚2)

𝑃𝑀𝑃𝑃 Potência Máxima sob as Condições de Teste Standard (Wp)

𝐼𝑀𝑃𝑃 Corrente fotovoltaica no MPP (A)

𝑈𝑀𝑃𝑃 Tensão fotovoltaica no ponto MPP (V)

𝐼𝐶𝐶 Corrente do curto-circuito (A)

𝑈𝑂𝐶 Tensão em circuito aberto (V)

𝐹𝐹 Facto de forma

𝜂 Eficiência (%)

𝑉 Velocidade (𝑚 𝑠𝑒𝑔⁄ )

𝛽 Coeficiente térmico da tensão (𝑉/℃)

𝛼 Coeficiente térmico da corrente (𝐴/℃)

𝑅𝑆 Resistência Série (Ω)

𝑅𝑃 Resistência Paralelo (Ω)

Capítulo 1

Introdução

Um objeto pode ser caraterizado por uma variedade de parâmetros físicos, tais como,

tamanho, forma e peso. No entanto, a propriedade física mais frequentemente medida é a

temperatura. Variações de temperatura inesperadas podem indicar falhas de projeto,

fabricação deficiente ou componentes danificados. Temperaturas excessivas aparecem pouco

tempo antes da falha, como por exemplo, em motores elétricos, transformadores ou

componentes eletrónicos, sendo que a sua eficiência operacional diminui à medida que a

temperatura aumenta.

Os sistemas de imagem que recorrem a câmaras termográficas são sistemas de formação

de imagens térmicas e medem a distribuição de temperatura superficial em tempo real. A

técnica de deteção da distribuição de temperatura superficial de um objeto denomina-se por

termografia. Uma câmara termográfica faz uso da faixa de infravermelhos, produzindo assim

uma imagem térmica de infravermelhos, também conhecida por termograma.

A termografia sofreu uma rápida evolução como indústria própria, devido aos enormes

progressos verificados, nas últimas duas décadas, nas seguintes tecnologias: desenvolvimento

dos detetores de infravermelhos baseados em microssistemas, desenvolvimento da eletrónica

e desenvolvimento da ciência computacional. O desenvolvimento das câmaras termográficas

originou a introdução de modelos de baixo custo, abrindo novos campos de usos e

acessibilidades aos mais diversos utilizadores. A interpretação de uma imagem termográfica é

um aspeto fundamental nos ensaios termográficos. O objetivo do ensaio e a natureza do

objeto em estudo determinam se a análise deve ser qualitativa ou quantitativa.

A tecnologia tem óbvias vantagens assim como algumas desvantagens sendo que, em

relação às primeiras merece destaque: a facilidade na medição da temperatura de objetos

móveis e de difícil acesso, a facilidade e rapidez na medição de grandes superfícies, a não

interferência com o funcionamento e com o comportamento do elemento a medir, a precisão

elevada, a alta repetibilidade e fiabilidade das medições.

2 Introdução

As desvantagens residem principalmente na dificuldade de avaliar os fatores de influência

na medição da radiação infravermelha, originando calibrações deficientes que podem

influenciar resultados obtidos e conclusões tomadas.

Como, na maioria dos processos e atividades industriais, o parâmetro da temperatura é

muito importante, a medição exata da mesma pode ser afetada pelos seguintes fatores:

emissividade, reflexão, influência atmosférica e fatores climáticos. Interessa que os processos

e atividades industriais tenham o mínimo de perdas, por isso, deve-se corrigir e minimizar

possíveis erros de interpretação de resultados.

As atividades industriais e os serviços fundamentais para as populações dependem do bom

funcionamento dos sistemas de energia e das máquinas elétricas. A termografia é uma

ferramenta com forte implementação em ações de manutenção preditiva, manutenção

preventiva, manutenção condicionada dos sistemas de energia e das máquinas elétricas.

Estre trabalho é sobre a análise de sistemas de energia e máquinas elétricas com recurso

a termografia e teve origem numa parceria entre a Faculdade de Engenharia da Universidade

do Porto (FEUP) e a empresa Efacec Energia, Máquinas e Equipamentos Elétricos, SA. Com o

crescente interesse da empresa Efacec em tecnologias termográficas foi proposto o

desenvolvimento de uma metodologia para aplicação das técnicas termográficas em grandes

transformadores de potência. Foi pedido ao autor a calibração de uma câmara termográfica

disponibilizada pela empresa Efacec Energia, Máquinas e Equipamentos Elétricos, SA, em

todos os aspetos considerados relevantes e a elaboração de um protocolo com os passos a

seguir numa inspeção termográfica.

Na FEUP existe uma câmara termográfica, disponibilizada pelo Departamento de

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (DEEC), que foi utilizada para familiarização das

técnicas termográficas. Verificou-se que ao nível de software não existia a capacidade de

gerar imagens gráficas para realizar uma análise quantitativa mais completa. Paralelamente

ao trabalho de investigação experimental, conduzido em fábrica, foi desenvolvida uma folha

de cálculo para uma análise quantitativa de imagens termográficas, de forma a complementar

as funcionalidades do software disponível na FEUP.

1.1 - Objetivos e Metodologia

Os objetivos propostos para a presente dissertação foram:

• Familiarizar-se com as técnicas termográficas e os seus fundamentos e conhecer as

suas aplicações;

• Desenvolver uma metodologia para aplicação das técnicas termográficas em grandes

transformadores de potência;

https://www.fe.up.pt/si/unidades_geral.visualizar?p_unidade=13�


Apresentação do trabalho 3

• Calibrar uma câmara termográfica, disponibilizada pela empresa Efacec, em todos os

aspetos considerados relevantes, ou seja, parametrização dos fatores de influência na

medição da radiação infravermelha;

• Desenvolver uma folha de cálculo para uma análise quantitativa de imagens

termográficas, de forma a complementar as funcionalidades do software disponível na

FEUP.

A parte de investigação experimental do trabalho decorreu nas instalações da Efacec,

onde foram realizados todos os ensaios necessários para a parametrização considerada

relevante, contando sempre com o apoio do pessoal do Laboratório de Ensaios da Efacec.

O trabalho de pesquisa bibliográfica com vista à fundamentação das diferentes atividades

desenvolvidas e o desenvolvimento da folha de cálculo foram realizados na FEUP.

O autor trabalhou orientado pelo Professor Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes

e Costa.

1.2 - Apresentação do trabalho

O presente documento de dissertação de mestrado encontra-se dividido em 5 capítulos e

dois anexos. A estrutura adotada pelo autor pretende descrever, sequencialmente, a

apresentação e o desenvolvimento de uma metodologia para aplicação das técnicas

termográficas em grandes transformadores de potência.

No presente capítulo, fez-se um enquadramento do tema e fixam-se os principais

objetivos para o trabalho.

No capítulo 2, faz-se uma descrição das técnicas termográficas e seus fundamentos.

Mostram-se as vantagens da aplicação das técnicas termográficas, os fenómenos associados à

transferência de calor e os fatores de influência na medição da radiação infravermelha.

No capítulo 3, faz-se uma descrição dos principais campos de aplicação das técnicas

termográficas, mostrando-se as vantagens da aplicação da termografia nos mesmos.

No capítulo 4, mostra-se o desenvolvimento da metodologia para a aplicação das técnicas

termográficas descritas nos capítulos anteriores. Faz-se uma caracterização do problema,

mostra-se os tipos de problemas a considerar e a metodologia para os tratar, os resultados

obtidos e, por fim, o modo operatório proposto. Na parte final mostra-se a folha de cálculo,

que foi desenvolvida para complementar as possibilidades do software disponível na FEUP.

No capítulo 5, são enunciadas as conclusões e faz-se uma síntese do trabalho

desenvolvido. São também propostos alguns temas para trabalhos de investigação futuros.

4 Introdução

O trabalho possui ainda dois anexos. No anexo A apresenta-se um catálogo de

emissividades de diversos materiais, tendo como fonte a consulta da bibliografia apresentada,

principalmente na informação fornecida por empresas fornecedoras de câmaras

termográficas. No anexo B, mostra-se todos os dados relevantes obtidos nos ensaios efetuados

para a calibração da câmara termográfica.

Capítulo 2

Tecnicas termográficas e seus fundamentos

A termografia sem contacto é uma técnica de deteção da distribuição de energia térmica

emitida pela superfície de um ou vários corpos ou objetos, por radiação. É um método não

invasivo, capaz de detetar, visualizar e gravar diferentes níveis de distribuição de

temperatura através da superfície de um objeto. A termografia sem contacto permite o

estudo da temperatura dos corpos, através da radiação infravermelha emitida pelos mesmos

usando uma câmara radiométrica [1]. Na maioria dos processos e atividades industriais, o

parâmetro temperatura é muito importante. Uma câmara radiométrica é uma câmara térmica

com capacidade de medir temperaturas apresentando algumas vantagens em relação aos

outros sistemas de medição de temperatura, nomeadamente aos que usam técnicas de

contacto [2,3]:

• Fácil medição da temperatura de objetos móveis e de difícil acesso;

• Técnica sem contacto, não interferindo com o funcionamento e com o

comportamento do elemento a medir;

• Facilidade e rapidez na medição de grandes superfícies;

• Medição da temperatura de vários objetos de forma simultânea;

• Tempo rápido de resposta, permitindo seguir fenómenos transitórios de temperatura;

• Precisão elevada, alta repetibilidade e fiabilidade das medições.

A termografia é aplicável em qualquer situação onde o conhecimento do padrão térmico

através de uma superfície forneça dados significativos de uma estrutura, processo ou sistema,

nomeadamente [2]:

• Sistemas Elétricos;

• Sistemas Mecânicos;

6 Tecnicas termográficas e seus fundamentos

• Sistemas de Fluidos e Vapor;

• Indústria Automóvel;

• Indústria de processo;

• Perdas de Energia (Edifícios, Fornos e Caldeiras);

• Eletrónica;

• Aeronáutica;

• Vigilância e Segurança;

• Aplicações Médicas: Medicina e Medicina Veterinária.

É uma ferramenta com forte implementação em Manutenção Preditiva, Manutenção

Preventiva, Manutenção Condicionada, Garantia da Qualidade e Forenses e pode ser usada,

com vantagens, em fase de desenvolvimento de novos produtos onde a temperatura seja uma

variável crítica.

2.1 - Fenómenos de transferência de calor

O calor é a energia térmica em transição. A quantidade de calor simboliza-se pela letra 𝑄

e tem como unidades do Sistema Internacional (𝑆𝐼) o joule (𝐽). Outra unidade conhecida para

o calor será a caloria (𝑐𝑎𝑙) [3]. Como todas as outras formas de energia, o calor nem pode ser

criado nem destruído. Pode, no entanto, ser convertido de e para outras formas de energia

como, por exemplo, energia elétrica em bombas de calor, dispositivos termoelétricos e

geradores de vapor. Uma fonte de criação de calor (aquecedor elétrico, por exemplo) é, na

verdade, um sistema de conversão de energia. O calor é dinâmico, ou seja, ele resiste à

estabilidade, fluindo a partir de pontos de maior temperatura para os pontos de temperatura

mais baixa. A transferência de calor continuará até que os dois pontos se encontrem à mesma

temperatura, encontrando assim um equilíbrio térmico [3].

A transferência de calor é quantificada pelo fluxo de calor ou fluxo térmico, que

representa uma taxa de energia térmica (calor) transferida através de uma superfície. Em

unidades 𝑆𝐼, é medido em 𝑊/𝑚2, ou seja, representa a quantidade de calor transferido por

unidade de área, na unidade de tempo. O fluxo de calor é uma grandeza vetorial com

intensidade, direção e sentido e representa-se por 𝑞′′��⃗ . O seu valor escalar será representado

por 𝑞′′ [4].

Existem três modos de Transferência de Calor [2]:

• Condução – A transferência de calor dá-se no interior ou entre corpos;

• Convecção – A transferência de calor dá-se entre uma superfície sólida e um fluido.

• Radiação – A transferência de calor dá-se através de ondas eletromagnéticas,

podendo ocorrer através de meios transparentes ou do vácuo. É o único modo de

transferência de calor detetado diretamente pelo equipamento de infravermelhos.

Fenómenos de transferência de calor 7

Temperatura é diferente de calor e define-se como a medida da velocidade média das

moléculas e átomos que formam a substância. A temperatura é um escalar e pode ser medida

em °𝐶 (Celsius) ou K (Kelvin), no Sistema Internacional de Unidades [2]. Num determinado

espaço, pode definir-se um campo de temperaturas (campo térmico), que é um campo

escalar.

2.1.1 - Condução

O processo de condução é simples, estando associado à transferência de calor efetuada ao

nível molecular. As partículas mais energéticas (maior temperatura), ao colidir com as

partículas contíguas menos energéticas (menor temperatura), transferem parte da sua

energia vibracional, rotacional e translaccional. O movimento da energia térmica é

transmitido ao longo de um átomo para outro. A transferência de calor ocorre em gases,

líquidos ou sólidos [4,5,6,7].

A transferência de calor por condução pode ser avaliada pela sua rapidez, sendo

dependente da condutividade térmica do material. Os metais têm alta condutividade

térmica, enquanto os isolantes têm baixa condutividade térmica. Outros fatores que afetam a

transferência de calor por condução são a diferença de temperaturas, a área de superfície e a

qualidade da superfície de contacto. Estes fatores são diretamente proporcionais à rapidez da

transferência de calor [2,6].

A condução de calor é regida pela Lei de Fourier que estabelece que o fluxo de calor 𝑞′′,

num ponto do meio é proporcional ao gradiente de temperatura nesse ponto [4]:

𝑞𝑐′′ = 𝑘× (𝑇1 −𝑇2) 𝑙⁄ (2.1)

onde 𝑘 é a condutividade térmica (𝑊/𝑚 ∗ 𝐾), 𝑇1 − 𝑇2 é a diferença de temperaturas (K), 𝑙 é

o comprimento do material condutor (𝑚) e 𝑞𝑐′′ é a quantidade de calor transferido por

condução, por unidade de área, na unidade de tempo (𝑊/𝑚2).

A quantidade de calor transferido por condução, através de uma superfície 𝑞𝑐, é

proporcional à secção transversal 𝐴, através da qual o calor flui e à diferença de temperatura

𝑇1 − 𝑇2, e inversamente proporcional ao comprimento 𝑙 do material [5]:

𝑞𝑐 = 𝐴× 𝑞𝑐′′ = 𝐴× 𝑘× (𝑇1 −𝑇2) 𝑙⁄ (2.2)

onde 𝐴 é a secção transversal (𝑚2) e 𝑞𝑐 é a quantidade de calor transmitido por condução,

através de uma superfície (𝑊). Pode-se observar um exemplo da transferência de calor por

condução na Figura 2.1.


Figura 2.1 - Exemplo de fluxo de calor condutivo [4].

2.1.2 - Convecção

O fluxo de calor por convecção ocorre quando, um gás ou um líquido flui ao passar numa

superfície sólida, cuja temperatura é diferente da temperatura do fluido [5]. O movimento

pode ser provocado por agentes externos, como por exemplo pela atuação de uma ventoinha,

ou por diferenças de densidade resultantes do próprio aquecimento do fluido. No primeiro

caso, diz-se que a transferência de calor se processa por convecção forçada, enquanto, no

segundo, por convecção natural ou livre. Assim, mesmo que um fluido se encontre em

repouso (do ponto de vista macroscópico), a diferença de temperaturas gera diferenças de

densidade no seio do fluido que poderão ser suficientes para induzir um movimento

ascendente do fluido mais quente (sob a ação da gravidade) [4,7].

A quantidade de calor transferido por condução 𝑞ℎ′′, por unidade de área, na unidade de

tempo (𝑊/𝑚2) é dada por [5]:

𝑞ℎ′′ = ℎ× (𝑇𝑠 − 𝑇𝑏) (2.3)

onde 𝑇𝑠 é a temperatura de superfície (K) e 𝑇𝑏 é a temperatura do fluido que envolve a

superfície (K), ℎ é o coeficiente de transferência de calor (𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾), que depende de

propriedades físicas do fluido, tais como temperatura, e da situação física em que ocorre a

convecção.

A quantidade de calor transmitido por convecção, através de uma superfície 𝑞ℎ, é dada

por [5]:

𝑞ℎ = 𝐴 × ℎ × (𝑇𝑠 − 𝑇𝑏) (2.4)


onde 𝐴 é a área de transferência de calor, perpendicular ao fluxo de calor (𝑚2). A diferença

de temperatura 𝑇𝑠 − 𝑇𝑏 ou, ∆𝑇, também se pode designar por driving-force, ou seja, a causa

para a ocorrência da transferência de calor.

A transferência de calor por convecção pode ser afetada por fatores como a diferença de

temperatura entre objeto e fluido, a densidade do fluido, a área da superfície, a velocidade

do fluido e a rugosidade da superfície, como se vê na equação 2.4. Quanto maiores forem a

diferença de temperatura, a área da superfície e a velocidade do fluido, maior será a taxa de

transferência de calor. Em relação à densidade do fluido, uma menor densidade implica uma

maior rapidez da transferência de calor. Em relação à rugosidade da superfície, sabe-se que

superfícies rugosas diminuem a velocidade do fluido o que implica uma transferência de calor

mais lenta [2].

Pode-se observar um exemplo de fluxo de calor convectivo forçado na Figura 2.2.

Figura 2.2 - Exemplo de fluxo de calor convectivo forçado [4].

2.1.3 - Radiação

A radiação térmica é a energia emitida de um dado material, dada a sua temperatura

diferente de zero. A radiação térmica está relacionada com a energia libertada devido às

oscilações ou transições dos eletrões que constituem os átomos, iões ou moléculas mantidos

pela energia interna do material. Toda a forma de matéria com temperatura acima do zero

absoluto emite energia por radiação [1,4]. A energia do campo de radiação é transportada por

ondas eletromagnéticas através do espaço vazio. A transferência de energia por condução ou

convecção exige a presença de um meio material, ao contrário da radiação, que ocorre de um

modo mais eficiente no vácuo [4,8].

Existem alguns fatores que afetam a transferência de calor por radiação. Enquanto uma

maior diferença de temperaturas entre objetos implica maior rapidez de transferência de

calor, a mesma pode ser diminuída por fatores atmosféricos (humidade, CO2, e partículas).

Uma menor distância ao corpo quente e uma maior emissividade do objeto implicam maior

rapidez de transferência de calor [2].


Para uma avaliação do poder emissivo de uma superfície, tem que se explicar o conceito

do corpo negro. Um corpo negro é um corpo capaz de absorver toda a radiação incidente,

independentemente do comprimento de onda e direção da radiação. Para uma determinada

temperatura e comprimento de onda, não existe nenhuma superfície capaz de emitir mais

energia que um corpo negro. Apesar da emissão de radiação ser em função da temperatura e

comprimento de onda, é independente da sua direção, ou seja, é um emissor difuso [4]. Um

corpo negro representa um sistema físico que, em equilíbrio térmico, possui a capacidade

máxima de emitir e de absorver toda a energia recebida por radiação, ou seja, considera-se

teoricamente um emissor perfeito, 𝜀 = 1. Como o corpo negro é um conceito teórico, não

existindo na vida real, iremos sempre encontrar valores de ε inferiores a 1 [9].

Pode-se assim introduzir as leis da radiação [2]:

• Lei de Stephan-Boltzmann: relaciona temperatura e energia

• Lei de Planck: relaciona energia e comprimento de onda

• Lei do deslocamento de Wien: relaciona temperatura e comprimento de onda

2.1.3.1 - Lei de Stephan-Boltzmann

Estabelece que a quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área de

superfície de um corpo negro, na unidade de tempo (radiação do corpo negro), é diretamente

proporcional à quarta potência da sua temperatura [2,4]:

𝑞𝑟′′ = 𝜎 ∗ 𝑇4 (2.5)

onde 𝜎 é a constante de Stephan-Boltzmann (5.67 𝑥 10 −8 𝑊/(𝑚2𝐾4)), 𝑇 é a temperatura (K)

e 𝑞𝑟′′ é a quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na unidade de

tempo (𝑊/𝑚2).

A quantidade de calor transmitido por convecção, através de uma superfície 𝑞ℎ, é dada

por [2,4]:

𝑞𝑟 = 𝐴× 𝑞𝑟′′ (2.6)

onde 𝐴 é a área de transferência de calor, perpendicular ao fluxo de calor (𝑚2).

2.1.3.2 - Lei de Planck

A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade de energia emitida por um

material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda 𝜆. Max Planck (1858-1947)

foi capaz de descrever a distribuição espetral da radiação de um corpo negro, através da

seguinte fórmula [4]:


𝑊(𝜆,𝑇) = 2𝜋ℎ𝑐2

𝜆5�𝑒(ℎ𝑐 𝜆𝑘𝑇⁄ )−1�× 10−6 (2.7)

onde ℎ é a constante de Planck (6.626 × 10−34 𝐽 ∙ 𝑠), 𝜆 é o comprimento de onda (m), 𝑇 é a

temperatura do corpo negro (K), 𝐾 é a constante de Boltzmann (1.381 × 10−23 𝐽/𝐾), 𝑒 é o

número de Euler, 𝑐 é a velocidade da luz (≃ 3 × 108 𝑚/𝑠) e 𝑊(𝜆,𝑇) é a emitância espetral do

corpo negro radiante no comprimento de onda 𝜆 (𝑊 𝑚2,⁄ 𝜇𝑚). O fator 10−6 é usado desde que

a emitância espetral nas curvas é expresso em 𝑊 𝑚2,⁄ 𝜇𝑚. Na Figura 2.3, vê-se um traçado

gráfico da emitância espetral do corpo negro radiante, numa escala linear, para várias

temperaturas, produzindo-se uma família de curvas.

Figura 2.3 - Traçado da emitância espetral de um corpo negro radiante [9].

Da observação do gráfico da Figura 2.3 pode-se concluir [4]:

• A radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda;

• Com qualquer comprimento de onda, a magnitude da radiação emitida aumenta com

o aumento da temperatura;

• A região espetral em que a radiação é concentrada depende da temperatura,

aparecendo mais radiação em comprimentos de onda mais curtos à medida que a

temperatura aumenta.


2.1.3.3 - Lei do deslocamento de Wien

Lei da física que afirma que existe uma relação entre a temperatura e o comprimento de

onda na qual ocorre a máxima emissão de energia [2]:

𝜆𝑚𝑎𝑥 = 𝑏 𝑇⁄ (2.8)

onde 𝑏 = 2898 𝜇𝑚 ∗ 𝐾 é uma constante de radiação. Na Figura 2.4, podemos observar a

localização de 𝜆𝑚𝑎𝑥.

Figura 2.4 - Traçado da emitância espetral corpo negro em escala logarítmica [4].

A Figura 2.4 mostra que o espetro emissivo de potência máxima desloca-se para

comprimentos de onda mais pequenos, à medida que aumenta a temperatura [4].

Uma onda eletromagnética tem duas caraterísticas fundamentais: a frequência e o

comprimento de onda. Define-se frequência 𝑓 como o número de vezes que se repete um

fenómeno, por unidade de tempo. Define-se comprimento de onda 𝜆 como a distância entre

dois pontos consecutivos que se encontram no mesmo estado de fase [8].

Estas relacionam-se pela seguinte fórmula:

𝜆 = 𝑐 𝑓⁄ (2.9)

onde 𝑐 representa a velocidade da luz (≃ 300000 𝐾𝑚/𝑠). Da análise da fórmula, conclui-se

que a frequência e o comprimento de onda estão inversamente relacionados. A compreensão

das caraterísticas da radiação eletromagnética é importante para a classificação do espetro

eletromagnético [8].

Espetro Eletromagnético 13

2.2 - Espetro Eletromagnético

A energia de um objeto quente é irradiada em diferentes níveis, em todo o espetro

eletromagnético. O espetro eletromagnético divide-se em diferentes faixas espetrais, que vão

desde comprimentos de onda mais curtos, incluindo raios gama e raio-X, até comprimentos de

onda mais longos, incluindo micro-ondas e ondas de rádio transmissão [10]. Existem ainda as

faixas espetrais ultravioleta, visível e infravermelho, tal como se pode observar na Figura 2.5.

Figura 2.5 - Espetro eletromagnético [11].

A luz que o olho humano pode detetar é a faixa visível do espetro eletromagnético, sendo

uma mistura de comprimentos de onda, percebidos como diferentes cores. Os limites do olho

humano encontram-se entre 0,4 µm (violeta) a 0,7 µm (vermelho), situando-se

intermediamente todas as outras cores tal, como vemos no arco-íris [10].

A faixa do infravermelho encontra-se entre os limites 0,75 µm, no limite da perceção

visual, até aos 1000 µm, onde se funde com as micro-ondas. A faixa do infravermelho é

frequentemente subdividida em quatro faixas menores, onde os limites são escolhidos

aleatoriamente. Definem-se assim o infravermelho próximo (0,75-3 µm), o infravermelho

médio (3-6 µm), o infravermelho distante (6-15 µm) e infravermelho extremo (15-1000 µm)

[12].

A termografia faz uso da faixa de infravermelho, através do uso de uma câmara

radiométrica, usualmente denominadas como câmara termográfica.


2.3 - Caraterísticas da radiação infravermelha

Todas as leis da radiação discutidas no ponto 2.1.3 são relativas a corpos negros. Os

corpos reais não são corpos negros, apesar de se poderem comportar aproximadamente como

tal em determinados intervalos espetrais. Por isso, as leis enunciadas não podem ser

aplicadas sem se ter em consideração determinadas correções [12].

Existem três processos que impedem um objeto real de agir como um corpo negro: uma

fração 𝛼 da radiação que pode ser absorvida, uma fração 𝜌 da radiação que pode ser

refletida e uma fração 𝜏 da radiação que pode ser transmitida. Todos estes fatores são

dependentes do comprimento de onda [12].

A absorção espetral 𝛼 é a razão entre a radiância absorvida pelo objeto e a radiância

total que incide no objeto, entendendo-se radiância como, a quantidade de luz que passa por

ou que é emitida numa área em particular [12,13].

A reflexão espetral 𝜌 é a razão entra a radiância refletida pelo objeto e a radiância total

que incide no objeto [12,13]. A reflexão depende das propriedades da superfície, da

temperatura e do tipo de material. O ângulo de reflexão da radiação infravermelha refletida

é sempre igual ao ângulo de incidência [12].

A transmissão espetral 𝜏 é a razão entre a radiância transmitida e a radiância total que

incide no objeto [12,13]. A transmissão depende do tipo e da espessura do material, sendo

que a maioria dos materiais são não transmissivos [12].

A soma dos três fatores adimensionais deve ser igual à unidade, para qualquer

comprimento de onda, pela seguinte relação [12]:

𝛼 + 𝜌 + 𝜏 = 1 (2.10)

Um objeto também tem a capacidade de radiar ou emitir energia infravermelha em

comparação com um corpo negro à mesma temperatura e comprimento de onda, definindo-se

assim a emissividade 𝜀 [2].

A emissividade varia com as propriedades da superfície, do material e, para alguns

materiais, varia com a temperatura do objeto. Materiais não metálicos (PVC, cimento e

substâncias orgânicas) têm alta emissividade para a faixa do infravermelho distante e esta

não depende da temperatura, 0,8 < 𝜀 < 0,95. Metais com superfície brilhantes, têm baixa

emissividade, que varia com a temperatura [12].

Tal como referido no ponto 2.1.3, um corpo negro é um emissor perfeito 𝜀 = 1. Num

corpo negro, tanto a reflexão como a transmissão, são nulas. Um corpo cinzento possui

emissividade constante menor que o corpo negro 𝜀 < 1 e a transmissão é nula. Num corpo não

cinzento possui emissividade que varia ao longo de diferentes comprimentos de onda,

existindo também a reflexão e transmissão da radiação infravermelha [3].

Caraterísticas da radiação infravermelha 15

A maioria dos sólidos, superfícies pintadas ou orgânicas e metais oxidados são corpos

cinzentos com emissividade elevada. Superfícies de metal polidas e brilhantes, e alguns

materiais semicondutores, são corpos cinzentos com baixa emissividade e alta refletividade.

Filme de plástico fino, vidro, gases e materiais óticos são corpos não cinzentos cuja

emissividade varia com o comprimento de onda [3]. Na Figura 2.6, observam-se as curvas da

variação da emissividade com o comprimento de onda.

Figura 2.6 - Variação da emissividade com o comprimento de onda [15].

Segundo a lei de Kirchhoff, para qualquer material a uma determinada temperatura e

para um dado comprimento de onda, a emissividade espetral e a absorção espetral são iguais,

ou seja, 𝛼 = 𝜀 [12]. A lei de conservação de energia enunciada na equação 2.10 pode ser

assim alterada para a seguinte fórmula:

𝜀 + 𝜌 + 𝜏 = 1 (2.11)

Na Figura 2.7, podemos ver que a radiação registada pelo sensor de imagem térmica

consiste na emissão, reflexão e transmissão de ondas longas da radiação infravermelha

através de um objeto, no campo de visão da câmara termográfica.

Figura 2.7 - Emissão, Reflexão e Transmissão [14].


A aplicação da Lei de Stephan-Boltzmann para corpos cinzentos e não cinzentos mostra

que a quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na unidade de

tempo (𝑊/𝑚2) de um corpo a uma dada temperatura 𝑇 é dado por [12]:

𝑞𝑟′′ = 𝜀 ∗ 𝜎 ∗ 𝑇4 (2.12)

Alguns materiais apresentam valores específicos para os processos descritos, como se

mostra na Tabela 2.1 [12,13].

Tabela 2.1 - Valores típicos dos processos para diferentes corpos.

Corpo Emissividade ε Reflexão ρ Transmissão τ

Negro ε=1 ρ=0 τ=0

Transparente ε=0 ρ=0 τ=1

Espelho

Perfeito ε=0 ρ=1 τ=0

Superfície

Opaca ε+ρ=1 τ=0

Cinzento ε=constante ρ=constante τ=0

.

2.4 - Medição da radiação infravermelha

Uma câmara termográfica não mede apenas a radiação emitida a partir de um objeto,

como também mede a radiação do ambiente refletida através da superfície de um objeto.

Ambas as radiações esbatem-se no meio de transmissão, existindo também uma radiação da

atmosfera. Estas considerações ilustram-se na Figura 2.8 [12].

Figura 2.8 - Medição da radiação infravermelha [12].

Medição da radiação infravermelha 17

O sinal de saída do detetor da câmara termográfica pode ser descrito pela seguinte

fórmula [12,16]:

𝑈 = 𝐶 ∗ 𝑊𝑡𝑜𝑡 (2.13)

onde C é uma constante (depende da atmosfera, dos componentes óticos da câmara

termográfica e das propriedades do detetor) e 𝑊𝑡𝑜𝑡 é a quantidade de calor transferido por

radiação, por unidade de área, na unidade de tempo, total.

A potência radiante total é composta em três termos, como mostra a Figura 2.8. A

potência radiante emitida pelo objeto é dada por 𝜀 ∗ 𝜏 ∗ 𝑊𝑜𝑏𝑗, onde 𝜀 é a emissividade do

objeto. A Quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na unidade de

tempo, refletida por uma fonte ambiental é dada por (1 − 𝜀) ∗ 𝜏 ∗𝑊𝑟𝑒𝑓𝑙, onde (1 − 𝜀) é a

reflexão do objeto. Supõe-se que a temperatura da fonte ambiental é igual para todas as

superfícies emissoras e que a emissividade para o ambiente é 𝜀 = 1 (toda a radiação que

interfere com as superfícies envolventes acabará por ser absorvida pelas superfícies). A

quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na unidade de tempo,

pela atmosfera é dada por (1 − 𝜏) ∗ 𝑊𝑎𝑡𝑚, onde (1 − 𝜏) é a emissividade da atmosfera.

Concluí-se que a quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área, na

unidade de tempo, total é dada por [12]:

𝑊𝑡𝑜𝑡 = 𝜀 ∗ 𝜏 ∗ 𝑊𝑜𝑏𝑗 + (1 − 𝜀) ∗ 𝜏 ∗ 𝑊𝑟𝑒𝑓𝑙 + (1 − 𝜏) ∗ 𝑊𝑎𝑡𝑚 (2.14)

2.4.1 - Fatores de influência na medição da radiação infravermelha

A análise das medições termográficas pode ser complicada, podendo levar a conclusões

erradas, sendo necessário tomar precauções antes e durante os ensaios termográficos [13]. A

avaliação de erros de medição é muito importante para a precisão do serviço termográfico.

Os erros podem ser classificados como erros de método, erros de calibração e erros

eletrónicos. Em condições reais, os erros da medição podem ocorrer devido a [16]:

• Incorreta avaliação da emissividade do objeto, temperatura atmosférica,

temperatura ambiente e da distância entre o objeto e a câmara,

• Influência da radiação (direta e/ou refletida pelo objeto) que chega ao detetor

da câmara,

• Incorreta avaliação da transmissão e radiação atmosférica


A emissividade depende do comprimento de onda 𝜆, da temperatura 𝑇, do material, do

estado da superfície e da direção da observação. A influência da radiação emitida pelo

ambiente aumenta quando diminui a emissividade. A influência da radiação do Sol sobre a

precisão da termografia é bastante difícil de avaliar, uma vez que a vizinhança do objeto

pode abranger diferentes valores de emissividade [16].

2.4.2 - Emissividade

A emissividade, descrita na secção 2.3, é um fator muito importante para a medição da

radiação infravermelha e um fator de erro na mesma. A emissividade de um objeto varia com

a temperatura do objeto, ângulo de visão, geometria do objeto e condição da superfície. Em

geral, a emissividade espetral varia lentamente com o comprimento de onda em sólidos,

sendo que varia rapidamente no caso de gases e líquidos.

Para um determinado material, a emissividade é avaliada numa incidência normal e

integrada em todos os comprimentos de onda:

𝜀 = 1𝜎∗𝑇4 ∫ 𝜀(𝜆)∞

0𝑑𝑅(𝜆,𝑇)𝑑𝜆

𝑑𝜆 (2.15)

onde 𝑑𝑅(𝜆,𝑇) 𝑑𝜆⁄ é a radiância espetral por comprimento de onda (𝑊/𝑚3). A fórmula 2.15

refere-se à emissividade total, que é a relação da energia irradiada por um material na

temperatura 𝑇 e da energia irradiada por um corpo negro à mesma temperatura [15]. Na

Figura 2.6 da secção 2.3, mostra-se como a emissividade varia com o comprimento de onda.

2.4.2.1 - Variação da emissividade com o ângulo de visão

A emissividade de uma superfície diminui quando o ângulo de visão aumenta, em relação

à sua normal. Medidas exatas só podem ser efetuadas com um ângulo menor que 30°. Nas

medidas efectuadas com um ângulo entre 30° e 60°, introduz-se um erro moderado na

medição da radiação infravermelha. Quando o ângulo é maior que os 60° ocorrem grandes

erros na medição da radiação infravermelha [6,17]. Estas observações podem ser vistas na

Figura 2.9.


Figura 2.9 - Variação da emissividade com o ângulo de visão [6].

2.4.2.2 - Variação da emissividade com a temperatura do objeto

Os metais têm uma emissividade total pouco elevada, que aumenta com o aumento da

temperatura do metal. Um aumento de temperatura corresponde à redução da condutividade

elétrica devido ao movimento térmico da estrutura molecular, que produz um aumento da

emissividade [15].

Figura 2.10 - Variação da emissividade com a temperatura (metais) [15].

Para materiais dielétricos, a emissividade total diminui com o aumento da temperatura,

uma vez que o índice de refração desse material aumenta com a temperatura. Na Figura

2.11, podemos ver a variação da emissividade de materiais como borracha (1), cerâmica (2),

cortiça (3), papel (4) e argila (5), em função da temperatura [15].


Figura 2.11 - Variação da emissividade com a temperatura (dielétricos) [15].

2.4.2.3 - Variação da emissividade com a condição e forma de uma superfície

A emissividade depende consideravelmente do estado da superfície do material, como se

pode comprovar nos metais. O nível de oxidação de um metal faz variar a sua emissividade.

Quanto mais baixo for o nível de oxidação, mais baixa será a sua emissividade, como, por

exemplo, em metais polidos. Quando aumenta o nível de oxidação, também aumenta a

emissividade desse material [15].

Figura 2.12 - Variação da emissividade com a condição da superfície [15].

A geometria da superfície também influencia a quantidade de energia emitida por um

objeto. As alterações de forma de um objeto causam variações na emissividade. Formas

côncavas aumentam o valor da emissividade, enquanto formas convexas diminuem o valor da

emissividade. Sendo assim, cabos, tubos e veios emitem uma menor quantidade de energia na

zona exterior, pelo que as câmaras termográficas apresentam uma diferença de temperaturas

nas zonas exteriores, surgindo assim um erro de medição [2].

Cada vez que um feixe de luz é refletido, a sua intensidade é reduzida pela refletividade

de uma superfície. Se o feixe de luz for refletido N vezes, a intensidade resultante é:


𝐼 = 𝐼0 ∗ 𝜌𝑁 (2.16)

onde 𝐼 é a intensidade da radiação incidente (𝑊 ∙ 𝑠𝑟−1) e 𝐼0 é a intensidade da radiação

incidente inicial (𝑊 ∙ 𝑠𝑟−1). Se existirem múltiplas reflexões, isso influenciará a intensidade

refletida. Por exemplo, se uma superfície for altamente refletiva, 𝜌 = 0,9, e o feixe de luz

for refletido 10 vezes, a intensidade diminui significativamente. Pelo contrário, a

emissividade aproxima-se da unidade.

Estes factos são usados para projetar fontes de calibração de corpos negros. Nos primeiros

projetos, usaram-se corpos em forma de cone para aumentar o número de reflexões.

Atualmente, as fontes de calibração têm uma superfície plana, que é pintada com uma tinta

com alta emissividade, produzindo uma superfície muito difusa [6].

2.4.2.4 - Técnica para determinação da emissividade de um objeto

Como decorre do que antes se disse, para se medir os valores reais da temperatura de um

objeto, o parâmetro mais importante a definir é o valor efetivo da emissividade do objeto. O

valor efetivo da emissividade pode ser determinado através de métodos simples. Em seguida

mostra-se, em pequenos, passos como determinar a emissividade de um objeto [12,13,14].

Passo 1. Determinar temperatura aparente refletida: apresentam-se dois métodos para

determinar a temperatura aparente refletida.

1. Método Direto: O primeiro passo é procurar fontes de reflexão possíveis,

considerando que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. O segundo

passo será medir a intensidade da radiação (igual à temperatura aparente) da fonte

de radiação com as seguintes definições, 𝜀 = 1 𝑒 𝑑𝑜𝑏𝑗 = 0, usando-se um termómetro

pontual de infravermelhos.

Figura 2.13 - Fonte de reflexão (1) [12].


Figura 2.14 - Medição da intensidade da radiação da fonte de reflexão [12].

2. Método Refletor: Usar uma folha de alumínio com superfície áspera, de modo a que a

reflexão seja difusa. Anexa-se a folha de alumínio a um pedaço de papelão do mesmo

tamanho. Coloca-se o pedaço de papelão à frente do objeto a medir, garantindo que

o lado com a folha de alumínio está virado para a câmara. Define-se ainda 𝜀 = 1.

Figura 2.15 - Metodo Refletor [12].

Passo 2. Determinação da emissividade: Apresentam-se os passos para a determinação da

emissividade.

1. Seleção do local para colocação da amostra;

2. Determinar e definir a temperatura aparente refletida de acordo com os

procedimentos anteriores. Se for escolhido o método direto, coloca-se um pedaço de

fita isolante com alta emissividade numa parte da amostra. Se for escolhido o método

refletor, usa-se a folha de alumínio;


3. Aquecer a amostra pelo menos 20°𝐾 acima da temperatura ambiente. O aquecimento

deve ser uniforme;

4. Focar e ajustar a câmara, congelando a imagem;

5. Ajustar o nível e amplitude de brilho e contraste de imagem;

6. Definir a emissividade da fita isolante, normalmente 0,97, ou a emissividade da folha

de alumínio, normalmente 1;

7. Medir a temperatura da fita usando uma das seguintes funções de medição da câmara

• Isotherm: ajuda a determinar tanto a temperatura e como foi aquecida

uniformemente a amostra;

• Spot: simples;

• Box Avg: boa para as superfícies com emissividade variável;

8. Anotar a temperatura;

9. Medir a temperatura na superfície da amostra, sem fita isolante ou folha de alumínio,

com a mesma função usada anteriormente;

10. Alterar a emissividade da configuração até que a leitura da temperatura da superfície

da amostra seja igual à leitura da temperatura da superfície com a fita isoladora ou

com a folha de alumínio;

11. Anotar a emissividade.

2.4.2.5 - Tabela de emissividade

A importância da emissividade foi comprovada nos pontos anteriores. A maioria de

materiais não metálicos, superfícies pintadas e pele humana emitem energia de forma muito

eficiente. Outros materiais, tais como metais não pintados e polidos, são menos eficientes a

emitir energia. A emissividade da maioria dos materiais é conhecida, pelo que se organizou

um catálogo de emissividades, para facilitar a realização de todos os ensaios e inspeções

necessárias.

O catálogo está organizado com várias informações: tipo de material, condição do

material, temperatura ℃, espetro eletromagnético e emissividade. Todos os valores indicados

servem como referência, embora no caso de alguma das especificidades não se verificar a

emissividade deverá ser determinada com mais rigor através dos métodos descritos no ponto

2.4.2.4. O catálogo de emissividades é apresentado no Anexo A, tendo como fonte a consulta

da bibliografia apresentada [6,12,13,14], principalmente na informação fornecida por

empresas fornecedoras de câmaras termográficas. Na tabela 2.2 apresenta-se alguns

exemplos de diversos materiais.


Tabela 2.2 - Valores típicos de emissividade para diferentes materiais.

Material Estado da superfície Espetro Temperatura ℃ Emissividade

Alumínio Anodizado, cinza claro, opaco SW 70 0,61

Alumínio Polido T 50 - 100 0,04 – 0,06

Tijolo Alvenaria SW 35 0,94

Ferro Fundido Oxidado T 38 0,63

Ferro Fundido Polido T 38 0,21

Cobre Polido, comercial T 27 0,03

Cobre Oxidado, profundamente T 20 0,78

Tinta Branca T 40 – 100 0,8 – 0,95

Tinta 3 Cores, pulverizadas sobre

alumínio LW 70 0,92 – 0,94

Tinta 3 Cores, pulverizadas sobre

alumínio SW 70 0,50 – 0,53

Plástico PVC, opaco, estruturado SW 70 0,94

2.4.3 - Influência atmosférica

Define-se atmosfera como o ambiente entre o objeto a medir e a câmara termográfica. A

atmosfera atenua ou reduz o sinal de infravermelhos devido à existência de diversos

componentes [2]. A transmissão atmosférica, a radiação emitida pelo sol, a temperatura

ambiente, o vento, a chuva e a humidade são fatores que podem afetar a distribuição térmica

dos componentes a inspecionar, bem como a radiação infravermelha que chega à câmara

termográfica [17].

4.3.3.1 - Transmissão atmosférica

A transmissão atmosférica varia em função da temperatura, da humidade relativa do ar e

da quantidade de partículas suspensas no ar (poeira, poluição, neblina e nevoeiro). A

atmosfera pode influenciar a radiação emitida pelos objetos por meio dos seguintes

fenómenos [6,17]:

• Absorção: provoca a atenuação da radiação e pode ser de dois tipos, molecular ou

por ação de aerossóis. Na absorção molecular, as moléculas dos gases presentes no

ambiente absorvem a energia de radiação, atenuando-a. Na absorção por ação de


aerossóis, as partículas suspensas no ambiente absorvem e dispersam a energia da

radiação. A absorção molecular tem uma ação mais significante que a absorção por

ação de aerossóis.

• Dispersão: provoca uma redistribuição do fluxo incidente em todas as direções de

propagação, diminuindo o fluxo incidente na direção original. O efeito da dispersão

diminui quando o comprimento de onda da propagação da radiação aumenta.

• Emissão: a radiação emitida pela atmosfera soma-se à radiação emitida pelo

componente sob inspeção. No entanto considera-se desprezável, tal como é explicado

na introdução do ponto 2.4.

• Turbulência: causado por movimentos irregulares do ar. Este movimento provoca a

flutuação aleatória do índice de refração da atmosfera, resultando em imperfeições

nas imagens geradas pela câmara termográfica. No entanto como a distância entre o

objeto e a câmara não é significativa, este fenómeno é desprezável.

A atmosfera terrestre seca é constituída, em ordem decrescente de concentração (%

volume), pelos gases azoto (𝑁2), oxigénio (𝑂2), árgon (𝐴𝑟), néon (𝑁𝑒), hélio (𝐻𝑒), crípton

(𝐾𝑟), xénon (𝑋𝑒), hidrogénio (𝐻2) e protóxido de azoto (𝑁2𝑂). Todos estes gases têm

tendência a ter uma concentração constante. Existem também os gases ozónio (𝑂3),

monóxido de carbono (𝐶𝑂), vapor de água (𝐻2𝑂) e dióxido de carbono (𝐶𝑂2), cujas

concentrações são bastante variáveis [6,17].

Os gases vapor de água e dióxido de carbono têm um papel importante na transmissão da

radiação. O vapor de água está sujeito a grandes variações devido à sua dependência em

relação a fatores como altitude, estação do ano, localização geográfica, hora do dia e

condições meteorológicas. O dióxido de carbono existe em maiores concentrações em áreas

industriais e florestais, enquanto o monóxido de carbono é mais frequente em áreas urbanas

[6].

As caraterísticas de transmissão do ambiente entre o objeto a medir e a câmara

termográfica devem ser tomadas em conta nas medidas sem contacto. Para distâncias curtas,

a maioria dos gases absorvem muito pouca energia, como se pode ver na Figura 2.16. Para

distâncias maiores a absorção pode tornar-se um fator decisivo como se observa na Figura

2.17 [18].


Figura 2.16 - Transmissão infravermelha (Distância = 0,3Km, Nível do mar) [18].

Figura 2.17 - Transmissão infravermelha (Distância = 1,8Km, Nível do mar) [17].

Da observação das duas figuras, identificam-se dois intervalos espetrais com percentagens

de transmissão muito altas, 1 − 5 𝜇𝑚 e 8 − 14 𝜇𝑚 [18].

4.3.3.2 – Fatores climáticos

A imagem térmica de um objeto depende das transferências de calor entre a superfície e

a sua envolvente. Por exemplo, a radiação solar que incide sobre os componentes e

equipamentos de uma subestação elétrica, que estejam ao ar livre, influencia a inspeção

termográfica. Os objetos que aquecem ao sol, como resultado da absorção da luz solar,

afetam consideravelmente a temperatura da sua superfície e o reflexo da luz solar pode levar

a leituras erradas da radiação infravermelha emitida por um objeto. Um objeto com

exposição prolongada à radiação solar, aumenta a sua temperatura e dificulta a distinção

entre defeito e funcionamento normal [14,17]. Outras fontes de calor são, por exemplo,

radiadores, lâmpadas fluorescentes, lâmpadas halogéneas, lâmpadas incandescentes, veículos

automóveis e equipamentos em funcionamento.


A água pode afetar a radiação infravermelha emitida por um objeto de várias maneiras,

devido ao facto de poder existir no estado líquido, sólido e gasoso. A humidade é a

quantidade de vapor de água na atmosfera. Em ambientes com humidade muito alta e devido

à precipitação, à alta condutividade térmica da água e ao processo de evaporação, ajuda a

dissipar o calor produzido por um objeto. A dissipação do calor produzido por um objeto

resulta na redução da temperatura do objeto a inspecionar, dificultando a deteção, análise e

diagnóstico de um defeito [6].

Em inspeções termográficas realizadas em ambientes abertos, o vento tem influência nos

resultados obtidos. O vento é equivalente ao resfriamento por convecção forçada, ou seja,

um arrefecimento forçado proporciona um maior arrefecimento do objeto, aumentando

também o coeficiente de transferência de calor ℎ. À medida que aumenta a velocidade do

vento, desce a temperatura do objeto inspecionado, como é possível verificar na Figura 2.18

[6].

Figura 2.18 - Redução da Temperatura em função da velocidade do vento [6].

Analisando o gráfico da Figura 2.18 verifica-se que a um aumento da velocidade do vento

corresponde a uma diminuição da temperatura. Através de vários estudos, construíu-se uma

tabela com fatores de correção para determinar a temperatura real [2,6].


Tabela 2.3 - Fator de correção devido à ação do vento.

Velocidade do vento

m/s

Fator de

correção

1 1,00

2 1,36

3 1,64

4 1,86

5 2,06

6 2,23

7 2,40

8 2,54

Um objeto que apresente um defeito, com uma velocidade do vento de 5 𝑚/𝑠, terá uma

temperatura real duas vezes maior.

As inspeções termográficas em ambientes abertos também devem ter em conta a

temperatura ambiente, especialmente nos extremos do verão e do inverno. Em dias quentes,

um aumento da temperatura ambiente pode resultar num aumento de temperatura do

objeto, aumentando a probabilidade de ocorrência de defeito. Em dias frios, a diminuição da

temperatura ambiente pode levar a um resfriamento do objeto e à não deteção de um

possível defeito [17].

2.4.4 - Exatidão da medição de temperatura

Tal como descrito em todo o ponto 2.4, a exatidão da medição da temperatura de um

objeto pode ser afetada por vários fatores. A emissividade, a reflexão, a influência

atmosférica e fatores climáticos são fatores a ter em conta antes da realização de um ensaio

termográfico. Por exemplo, se o objeto de ensaio for de um material com baixa emissividade,

pode-se alterar as caraterísticas da sua superfície com a aplicação de uma tinta com alta

emissividade [13].

Se não for possível eliminar os fatores que afetam a exatidão da medição da temperatura

de um objeto, deve-se referir num relatório final as condições do ensaio que se acharem

relevantes para se corrigir e minimizar possíveis erros de interpretação dos resultados [2,13].

A precisão dos instrumentos de teste infravermelhos modernos é bastante elevada. Ao ver

objetos com emissividade alta, com superfícies moderadamente quente dentro da resolução

Ensaios Termográficos: Análise Qualitativa e Quantitativa 29

de um sistema de medições, a precisão dos testes é geralmente 2%. Os seguintes fatores

podem ser esperados para reduzir a precisão da medição de temperatura [19]:

• Valores de emissividade abaixo de 0,6;

• Variações de temperatura de ±30℃;

• Condições ambientais não ótimas;

• Leitura feita para além da resolução do sistema (alvo muito pequeno ou muito

longe);

• Campo de visão.

2.5 - Ensaios Termográficos: Análise Qualitativa e Quantitativa

Como decorre dos pontos anteriores, a radiometria baseia-se na deteção da radiação

eletromagnética emitida pelos corpos, em função da sua temperatura absoluta. O radiómetro

é o equipamento eletrónico que converte a energia infravermelha emitida pela superfície de

um objeto num valor de temperatura [2].

Embora a gama do infravermelho seja entre 0,75 µ𝑚 𝑎 1000 µ𝑚, as câmaras de infra-

vermelhos, usadas no mercado, são fabricadas para trabalharem em duas gamas diferentes,

escolhendo-se a mais adequada para a aplicação em causa, [2,3,12,14]:

• Onda curta – 2 𝑎 5 µ𝑚 (SW)

• Onda larga - 8 𝑎 14 µ𝑚 (LW)

As câmaras de onda larga são mais usadas em medições de longa distância, de modo a

reduzir atenuações atmosféricas, e em medições exteriores, de modo a reduzir os reflexos

solares. Se o corpo a medir for um objeto com reflexo, aconselha-se o uso de uma câmara de

onda curta, de modo a reduzir os reflexos. Para medição de sistemas interiores podem ser

usadas câmaras dos dois tipos de onda [2].

A interpretação de uma imagem termográfica é um aspeto fundamental nos ensaios

termográficos. O objetivo do ensaio e a natureza do objeto em estudo determinam se a

análise deve ser qualitativa ou quantitativa [13].

2.5.1 - Análise Qualitativa

A análise qualitativa deve ser utilizada sempre que se pretende uma abordagem

superficial do problema, efetuando-se termogramas onde, apenas pela observação e sem

grandes detalhes de medição, se pode avaliar termicamente o objeto em estudo [20].


Os termogramas, ou imagens termográficas, podem ser obtidos com emissividade

constante, uma vez que se pretende visualizar as diferenças de temperatura superficiais. A

interpretação pode ser feita no local do ensaio termográfico [13].

Apesar da simplificação inicial, os ensaios devem ser realizados por uma pessoa

qualificada e capaz de interpretar os resultados, para saber qual o tipo de imagem esperada

quando não existe nenhuma anomalia. Para evitar erros de interpretação, aconselha-se que,

sempre que possível, sejam efetuados termogramas para referência de zonas não afetadas do

objeto em estudo. Desde que as condições do ensaio e envolvente sejam idênticas, a

avaliação do termograma do objeto defeituoso pode ser feita por comparação com o

termograma de referência [2,20].

2.5.2 - Análise Quantitativa

Na análise quantitativa, são calculadas as temperaturas superficiais através de uma

imagem termográfica e parâmetros analíticos [20].

O ensaio termográfico requer mais detalhe e condições de ensaio mais rígidas, demorando

mais tempo, mas é mais eficaz que a análise qualitativa, uma vez que permite medir

temperaturas. Os resultados da análise quantitativa são gravados e anotam-se todos os

parâmetros que se considerem essenciais para análise posterior. Toda a informação recolhida

durante o ensaio é processada no software de análise, por exemplo o QuickReport da FLIR, e

posteriormente interpretada, realizando-se um relatório completo [2,13].

A câmara termográfica deve estar calibrada, uma vez que se pretendem valores reais da

temperatura do objeto em estudo. Os procedimentos de calibração devem ser feitos em

conformidade com o respetivo manual [14].

2.6 - Breve História da Termografia

A associação da ideia de temperatura de um objeto como quente ou frio é uma descrição

qualitativa. Quando dois objetos a diferentes temperaturas estão em contacto ocorrem trocas

de calor entre eles até ser atingido o equilíbrio térmico, durante o qual o valor da

temperatura é idêntico para os dois corpos. Um instrumento calibrado, como por exemplo,

um termómetro é usado para medir a temperatura de forma quantitativa. Em todos os

termómetros inventados até hoje foram utilizadas substâncias com uma determinada

propriedade que varia linearmente com a temperatura, sendo designada como meio

termométrico. O mercúrio é um elemento líquido que, para uma determinada gama de

temperaturas, se expande a uma taxa linear quando aquece e é de fácil calibração [13].

Breve História da Termografia 31

2.6.1 - Escalas de temperatura e Termómetros

Nos tempos mais remotos da história antiga, os antigos filósofos e médicos gregos

Hipócrates e Galeno fascinaram-se com o reconhecimento da relação entre o calor e a vida.

Hipócrates verificou que existiam variações de temperatura em diferentes zonas do corpo

humano considerando o aumento do calor humano em certa zona como principal diagnóstico

de doença localizada. Hipócrates apercebia-se de zonas quentes pelo tato, obtendo a

confirmação científica utilizando um método de cobertura de lama observando qual a zona

onde a lama endurecia primeiro [21].

Os antigos conceitos de calor corporal foram retomados pela descoberta e

desenvolvimento do primeiro termómetro de ar, em 1592, pelo astrónomo Galileu Galilei. O

termómetro de Galileu consiste numa coluna de vidro cheia de um líquido onde se encontram

imersos pequenos globos de vidro cheios do mesmo líquido. A densidade efetiva de cada globo

é ajustada usando diferentes quantidades de líquido. Deste modo quando a temperatura

ambiente é superior a um dado valor, apresentado numa pequena placa que pende do globo,

este flutua no cimo da coluna, caso contrário desce até ao fundo da coluna. Portanto pode

estimar-se a temperatura ambiente verificando qual a temperatura máxima indicada pelos

globos que flutuam junto ao cimo da coluna. Este instrumento rudimentar dava somente

indicações grosseiras das mudanças de temperatura, não havia escalas de medidas e era

influenciado pela pressão atmosférica [21].

Em 1641, foi desenvolvido por Ferdinand II, Grão-duque da Toscânia, o primeiro

termómetro selado utilizando álcool, com 50 divisões marcadas no tubo, mas sem um ponto

fixo que constituísse o zero da escala. Robert Hook, Curador da Royal Society, introduziu em

1644, um pigmento vermelho no álcool e definiu uma escala padrão onde cada divisão

representa um incremento de volume equivalente a cerca de 1/500 do volume do líquido do

termómetro e o ponto fixo adotado correspondia ao ponto de congelação da água [13].

Daniel Gabriel Fahrenheit propôs em 1724 o grau Fahrenheit (℉) como escala de

temperatura, usando o mercúrio como meio termométrico devido às suas vantagens:

expansão térmica acentuada e uniforme, não aderência ao vidro, estado líquido para uma

gama alargada de temperaturas e aparência prateada para uma fácil leitura. Para a

calibração da escala, Fahrenheit considerou como zero a posição obtida após colocar o

termómetro dentro de uma mistura de cloreto de sódio, gelo e água. O segundo ponto da

escala (posição 30) é a temperatura de uma mistura de gelo e água e o terceiro ponto da

escala (posição 96) é a temperatura de um homem saudável. O ponto de ebulição da água

corresponde à posição 212. Mais tarde o ponto de congelação da água foi ajustado para a

posição 32, de modo a que o intervalo entre os pontos de congelação e de ebulição fosse

representado por um número mais racional [13].


Em 1742, um astrónomo sueco Anders Celsius apresentou uma escala de temperaturas à

qual a posição 100 correspondia ao ponto de congelação da água e a posição zero ao ponto de

ebulição da água, definindo 100 intervalos entre os dois pontos de referência. Em 1747,

Carolus Linnaeus estabeleceu a escala centígrada (100 partes), inversa da anterior, ou seja, o

ponto de congelação da água corresponde à posição 0 e o ponto de ebulição da água

corresponde à posição 100. Em 1948, o nome da escala centígrada foi substituída para escala

Celsius com unidade de grau Celsius (℃), para eliminar conflitos de uso do prefixo centi do

Sistema Internacional (SI), sendo mais tarde adotada como unidade SI. A escala Celsius atual

define como valores de referência 0,01 ℃ para o ponto de congelação da água e 99,975 ℃

para o ponto de ebulição da água. Existe uma fórmula de conversão de graus Celsius em graus

Fahrenheit: 𝑇(℉) = 1,8 × 𝑇(℃) + 32 [13].

A escala proposta por Fahrenheit foi utilizada principalmente por países colonizados pelos

britânicos, estando atualmente restringido a poucos países de língua inglesa, como os Estados

Unidos. A escala Celsius ganhou grande aceitação na Europa e atualmente é usada em quase

todo o mundo quotidianamente, principalmente em previsões do tempo [27].

Em 1787, o físico francês Jacques Alexandre César Charles, estudou as variações de

volume de amostras de alguns gases e de ar, causadas por variações de temperatura. Em

1802, o físico e químico francês Louis Joseph Gay-Lussac, definiu a lei de Charles que é uma

lei dos gases perfeitos: à pressão constante, o volume de uma quantidade constante de gás

aumenta proporcionalmente com a temperatura. Surgiu assim o termómetro de gás a volume

constante, uma vez que a sua pressão varia linearmente com a temperatura [13].

Experiências posteriores demonstraram ser possível definir, para os termómetros de gás,

uma escala de temperatura independente do meio termométrico, caso o gás utilizado

estivesse a baixa pressão. Nesta situação todos os gases comportam-se como “Gases Nobres”,

para os quais o produto da pressão pelo volume é diretamente proporcional à temperatura.

Surgiu assim uma nova escala de temperaturas designada por “Temperatura Termodinâmica”.

O zero adotado para esta escala corresponde ao ponto em que a pressão do gás nobre é nula

ou se anula a temperatura. O segundo ponto fixo definido foi o “ponto triplo” da água onde a

temperatura e a pressão nos três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) coexistem em

equilíbrio termodinâmico correspondendo a 273,16 𝐾. A unidade de temperatura desta escala

é o Kelvin (K), em honra ao Lord William Thompson Kelvin, e existe uma fórmula de

conversão de graus Celsius em graus Kelvin: 𝑇(K) = 𝑇(℃) + 273,16 [13].

Thomas Johann Seebeck foi o físico responsável pela descoberta em 1821 do efeito

termoelétrico, ou seja, uma junção de metais distintos que produz uma tensão elétrica, cujo

potencial depende dos materiais que a compõem e da temperatura a que se encontra.

Conhecido como efeito Seebeck, explica o funcionamento do termopar. Em 1871, Sir William

Siemens, propôs um termómetro cujo meio termodinâmico era um condutor metálico, cuja

resistência varia com a temperatura, como por exemplo, os termómetros termoelétricos.


Atualmente para a medição de temperaturas tem vindo a ser utilizada a sensibilidade

magnética de substâncias paramagnéticas, cuja variação é inversa à temperatura [13].

2.6.2 - Radiação Infravermelha

A descoberta da radiação infravermelha foi feita acidentalmente, durante testes a novos

materiais óticos. Em 1800, Sir Frederick William Herschel, astrónomo real ao Rei George III da

Inglaterra, e já famoso pela descoberta do planeta Úrano, tentava descobrir materiais para

um filtro ótico de forma a reduzir o brilho da imagem do sol durante as observações em

telescópios solares. Embora o teste de diferentes amostras de vidros coloridos mostrarem

reduções semelhantes no brilho, Herschel ficou intrigado ao descobrir que enquanto em

algumas das amostras passou pouco calor do sol, noutras amostras passou tanto calor que

arriscou danos oculares após a observação durante alguns segundos [12].

Herschel começou a repetir as experiências do prisma de Newton, mas com um interesse

particular para o efeito de aquecimento. Para detetor de radiação usou o bulbo de um

termómetro de mercúrio enegrecido, começando a testar o efeito do aquecimento das várias

cores do espetro projetadas num alvo ao passar a luz solar por um prisma de vidro. À medida

que o termómetro enegrecido foi movido lentamente ao longo das cores do espetro, as

leituras de temperatura mostraram um aumento constante desde o violeta ao vermelho. A

temperatura medida no alvo imediatamente a seguir à cor vermelha do espetro, numa zona

sem luz solar aparente, era ainda mais elevada [12,13].

Após a observação dos resultados desta e outras experiencias, Herschel concluiu que as

radiações que se situam para além da luz vermelha, invisíveis ao olho humano, eram

responsáveis pelo aquecimento dos objetos, referindo-se a esta nova porção do espetro

eletromagnético como o espetro termométrico e à radiação como raios invisíveis. Foram

renomeados posteriormente por raios infravermelhos [12,13].

O uso de um prisma de vidro na experiência original levantou alguma controvérsia sobre a

existência real do infravermelho. Outros investigadores, na tentativa de confirmar o trabalho

de Herschel, utilizaram diferentes tipos de vidro com as suas respetivas transparências no

infravermelho. Através das suas experiências posteriores, Herschel estava ciente da

transparência limitada de vidro para a descoberta da radiação térmica e foi forçado a

concluir que a ótica para infravermelhos estaria limitada exclusivamente à utilização de

elementos reflexivos, ou seja, espelhos planos e curvos [12].

Em 1830, o investigador italiano Macedonio Melloni, descobriu que o sal (𝑁𝑎𝐶𝑙), estava

disponível em grande quantidade em cristais naturais usados em lentes e prismas, sendo

extremamente transparente para o infravermelho. O sal tornou-se o principal material ótico

de infravermelhos, permanecendo assim durante os cem anos seguintes, até a arte de

crescimento do cristal sintético ser dominado em 1930 [12].


Em 1829, o investigador italiano Leopoldo Nobili inventou o termopar. Melloni ligando em

série vários termopares formou a termopilha. Este novo dispositivo era 40 vezes mais sensível

que o melhor termómetro da altura para a deteção de radiação de calor [12,13].

A primeira “imagem de calor” tornou-se possível em 1840 devido ao trabalho de Sir John

Frederick William Herschel, filho de Sir Frederick William Herschel, um pioneiro no campo da

fotografia. Com base na evaporação diferencial de uma fina película de óleo quando exposta

a um padrão de calor, a imagem térmica pode ser vista por luz refletida onde os efeitos da

interferência da película de óleo possibilitam que a imagem seja visível ao olho humano. John

Herschel também conseguiu obter um registo primitivo da imagem térmica em papel,

designando-a por termograma [6,12,21].

As fontes de calor naturais e artificiais começavam a despertar algum interesse junto dos

estudiosos, filósofos e investigadores. A termografia é uma técnica que surge bastante mais

tarde, mas que têm em conta toda a investigação realizada. Em 1884, Boltzmann mostrou

como a lei empírica do corpo negro de Josef Stefan, formulada em 1879, poderia ser derivada

dos princípios físicos termodinâmicos. A Lei de Stephan-Boltzmann está descrita no ponto

2.1.3.1. Consequentemente, Boltzmann foi chamado o pai da termografia infravermelha [1].

Em 1880, o físico norte-americano Samuel Pierpont Langley, inventou o bolómetro. O

aparelho consiste numa tira fina de platina enegrecida ligada a um braço do circuito elétrico

de uma ponte de Wheatstone sobre a qual a radiação infravermelha foi focalizada e para a

qual um galvanómetro sensível responde, sendo capaz de detetar radiação de um corpo a uma

distancia superior a 400 metros [12,22].

Um cientista escocês Sir James Dewar introduziu pela primeira vez o uso de gases

liquefeitos como agentes de refrigeração (nitrogénio líquido a uma temperatura de −196℃)

em pesquisas de baixa temperatura. Em 1892 ele inventou um recipiente isolado a vácuo

sendo possível armazenar gases liquefeitos por dias inteiros. Os termos

usados para armazenar bebidas quentes e frias são baseados na sua invenção. Esta inovação

seria usada anos mais tarde para a refrigeração de detetores presentes nas câmaras

termográficas [12,17].

Em 1900, Max Karl Ernst Ludwig Planck descobriu a lei da radiação térmica mais

conhecida por Lei de Planck que descreve a distribuição espetral da radiação de um corpo

negro, tal como explicado no ponto 2.1.3.2. Em 1905, Albert Einstein descreveu a luz como

constituída por quantuns discretos, mais conhecidos por fotões, ao contrário de ondas

contínuas. Baseado na Lei de Planck, a teoria de Einstein diz a energia de cada quantum de

luz é igual à sua frequência multiplicada por uma constante, mais tarde chamada constante

de Planck. Um fotão absorvido pela matéria, acima de um limiar de frequência tem a energia

necessária para que um eletrão seja emitido a partir da matéria, criando o efeito

fotoelétrico. Esta descoberta levou à revolução na física quântica e Einstein ganhou o Prémio

Nobel de Física em 1921 [22,23,24].


Entre os anos de 1900 e 1920, muitas patentes foram emitidas para os dispositivos de

deteção de pessoal, aeronaves, artilharia, navios e até mesmo os icebergs. A primeira

patente de um pirómetro ótico surge em 1899, por parte de Morse. Holborn e Kurlbaum,

aparentemente sem saber da sua existência, desenvolveram um aparelho similar dois anos

mais tarde, em 1901. Em 1913, L. Bellingham apresentou um método para detetar a presença

de icebergs e navios a vapor usando um espelho e uma termopilha. O seu termómetro de

infravermelhos apresenta melhorias em relação ao pirómetro ótico sendo possível detetar

objetos com temperatura inferior à temperatura ambiente [1,12].

O avanço da tecnologia nestas décadas alterou a natureza da deteção, com o detetor de

infravermelhos ou o sistema detetor agindo como transdutor, ou seja, deixou de ser criado

um sinal eletrónico devido ao efeito da radiação térmica e passou a ocorrer uma conversão

direta da radiação em sinais elétricos. Os detetores de infravermelho podem ser separados

em dois grupos: os detetores de fotões e detetores térmicos. Nos detetores de fotões, a

transdução é uma etapa única que leva a mudanças de concentração ou da mobilidade dos

portadores de carga livres no elemento detetor após a absorção de fotões da radiação

infravermelha. Se a radiação incidente gerar portadores de carga não equilibrados, a

resistência elétrica do elemento detetor é alterado (fotocondutores) ou é gerada uma

fotocorrente adicional (fotodíodos). Os detetores térmicos a transdução engloba duas etapas.

Primeiro, a radiação incidente é absorvida para mudar a temperatura de um material e em

seguida a saída elétrica do sensor térmico é produzida pela mudança das propriedades físicas

de um material (bolómetro) [13,23].

Os primeiros sistemas operacionais, no sentido moderno, começaram a ser desenvolvidos

durante a 1ª Guerra Mundial (1914-18), quando ambos os lados tinham programas de

investigação dedicados à exploração militar do infravermelho. Estes programas incluíam

sistemas experimentais de deteção de intrusão do inimigo, deteção remota de temperatura,

comunicações seguras e orientação de torpedos. Um sistema de infravermelhos testado

durante este período foi capaz de detetar um avião a uma distância de 1,5 km ou uma pessoa

mais de 300 metros de distância [12,17,25].

Os sistemas mais sensíveis da época eram baseados em variações do bolómetro, mas no

período entre as duas Guerras Mundiais desenvolveram-se novos e revolucionários detetores

de infravermelhos: o conversor de imagem e o detetor de fotões. Em 1917, Theodore Willard

Case desenvolveu o primeiro fotodetector, dispositivo baseado na interação direta entre os

fotões da radiação incidente com os eletrões do material (sulfureto de tálio) e cuja

sensibilidade e tempo de resposta eram superiores às do bolómetro. O conversor de imagem

permitia ao observador “ver no escuro”, mas tinha a desvantagem da sensibilidade do

conversor de imagem ser limitada aos comprimentos de onda do infravermelho próximo, e os

alvos militares mais interessantes terem que de ser iluminados por raios infravermelhos de

busca envolvendo o risco de denúncia de posição [12,17,22,25].


No período da 2ª Guerra Mundial (1939-1945), tanques alemães durante a invasão da

Rússia foram equipados com Sistemas de Visão Noturna. A resposta dos aliados foi a

elaboração e o desenvolvimento do sistema FLIR - Foward Looking Infra Red (visão dianteira

por infravermelho), utilizada pelo exército americano para localização dos inimigos. O

emprego do sistema não se limitou à localização de tropas, abrangendo também o

desenvolvimento de armamento com detetores de calor [26].

Entre 1930 e 1960, foram desenvolvidos diversos detetores de infravermelhos com

diferentes comprimentos de onda conforme o material utilizado no seu fabrico: Sulfureto de

Chumbo (𝑃𝑏𝑆) sensível na banda de 1,5 𝑎 3 𝜇𝑚, Antimónio de Índio (𝐼𝑛𝑆𝑏) sensível na banda

de 3 𝑎 5 𝜇𝑚 e Mercúrio-Cádmio-Telúrio (𝐻𝑔𝑇𝑒𝐶𝑑) sensível na banda de 8 𝑎 14 𝜇𝑚. Todos estes

detetores funcionavam através de sistemas de varrimento ótico-mecânicos com necessidade

de refrigeração criogénica [13].

Em 1946, surgiu o primeiro scanner de linha, ou seja, um detetor de infravermelho que

mostrava o perfil de temperatura ao longo de uma linha com possibilidade de formar uma

imagem bidimensional necessitando do movimento relativo do objeto sob inspeção. A imagem

bidimensional demorava uma hora a ser produzida. Em 1954, com a inclusão de um sistema de

sistema de varrimento ótico-mecânico ou eletrónico, o equipamento formava diretamente a

imagem em 45 minutos. Os primeiros sistemas de imagem térmica eram pesados, lentos a

adquirir dados e com muito fraca resolução, sendo usados sobretudo em aplicações industriais

[6,19,26].

Na década de 1970, o desenvolvimento de aplicações militares, permitiu construir os

primeiros sistemas de imagem térmica portáteis, usados sobretudo nos diagnósticos de

edifícios e em testes não destrutivos de materiais. Estes sistemas de imagem térmica eram

resistentes e fiáveis, mas continuavam com fraca qualidade de imagem [19, 22].

A partir de 1980, a imagem térmica começou a ser largamente usada para fins médicos,

nas principais industrias e em inspeções de edifícios. O desenvolvimento de refrigeradores de

imagem térmica fiáveis, para substituir, o gás comprimido ou liquifeito para arrefecer os

sistemas térmicos permitiu o aparecimento da 2ª geração das câmaras termográficas. O

desenvolvimento da piroeletricidade e do tubo de raios catódicos, levou ao aparecimento de

sistemas térmicos mais leves, portáveis, sem necessidade de arrefecimento e mais baratos.

Contudo continuavam a ser sistemas não radiométricos [19,22,23].

Foi com o aparecimento de um novo dispositivo, o focal-plane array (FPA), que foi

possível o enorme desenvolvimento verificado nos sistemas de imagem térmica, aumentando

a qualidade de imagem e a resolução espacial. O FPA é um dispositivo de sensoriamento de

imagens que consiste num array (tipicamente retangular) de detectores de infravermelhos

num plano focal de uma lente. Os arrays típicos podem ir de 16 × 16 pixeis até 640 × 480

pixeis [19].

Síntese 37

A partir do ano 2000, com o desenvolvimento de novos detetores e da tecnologia dos FPA,

apareceram a 3ª geração das câmaras termográficas, podendo já operar para ondas largas e

ondas médias. O preço de produção das câmaras termográficas foi descendo drasticamente

com o aumento da qualidade, levando a um crescimento exponencial como industria própria.

O desenvolvimento da ciência computacional levou ao aparecimento de software para análise

das imagens radiométricas e elaboração de relatórios [19].

Figura 2.19 – Desenvolvimento dos detectores de infravermelhos ao longo dos anos [22].

2.7 - Síntese

Ao longo deste capítulo fez-se uma descrição pormenorizada dos fundamentos das

técnicas termográficas. Descreveu-se os fenómenos de transferência de calor, com a

explicação das leis que regem este fenómeno. Em relação à radiação infravermelha, explicou-

se todas as suas características e descreveu-se todos os fatores de influência na medição da

mesma. Conclui-se que a emissividade é um fator preponderante para a exatidão da medição

da radiação infravermelha.

Por fim, contou-se uma breve história sobre a termografia, monstrando a desenvolvimento

da medição da temperatura ao longo dos tempos. No capítulo seguinte está uma descrição de

algumas aplicações das técnicas termográficas.

Capítulo 3

Técnicas termográficas e suas aplicações

O desenvolvimento tecnológico das últimas décadas levou ao aparecimento de vários

equipamentos usados nas mais diversas áreas. Esses equipamentos fazem uso de todas as

gamas espetrais do espetro eletromagnético, tais como equipamentos de esterilização (raios

gama), raios X para auxílio de diagnóstico médico, lâmpadas de “luz negra” (radiação

ultravioleta), forno de micro-ondas, redes sem fio bluetooth e WIFI (micro-ondas), estações

de radiodifusão, serviços de comunicação aérea ou marítima (ondas rádio).

Figura 3.1 - Termograma com escala de cores.

40 Técnicas termográficas e suas aplicações

Todos os objetos com uma temperatura superior ao zero absoluto podem ser vistos às

escuras através de câmaras termográficas, uma vez que emitem radiações infravermelhas,

como dito no capítulo anterior. Quanto maior for a temperatura do objeto, maior será a

quantidade de radiação infravermelha por ele emitida, como também se esclareceu ncapítulo

anterior. Os infravermelhos podem ser representados de forma visível através de

termogramas, onde as diferentes temperaturas da superfície do objeto são apresentadas com

diferentes cores, numa escala escolhida pelo utilizador.

Esta tecnologia, inicialmente usada para fins militares especializados, tem evoluído

através do seu desenvolvimento e aperfeiçoamento. Na atualidade, o uso dos infravermelhos

é feito na ciência, na tecnologia, na segurança e vigilância, na construção civil, em sistemas

mecânicos, em sistemas de fluidos e vapor, instalações elétricas e energias renováveis. O

comando da televisão, leitor de CD-ROM, o leitor de códigos de barras, sistemas de fecho e

abertura dos automóveis e sistema de segurança de edifícios são exemplos onde esta

tecnologia é usada por qualquer pessoa no seu dia a dia. As vantagens da tecnologia de

infravermelhos, descritas na introdução do Capítulo 2, permitem o seu uso generalizado para

a melhoria do nível de vida das populações.

3.1 - Aplicação na Ciência

A aplicação da termografia na ciência tem vindo a aumentar significativamente em

diversas áreas. Medicina, medicina veterinária, arqueologia, geologia, meteorologia,

oceanografia são algumas das áreas onde a aplicação do método de termografia tem sido

usado como instrumento de trabalho.

A Deteção Remota é um processo através do qual a energia eletromagnética emitida ou

refletida por uma superfície é captada e medida por um instrumento (sensor) que não está

em contacto direto com essa superfície. Uma vez que as propriedades e o estado de

determinada superfície influenciam as caraterísticas e a quantidade da energia que é emitida

ou refletida, a medição e a análise desta última pode fornecer informação preciosa sobre a

superfície que se pretende estudar. Se considerarmos que o objeto de estudo pode ser por

exemplo a superfície terrestre, a atmosfera, ou os oceanos, facilmente se compreende que a

Deteção Remota representa uma poderosa ferramenta de conhecimento sobre o nosso planeta

[10].

Aplicação na Ciência 41

3.1.1 - Medicina

A temperatura do corpo humano tem sido amplamente utilizada como um indicador de

doença desde a antiguidade. A temperatura corporal é uma consequência da energia térmica

produzida continuadamente pelo metabolismo. O princípio da regulação térmica é que deve

existir um equilíbrio entre o calor produzido dentro dos tecidos do corpo e o calor perdido

para o meio ambiente. A uniformidade da temperatura num corpo saudável é perturbada no

caso de existência de uma doença, mudanças genéticas ou mudanças fisiológicas. Os níveis de

temperatura e a sua mudança ao longo de um período de tempo podem caracterizar

patologias específicas [27].

A termografia é apropriada para o diagnóstico, como ferramenta auxiliar para a

determinação do tipo de desordem funcional, da localização, do grau de desenvolvimento e

do prognóstico do tratamento. O uso da termografia facilita a avaliação do caso em estudo e

a determinação do tratamento mais eficaz [13]. Como a pele humana tem um nível de

emissividade muito alto, recomenda-se o uso de câmaras termográficas com sensibilidade às

ondas eletromagnéticas emitidas na faixa 8 𝑎 14 µ𝑚 (LW) e que detetem variações de

temperatura, de pelo menos 0,08℃ [22].

Os avanços na evolução tecnológica dos sensores infravermelhos, no processamento de

imagem e desenvolvimento de algoritmos inteligentes permitem novos métodos de pesquisa e

protocolos diagnósticos na imagiologia, resolvendo a insuficiência da antiga termografia.

Estes avanços tecnológicos levaram ao aumento de programas de investigação patrocinados

pelos governos da Europa, Estados Unidos da América e Japão. As principais aplicações da

termografia na medicina são nos campos da oncologia (cancro da pele, cancro da mama,

tiroide), dor, doenças vasculares (diabetes, trombose venosa profunda), artrite, reumatismo,

viabilidade tissular (queimaduras, transplantes, enxertos), cirurgias e doenças neuro -

musculares esqueléticas [27].

Com o aumento da eficácia das câmaras termográficas, os investigadores acreditam que

os exames infravermelhos poderiam ser um complemento à mamografia, mais simples e

menos dispendioso, relativamente à biopsia numa deteção precoce. Outra aplicação

promissora dos exames infravermelhos é na determinação de risco de cancro [27].

A termografia é usada na investigação do Síndrome de Dor Regional Complexa (CRPS). O

CRPS assemelha-se a uma reação inflamatória, desenvolvendo um evento traumático, como

um ferimento, fratura ou trauma. O CRPS é acompanhado por, entre outras coisas, em

alterações demonstráveis do fornecimento de sangue para a pele, resultando em alterações

na pele, edemas, mobilidade reduzida e contínua dor [22].

O uso de imagens infravermelhas durante procedimentos cirúrgicos, nomeadamente na

avaliação da microcirculação de órgãos e tecidos. O fluxo de sangue, que através de perfusão

é introduzido num órgão, é determinado pela temperatura [27].


Figura 3.2 - Deteção de cancro da mama [27].

Figura 3.3 - Zonas de Dor [28].

Figura 3.4 - Procedimentos Cirúrgicos [27].


Investigadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) e da

Faculdade de Medicina Dentária da Universidade do Porto (FMDUP) apresentaram

recentemente um estudo que, através da captação de imagem biomédica, com recurso a uma

câmara termográfica, avalia alterações ao nível dos músculos posturais e dos músculos da

mastigação do complexo crânio-cérvico-mandibular em músicos de orquestra. Trata-se de

uma investigação que vem contribuir no diagnóstico de lesões músculo – esquelécticas.

Figura 3.5 - Lesão músculo – esquelécticas [27].

Uma área onde a termografia teve uma enorme divulgação foi na utilização de câmaras

termográficas nos aeroportos, para deteção do vírus da gripe. Nos últimos anos o

aparecimento de pandemias de gripe das aves (H5N1) e gripe A (H1N1), provocou algum

pánico nas populações mundiais, levando os aeroportos a aumentar os níveis de alerta em

relação aos vírus da gripe. O local mais prático do corpo humano para deteção do vírus da

gripe, dando um resultado mais confiável, é no canto dos olhos onde o ducto lacrimal vem à

tona [29].

Figura 3.6 - Deteção de gripe [29].


3.1.2 - Medicina Veterinária

O uso da termografia em medicina veterinária possibilita aos veterinários uma ferramenta

de diagnóstico sem contacto, reduzindo o stress do animal durante o exame médico. É usado

frequentemente nos estudos em populações de animais no estado selvagem, de espécies de

grande porte ou notívagas [13].

As modificações de temperatura de certas zonas do organismo estão diretamente ligadas á

irrigação sanguínea. Um tecido lesionado está mais fortemente irrigado do que o normal

porque necessita de uma maior quantidade de glóbulos brancos, de forma a controlar a lesão.

Um ponto com maior temperatura indica uma inflamação com consequente afluxo de sangue,

enquanto um ponto mais frio indica um edema, trombose ou a existência de tecido

cicatrizado. Em termografia procuram-se assimetrias, ou seja, em condições normais as

imagens dos dois membros são idênticas. Uma alteração de 1º𝐶 em 25% da área observada é

considerada como um caso patológico. Normalmente os tendões e articulações apresentam

alterações de temperatura cerca de duas semanas antes de aparecer uma claudicação.

Problemas no dorso, abcessos do casco, tendinites, lesões nervosas, musculares, atrofias

musculares, são tudo lesões bem visíveis quando se utiliza a termografia como ferramenta de

diagnóstico. Cavalos de grande valor fazem regularmente exames termográficos como medida

de prevenção, antes de competições importantes [30].

Figura 3.7 - Deteção de lesões em cavalos [30].

Em medicina veterinária, os aparelhos estão graduados para detetar variações de

0,5 ℃ 𝑎 1℃ e recomenda-se que se deixe o animal aclimatizar-se durante 15 a 20 minutos à

temperatura ambiente do local onde se realiza o exame. As câmaras termográficas já são

usadas em larga escala, desde os Jogos Olímpicos de Atlanta [30]. A termografia pode ser

usada em todos os tipos de animais, fazendo-se uma prevenção precoce de lesões e doenças.


3.1.3 - Astronomia

A existência de regiões no espaço envoltas em gases e poeiras muito densas desaconselha

a utilização dos telescópios óticos. A radiação infravermelha, com maior comprimento de

onda consegue atravessar as regiões referidas sem sofrer dissipação, pelo que passou a ser

possível conhecer e estudar, por exemplo, a região central da Via Láctea [13].

O Infrared Astronomical Satellite (IRAS) foi lançado em 1983 e digitalizou mais de 96% do

céu em quatro bandas do infravermelho centrado em 12, 25, 60 𝑒 100 𝜇𝑚. O IRAS aumentou o

número de fontes astronómicas catalogadas em 50%, detectando cerca de 250000 fontes de

infravermelho. O Telescópio Espacial Spitzer, lançado em Agosto de 2003, tem como missão

obter imagens e espetros, detetando a energia infravermelha irradiada por objetos no espaço

entre os comprimentos de onda de 3 𝑒 180 𝜇𝑚 [31].

Figura 3.8 - Galáxia Maffei2 [31].

Na Figura 2.26, podemos ver uma imagem termográfica de uma galáxia cujos 99,5% da

sua luz vísivel era bloqueada por uma nuvem de poeiras na região central da Via Láctea.

Quando existem grandes quantidades de poeiras e gás, ocorrem explosões de formações de

estrelas, sendo dirigidas para o centro da galáxia, muitas vezes por interações gravitacionais

que criam estruturas em espiral [31].


3.1.4 - Arqueologia

O espetro da luz solar refletida pela superfície da Terra contém informações sobre a

composição da superfície e pode revelar traços do passado atividades humanas, como, por

exemplo, a agricultura. Todos os tipos de rocha têm temperaturas distintas, por isso emitem

calor em diferentes taxas. Diferenças na textura do solo são reveladas pelas variações de

temperatura fracionárias sendo possível identificar terra solta, onde existiram campos

agrícolas pré-históricos. A calçada Maya foi detetada através das emissões de radiação

infravermelha de comprimento de onda diferente da vegetação circundante. As versões mais

avançadas de câmaras termográficas podem detetar valas de irrigação preenchidas com

sedimentos, retendo mais humidade e apresentando uma temperatura diferente de outro

solo. O terreno acima de um muro de pedra enterrada, por exemplo, pode apresentar

temperaturas mais quentes que o terreno circundante, porque a pedra absorve mais calor.

Um radar pode penetrar a escuridão, a cobertura de nuvens, a copa de mata fechada, e até

mesmo o chão [32].

A Deteção Remota pode ser uma técnica de descoberta, uma vez que se pode procurar

radiações de energia emitida distintas em locais conhecidos ou em áreas onde as pesquisas

nunca foi realizada. As imagens termográficas servem como recursos de reconhecimento ou

impressões digitais. Caraterísticas como a altitude, a distância da água, a distância entre os

locais ou cidades, caminhos e rotas de transporte podem ajudar a prever a localização de

potenciais sítios arqueológicos [32].

Figura 3.9 - Estrada Arqueológica [32].


3.1.5 - Geologia

A geologia envolve o estudo de formas de relevo, estruturas e do subsolo, para entender

os processos físicos da criação e da modificação da crosta terrestre. Normalmente está ligada

à prospeção e exploração de recursos minerais e de hidrocarbonetos, geralmente para

melhorar as condições e a qualidade de vida na sociedade, tais como, o petróleo, o carvão,

metais variados e calcário. A Geologia também inclui o estudo de riscos potenciais, como

vulcões, deslizamentos de terras e terramotos, constituindo um fator crítico para estudos

geotécnicos relativos à construção e engenharia.

A Deteção Remota é utilizada como uma ferramenta para extrair informações sobre a

estrutura, a composição ou subsolos da superfície da terra, muitas vezes combinada com

outras fontes de dados fornecendo medidas complementares. Um radar fornece uma

expressão topográfica de superfície e a sua rugosidade sendo extremamente valioso,

principalmente quando integrado com outra fonte de dados para prestar informações

detalhadas.

Um mapeamento estrutural consiste na identificação e caracterização da expressão

estrutural, incluindo falhas, dobras sinclinais e anticlinais e alinhamentos. A compreensão das

estruturas é importante para a interpretação os movimentos da crosta terrestre que deram

forma ao terreno atual. As estruturas podem indicar os potenciais locais de petróleo e gás,

por exemplo [10].

Figura 3.10 - Imagem termográfica geológica [10].


3.1.6 - Monitorização da cobertura do solo

O mapeamento da cobertura do solo serve como base para um inventário dos recursos da

terra, interessando aos governos, aos órgãos ambientais e ao setor privado, em todo o mundo.

De âmbito regional ou local, a Deteção Remota oferece um meio de aquisição e apresentação

da cobertura da terra de dados em tempo útil. A cobertura da terra inclui tudo, desde tipo de

culturas, gelo e neve, os principais ecossistemas, incluindo floresta de coníferas, floresta e

terra árida [10].

O mapeamento regional da cobertura do solo é realizado por qualquer um que esteja

interessado em obter um inventário dos recursos da terra, para ser usado como um mapa de

base para a futura monitorização e o uso da terra. Os programas são realizados em todo o

mundo para observar as condições das culturas regionais, bem como investigar as alterações

climáticas a nível regional através da monitorização dos ecossistemas. O mapeamento da

biomassa fornece estimativas quantificáveis de cobertura vegetal, e as informações biofísicas,

tais como o índice de área de folhagem, a produtividade primária líquida e a acumulação

total de biomassa. Estas medições são parâmetros importantes para medir a saúde das

florestas [10].

Figura 3.11 - Monitorização da cobertura do solo [10].

http://pt.wikipedia.org/wiki/Floresta�

http://pt.wikipedia.org/wiki/Con%C3%ADfera�


3.1.7 - Oceanografia

Os oceanos não só fornecem alimento e valiosos recursos biofísicos, como também servem

de rotas de transporte, são de importância crucial na formação do sistema climático, no

tempo de armazenamento de dióxido de carbono (𝐶𝑂2) e são um elemento importante no

equilíbrio hidrológico da Terra.

Compreender a dinâmica oceânica é importante para a avaliação de recursos pesqueiros,

rotas de navios, a previsão de circulação global em consequência de fenómenos como o El

Niño. A previsão e acompanhamento de tempestades são muito importante de modo a reduzir

o impacto do desastre na navegação marítima, exploração offshore, e a consolidação

costeira. Estudos sobre a dinâmica oceânica incluem o vento, a recuperação de onda

(direção, velocidade, altura), a identificação de sistema de tempo em mesoescala, o estudo

da profundidade subaquática de lagos ou oceanos, temperatura da água, e a produtividade do

oceano [10].

O Litoral é uma zona costeira sensível ao ambiente entre o mar e a terra e responde às

mudanças trazidas pelo desenvolvimento económico às e mudanças no uso da terra.

Frequentemente o litoral é biologicamente diverso em certas zonas, e também pode ser

altamente urbanizadas. Mais de 60% da população mundial vive perto do mar, logo a zona

costeira é uma região sujeita ao aumento de stress da atividade humana.

As agências governamentais envolvidas com o impacto das atividades humanas nessas

regiões precisam de novas fontes de dados com as quais podem acompanhar

alterações diversas como a erosão costeira, perda de habitat natural, a urbanização,

efluentes e poluição no mar. Muitas das dinâmicas do oceano aberto e as mudanças na região

costeira podem ser mapeados e monitorizados utilizando técnicas de deteção remota. As

aplicações de deteção remota no Oceano são as seguintes [10]:

• Identificação de padrões do Oceano: correntes, padrões de circulação regional,

zonas frontais, ondas internas, ondas de gravidade, remoinhos, zonas de

afloramento de águas rasas;

• Previsão de tempestade: vento e onda de recuperação;

• Stock de peixe e de avaliação de mamíferos marinhos: monitorização da

temperatura da água, qualidade da água, produtividade do oceano e a

concentração de fitoplâncton e inventário e monitorização da aquicultura;

• Derramamento de óleo: mapeamento e extensão do derramamento,

derramamento de óleo em decisões de emergência e identificação de áreas de

infiltração natural de petróleo para a exploração;

• Frete: rotas de navegação, estudos de tráfego, operações de vigilância da pesca,

mapeamento da profundidade perto da costa.


Figura 3.12 - Monitorização dos oceanos [10]. 3.1.8 - Meteorologia

A medição da temperatura é fundamental no estudo e previsão do tempo. Satélites de

infravermelhos são utilizados para monitorizar o tempo na Terra, através da medição da

temperatura das nuvens e da altitude a que se situam do solo. Os mapas usados nos

programas televisivos são mapas de infravermelhos. Os satélites de infravermelhos também

são utilizados para estudo de ciclones e tornados, sendo detetada a sua formação durante a

noite. O uso dos satélites infravermelhos facilita a compreensão das transferências de energia

entre o Sol e a Terra, fator que condiciona as condições climatéricas [13].

Figura 3.13 - Mapa Meteorológico [10].

Aplicação em Segurança e Vigilância 51

3.2 - Aplicação em Segurança e Vigilância

Os desenvolvimentos verificados pelos sensores infravermelhos devem-se em grande parte

à sua utilização nas áreas militares e policiais, principalmente após a 2ª Guerra Mundial, para

deslocação do utilizador ou então para deteção de um alvo. As aplicações militares nos dias

de hoje são mais variadas e atualmente a termografia é usada em áreas de busca e

salvamento, combate de incêndios e navegação.

3.2.1 - Militar

A utilização inicial para fins militares, após a 2ª Guerra Mundial, foi a deslocação de

forças militares durante a noite. Em aplicações militares, as câmaras de infravermelho são

fixadas em armas, tanques, helicópteros e vários tipos de equipamento militar para efeitos de

digitalização do campo de batalha e de fácil deteção e infiltração de alvos durante a noite.

Com o desenvolvimento dos sensores infravermelhos, a termografia é agora usada para

localização de alvos, recolha de informações em terreno inimigo, sistemas de deteção de

minas terrestres e prevenção de ataques, quer aéreos, quer terrestre [6].

Figura 3.14 - Aplicações Militares [2,6].

O uso da termografia por parte da Marinha é bastante diversificado. A termografia é usada

para patrulha das vias navegáveis para ajudar a garantir que estes canais marítimos são

seguros, além de ser uma ferramenta muito utilizada na manutenção dos submarinos e navios.

Devido aos longos percursos efetuados, muitas vezes com alteração das condições de

operação (climatéricas, carga), as reparações tem que ser da maior eficácia possível, de

forma a não comprometer uma navegação segura [6].


Figura 3.15 - Fiscalização de canais marítimos [20].

Figura 3.16 - Inspeção de um Navio [2].

A aplicação dos desenvolvimentos tecnológicos em instrumentos de defesa é

inquestionável em todas as áreas de aplicação do Poder Aéreo. Na procura de soluções que

reduzam os riscos de perda de recursos de alto valor, a Ciência tem vindo a aplicar os

conhecimentos em tecnologias que potenciam, sem diminuição da eficácia, a consecução dos

objetivos militares e políticos superiormente definidos, através de soluções menos onerosas,

de que o uso de aeronaves não - tripuladas parece constituir uma das opções mais aplicadas.

Desde a Guerra do Vietname que os Estados Unidos já utilizaram veículos aéreos não –

tripulado, mais conhecidos por UAV, para missões de reconhecimento, vigilância e

informações sendo, no entanto, a tecnologia neles envolvida ainda bastante embrionária

quando comparada com os padrões atuais. De facto, não tem cessado de aumentar, desde

então, a contribuição destes sistemas no contexto de operações militares, quanto ao número

de saídas, horas de voo acumuladas e tipos de missões desempenhadas.


De acordo com o Unmanned Aircraft Systems Roadmap 2007-2032 do Departamento de

Defesa dos Estados Unidos da América, os veículos aéreos autónomos não tripulados

classificam-se em seis categorias que vão do nível 0 ao nível 5, caracterizando-se cada nível

pela velocidade máxima da plataforma, peso e altitude máxima de operação.

É notório o esforço que várias Forças Armadas Europeias estão a fazer no sentido de se

equiparem com sistemas desta natureza. Em Portugal encontra-se em desenvolvimento o

Programa de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Autónomos Não Tripulados

(PITVANT) da Academia da Força Aérea com a colaboração da FEUP, uma vez que esta Escola

dispõe de knowhow tecnológico e experiência operacional reconhecidos no âmbito de

sistemas de controlo para veículos submarinos autónomos não - tripulados o que, desde logo,

fazia prever a possibilidade de uma rápida adaptação destas competências a veículos aéreos

autónomos não tripulados. É ainda de referir que, tanto a AFA como a FEUP mantiveram

colaborações e contactos frequentes com diversas Instituições, de entre as quais se destacam:

a Universidade da Califórnia em Berkeley, a Universidade de Munique, a Agência de Defesa

Sueca, as Empresas Brasileiras de Aeronáutica S.A.-Embraer em São José de Campos, Brasil, a

Honeywell e a Universidade de Michigan [33].

Figura 3.17 - UAV Antex – X03 desenvolvido em Portugal [33].

3.2.2 - Vigilância

As câmaras digitais de infravermelho são muito úteis na indústria de segurança e

vigilância, sendo já de uso corrente. As forças policiais conseguem com a utilização de

câmaras termográficas, uma vigilância mais eficaz relativamente a qualquer atividade

suspeita, sem denunciar a mesma. A segurança de instalações pode detetar qualquer ameaça


sem a utilização de luz artificial, como por exemplo, stands de automóveis que têm os carros

expostos ao ar livre, refinarias e subestações elétricas prevenindo vandalismo e roubos.

Muitas instalações que possuem grandes parques de estacionamento mal iluminados,

apresentando riscos para os seus utilizadores, usam câmaras termográficas para o aumento do

nível de segurança. Eventos noturnos podem ser policiados com mais eficácia na deteção de

elementos perturbadores. Na fiscalização de fronteiras, podem-se procurar produtos ilegais,

armas e emigrantes ilegais escondidos [6].

Figura 3.18 - Vigilância de suspeitos [2].

Figura 3.19 - Vigilância de instalações [2].


3.2.3 - Buscas e salvamento

Nas operações de salvamento, durante a noite e com condiçoes climatéricas adversas, o

uso de infravermelhos pode ajudar a encontrar pessoas em perigo. Deteção de pessoas

soterradas, devido a avalanches ou terramotos, ou localização de vítimas de naufrágio

mostram a vantagem do uso da termografia.

Figura 3.20 - Buscas de vítimas de naufrágio [33].

3.2.4 - Combate a incêndios

O combate do fogo sejam eles, incêndios de recursos naturais, incêndios acidentais ou

incêndios urbanos, apresentam muitos desafios para aqueles que estão envolvidos no combate

dos incêndios. Uma câmara de infravermelhos é uma ferramenta para os bombeiros e equipas

de socorro no esforço para obter essas informações em tempo real. Uma vez que é uma

tecnologia destinada a assinaturas de calor sentido e exibição de imagem, as câmaras

permitem a visualização em ambientes escuros e cheio de fumo, cujo valor é inestimável no

processo de decisão. É uma ferramenta muito útil no auxílio da procura de vítimas em

ambientes com muito fumo [6].

Figura 3.21 - Deteção de vítimas em incêndios [13].


A instalação de câmaras de infravermelhos em satélites, helicópteros e aviões de

reconhecimento permite a identificação de zonas de maior calor em florestas densas, deteção

de incêndios em alto mar e focos de incêndio encobertos por fumo muito denso. Em incêndios

em edifícios as câmaras termográficas são utilizadas para deteção de pontos quentes no

interior de paredes e telhados, determinado se existe fogo ou não por trás de um elemento

construtivo [13].

Figura 3.22 - Imagem termográfica de combate a incêndio [2].

Figura 3.23 - Imagem termográfica de incêndio num navio [33].

Aplicação em Edifícios 57

3.3 - Aplicação em Edifícios

A termografia é utilizada na construção civil como ferramenta de diagnóstico de edifícios,

diques, barragens e pontes. Nos edifícios a termografia é utilizada na manutenção e na

reabilitação, permitindo a identificação de defeitos e a realização de estudos do desempenho

térmico de elementos construtivos ou do próprio edifício. A termografia também pode ser útil

nas diversas fases do processo construtivo, desde a conceção do projeto até à avaliação da

execução em obra, facilitando a investigação de novos materiais [13].

O setor da construção civil representa 40% dos gastos de energia na União Europeia e

oferece um potencial único para o aumento da eficiência energética. Devido ao enorme

potencial, a Comissão Europeia criou uma diretiva de regulamentação do rendimento

energético de edifícios, posteriormente adotada pelas leis nacionais dos países integrantes da

União Europeia. Os Certificados Energéticos tornaram-se obrigatórios para edifícios novos,

para reabilitações importantes de edifícios já existentes (custo da obra > 25% do custo do

edifício) e para locações ou vendas de edifícios de habitação e de serviços existentes [35].

A termografia permite ao dono da obra, à fiscalização e aos utilizadores verificarem se o

trabalho em obra foi executado conforme o projeto e identificar anomalias e áreas

degradadas. Através de ensaios termográficos, é possível de uma forma eficaz e localizada

delimitar as áreas com problemas, facilitando assim a manutenção dos edifícios e evita-se a

danificação dos componentes [13].

Uma inspeção termográfica ajuda nos diagnósticos de construção [35,36]:

• Visualização de perdas de energia;

• Deteção de falta de isolamento ou áreas mal isoladas;

• Deteção de fugas ou infiltrações de ar;

• Deteção de humidade no isolamento, no teto e paredes (interno e externo);

• Localização de fugas em telhados;

• Inspeção de tubagens, sistema de aquecimento e ar condicionado.


Figura 3.24 - Imagem termográfica de um edifício [35].

3.3.1 - Deteção de zonas com isolamento deficiente

A termografia permite a monitorização e a avaliação do desempenho das diversas técnicas

de isolamento térmico. Se o isolamento térmico for menor numa zona delimitada do

elemento construtivo, com emissividade uniforme, o termograma mostra uma variação da

temperatura superficial, resultante da não existência do isolamento térmico ou da sua

deficiente aplicação.

Os defeitos em elementos construtivos são identificados por variação do fluxo de calor ou

do fluxo de ar, facilitando a transferência de calor. Uma área com maior fluxo de calor

corresponde a uma zona de menor isolamento. A deficiente colocação de isolamento numa

caixa de ar ou a rutura dos pontos de fixação ao suporte do isolamento rígido permite a

circulação de ar frio na caixa de ar, entre as placas de isolamento e a parede interior. Uma

ponte térmica corresponde ao local onde a caixa de ar e o respetivo isolamento térmico da

parede exterior do edifício estão interrompidos. Devido a uma maior condutibilidade térmica

nesta zona, a transferência de calor do interior para o exterior é facilitada, sendo

identificado num termograma com a forma do componente com menor resistência térmica

[13].

A espessura típica do isolamento varia de país para país. Em climas frios o isolamento

normalmente é espesso, enquanto nos países com climas temperados mais quentes, a

espessura é reduzida. Deve existir no mínimo 10 ℃ de diferença de temperatura entre o

exterior e o interior dos lados da parede, para que o ensaio termográfico seja fiável. Se for

usada uma câmara termográfica com maior resolução e com maior sensibilidade, a diferença

de temperatura pode ser menor [35].


Figura 3.25 - Deteção de isolamento deficiente [36].

A diferente absorção da radiação solar pelos elementos constructivos pode influenciar os

resultados do ensaio termográfico. Durante as épocas do ano mais quentes, a assinatura

térmica mostra o interior mais frio e o exterior mais quente. Durante as épocas do ano mais

frias, a assinatura térmica é o oposto. Também é importante saber qual o tipo de isolamento

presente uma vez que cada tipo de isolamento tem a sua assinatura térmica [19].

3.3.2 - Deteção de fugas de ar

Uma fuga de ar é a passagem de ar através do revestimento de um edifício, parede,

janela ou junta. O movimento excessivo de ar reduz significativamente a integridade térmica

e o desempenho do revestimento e é, por isso, um grande responsável pelo consumo de

energia num edifício. Para além da perda de energia causada pela fuga excessiva de ar, pode

causar a formação de condensação no interior das paredes e no seu exterior. Isto pode causar

diversos problemas, tais como, reduzir o valor da resistência do isolamento, danificar

permanentemente o isolamento e degradar gravemente os materiais. Pode causar o

apodrecimento da madeira, a corrosão de metais e tijolos ou superfícies de cimento, e em

casos extremos pode mesmo levar à separação entre tijolos, lascas no cimento, porosidade na

argamassa e à queda de secções de uma parede, colocando em risco a segurança dos

ocupantes. Pode corroer o aço estrutural, barras e hangar e parafusos de metal, com

problemas de segurança e manutenção muito graves. A acumulação de humidade nos

materiais de construção pode causar a formação de bolor, que pode necessitar de uma

reparação extensiva [20].

Dependendo da quantidade condensada e dos materiais que constituem a envolvente, as

condensações superficiais junto aos pontos de fuga podem agravar a variação da temperatura

superficial. A extensão da variação de temperatura em torno do ponto de fuga depende da


natureza e tamanho do ponto de fuga, da pressão diferencial a que está sujeito o elemento

construtivo e da diferença de temperatura entre o interior e o exterior. Fuga para o interior é

denominado infiltração e fuga para o exterior é denominado exfiltração [13].

As perdas de calor em janelas ocorrem por condução ou por transferência ocorrem por

condução ou por transferência de ar através dos pontos de fuga. Para detetar as perdas de

calor devido a pontos de fuga no caixilho, nas dobradiças ou nos encaixes das janelas, deve

recorrer-se à diminuição artificial da pressão interior para evidenciar o fenómeno. As perdas

por condução só podem ser detetadas se forem eliminadas as radiações visíveis, transmitidas

através do vidro, recorrendo a filtros espetrais [13].

Para a identificação dos pontos de fuga basta uma diferença de temperatura entre o

interior e o exterior de pelo menos 5℃. Para um estudo mais detalhado, estabelece-se uma

diferença de pressão artificial no edifício com recurso a equipamentos mecânicos, de modo a

que os padrões da fuga de ar sejam conhecidos e quantificados. Os equipamentos de extração

mecânica de ar reduzem a pressão no interior do edifício, tornando-a inferior à pressão do ar

no exterior. A diminuição da pressão provoca um aumento do fluxo de ar frio vindo do

exterior, arrefecendo a superfície interior adjacente ao ponto de entrada de ar do edifício

[13,19].

Figura 3.26 - Deteção de fugas de ar [36].

3.3.3 - Deteção de humidade

Os danos causados pela humidade são a forma mais comum de deterioração de um

edifício, devido à degradação causada nos materiais de construção. Os pontos de penetração

típicos são juntas estruturais e pontos de emenda (falhas intermitentes, revestimentos).

A humidade também pode resultar através da condensação. A condensação é

normalmente causada por fugas de ar quente e húmido dos edifícios para as cavidades mais


frias da construção, tais como, o interior de paredes, pisos ou tetos e isolamentos molhados

que levam muito tempo para secar, tornando-se locais privilegiados para a formação de

bolores e fungos. Uma inspeção termográfica vai determinar a localização inerente das áreas

com humidade que promovem o aparecimento de bolores e consequentemente problemas de

saúde. As outras fontes de humidade típicas são inundações, águas subterrâneas e fugas dos

sistemas de canalização e aspersão [19,35].

A assinatura térmica da humidade é visível com muita facilidade através das câmaras

termográficas, especialmente se as condições forem adequadas para que exista evaporação

das superfícies molhadas. Neste caso a temperatura dessas superfícies vai mudar mais

lentamente que as superfícies secas, aparecendo mais frias. Contudo materiais de construção

molhados são mais propícios à transmissão de calor por condução e durante a transição

térmica, apresentam uma maior capacidade térmica do que os materiais secos. Nesta

situação as assinaturas térmicas não são claras ou óbvias, recomendando-se o uso de um

medidor de humidade para a confirmação da imagem termográfica da área detetada [19,35].

Figura 3.27 - Deteção de humidade [36].

Por razões relacionadas com o design, instalação e manutenção, a maioria dos telhados

com baixo declive desenvolvem problemas ao fim de dois anos após a instalação. Os telhados

de baixo declive são telhados planos com ligeiros graus de inclinação para drenar a

precipitação, sendo composto por uma plataforma estrutural onde é colocado um isolamento

rígido e uma membrana impermeável. Os danos causados a longo prazo pela humidade são

geralmente muito dispendiosos uma vez que provocam a degradação e falhas prematuras no

telhado [19].

A assinatura térmica vista numa câmara termográfica depende da condição e do tipo de

isolamento térmico aplicado. Isolamentos absorventes como fibra de vidro, fibra de madeira

ou perlite expandida são o tipo de isolamento mais usado, mostrando assinaturas térmicas

claras. Isolamentos não absorventes como placas de espuma sintética laminada usadas em


sistemas de telhados de camada simples são mais difíceis de inspecionar, porque absorvem

pouca água. Os telhados de camada simples são muitas vezes cobertos por uma pesada

camada de pedra influenciando a sua assinatura térmica. As condições meteorológicas, a

forma do edifício e o tipo de construção também podem influenciar as assinaturas térmicas

[19].

Idealmente deve ser feita uma inspeção termográfica à cobertura pouco tempo após a sua

instalação de modo a estabelecer uma assinatura térmica de base. Quando ocorrer uma fuga,

deve-se realizar rapidamente uma inspeção termográfica para determinar o local exato da

fuga e a extensão dos danos no isolamento. A poupança de custos é significativa quando se

consegue reparar as áreas com humidade em vez da substituição total do telhado. O sol

funciona como um aquecedor do telhado, sendo verificado um arrefecimento do isolamento

durante a noite. A câmara termográfica deteta humidade quando encontra áreas molhadas

que arrefecem mais lentamente, aparecendo o isolamento húmido como áreas mais quentes

nas imagens termográficas. Uma grande vantagem das câmaras termográficas é a

possibilidade de conseguir mostrar grandes áreas com humidade, mostrando as suas

temperaturas enquanto os outros métodos apenas conseguem medir pontos simples [35].

Figura 3.28 - Deteção de humidade em coberturas [35].

3.3.4 - Inspeção de tubagens, sistema de aquecimento e ar condicionado

A termografia é uma ferramenta útil e de fácil utilização para a deteção e análise de

infiltrações em tubagens e canalizações, independentemente da sua localização (chão ou

parede). Em sistemas típicos como pavimentos aquecidos ou sistemas de aquecimento

urbano, o calor irradia dos tubos através da superfície e o padrão pode ser facilmente

detetado com uma câmara termográfica. A determinação da localização exata das infiltrações

impede obras destrutivas desnecessárias e redução de custos [35].

A temperatura interna tem um efeito considerável sobre o sentimento de bem-estar e

desempenho. A termografia pode fornecer informações sobre o estado das saídas de ar

condicionado e sistemas de ventilação, pode mostrar uma distribuição de temperatura

irregular e consegue detetar a obstrução e bloqueios em radiadores [20].

Aplicação em Sistemas de Fluido e Vapor 63

Figura 3.29 - Inspeção de tubagens e sistema de aquecimento [10,20,35].

3.4 - Aplicação em Sistemas de Fluido e Vapor

A termografia pode ser utilizada também na monitorização da condição de funcionamento

e da operação dos componentes integrantes dos sistemas de fluido e vapor. Problemas de

caudais de fluidos, fugas e bloqueios em sistemas de vapor e em sistemas de fluidos quentes

ou frios, danificação e defeitos no isolamento de refratários são acompanhados por uma

mudança na temperatura de operação [45].

Em sistemas de vapor, devem ser inspecionados as linhas de transmissão de vapor,

purgadores e válvulas de vapor, permutadores de calor, caldeiras e outros equipamentos de

utilizem vapor. Os purgadores de vapor são válvulas destinadas à remoção de condensados e

ar do sistema de vapor, devendo ser sujeitos a teste na abertura e no fecho. De modo a

procurar-se bloqueios nas linhas de transmissão e nos permutadores de calor devem procurar

diferenças de temperatura significativas. Nas válvulas fechadas e linhas de vapor

subterrâneas, a termografia é útil para encontrar fugas de vapor [20,45].

A indústria petroquímica está entre os setores que apostam mais em sistemas de vapor

devido à sua elevada intensidade energética, requerendo uma monitorização térmica

cuidadosa para adquirir níveis de eficiência de segurança e térmico de cada processo. As

refinarias podem atingir um elevado nível de produtividade e aumentar a rentabilidade ao

utilizar câmaras termográficas para executar a verificação do nível do depósito, o diagnóstico

da aleta do condensador, a manutenção do forno, a gestão das perdas refratárias [20].


Figura 3.30 - Imagens termográficas de sistemas de vapor [45].

Nos sistemas de fluido, a inspeção de fornos e caldeiras é essencial de modo a eliminar

fontes de perdas de energia. As perdas de energia podem ocorrer por oxidações, fugas de ar e

pela danificação do refratário [45].

As câmaras termográficas facilitam a inspeção de tubos do aquecedor em fornos para

deteção de áreas com acumulação de coque, aparecendo como mais quentes do que as outras

áreas da superfície do tubo. Isto mostra que o coque impede que o produto absorva

uniformemente o calor do tubo. As desvantagens adicionais da coqueificação incluem

elevadas taxas de acendimento do forno e vida útil do tubo reduzida. As fugas e os acidentes

devidos a isso podem ocorrer após um determinado período de tempo devido a corrosão dos

meios, fendas devido aos defeitos de soldadura ou tensão e deterioração do material. Para

assegurar um funcionamento seguro dos tubos é necessário ter uma ideia da integridade das

paredes dos tubos e substituir apenas os tubos criticamente danificados. Através da

termografia pode-se observar as descontinuidades nos padrões de fluxo de calor resultantes

de defeitos na parede para tubos de pressão de alta temperatura [20].

Figura 3.31 - Imagens termográficas de refratário e tubagem [45].

Aplicação em Sistemas Mecânicos 65

3.5 - Aplicação em Sistemas Mecânicos

Em muitas indústrias, os sistemas mecânicos servem de espinha dorsal das operações a

realizar, podendo afetar tanto a quantidade como a qualidade do produto final. O principal

método de inspeção de sistemas mecânicos é a análise de vibrações, mas a termografia é uma

excelente fonte de informações complementar para estudos de monitorização de vibrações

em equipamentos mecânicos [46].

Quando os componentes mecânicos trabalham, é gerado calor. Forças originadas por

fricção, desalinhamentos, lubrificação e tensão impróprias das correias de transmissão podem

originar aquecimento excessivo ou podem provocar a danificação do equipamento. As

inspeções são normalmente direcionadas a ligações elétricas, acoplamentos, rotor e estator

de motores e geradores, rolamentos, correias de transmissão e caixas de engrenagem [47].

Figura 3.32 - Imagens termográficas de sistemas mecânicos [47].

As ligações elétricas devem ser inspecionadas nas caixas de junção, devendo estar todas

as ligações á mesma temperatura. É uma anomalia muito usual uma vez que as ligações

elétricas são ignoradas nas ações de manutenção. Na inspeção das carcaças dos motores, a

imagem termográfica deverá apresentar uma temperatura uniforme. Motores que apareçam

mais quentes poderão indicar problemas nos enrolamentos ou curto-circuitos. Na inspeção de

rolamentos, caso eles se encontrem quentes podem indicar problemas de lubrificação ou um

elevado desgaste do mesmo. Um rolamento em bom estado apresenta uma temperatura de

funcionamento de 60℃.


Se existir um diferencial de temperaturas alto entre dois rolamentos, pode-se suspeitar

de desalinhamento ou desequilíbrio. O desalinhamento de motores provoca forças que causam

um aumento de temperatura nas uniões do acoplamento sendo essa temperatura maior

quanto maior for o desalinhamento. Caixas de engrenagem e correias de transmissão em boas

condições devem funcionar a uma temperatura próxima da temperatura ambiente. O

aumento de calor é gerado por forças de fricção, desalinhamento e lubrificação imprópria

[47].

3.6 - Aplicação em Instalações Elétricas

A importância da segurança nas instalações elétricas é vital, quer a nível doméstico quer

a nível industrial. A temperatura é a principal variável detetável no processo de falha de uma

instalação elétrica, sendo a termografia um recurso valioso para uma manutenção eficaz. O

aumento de temperatura em material elétrico aumenta o risco de incêndio numa instalação

elétrica, pode causar avarias irreparáveis em equipamentos fundamentais e pode provocar

acidentes em pessoas e bens.

Quando a corrente elétrica passa num condutor, é gerado calor. Todos os componentes

elétricos começam a deteriorar-se após a instalação, devido à carga elétrica, vibrações,

corrosão e envelhecimento. As anomalias aparecem com o aumento da temperatura durante

um largo período de tempo, antes da ocorrência de uma falha. A lei de joule mostra que a

energia elétrica se transforma em energia calorífica num recetor ou condutor, sendo

diretamente proporcional à resistência deste, ao quadrado da intensidade de corrente e ao

tempo de passagem de corrente. O aquecimento anormal associado à resistência elevada ou à

excessiva passagem de corrente é a causa principal de muitos problemas elétricos.

Uma inspeção termográfica em instalações elétricas identifica problemas causados devido

à elevada resistência causada por superfícies com contacto deficiente, a um circuito

sobrecarregado, a um problema de desequilíbrio de cargas e harmónicos. O contacto

deficiente deve-se a ligações soltas, corroídas ou oxidadas e por falhas de componentes. As

sobrecargas podem-se dever a erros de projeto, falhas de montagem e falta de manutenções

preventivas. Um desequilíbrio de cargas mostra uma errada distribuição de carga num sistema

trifásico, sendo que uma das fases transporta mais corrente que as outras. Se existir neutro,

este aparecerá sobrecarregado. A utilização intensiva de cargas não lineares no setor de

serviços e em muitas indústrias e uma intensa transformação tecnológica está na base dos

problemas dos harmónicos. Os harmónicos geram sobreaquecimento nos condutores, podendo

afetar as três fases (efeito pelicular) ou só o neutro (harmónico homopolar). Um caso

particular é a deteção de circuitos abertos, onde a imagem termográfica mostra os

componentes frios [20,48,49].

Aplicação em Instalações Elétricas 67

Os equipamentos normalmente inspecionados são motores, geradores, transformadores,

disjuntores, interruptores, fusíveis, cabos elétricos, quadros elétricos e todos os dispositivos

de passagem de corrente em carga. A inspeção termográfica tem de ser feita com a

instalação elétrica em carga, sendo necessária uma visão desimpedida do ponto de medição.

As portas dos armários e painéis têm de ser abertos ou removidos, incluindo os acrílicos [48].

3.6.1 - Ligações soltas ou deterioradas

Sempre que existe um contacto defeituoso numa ligação elétrica, cria-se uma resistência

de contacto. Esta condição leva à geração por “efeito de joule” de uma energia térmica

proporcional à resistência de contacto e ao tempo durante o qual passa a corrente, elevando

a temperatura no ponto de defeito. O aumento da temperatura pode alterar a superfície dos

contactos, aumentando a sua resistência de contacto e agravando o “efeito de joule”. A

corrosão e deterioração de ligações elétricas podem ser causadas por causas ambientais,

enquanto a vibração, a fadiga e a idade fazem com que as ligações estejam soltas.

A termografia é muito útil para a deteção de ligações soltas ou deterioradas, mostrando

pontos quentes em elementos de aperto, como por exemplo, parafusos. Os pontos quentes

são causados por elevada resistência de contacto e estão localizados nas ligações. A deteção

e a correção deste tipo de falhas são essenciais de modo a evitar incêndios e interrupções que

podem ser críticas em operações de fabrico e comerciais. As ligações devem ser

desmontadas, limpas, reparadas e montadas novamente e em seguida alvo de uma nova

inspeção termográfica. Se a anomalia persistir sugere-se o uso de um multímetro para

investigar a causa da anomalia [20,48].

As condições dos equipamentos que geram riscos à segurança devem ser as prioridades

mais altas de reparação. As diretrizes da NETA afirmam que, quando a diferença de

temperatura entre componentes similares sob carga semelhante é superior a 15℃, devem

ocorrer reparações imediatamente [20].

Figura 3.33 - Imagens termográficas de ligações soltas [48,49].


3.6.2 - Circuitos em Sobrecarga

Se a corrente 𝐼𝐵 ultrapassar o valor máximo 𝐼𝑍 permitido nos condutores, diz-se que

existe sobreintensidade. Uma sobrecarga é uma sobreintensidade em que a corrente de

serviço no circuito é superior ou ligeiramente superior à intensidade máxima permitida nos

condutores 𝐼𝐵 > 𝐼𝑍.

O excesso de corrente origina que os condutores funcionem mais quentes, aquecendo ao

longo de todo o seu comprimento. O aquecimento dos condutores poderá ser igual em todas

as fases e deve ser confirmado com um amperímetro. Através de imagens termográficas é

possível detetar e localizar sobrecargas sem necessidade de contacto [48].

Erros de projeto, como por exemplo, demasiados aparelhos ligados simultaneamente num

mesmo circuito, falhas de montagem e falta de manutenções preventivas são as causas

principais da ocorrência de sobreintensidades. As medidas de proteção contra

sobreintensidades residem numa execução e exploração mais criteriosas das instalações e na

instalação de instrumentos (disjuntores magnetotérmicos e corta circuitos fusíveis) que

interrompem automática e seletivamente os circuitos em caso de anomalia. Outros tipos de

sobreintensidades, como o curto-circuito e defeito de isolamento, também podem provocar

um sobreaquecimento.

Figura 3.34 - Imagem termográfica de circuito em sobrecarga.


3.6.3 - Circuitos com desequilibrio de cargas

Os desequilíbrios de corrente ocorrem quando as intensidades de corrente que circulam

pelas três fases de um sistema trifásico não são iguais, devido à má distribuição das cargas da

instalação. O desequilíbrio provoca uma corrente no condutor neutro, levando a um aumento

de temperatura geral nos componentes da instalação. O desequilíbrio de cargas deve ser

previsto na fase de projeto das instalações elétricas, de modo a evitar problemas graves, quer

em equipamentos, quer para a segurança das pessoas.

O desequilíbrio pode ser provocado por diferentes causas: problemas na qualidade de

energia, subtensões devido a excesso de carga ligada, um defeito de isolamento em cablagem

ou um mau dimensionamento de cargas na instalação elétrica [20].

Figura 3.35 - Imagem termográfica de circuito com desequilíbrio de carga.

Na Figura 3.35 podem-se observar diferentes temperaturas nas diferentes fases,

indiciando um problema de desequilíbrio de cargas. Uma linha de perfil é útil para ajudar na

avaliação da inspeção termográfica ao circuito elétrico.

Figura 3.36 - Linha de perfil da imagem termográfica da Figura 2.58.


3.6.4 - Harmónicos

A qualidade de energia, além de ter em atenção os aspetos relativos a serviços

(fornecimento sem interrupções) e de qualidade da onda de sinal, também tem que ter em

conta a qualidade comercial. A utilização intensiva de cargas não lineares no setor de serviços

e em muitas indústrias e uma intensa transformação tecnológica está na base dos problemas

na qualidade de energia, através da deformação das formas de onda resultante da presença

de harmónicos [50].

Uma harmónica de tensão ou corrente não é mais que um sinal sinusoidal, cuja frequência

é múltipla inteira da frequência fundamental do sinal principal. Os sinais harmónicos são

classificados quanto à sua ordem, frequência e sequência. Existem harmónicas de ordem

impar e harmónicas de ordem par. As harmónicas de ordem impar são frequentes nas

instalações elétricas em geral e as de ordem par existem nos casos de haver assimetrias do

sinal devido à presença da componente contínua. As harmónicas têm uma sequência podendo

esta ser positiva, negativa ou nula (zero). As harmónicas de sequência positiva e negativa

provocam sobreaquecimentos, enquanto as harmónicas de sequência nula (harmónicas

homopolares) são as que mais preocupam os responsáveis por instalações e redes elétricas

[51].

Os efeitos da poluição harmónica revelam-se quer ao nível das redes de distribuição de

energia quer ao nível do funcionamento dos equipamentos dispersos pelo sistema. Assim os

problemas que podem ocorrer são, entre outros, os seguintes [50,51]:

• A presença de harmónicas de terceira ordem e suas múltiplas (Sequência nula)

conduz a uma corrente no condutor de neutro muito superior á esperada,

podendo por vezes ser superior á das fases (IN=IR+IS+IT). Uma corrente muito

superior leva ao aumento da temperatura no condutor de neutro e consequente

sobreaquecimento;

• À medida que a frequência do sinal de corrente aumenta, devido às harmónicas, a

corrente tende a circular pela periferia do condutor, o que significa um aumento

da sua resistência elétrica e, consequentemente, um aumento das perdas por

efeito Joule (efeito pelicular);

• Os harmónicos de corrente provocam perdas óhmicas suplementares nos

enrolamentos principais e nos enrolamentos amortecedores dos alternadores. Por

outro lado a interação entre correntes harmónicas e o campo magnético

fundamental pode originar binários oscilatórios que provocam vibrações no veio

dos alternadores e consequentemente o aumento da fadiga mecânica das

máquinas;


• Nos transformadores, os harmónicos de corrente provocam o aumento das perdas

nos enrolamentos e os harmónicos de tensão criam correntes de Foucault e perdas

por histerése suplementares nos circuitos magnéticos;

• Nos motores assíncronos ocorrem aumentos nas perdas por efeito de Joule, com o

consequente sobreaquecimento dos enrolamentos estatóricos, e por efeito

pelicular uma distribuição assimétrica da corrente induzida nas barras rotóricas, o

que por sua vez provoca vibrações com torção do veio da máquina;

• O corte das correntes com elevada taxa de distorção harmónica provoca

dificuldades acrescidas ao funcionamento dos disjuntores. As componentes de alta

frequência têm uma variação mais rápida na passagem por zero da corrente o que

dificulta o corte da corrente.

Um analisador de qualidade de energia é a ferramenta mais indicada para a deteção de

harmónicos mas não consegue detetar os efeitos provocados pelos harmónicos nos elementos

de uma instalação elétrica. A termografia é um excelente complemento para uma

manutenção preditiva mais eficaz.

Figura 3.37 - Imagem termográfica de efeitos de harmónicos [49].

3.6.5 - Equipamentos defeituosos

A manutenção preditiva é o acompanhamento periódico de equipamentos, baseado na

análise de dados recolhidos através de monitorização ou inspeções no local. Uma manutenção

preditiva é uma poderosa ferramenta para garantir um funcionamento contínuo de uma

instalação elétrica. Uma das técnicas de análise não destrutivas da manutenção preditiva é a

termografia que é capaz de detetar, visualizar e gravar diferentes níveis de distribuição de

temperatura através da superfície de um equipamento elétrico.


A monitorização da temperatura de equipamentos elétricos é útil para indicar a existência

ou evolução de problemas internos dos mesmos. O aquecimento de um equipamento elétrico

depende da sua capacidade térmica. O controlo da temperatura de operação é muito

importante, porque o funcionamento a um nível de temperatura acima do nível máximo de

temperatura permitido pela sua classe de isolamento. Por exemplo, um incremento de 10℃

sobre a temperatura máxima especificada para um motor reduz a sua esperança de vida em

50% [20,49].

Na origem de problemas podem estar erros de projeto, aplicações indevidas e operações

indevidas. As causas desses problemas podem ser sobrecargas, lubrificação, humidade,

sujidade e envelhecimento.

Figura 3.38 - Imagens termográficas de equipamentos defeituosos.

3.6.6 - Transformadores

Uma das máquinas electricas mais utilizadas em instalações elétricas é o transformador,

dado que permite ajustar tensões e correntes às necessidades existentes. A utilização do

transformador em baixa tensão é feita em diversas aplicações, desde a alimentação de

circuitos de comando, alimentação de cargas lineares e de instalações com presença

acentuada de cargas não lineares, sendo próprios para instalações elétricas em plantas

comerciais e industriais [52].


Em baixa tensão são usados transformadores secos. Nos postos de transformação cuja

função é reduzir a média tensão para baixa tensão, os transformadores podem ser

transformadores secos ou transformadores imersos em óleo. Os transformadores secos e os

transformadores imersos em óleo são fabricados para operarem a temperaturas mais altas do

que a temperatura ambiente.

Para os transformadores imersos em óleo, a temperatura máxima de operação é de 65℃

no ponto mais quente dos enrolamentos, sendo que as partes metálicas não devem atingir

temperaturas superiores à máxima especificada para o ponto mais quente do isolamento [53].

Os defeitos internos em transformadores imersos em óleo podem detetar-se como um

sobreaquecimento superficial [49].

Para os transformadores secos, os limites de elevação de temperatura dependem da

classe de isolamento dos materiais isolantes empregados nos transformadores. Os materiais

isolantes empregados nos transformadores secos devem ser das classes F (155℃) ou H

(180℃). Em condições normais de funcionamento, um transformador secos, deve funcionar a

uma temperatura ambiente não superior a 40℃ e com temperatura média, em qualquer

período de 24 horas, não superior a 30℃ [54].

Uma inspeção termográfica consegue facilmente identificar sobreaquecimentos no

transformador, nos terminais de alta tensão, média tensão e baixa tensão, nos pontos de

conexão, nos painéis de comutação, nos tubos de refrigeração, nos ventiladores e bombas de

refrigeração. A origem do sobreaquecimento pode ser de ligações soltas ou deterioradas,

sobrecargas, circulação de ar de refrigeração insuficiente e temperatura do ar de refrigeração

acima da temperatura prevista [20,49,53,54].

Nos terminais e nos pontos de conexão, o sobreaquecimento indica pontos de alta

resistência, devendo ser limpos e apertados novamente. Além disso deve-se comparar as

temperaturas das diferentes fases, procurando-se sobrecargas e desequilíbrios de cargas

[20,54]. Nos tubos de refrigeração dos transformadores imersos em óleo aparecem

normalmente quentes. Se um tubo aparecer mais frio recomenda-se uma limpeza dos canais

de ar de refrigeração e verificação de ductos e aberturas para a circulação de ar de

refrigeração, quanto ao dimensionamento e a obstruções [20,53]. Se for detetado um

sobreaquecimento do transformador deve-se aumentar a circulação de ar da refrigeração

[54].


Figura 3.39 - Imagens termográficas de transformadores [49].

3.6.7 - Quadros Elétricos

Na estrutura de uma instalação elétrica industrial são contemplados diferentes painéis

elétricos, cada um com uma função específica. A partir do Quadro Geral de Baixa Tensão do

Posto de Transformação (QGBT) existem quadros de distribuição (QD), quadros parciais (QP) e

quadros de máquinas (QM).

Os quadros elétricos contêm equipamentos para proteção, seccionamento e manobra de

energia elétrica. A complexidade e o projeto do sistema de distribuição estão diretamente

relacionados com as necessidades inerentes a cada aplicação ou instalação, industrial ou

comercial. Nos quadros de distribuição é comum encontrar diversas funções montadas na

mesma estrutura, mas também podemos encontrar colunas com funções específicas como:

entrada, interligação e saída. Estas funções em colunas poderão ser montadas num único

quadro ou em quadros separados fisicamente, porém interligados eletricamente [55].

Nos quadros de máquinas, existem os quadros de comando de motores (QCM), que contêm

equipamentos para proteção, seccionamento e manobra de cargas. Apesar de

aproximadamente 85% das cargas industriais serem motores (motivo do nome QCM), o termo

cargas é mais abrangente, podendo significar qualquer equipamento que consuma energia

elétrica. Cada unidade tem um interruptor geral externo, um ramal, proteção contra

sobreintensidade do motor, um acionador magnético de arranque do motor, barramentos,

controladores, contactores, relés, fusíveis, disjuntores, alimentadores, transformadores, etc.

[20,55].

Uma inspeção termográfica incide em todos os problemas já descritos no ponto 2.6.7,

sempre que possível com as portas e proteções removidas de modo a existir uma visão

desimpedida. O aquecimento excessivo dos equipamentos existentes nos quadros elétricos

pode levar à ocorrência de um arco elétrico, que, por sua vez, pode originar um incêndio do

quadro elétrico.


Um arco elétrico é um curto-circuito através do ar, devido à passagem de corrente

elétrica através do ar entre condutores expostos entre si ou à terra. O arco elétrico pode

ocorrer por danificação do isolamento dos condutores elétricos, isolamentos que não

suportam a tensão aplicada, desapertos, acumulação de poeiras condutoras, corrosão e

contacto acidental com equipamento elétrico. No arco elétrico, uma enorme quantidade de

concentração de energia radiada explode para fora do equipamento, criando faíscas

brilhantes, ruído elevado e temperaturas que podem ser superiores a 2760℃ [56,57].

Com o aumento do nível de consciência em relação à segurança elétrica e redução do

nível de riscos, a instalação de janelas de infravermelho oferecem às empresas um lugar mais

seguro e mais eficiente para realizar uma inspeção termográfica, mantendo fechados e

guardados os condutores e peças do circuito, preservando um estado de equilíbrio dentro do

quadro elétrico. Um quadro elétrico fechado durante o processo de inspeção irá eliminar o

aumento do nível de risco associado com inspeções de painel aberto. Janelas de IR ajudam as

empresas a cumprir as normas e diminuem o tempo de inspeção, aumentam a segurança dos

inspetores, das plantas industriais e dos processos de fabrico. Em última análise, ajuda as

empresas a economizar tempo e dinheiro [57].

A janela de infravermelho é utilizada para ambientes separados de diferentes pressões e

temperaturas, permitindo que a energia de um determinado comprimento de onda

eletromagnética passe entre os dois ambientes. Janela de infravermelho é um termo genérico

usado para descrever um ponto de inspeção que é projetado para permitir que a radiação

infravermelha seja transmitida para o ambiente externo. Todas as janelas de infravermelho

devem cumprir a resistência, rigidez e exigências ambientais do tipo de equipamento em que

está instalado. Também deve ser compatível com a câmara infravermelha utilizada. Algumas

janelas de infravermelho são simplesmente uma caixa com um centro aberto e uma tampa

que protege a abertura. Normalmente, a janela de infravermelho irá conter uma grelha ou

uma ótica. O design, tamanho e material utilizado são motivados por especificações da

câmara termográfica como o campo de visão, a compatibilidade da lente da câmara,

considerações ambientais, requisitos de vedação e segurança [58].

Figura 2.63 – Imagens termográficas através de janelas de infravermelhos [58].


3.7 - Aplicação em Energias Renováveis

A forte penetração das energias renováveis nas últimas décadas levou a um aumento da

energia elétrica produzida a partir de fontes de energias renováveis. Equipamentos, como por

exemplo, painéis solares e turbinas eólicas, sofreram um desenvolvimento tecnológico ao

longo dos anos, sendo muito importante uma manutenção cuidada para que a eficiência

destes equipamentos não diminua.

A termografia, passiva ou ativa, é uma técnica poderosa para a deteção de diferentes

defeitos. No campo das energias renováveis, há inúmeras aplicações, muitas de grande

simplicidade, que permitem a deteção de elementos com defeitos. Quer seja no fabrico, na

instalação ou na manutenção, há vantagens claras em utilizar esta técnica [59].

3.7.1 - Aproveitamentos de Energia Eólica

As pás das turbinas são dos elementos mais importantes presentes nos parques eólicos.

São estruturas que suportam forças aerodinâmicas, gravitacionais e centrífuga, tendo que

sustentar cargas de vento forte e condições ambientais severas. Devido a estas situações de

stress, diferentes tipos de defeitos podem aparecer, como por exemplo, delaminações e

fendas. A maioria das pás é constituída por duas placas de fibra de vidro reforçadas com

meias conchas de plástico, sendo posteriormente coladas as duas faces da pá. Para reforçar a

rigidez da pá são introduzidos diferentes tipos de vigas. Durante o processo de colagem das

duas metades da pá, podem ocorrer defeitos na peça final, comprometendo a sua estrutura

[59,60].

Uma inspeção periódica, através da termografia, previne este tipo de situações. Existem

dois tipos de técnicas que podem ser utilizadas: termografia passiva e termografia ativa. A

termografia passiva mede a distribuição de temperatura superficial de um objeto. A

termografia ativa utiliza sistemas de excitação adicionais para causar transferência de

energia nos materiais [59].

A inspeção termográfica durante o processo de produção das pás pode fornecer

informações sobre possíveis defeitos internos. Depois da colagem das duas faces da pá é

necessário realizar um acabamento superficial da pá. A penetração de ar durante a injeção a

vácuo da cola cria zonas de má ligação entre o material laminado, podendo ser detetados

com uma câmara termográfica. Na Figura 3.40 vê-se dois exemplos de uma inspeção

termográfica. A imagem termográfica de cima é do interior da pá e mostra a distribuição de

temperatura pouco tempo depois da colagem das duas metades. A imagem termográfica de

baixo mostra os defeitos ocorridos durante a colagem das duas metades, vistos na parte

exterior da pá no seu flanco ou borda. Os pontos de defeito estão identificados com as setas

vermelhas na imagem termográfica [60].

Aplicação em Energias Renováveis 77

Figura 3.40 - Imagens termográficas de uma pá [60].

Vento forte e mudanças de pressão de ar têm um grande impacto sobre o material

laminado das pás. A influência contínua de cargas cíclicas afeta o material, aparecendo

fendas degradando a pá. A constante mudança das cargas irá produzir diferenças de

temperatura nas pás durante a rotação, indicando tensões em diferentes áreas da lâmina.

Para além da distribuição de tensões, pequenas fissuras e laminados secos produzem calor por

atrito devido à excitação cíclica. A Figura 3.41 mostra imagens termográficas dos impactos

sofridos pelas pás. Na imagem da esquerda, o efeito das cargas mecânicas na pá vê-se nas

áreas mais claras (mais quentes) que provocam a degradação do material. Na imagem da

direita identificam-se as delaminações (setas vermelhas) derivadas do calor produzido pelo

atrito das fendas [60].

Figura 3.41 - Imagens termográficas de impactos sofridos por uma pá [60].


As condições ambientais severas podem causar defeitos tanto na superfície da pá como na

própria pá. A diferença de temperatura que pode existir entre as duas metades de uma pá

pode levar a um desgaste mais rápido da mesma [60].

Devido à elevada dificuldade para o transporte e montagem das pás, a fase de teste das

pás é extremamente importante. A termografia ativa é um método de inspeção muito útil na

fase de testes, de forma a descobrir os defeitos do processo de fabrico. Quer seja integrado

num sistema de inspeção móvel, quer seja num laboratório com recurso a radiadores

infravermelhos, podem-se encontrar bolhas de ar, delaminações, fendas e fazer-se uma

avaliação da degradação do material, de modo a garantir a máxima qualidade da pá. As

diferentes distribuições de temperatura em diversas partes da pá, no aquecimento controlado

ou no arrefecimento, indicam danos. Na Figura 3.42, as áreas brancas mostram delaminações

e as áreas mais escuras mostram as vigas usadas no reforço da rigidez da pá. Os custos

implicados na substituição de uma pá e consequente paragem de funcionamento de uma

turbina eólica, principalmente em parques offshore, podem ser muito prejudiciais para

qualquer empresa, levando a prejuízos avultados [60].

Figura 3.42 - Imagem termográfica de termografia ativa [60].

Uma turbina eólica incorpora muitos outros componentes, elétricos e mecânicos,

suscetíveis a desgaste e avarias que podem causar tempos de inatividade com elevados custos

e acidentes perigosos. Falhas no travão de disco ou na caixa de velocidades incorporadas na

turbina eólica, permite que as pás rodem com uma velocidade acima do normal e por

consequência um aumento de cargas nas pás. O desgaste do gerador, dos rolamentos, dos

veios do rotor e do gerador, das engrenagens devem ser monitorizados de forma a evitar

falhas mecânicas não desejadas. Todos os componentes elétricos como retificadores,

controladores, sensores, mecanismos de orientação, transformadores, cabos elétricos devem

ser incluídos na manutenção periódica de forma a prevenir sobreaquecimentos causadores de

incêndios. A Figura 3.43 é de uma imagem termográfica do interior de uma cabina a 50 m de

altura [61].


Figura 3.43 - Imagem termográfica do interior da cabina de uma turbina eólica [61].

3.7.2 - Sistemas Fotovoltaicos

Um sistema fotovoltaico faz a transformação direta da luz em energia elétrica,

recorrendo a células solares. Painéis fotovoltaicos constituídos por células de silício

monocristalino têm uma eficiência de 15 − 18% [62,63].

Para se poder comparar diferentes células ou mesmo diferentes módulos fotovoltaicos,

encontram-se especificadas condições uniformes de teste, sob as quais os dados elétricos da

curva característica da célula solar são identificados. Estas “Condições de Teste Standard”

(CTS) estão em consonância com as normas IEC 60904 / DIN EN 60904 [62]:

1. Irradiância 𝐸 de 1000 𝑊/𝑚2;

2. Temperatura 𝑇𝑐 na célula de 25℃, com uma tolerância de ±2℃;

3. Espetro de luz definido (distribuição do espetro da irradiância solar de referência

de acordo com a norma IEC 60904-3) com uma massa de ar AM = 1,5.

A curva característica de uma célula solar é caracterizada pelos seguintes pontos [62,64]:

1. MPP (Ponto de Potência Máxima) é o ponto da curva característica onde a célula

solar funciona à máxima potência. Para este ponto estão especificadas a potência

𝑃𝑀𝑃𝑃, a corrente 𝐼𝑀𝑃𝑃 e a tensão 𝑈𝑀𝑃𝑃;

2. A corrente do curto-circuito 𝐼𝐶𝐶 é aproximadamente 5 𝑎 15% maior do que a

corrente 𝐼𝑀𝑃𝑃. Com células standard cristalinas (10cm x 10cm) sob condições de

referência CTS, a corrente de curto-circuito é cerca de 3 𝐴;

3. A tensão em circuito aberto 𝑈𝑂𝐶 regista, com células cristalinas,

aproximadamente 0,5 𝑎 0,6 𝑉 e para células amorfas, aproximadamente

0,6 𝑎 0,9 𝑉.


Figura 3.44 - Curva característica de uma célula solar [64].

Um dos indicadores de qualidade de uma célula solar é o fator de forma 𝐹𝐹. É definido

como o quociente entre a potência 𝑃𝑀𝑃𝑃 e a potência máxima teórica que surge como o

produto da corrente do curto-circuito 𝐼𝐶𝐶 e da tensão em circuito aberto 𝑈𝑂𝐶. Para as células

cristalinas solares, o fator de forma tem um valor que se situa entre 0,75 𝑎 0,85 [62,64].

A eficiência 𝜂 ou rendimento das células solares é o resultado do rácio entre a potência

entregue pela célula solar 𝑃𝑀𝑃𝑃 e a potência da radiação solar. A potência da radiação solar é

o produto da irradiância 𝐸 e da área da superfície 𝐴 da célula solar [62].

O fator de forma e a eficiência das células solares cristalinas decrescem com o aumento

da temperatura. Por este motivo, as células solares cristalinas atingem a sua maior eficiência

a baixas temperaturas. No caso do silício cristalino, o coeficiente de variação da eficiência

em função da temperatura toma o valor aproximado de 0,45 %/℃ [62].

Um aumento da temperatura da célula solar provoca uma diminuição da tensão da célula,

o que implica um ligeiro aumento da corrente da célula. Sendo mais significativa a diminuição

da tensão que o aumento da corrente, resulta numa diminuição da potência. Quando diminui

a potência retirada de uma célula aumenta ainda mais a sua temperatura, amplificando o seu

efeito [64].

Os coeficientes térmicos da corrente e da tensão podem ser determinados. A tensão em

circuito aberto 𝑈𝑂𝐶 diminui com o aumento da temperatura, segundo o coeficiente 𝛽 (𝑉/℃).

A corrente do curto-circuito 𝐼𝐶𝐶 aumenta com a temperatura, segundo o coeficiente 𝛼 (𝐴/℃).

As unidades dos coeficientes térmicos também podem aparecer em %/℃. Tipicamente 𝛽 tem

uma ordem de grandeza 10 vezes superior a 𝛼 [64].


Figura 3.45 - Efeito da temperatura na curva característica de uma célula solar [65].

Os painéis fotovoltaicos têm uma folha de caraterísticas onde vêm descritas todas as suas

caraterísticas elétricas e mecânicas, tal como os dados recolhidos em ensaios. Um desses

dados será a gama de temperaturas em que a célula opera e que está compreendida entre os

−40℃ 𝑒 + 85℃ [62].

Os benefícios ambientais da produção de energia a partir de fontes de energia renováveis

são inegáveis, no entanto o custo de produção de energia fotovoltaica ainda é elevado em

comparação ao custo de produção de energia a partir de fontes não renováveis. Projetos de

investigação e desenvolvimento destinam-se ao aumento da eficiência da tecnologia das

células solares e à redução dos custos de produção, através da eliminação de defeitos [66].

As células solares sofrem de uma variedade de defeitos que limitam a eficiência de

conversão. A frequência e gravidade destes problemas dependem da tecnologia utilizada no

fabrico das células solares e sua posterior montagem em painéis fotovoltaicos. As inspeções

devem ser contínuas ao longo do ciclo de vida do painel [67].

A termografia, passiva e ativa, é uma excelente técnica não destrutiva que permite o

mapeamento e deteção de defeitos em células solares desde a investigação e

desenvolvimento, no fabrico, na instalação e manutenção dos diversos sistemas fotovoltaicos,

térmicos e termodinâmicos. A termografia ativa permite detetar derivações com modulação

ótica ou elétrica, fazer análise de emissões, detetar fissuras e avaliar o CDI (Carrier Density

Imaging). Ao estimular-se uma célula solar com luz pulsada, calor ou sinais elétricos, permite

que o sistema detete as respostas térmicas da célula [53,68].

A Eletroluminescência (EL) é um fenómeno ótico e elétrico durante o qual um material

emite luz em resposta a uma corrente elétrica que o atravessa. A célula solar ao ser

estimulada por EL emite luz no infravermelho próximo (0,75-3 µm) permitindo uma inspeção

capaz de examinar a uniformidade da célula solar em relação á sua capacidade de converter

os fotões em eletrões. A inspeção deve ser feita com uma câmara de onda curta [67].


Figura 3.46 - Esquema de termografia ativa [67].

A termografia ativa também é muito útil para a descoberta de derivações na célula solar

na fase de teste. Muitas vezes há pontos quentes na fronteira da célula solar devido a um

condicionamento insuficiente das bordas de silício durante a abertura do díodo de proteção. A

qualidade do material também pode ser responsável por pontos quentes, principalmente em

células de silício policristalinas onde as recombinações dos portadores podem ocorrer nos

contornos do grão. Outra origem de pontos quentes pode ser as conexões dos fios de cobre

que ligam os contactos das células solares e a caixa de junção. Uma soldadura defeituosa leva

ao aparecimento de resistência elevada nos contactos, elevando a temperatura da célula

[68]. Na Figura 3.47, podemos observar pontos negros que representam pontos quentes

resultantes de derivações.

Figura 3.47 - Imagens termográficas de derivações em células solares defeituosas [66].

Na área de investigação existe muito interesse na caracterização do comportamento dos

portadores de carga nas células solares. Uma das técnicas é o CDI, ou seja, imagens de

densidade de carga usadas para avaliar a saturação da célula. O processo de metalização

pode influenciar o tempo de vida dos portadores de carga, sendo importante monitorizar este

processo. Com a ajuda de termografia ativa consegue-se fazer rapidamente um mapeamento

da densidade de saturação de um painel fotovoltaico [66].


Para inspeçõs em painéis fotovoltaicos já em funcionamento a termografia passiva é

muito útil como ferramenta de controlo de qualidade devido à rapidez com que é executada

em comparação a outros testes. Uma inspeção termográfica deve ser feita com o maior nível

de irradiância possível, uma vez que a temperatura de uma célula solar defeituosa aumenta

com a carga solar. Uma célula solar defeituosa, em vez de produzir energia, consome energia

das células vizinhas, aumentando a sua temperatura. As inspeções devem-se realizar de

ambos os lados, anterior e posterior. Visto que o painel fotovoltaico tem uma garantia ligada

à temperatura de funcionamento das células, é necessário identificar sobreaquecimentos e

defeitos iniciais o mais cedo possível, para poder determinar garantias futuras [65].

Figura 3.48 - Imagem termográfica de um painel fotovoltaico [65].

Na Figura 3.48, podemos ver uma imagem termográfica de um painel fotovoltaico. Na

imagem da esquerda vê-se um painel fotovoltaico sem defeitos aparentes. Com a inspeção

termográfica detetou-se uma célula solar defeituosa que compromete o rendimento do painel

fotovoltaico. Uma célula solar com uma temperatura elevada embora inferior a 85℃, é

classificada como uma célula solar sobreaquecida quando comparada com as restantes células

do painel fotovoltaico.

Figura 3.49 - Imagem termográfica de painéis com zonas sobreaquecidas [65].


3.8 - Outras aplicações na Indústria

Os processos de engenharia e os processos fabris estão sob constante pressão para tornar

os sistemas e os processos de produção mais eficientes e com menos custos. A termografia

pode ser utilizada numa série de aplicações industriais, para além das já descritas, incluindo

a monitorização e controlo de processos, garantia de qualidade, gestão de ativos e

monitorização das condições da maquinaria. Com o uso da termografia, a indústria valida e

aumenta a qualidade dos seus produtos, ganhando evidentes vantagens competitivas e um

aumento de rentabilidade [37].

3.8.1 - Controlo do Processo de Fabrico

Um programa de manutenção é fundamental para o funcionamento dos equipamentos com

o máximo rendimento, detetando-se as falhas nos diversos componentes da linha de

montagem antes que se tornem demasiado graves e obriguem a uma interrupção da produção

[13].

Em processos de fabrico, a temperatura é uma das variáveis mais significativas para a

uniformidade em todos os setores de processos. A uniformidade é verificada na monitorização

de sensores de montagem fixa, nos componentes do sistema de fornecimento em

sobreaquecimento, no acompanhamento das condições dos produtos e na inspeção dos

equipamentos críticos [20].

O aparecimento de alimentos pré-cozinhados gerou uma grande revolução na indústria

alimentar. Com o aumento da conveniência deste tipo de alimentos, o processo de fabrico

tem que ser cada vez mais preciso de forma a cumprir os limites impostos de segurança,

qualidade do produto e economia. A segurança exige que todas as partes de um produto de

alimentos sejam mantidos acima de uma temperatura limite por um período específico para a

eliminação de bactérias perigosas. No entanto, se a temperatura for muito elevada ou o

período for excessivo, o produto apresenta uma qualidade inaceitável. Para que exista

economia na produção, a linha tem que se mover rapidamente para atingir os volumes

desejados e para que o forno opere a uma temperatura mínima de modo a reduzir as despesas

de combustível. As economias diárias de produção são moderadas pela constatação de que

uma única violação de segurança pode ter consequências, económicas e morais, desastrosas

para toda a empresa. Da mesma maneira, uma quebra na qualidade do produto pode desfazer

anos de conquistas num mercado competitivo. As imagens termográficas representam um

recurso para atingir a alta qualidade de um produto, segura e economicamente, através da

monitorização constante das temperaturas do próprio produto.

Outras aplicações na Indústria 85

As temperaturas do produto podem variar significativamente de acordo com parâmetros,

como a temperatura do forno, a velocidade da correia, o volume do produto, a composição do

produto e a separação e instalação do produto [20,38].

Figura 3.50 - Imagens termográficas na indústria alimentar [39].

A natureza do processo de fabrico do vidro é termica, pelo que a qualidade do vidro

fabricado depende de leituras de temperatura precisas de vários elementos, como o molde de

vidro, a "gota", a correia transportadora de aço e o forno, resultando num produto com mais

qualidade e na minimização dos custos com a prevenção de falhas. O vidro é transportado do

forno para o molde num corredor. No final do corredor, uma ventosa força o vidro para fora

em esferas chamadas "gotas" para calhas que levam até à máquina de molde. É extremamente

importante monitorizar a temperatura das "gotas", porque controla o peso do vidro, a sua

viscosidade e a formação do recipiente no molde. Os recipientes de vidro são transportados

numa correia transportadora de aço da máquina de molde para a arca de recozimento em

forma de túnel. Para evitar que a correia arrefeça as partes inferiores dos recipientes de

modo irregular, causando assim a rutura, a correia é aquecida com chamas de gás antes de

atingir as máquinas de engarrafamento. É crítico para os fabricantes medir a temperatura da

correia em intervalos regulares de modo a evitar a rutura e garantir um retorno bastante

elevado para manter a rentabilidade numa indústria competitiva. A monitorização da

temperatura do molde é importante porque pode afetar a qualidade do recipiente. Se o

molde não estiver a refrigerar de forma adequada, o recipiente não irá reter a sua forma após

sair do molde, ou se o molde estiver demasiado frio, o recipiente não será moldado de forma

adequada.


A fusão económica de matérias-primas em vidro requer supervisão e monitorização

constantes. A maioria dos fornos são acionados por gás natural através das portas laterais e a

temperatura de fusão é de cerca de 1200℃. O vidro fundido sai do forno através dos

alimentadores para as máquinas de formação anexadas a cada forno. A condição e a

segurança da estrutura refratária de todo o forno e refinador são extremamente importantes

[20].

O processo de fabrico de papel é um setor industrial competitivo no qual a redução de

custos operacionais e o aumento de lucros é um desafio constante. É baseado na remoção de

água por meio de drenagem, prensagem mecânica e na aplicação de calor, sendo constituído

por várias etapas diferentes que mostram diferentes imagens termográficas. Na etapa de

secagem, A raia de frio em direção ao extremo do rolo de papel é causada pelo arrefecimento

por evaporação, correspondendo a variações de humidade resultantes de uma secagem

irregular. As alterações feitas no processo de secagem para corrigir esse problema podem ser

imediatamente monitorizadas em todas as etapas da produção. Os chuveiros de alta pressão

são utilizados para manter a secção de prensagem de tecidos limpa. Por vezes, o padrão de

fluxo do chuveiro é transferido para o rolo de papel e estes padrões podem ser identificados

numa imagem termográfica. Esta condição pode causar problemas na secção de secagem, tais

como o enferrujamento de rolos de retorno que leva ao desgaste prematuro do tecido do

secador. Se o papel tiver listras molhadas pode ter um efeito prejudicial na qualidade e no

desempenho do papel num processo de conversão e impressão subsequente. As fugas de vapor

nas bobinas de vapor do sistema de ventilação da secção do secador podem ser identificadas

durante uma inspeção termográfica à máquina de papel. As fugas de vapor podem fazer com

que a máquina de papel passe por falhas frequentes de papel prejudicando a produção [20].

Figura 3.51 - Imagem termográfica na indústria papeleira [40].


A indústria farmacêutica, aproveitando os recentes desenvolvimentos das câmaras

termográficas, está a desenvolver novos medicamentos com a ajuda de imagens

termográficas. Os cientistas usam placas de titulação, constituídas por múltiplas células

usadas como pequenos tubos de ensaio. Nessas células ocorrem reações químicas, onde os

cientistas monitorizam as mudanças de temperatura com recurso a câmaras termográficas

[39].

3.8.2 - Automação

O objetivo da indústria automóvel é desenvolver novos modelos de um modo mais rápido e

mais eficiente ao nível dos custos, de forma a alcançar o sucesso comercial. Os investigadores

procuram soluções para a gestão de calor num automóvel. A termografia permite testar o

desempenho de motores, pneus, travões, sistemas de descongelação do para-brisas, sistemas

de aquecimento de assentos, correias de transmissão e conversores catalíticos [39].

Figura 3.52 - Imagens termográficas de assento e vidros num automóvel [41].

Os assentos de automóveis modernos são feitos de materiais diferentes em relação aos

assentos tradicionais. A base de produção dos assentos é um esqueleto com suportes de aço,

que numa fase posterior de produção é preenchido com plástico espumado.


A configuração destes componentes varia conforme o modelo de carro. Devido ao pouco

contraste entre o material de moldagem brilhante e os suportes de aço, o processamento de

imagens de vídeo tradicionais não serve para inspecionar o processo de moldagem. As

câmaras termográficas conseguem eliminar esse problema, permitindo um controlo

automático de montagem ao verificar a presença de elementos, ao selecionar a posição para

os elementos de suporte e ao inspecionar o produto final. Um elemento preponderante para a

segurança do automóvel são os vidros dianteiro e traseiro. Uma câmara termográfica

consegue detetar defeitos como pontos quentes sobre os fios de aquecimento do vidro

traseiro, detetar defeitos no para-brisas aquecido (ponto quente) e ajuda na otimização da

descongelação do para-brisas [41].

A Audi é reconhecida como um das melhores marcas mundiais no segmento Premium,

devido aos elevados requisitos para peças e componentes assegurando padrões de alta

qualidade na segurança dos veículos e uma condução dinâmica. As câmaras termográficas são

usadas em teste de motores para conhecer os padrões de acumulação e distribuição de calor,

para visualização de ciclos de funcionamento e para a determinação do ponto de falha.

Correias de transmissão, turbocompressores, conversores catalíticos e pneus são

exaustivamente testados antes de estarem disponíveis para a produção final do carro de

forma a evitar campanhas de recolha de carros, prejudiciais em termos económicos e de

imagem para as marcas [42].

Figura 3.53 - Imagens termográficas de pneus e conversores catalíticos [42].

Na indústria aeronáutica a termografia tem um papel muito importante nas questões de

pesquisa e desenvolvimento. É usada para análise de estruturas e do comportamento térmico

de componentes mecânicos e elétricos em fase de protótipo e em fase de produção.

A capacidade de controlar e medir a temperatura de materiais compostos e o

conhecimento das distribuições relativas dos parâmetros permitem um aumento de segurança

em geral. As principais aplicações são a medição da temperatura dos pontos críticos, a análise


do comportamento térmico das pás e caracterização térmica dos reatores, a avaliação da

distribuição térmica da placa eletrónica, a avaliação da integridade das estruturas e testes

dinâmicos de materiais compostos [13].

Num estudo de inspeção dos danos por impacto em laminados de matriz polimérica

reforçados por fibras de carbono mostra que a termografia é um método de ensaio simples,

robusto e confiável para a deteção de danos por impacto mostrando a presença de defeitos

superficiais causando a perturbação do fluxo de calor [43].

Na indústria de transformação e reciclagem de resíduos a termografia é usada como

medida de segurança. Os resíduos são submetidos a processos de compostagem, correndo o

risco de combustão espontânea em materiais altamente inflamáveis como o plástico. Uma

câmara termográfica consegue identificar bolsas de fogo numa primeira fase e em seguir

desencadear alarmes de incêndio quando se atinge uma determinada temperatura [41].

3.8.3 - Eletrónica

O desenvolvimento eletrónico nas últimas décadas tem sido muito expressivo. À medida

que o nosso mundo se torna cada vez mais informatizado, a tendência é para projetar e

fabricar produtos mais pequenos, com melhor desempenho e fáceis de usar. Os cientistas e

engenheiros envolvidos na conceção destes produtos são desafiados a controlar a dissipação

de calor, sem sacrificar desempenho ou custo. Equipamentos como telemóveis, computadores

portáteis, televisões LCD e plasma, leitores de música e DVD são exemplos dos equipamentos

que ganharam com o aumento de qualidade no setor eletrónico. Até recentemente, a

compreensão exata do fluxo de calor era extremamente difícil. Com a termografia, consegue-

se facilmente visualizar e quantificar padrões de calor nos dispositivos criados. A termografia,

além de ser útil na prevenção de incêndios ou no controlo de qualidade, tem um papel

importante na fase de projeto. Com as câmaras termográficas, consegue-se fazer uma análise

térmica e conhecer-se a distribuição de temperatura de placas de circuitos impressos, detetar

e localizar curto-circuitos e realizar o controlo das especificações dos componentes. [39, 44].

Nas placas de circuitos impressos podem-se localizar problemas, tais como, soldagem

imprópria de circuitos, identificação reduzida entre componentes, flutuação de energia de

cabos que foram levantados, componentes em falta ou indevidamente soldados, polaridade

invertida de um componente e substituições erradas de componentes que levam ao

aquecimento do circuito. As placas de circuito desprotegidas, feitas de fibra de vidro e

resina, têm de ser cozidas em fornos de ar quente. Estas placas são constituídas por múltiplas

camadas que têm de ser aquecidas diversas vezes de modo a cozer cada camada. A

temperatura à qual estas camadas são aquecidas é extremamente de modo a não inutilizar a

placa.


Dado que os fabricantes de placas têm margens de lucro reduzidas, tal desperdício pode

afetar drasticamente o lucro. De modo a prevenir a eliminação e a maximizar o lucro, os

fabricantes de placas são aconselhados a usar câmaras termográficas para medir a

temperatura de cozedura das placas e assim controlar eficazmente a temperatura. A fase de

ligação de fios durante a produção do circuito integrado pode ser um ponto de

estrangulamento. Isto deve-se a um elevado número de soldaduras envolvidas e à necessidade

de controlar o aquecimento e arrefecimento. As temperaturas de soldadura às quais os fios

são soldados ao circuito integrado baseiam-se no diâmetro e material do fio. Os fabricantes

de circuitos integrados devem monitorizar o perfil térmico bem como as temperaturas do

processo imediatamente antes e após os fios serem soldados ao circuitos integrados. Isto

permite-lhes aumentar a produtividade ajustando os tempos de soldadura com base em dados

recolhidos na monitorização térmica do processo. Além disso, permite-lhes diminuir a

eliminação do produto final porque poucos circuitos integrados têm falhas de calor e poucas

placas se perdem devido a uma soldadura fraca [20].

Figura 3.54 - Imagens termográficas de placas de circuitos impressos [44].

3.9 - Síntese

Tal como descrito ao longo do capítulo, a termografia pode ser uma ferramenta muito

útil, como por exemplo, detetar problemas elétricos antecipadamente a riscos sérios para a

instalação e para o utilizador. Cada vez mais, importa reduzir custos e obter a maxima

eficiência, sendo necessário ter ferramentas adequadas para as tarefas. Uma boa calibração

de uma câmara termográfica é fundamental, para que o processo de medição da radiação

infravermelh seja fiável.

No capítulo seguinte descreve-se o desenvolvimento de uma metodologia para aplicação

das técnicas termográficas em grandes transformadores de potência.

Capítulo 4

Aplicação da termografia a grandes transformadores de potência

Um dos objetivos definidos no Capítulo 1 foi o desenvolvimento de uma metodologia para

aplicação de técnicas termográficas em grandes transformadores de potência (imersos em

óleo). A investigação experimental tem como objetivo a definição de procedimentos padrões

para o uso das técnicas termográficas, apresentadas no Capítulo 2, para validação de leituras

efetuadas através de uma câmara termográfica. A investigação experimental vai ser

apresentado em quatro partes distintas: caraterização do problema, tipo de problemas a

considerar e metodologia para os tratar, resultados obtidos e, por fim, o modo operatório

proposto.

4.1 - Caraterização do problema

A investigação experimental foi realizada com a colaboração da empresa Efacec, onde se

teve acesso aos transformadores de potência. Um transformador é uma máquina elétrica que,

por indução, promove uma transferência de energia, com alteração das caraterísticas das

grandezas do respetivo sistema elétrico. Um transformador de potência é um equipamento

importante e de alto custo num sistema elétrico de energia, destinado a baixar ou elevar a

tensão e, consequentemente elevar ou reduzir a corrente de um circuito, de modo que não se

altere a potência do mesmo.

A transferência de energia é acompanhada de perdas que dependem normalmente, da

construção do transformador, do seu regime de funcionamento e da sua manutenção.

As atividades de empresas industriais e de serviços fundamentais para as populações,

dependem do bom funcionamento do transformador elétrico.

Um transformador em regime de funcionamento contínuo necessita de um conjunto de

ações de manutenção capazes de detetarem, ou de preverem, processos de desgaste e de

92 Aplicação da termografia a grandes transformadores de potência

envelhecimento no seu sistema de isolamento. Os efeitos de fadiga térmica, química, elétrica

e mecânica, tais como, pontos quentes, sobreaquecimentos, sobretensões e vibração são

responsáveis por alterações do sistema isolante, devendo ser monitorizadas para garantir a

máxima eficiência do equipamento, permitindo intervenções de manutenção preditiva e

preventiva.

A termografia é um método muito útil utilizado, quer na manutenção preditiva, quer na

manutenção preventiva, para localizar e quantificar os pontos quentes e os

sobreaquecimentos. O objetivo principal será a calibração da câmara termográfica

disponibilizada pela empresa Efacec, em todos os aspetos considerados relevantes.

Figura 4.1 - Exemplar de um transformador de potência.

Caraterização do problema 93

4.1.1 - Identificação dos pontos de interesse nos transformadores de potência

Foram definidos pela empresa Efacec os pontos de interesse no transformador para

futuras inspeções com recurso a uma camara termográfica:

• Paredes Laterais do transformador

• Golas do transformador

• Tampa Superior de Baixa Tensão

Os pontos de interesse foram escolhidos por se considerar que serão os locais onde a

informação obtida é mais relevante para caracterizar eventuais pontos quentes. Todas as

superfícies dos pontos de interesse são lisas e pintadas, sendo as cores mais comuns o

cinzento claro, o cinzento escuro, o verde e o creme, conforme a indicação do fabricante.

4.1.2 - Caraterização da câmara termográfica

A camara termográfica disponibilizada pela empresa é a Câmara Termográfica Industrial

Fluke Ti32, com as suas principais caraterísticas a serem enumeradas em seguida:

• Tipo de Detetor: Sistema FPA (Focal Plane Array) de 320 x 240, com microbolómetro

não refrigerado;

• Gama de medição de temperatura: −20 °𝐶 𝑎 + 600 °𝐶;

• Precisão de medição de temperatura: ± 2 °𝐶 𝑜𝑢 2 %;

• Sensibilidade térmica (NETD): ≤ 0,045 °𝐶 (45 𝑚𝐾);

• Total de pixéis: 76800;

• Banda espetral IR: 7,5 𝜇𝑚 𝑎 14 𝜇𝑚 (onda longa);

• Tipo de lente de infravermelho standard:

− Campo de visão 23 ° 𝑥 17 °;

− Resolução espacial (IFOV) 1,25 𝑚𝑅𝑎𝑑;

− Distância mínima de focagem 15 cm.

Na Câmara Termográfica Industrial Fluke Ti32 é permitido ajustar a palete de cores, a

mistura e o nível de imagens visuais com infravermelhos (modo IR-Fusion), a emissividade, a

compensação da temperatura de fundo refletida e a correção de transmissão de uma imagem

capturada antes de a armazenar.


4.1.3 - Parametrização revelante e dificuldades intrínsecas

Tal como descrito no Capítulo 2, na subsecção 2.4.1, existem fatores de influência na

medição da radiação infravermelha.

A parametrização da emissividade, a avaliação da reflexão, a influência atmosférica e os

fatores climáticos são fatores a ter em conta antes da realização de um ensaio termográfico.

Tendo em conta que são superfícies lisas em objetos de grande dimensão, considerou-se

que a reflexão será constante.

Os ensaios foram realizados em ambiente laboratorial, ou seja, não existe influência

atmosférica nos ensaios realizados, uma vez que não existe humidade, não há radiação solar a

incidir no objeto e verifica-se a ausência de vento. Em relação à transmissão atmosférica, foi

considerada 100%, tendo em conta a banda espetral de infravermelhos em que a câmara

termográfica funciona.

Em relação à emissividade, foi necessário considerar a distância ao objeto, o ângulo de

observação, as condições e forma da superfície e a temperatura do objeto.

Sempre que existiu disponibilidade do laboratório da empresa Efacec, todos os ensaios

foram realizados sem que o transformador de potência estivesse em ação, ou seja, todas as

superfícies estavam a frio. Para testar a variação da emissividade com a variação da

temperatura do transformador só foi possível realizar um único ensaio com o transformador a

funcionar, durante um ensaio de aquecimento do mesmo.

4.2 - Tipos de problemas a considerar e metodologias para os tratar

Tendo em conta que o transformador de potência é ensaiado em ambiente laboratorial, o

único aspeto considerado relevante para a calibração da câmara termográfica será a

parametrização da emissividade. Todos os aspetos que podem influenciar a emissividade

estão descritos no Capítulo 2, na subsecção 2.4.2.

A variação da emissividade com a condição e forma de uma superfície não é considerada

pois as superfícies do transformador são superfícies planas, lisas e pintadas.

A variação da emissividade com o ângulo de visão, com a distância, com a temperatura do

objeto foi determinada por um método experimental, parecido ao explicado no ponto 2.4.2.4,

que é descrito em seguida. Todas as regras descritas respeitam as normas de segurança da

empresa Efacec.

Tipos de problemas a considerar e metodologias para os tratar 95

Passo 1. Determinar temperatura refletida aparente: usado Método Refletor descrito no

Capítulo 2, no ponto 2.4.2.4.

Passo 2. Determinação da emissividade: Apresentam-se os passos para a determinação da

emissividade.

1. Seleção dos pontos de interesse no transformador de potência;

2. Determinar e definir a temperatura aparente refletida;

3. Colocar um termopar do tipo K no ponto de interesse a medir e realizar a leitura da

temperatura com um instrumento de medição de temperatura de 2 canais TP Tipo K;

4. Considera-se que a temperatura do termopar como Temperatura de Referência;

5. Focar e ajustar a câmara, congelando a imagem;

6. Ajustar o nível e amplitude de brilho e contraste de imagem;

7. Medir a temperatura na superfície da amostra com a câmara termográfica;


da amostra, seja igual ou aproximada, à temperatura indicado pelo termopar;

9. Se a temperatura da câmara for aproximada, considera-se como desvio máximo em

relação à Temperatura de Referência ∆𝑚𝑎𝑥= 1℃;


Passo 3. Determinação da distância/do ângulo

1. Considerar como distância mínima de segurança 2 metros;

2. Medir a distância/o ângulo relativamente ao ponto de interesse;


da amostra seja igual ou aproximada à temperatura indicado pelo termopar;


4.2.1 - Pontos de interesse selecionados

Os diferentes pontos de interesse, selecionados previamente, encontram-se em diferentes

posições e alturas, podendo variar para os diferentes transformadores:

1. Paredes Laterais - O termopar deve ser colocado a uma altura tal, de modo a que a

câmara termográfica forme um ângulo reto relativamente a uma linha, imaginária e

paralela ao chão;


2. Golas do transformador – A sua posição varia para diferentes transformadores,

variando também a sua altura relativamente ao chão. Sempre que possível, o

utilizador deve utilizar um escadote, de modo a que a câmara termográfica forme um

ângulo reto relativamente a uma linha, imaginária e paralela ao chão. Se a altura do

escadote não for suficiente (por exemplo, Figura 4.1), o utilizador deve-se colocar à

máxima altura possível e fazer com a câmara termográfica o menor ângulo agudo

possível relativamente a uma linha, imaginária e paralela ao chão;

3. Tampa Superior de Baixa Tensão – o procedimento é igual ao das golas do

transformador.

4.3 - Resultados Obtidos

Nesta secção vão ser apresentados os resultados obtidos durante o período experimental

para a parametrização da emissividade. Foi testada a variação da emissividade em relação à

distância, ao ângulo de visão, à cor da superfície e à variação da temperatura. Neste Capítulo

só vão ser apresentados, os gráficos ou tabelas mais significativos, sendo apresentados na sua

totalidade no Anexo B.

4.3.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto

Seguindo os passos apresentados na secção 4.2, apresentam-se na Tabela 4.1 os valores da

variação da emissividade com a distância. Refira-se que existe uma distância mínima de

segurança de 2 metros.

Tabela 4.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto

Distância (m) Emissividade Temp.

Câmara (℃) Temp.

Termopar (℃) 2 0,9 15.1 14,7 3 0,9 15,1 14,7 4 0,89 15,1 14,7 5 0,88 15,1 14,7 6 0,88 15,1 14,7 7 0,87 14,4 14,7 8 0,86 14,4 14,7 9 0,85 14,4 14,7 10 0,85 14,4 14,7 11 0,84 14,3 14,7 12 0,83 14,1 14,7 13 0,83 14,1 14,7 14 0,82 14,1 14,7

Resultados Obtidos 97

Da análise da Tabela 4.1, pode-se concluir que a variação da emissividade com a distância

ao objeto é muito pouco significativa. Como os ensaios foram realizados num ambiente

laboratorial, todos os fatores que influenciam a emissividade na atmosfera entre o objeto a

medir e a câmara termográfica são considerados desprezáveis. Respeitando sempre a

distância de segurança, recomenda-se que se use a menor distância possível.

4.3.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão

Seguindo os passos apresentados na secção 4.2, apresentam-se na Tabela 4.2 os valores da

variação da emissividade com o ângulo de visão. Para cada ângulo, foi medido a uma

distância de 2 metros do transformador.

Tabela 4.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão

Ângulo (°) Emissividade Temp.

Câmara (℃) Temp.

Termopar (℃) 0 0,9 15,1 14,7 5 0,9 15,1 14,7 10 0,9 15,1 14,7 15 0,89 15,1 14,7 20 0,89 15,1 14,7 25 0,88 15,1 14,7 30 0,87 14,4 14,7 35 0,82 14,1 14,7 40 0,81 14 14,7 45 0,8 13,9 14,7 50 0,74 13,4 14,7 55 0,72 13 14,7 60 0,7 12,6 14,7 65 0,68 12,3 14,7 70 0,59 10,9 14,7 75 0,56 10,3 14,7 80 0,46 9,1 14,7 85 0,34 5,1 14,7 90 0,1 0 14,7


Da análise da Tabela 4.2 pode-se concluir que a variação da emissividade com o ângulo de

visão segue aproximadamente o que foi dito no ponto 2.4.2.1:

• Para ângulos menores que 30°, as medidas efetuadas são muito próximas da

temperatura de referência;

• Para ângulos entre 30° e 60°, introduz-se um pequeno erro na medição das

temperaturas;

• Para um ângulo maior que os 60° ocorrem grandes erros na medição da temperatura.

Na Figura 4.1, pode-se ver a curva da variação da emissividade com o ângulo de visão,

muito próxima da curva teórica apresentada na Figura 2.9.

Figura 4.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão (experimental).

4.3.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície

Seguindo os passos apresentados na secção 4.2, apresentam-se na Tabela 4.3, os valores

da variação da emissividade, em todo o intervalo possível (entre 0 e 1), com as respetivas

temperaturas. Cada valor de emissividade, todas as medições foram feitas a uma distância de

2 metros do transformador e com um ângulo de 0°. Foram efetuadas medidas para as quatro

cores predominantes, indicadas pela empresa Efacec: cor creme, cor cinzenta claro, cor

cinzento escuro e cor verde.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Emis

sivi

dade

Ângulo (⁰)

Variação da emissividade com o ângulo


4.3.3.1 - Variação da emissividade com a cor creme

Tendo como temperatura de referência o valor de 14,7℃, variou-se a emissividade desde

o seu valor máximo (1) até ao seu valor mínimo (0,01), apontando-se o valor das

temperaturas lido pela câmara termográfica. O valor da temperatura lido pela câmara

termográfica, superior e mais próximo, ao valor da temperatura de referência, corresponderá

ao valor de emissividade para a cor selecionada.

Tabela 4.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme).

Emissividade Temp. Câmara (℃) Emissividade Temp. Câmara (℃)

1 16,3 0,89 15,1

0,99 16 0,88 15,1

0,98 16 0,87 14,4

0,97 15,8 0,86 14,4

0,96 15,7 0,85 14,4

0,95 15,6 0,84 14,3

0,94 15,5 0,83 14,1

0,93 15,5 0,82 14,1

0,92 15,4 0,81 14

0,91 15,2 0,8 13,9

0,9 15,1 0,79 13,8

Da análise da Tabela 4.3 pode-se concluir que, com a variação da emissividade em todo o

seu intervalo, a temperatura mais próxima da temperatura de referência foi de 15,1℃. Sendo

assim, a emissividade para a cor creme será de 0,9. Na Figura 4.3 vê-se a variação da

temperatura ao longo de um intervalo da emissividade.


Figura 4.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme).

4.3.3.2 - Variação da emissividade com a cor cinzento claro



temperaturas lido pela câmara termográfica. O valor da emissividade para esta cor será de

0,86, como se pode verificar na Tabela B.4 do Anexo B.

Figura 4.4 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento claro).

13,5

14

14,5

15

15,5

16

16,5

0,79 0,89 0,99

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Creme

13

13,5

14

14,5

15

15,5

16

16,5

17

0,8 0,85 0,9 0,95 1

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Cinzento Claro


4.3.3.3 - Variação da emissividade com a cor cinzento escuro





Figura 4.5 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento escuro).

4.3.3.4 – Variação da emissividade com a cor verde





12,5

13

13,5

14

14,5

15

15,5

16

16,5

17

0,8 0,85 0,9 0,95 1

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Cinzento Escuro


Figura 4.6 - Variação da emissividade com a cor da superfície (verde).

4.3.4 - Testes sobre um transformador de potência em funcionamento

Para testar a variação da emissividade com o aumento de temperatura do objeto,

realizou-se um ensaio de aquecimento num transformador de potência.

O ensaio de aquecimento é realizado para cada par de enrolamentos, sendo curto-

circuitado um dos sistemas de enrolamentos, tal com se vê na Figura 4.6.

Figura 4.7 - Método de curto-circuito para ensaio de aquecimento (modelo monofássico).

15

15,5

16

16,5

17

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Verde


O transformador é sujeito á corrente de perdas totais, calculada pela determinação da

corrente das perdas em carga, à temperatura de referência, mais a corrente das perdas sem

carga. O ensaio de aquecimento é realizado em duas etapas: primeiro, injeta-se a corrente de

perdas totais, para se obter o aumento de temperatura do óleo superior, e, segundo, passa-se

para a corrente nominal, para descobrir o aumento médio da temperatura nos enrolamentos.

A tensão de alimentação para este ensaio é a mesma que a tensão de curto-circuito,

significando que não há praticamente perdas no núcleo de ferro. No entanto, são necessárias

as perdas totais para obter corretamente o aumento de temperatura do óleo superior.

Portanto as perdas sem carga devem ser simuladas nos enrolamentos pela injeção de uma

corrente ligeiramente superior à corrente nominal.

O propósito do ensaio de aquecimento é o de verificar a garantia da subida de

temperatura no óleo e nos enrolamentos. Também é útil para se estabelecer os possíveis

pontos quentes.

4.3.4.1 - Resultados e sua análise

Foram definidos 7 pontos de interesse no transformador ensaiado e são os seguintes:

• Paredes Laterais (3)

• Golas do transformador trifásico (3)

• Tampa Superior da Baixa Tensão

Foram realizadas 9 séries de medições, ao longo do tempo, durante o ensaio de

aquecimento: a primeira série é com o transformador ainda a frio, sendo as restantes já com

a injeção da corrente de perdas totais e a última com a passagem para corrente nominal.

O objetivo é identificar o comportamento da emissividade, de um transformador pintado

com a cor creme, relativamente ao aumento da temperatura. A metodologia é igual à

indicada na secção 4.2, respeitando sempre as regras de segurança. Em todos os pontos de

interesse, foi escolhida a distância de 2 metros. Para o ângulo de visão foi escolhido o ângulo

0° para todos os pontos de interesse, em exceção das golas onde foi escolhido o ângulo 15°.

Na Tampa Superior da Baixa Tensão escolheu-se uma altura de modo a que a câmara

termográfica forme um ângulo reto relativamente a uma linha, imaginária e paralela ao chão,

tal como na Parede Lateral 2.

O primeiro resultado relevante a apresentar, mostra a evolução da temperatura de

referência nos pontos de interesse escolhidos, onde facilmente se encontra os locais, nos

quais a temperatura atingiu maiores valores.


Figura 4.8 - Variação da temperatura de referência ao longo das séries de medidas.

Em todos os pontos selecionados, monitorizou-se o comportamento da emissividade com o

aumento da temperatura de referência. Como o transformador era de cor creme, a

emissividade inicial será de 0,9.

Tabela 4.4 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (BT Tampa Superior).

Medidas Local Temp Refletida

Temp Termopar

Temp Câmara Emissividade Dist Alt Âng

0 BT Tampa Sup 17,5 16 16,5 0,9 2 4 0

1 BT Tampa Sup 17,5 31,1 31,8 0,9 2 4 0

2 BT Tampa Sup 19,6 39,6 40,2 0,9 2 4 0

3 BT Tampa Sup 20,6 43,1 43,6 0,9 2 4 0

4 BT Tampa Sup 22,3 49,9 50,4 0,9 2 4 0

5 BT Tampa Sup 23,8 46,4 47,0 0,9 2 4 0

6 BT Tampa Sup 22,7 46,1 46,6 0,9 2 4 0

7 BT Tampa Sup 22,4 45,3 46,2 0,9 2 4 0

8 BT Tampa Sup 21,6 45,2 45,7 0,9 2 4 0

11

16

21

26

31

36

41

46

51

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Tem

pera

tura

(⁰C)

Série de Medidas

Evoluçao da temperatura de referência (termopar)

BT Tampa superior Parede Lateral 1 Parede Lateral 2 Parede Lateral 3 Gola 1

Gola 2

Gola 3


Tabela 4.5 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Gola 1).

Medidas Local Temp Refletida

Temp Termopar

Temp Câmara Emissividade Dist Alt Âng

0 Gola 1 16,8 15,3 15,9 0,9 2 0 15

1 Gola 1 16,8 19,5 19,7 0,9 2 0 15

2 Gola 1 19,1 29,5 29,7 0,9 2 0 15

3 Gola 1 19,3 35,8 35,9 0,9 2 0 15

4 Gola 1 22,1 41,4 41,9 0,9 2 0 15

5 Gola 1 23,2 39,4 40,0 0,9 2 0 15

6 Gola 1 23,8 40,9 41,3 0,9 2 0 15

7 Gola 1 22,8 38,3 38,8 0,9 2 0 15

8 Gola 1 20,8 38,4 38,7 0,9 2 0 15

Aqui estão apresentadas as tabelas para os pontos Tampa Superior da Baixa Tensão e Gola

1, sendo que, para os restantes pontos, as tabelas encontram-se no Anexo B, na secção B.4.

Analisando as tabelas apresentadas, conclui-se que não existe variação da emissividade com o

aumento da temperatura, sendo válida para os diferentes locais de inspeção.

Outro aspeto relevante é o facto de a temperatura indicada pela câmara termográfica

nunca ultrapassar o desvio máximo em relação à Temperatura de Referência ∆𝑚𝑎𝑥= 1℃. Nas

Figuras 4.9 e 4.10, pode-se verificar a boa aproximação das leituras efetuadas com recurso a

uma câmara termográfica.

Figura 4.9 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (BT Tampa Superior).

0,8

0,85

0,9

0,95

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

BT Tampa Superior

T termopar

T camara


Figura 4.10 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (Gola 1).

Considerando-se como 𝑈0 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑇𝑒𝑟𝑚𝑜𝑝𝑎𝑟 e 𝑈𝑚𝑒𝑑 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝐶â𝑚𝑎𝑟𝑎, é

possível calcular os erros relativos para todos os pontos estudados. Nas Tabelas 4.6 e 4.7

podemos ver que os erros relativos nunca ultrapassam o valor de 4%, o que se pode

considerar um erro bastante aceitável. Na Figura 4.10, podemos ver os erros relativos de

todos os pontos inspecionados, ao longo das séries de medidas efetuadas.

Tabela 4.6 - Erros relativos das leituras efetuadas (BT Tampa Superior).

Medida |Uo-Umed| |Uo-Umed|/Uo (%)

0 0,5 3,13%

1 0,7 2,25%

2 0,6 1,52%

3 0,5 1,16%

4 0,5 1,00%

5 0,6 1,29%

6 0,5 1,09%

7 0,9 1,99%

8 0,5 1,11%

0,8 0,82 0,84 0,86 0,88

0,9 0,92 0,94

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

Gola 1

T termopar

T camara


Tabela 4.7 - Erros relativos das leituras efetuadas (Gola 3).

Medida |Uo-Umed| |Uo-Umed|/Uo (%)

0 0,2 1,30%

1 0,3 1,42%

2 0,2 0,66%

3 0,5 1,39%

4 0,6 1,46%

5 0,4 1,02%

6 0,2 0,49%

7 0,9 2,34%

8 0,6 1,55%

4.3.5 - Conclusões experimentais

Através dos resultados experimentais obtidos, podemos concluir que:

• A emissividade varia com o ângulo de visão;

• A emissividade varia para as diferentes cores das superfícies pintadas;

• A emissividade não depende da variação da temperatura;

• A emissividade não varia nos diferentes pontos de interesse identificados;

• A distância, em ambiente laboratorial, não é decisiva para uma grande variação da

emissividade.

Com estas conclusões, podemos afirmar que um transformador de potência, operando

nesta gama de temperaturas (0℃ ≥ 𝑇 ≥ 100℃), comporta-se como um corpo cinzento, tal

como é afirmado no Capítulo 2, na secção 2.3. Ou seja, num transformador de potência com

as suas superfícies pintadas, não existe variação da emissividade para os diferentes

comprimentos de onda.

Pode-se então definir os diferentes valores de emissividade, consoante a cor da

superfície:


Tabela 4.8 - Valor da emissividade para as diferentes cores de tinta.

Cor Emissividade

Creme 0.9

Cinzento Claro 0,86

Cinzento Escuro 0,86

Verde 0,7

4.4 - Modo Operatório Proposto

Nesta secção vai-se enumerar um conjunto de regras a cumprir numa inspeção

termográfica. Essas regras fazem parte de um protocolo autónomo desenvolvido para a

empresa Efacec.

1. Respeitar todas as regras de segurança do local onde é realizado a inspeção

termográfica;

2. Manter uma distância de segurança mínima de 2 metros;

3. Sempre que possível realizar as leituras com um ângulo de visão de 0℃. Se tal não se

verificar, nunca ultrapassar os 30℃, por forma a não introduzir erros nas leituras

efetuadas;

4. Colocar sempre o termopar a uma altura em que seja possível a câmara termográfica

formar um ângulo reto relativamente a uma linha, imaginária e paralela ao chão;

5. Sempre que possível, eliminar todos os fatores climáticos que prejudiquem uma

inspeção termográfica, como, por exemplo, vento, humidade e radiação solar;

6. Calibrar a câmara termográfica, na sua emissividade, para a cor da superfície pintada

7. Nunca ultrapassar o desvio máximo em relação à Temperatura de Referência ∆𝑚𝑎𝑥=

1℃. Assim existe, a garantia das medições possuírem uma precisão elevada, alta

repetibilidade e fiabilidade.

Desenvolvimento de uma folha de cálculo para análise de imagens termográficas 109

4.5 - Desenvolvimento de uma folha de cálculo para análise de imagens termográficas

Um dos objetivos definidos no Capítulo 1 foi a ampliação do potencial do software FLIR

QuickReport para análise de imagens termográficas da câmara termográfica disponibilizada

pela FEUP e pelo Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores.

A ampliação do software tem como objetivo melhorar a análise quantitativa e as

ferramentas para interpretação das imagens termográficas, depois de realizada a calibração

recomendada, de modo a descrever os resultados obtidos. A interpretação dos resultados

obtidos é normalmente apresentada sob a forma de um relatório.

A secção vai ser apresentado em três partes distintas: caraterização do problema,

desenvolvimento da aplicação e resultados obtidos.

4.5.1 - Caraterização do problema

Nesta subsecção é apresentada uma caracterização da câmara termográfica e do software

base que acompanha a câmara termográfica. O objetivo será desenvolver um software

“universal”, Microsoft Office Excel 2007, para realizar uma análise gráfica, ampliando as

possibilidades do software FLIR QuickReport.

4.5.1.1 - Caracterização da câmara termográfica

A camara termográfica disponibilizada pela empresa é a Câmara Termográfica Industrial

Flir i60, com as suas principais caraterísticas a serem enumeradas em seguida:

• Tipo de Detetor: Sistema FPA (Focal Plane Array) de 180 x 180, com microbolómetro

não refrigerado;

• Gama de medição de temperatura: −20 °𝐶 𝑎 + 120 °𝐶 𝑜𝑢 0 ℃ 𝑎 350 ℃;

• Precisão de medição de temperatura: ± 2 °𝐶 𝑜𝑢 2 %;

• Sensibilidade térmica (NETD): ≤ 0,10 °𝐶 (100 𝑚𝐾);

• Total de pixéis: 32400;

• Banda espetral IR: 7,5 𝜇𝑚 𝑎 13 𝜇𝑚 (onda longa);

• Tipo de lente de infravermelho standard:

− Campo de visão 25 ° 𝑥 25 °;

− Resolução espacial (IFOV) 2,42 𝑚𝑅𝑎𝑑;

− Distância mínima de focagem 0,4 m.



Na Câmara Termográfica Industrial Flir i60 é permitido ajustar a palete de cores, a

mistura e o nível de imagens visuais com infravermelhos (modo IR-Fusion), a emissividade, a

compensação da temperatura de fundo refletida e a correção de transmissão de uma imagem

capturada antes de a armazenar. A câmara incorpora um ponteiro de laser com um marcador

na imagem de infravermelho, facilitando a localização precisa do objeto a inspecionar.

4.5.1.2 - Caracterização do software FLIR QuickReport

O software FLIR QuickReport é a versão base do software disponibilizado juntamente com

a Câmara Termográfica Industrial Flir i60.

No software, é possível realizar todas as operações básicas, tais como, ajuste da escala de

temperaturas, da palete de cores, da emissividade, da compensação da temperatura de fundo

refletida, da distância. Para a análise quantitativa, é possível saber a temperatura máxima, a

temperatura mínima, a temperatura média de toda a imagem ou de partes relevantes. Uma

das ferramentas disponíveis no software FLIR QuickReport é a criação de uma área relevante

ou de uma linha de perfil, sendo possível analisar o comportamento da temperatura nas

mesmas.

Numa imagem radiométrica, cada pixel corresponde a uma determinada temperatura, ou

seja, a uma imagem radiométrica de 180 × 180 pixeis corresponde uma matriz de

temperaturas com 180 linhas e 180 colunas. Outra ferramenta disponível no software FLIR

QuickReport é a exportação de uma matriz de temperaturas (ferramenta área) ou de um

vetor de temperaturas (ferramenta linha) para o Microsoft Office Excel 2007.

Não sendo possível realizar uma análise gráfica no software FLIR QuickReport, pode-se

usar a exportação dos dados radiométricos para o Microsoft Office Excel 2007 e a capacidade

de gerar gráficos no mesmo, para construir uma ferramenta útil para uma melhor análise

quantitativa.

4.5.2 - Desenvolvimento da aplicação

O esquema apresentado na Figura 4.11 mostra os passos para gerar gráficos num

simulador gráfico. O simulador gráfico lê os dados armazenados em cada folha de Excel

individual, conforme seja linha ou superfície, e constrói os gráficos a partir desses dados.


Passo 1: Análise da imagem IR

QuickReport

Folha de Excel

Passo 2: Exportação de dados radiométricos

Passo 3: Guardar Folha de Excel Pasta Imagem X (Linha/Superfície)

Passo 4: Correr Simulador Gráfico

FIM

Figura 4.11 - Esquema do processo de geração de gráficos.

4.5.2.1 - Modo Operatório

O modo de tratar os dados radiométricos, por forma a gerar os gráficos necessários para a

análise quantitativa, está representado na Figura 5.1. A seguir vão ser descrito os passos,

desde a análise da imagem até à geração dos gráficos.

xPasso 1. Análise e uso das ferramentas do software QuickReport: marcação de uma linha

ou mais linhas e de uma ou mais superfícies. Repare-se que a linha e a superfície indicam

automaticamente a temperatura mínima e a temperatura máxima, informações úteis para a

indicação dos limites mínimos e máximos do gráfico. Na Figura 4.12 está representado um

exemplo demonstrativo.


Figura 4.12 - Marcação de linha e superfície com QuickReport.

Passo 2. Exportação de dados radiométricos: utilizar a ferramenta de exportação de dados

para uma folha de Excel. A exportação pode ser feita relativamente à imagem inteira, a uma

linha ou a uma superfície (Figura 4.13).

Figura 4.13 - Opções para exportação de dados radiométricos.

Passo 3. Guardar Folha de Excel: a exportação é sempre feita para uma folha temporária de

Excel, que será guardada num ficheiro Excel (.xlsx), numa pasta da Imagem X, com uma

subpasta para linhas e uma subpasta para superfícies. Para que a identificação do ficheiro

seja fácil e rápida, convêm guardar com o respetivo nome e índice numérico, da linha ou

superfície, que são automaticamente atribuídos.


Passo 4. Correr Simulador Gráfico: no simulador gráfico existe uma folha de Excel para

linhas de perfil e outra folha de Excel para superfícies:

• Se for escolhido a folha de linhas, será desenhado um gráfico com uma linha de perfil

onde mostra a variação da temperatura ao longo dessa linha. A variação da

temperatura será mostrada na linha de perfil, através da variação de cores conforme

uma escala;

• Se for escolhido a folha de superfície, será desenhado um gráfico de superfície 3D

onde mostra a tendência dos valores de temperatura. As faixas coloridas de um

gráfico de superfície 3D mostram a distinção entre os diferentes valores de

temperatura na superfície;

• No espaço de inserir função do Microsoft Office Excel 2007 indica-se o caminho para

ler os valores radiométricos, guardados previamente no Passo 3 (Figura 4.14);

Figura 4.14 - Indicação de caminho para leitura dos valores radiométricos.

• Depois de indicado o caminho, carrega-se no botão Executar, gerando-se

automaticamente o gráfico desejado

Figura 4.15 - Geração do gráfico.


4.5.3 - Resultados

Mostra-se agora alguns resultados demonstrativos da aplicação desenvolvida, com um

exemplo para linha de perfil e um exemplo para uma superfície.

4.5.3.1 - Linha de Perfil

Passo 1 e 2: Traçado de uma linha de perfil e exportação dos dados radiométricos da linha no

QuickReport;

Figura 4.16 - Marcação de linha e exportação de dados radiométricos com QuickReport.

Passo 3: Guardar folha de Excel numa pasta indicada, como por exemplo,

E:\TERMOGRAFIA\IMAGEM X\LINHAS\LINHA 1.xlsx;

Passo 4: Indicar no simulador o caminho para o ficheiro a ler (E:\TERMOGRAFIA\IMAGEM

X\LINHAS\LINHA 1.xlsx) e carregar no botão Executar para obter o gráfico pretendido. Na

Figura 5.7, podemos observar a variação da temperatura ao longo da linha de perfil, desde o

ponto mais quente ao ponto mais frio.


Figura 5.7 – Linha de Perfil da linha 1.

4.5.3.2 - Gráfico de Superfície 3D

Passo 1 e 2: Imagem radiométrica da superfície total e exportação dos dados radiométricos

da superfície no QuickReport;

Figura 4.17 - Superfície total e exportação de dados radiométricos com QuickReport.

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Linha de Perfil


Passo 3: Guardar folha de Excel numa pasta indicada, como por exemplo,

E:\TERMOGRAFIA\IMAGEM X\SUPERFICIES\SUPERFICIE 1.xlsx;

Passo 4: Indicar no simulador o caminho para o ficheiro a ler (E:\TERMOGRAFIA\IMAGEM

X\LINHAS\LINHA 1.xlsx) e carregar no botão Executar para obter o gráfico pretendido. Na

Figura 5.9, podemos observar a variação da temperatura ao longo de toda a superfície,

identificando-se facilmente as zonas mais quentes e as zonas mais frias.

Figura 4.18 - Superfície 3D.

4.5.4 - Graduação de cores

Foi definido uma graduação de cores, para tornar mais fácil a identificação de zonas mais

quentes e de zonas mais frias. A graduação adotada tem como base a faixa espetral do

espetro eletromagnético e é dividida em 7 zonas. A marca 1 representa a zona mais quente e

a marca 7 representa a zona mais fria:

10 11,7 13,4 15,1 16,8 18,5

20,2

21,9

Superfície 3D

20,2-21,9

18,5-20,2

16,8-18,5

15,1-16,8

13,4-15,1

11,7-13,4

10-11,7

Síntese 117

• Marca 1: Cor de laranja

• Marca 2: Dourado

• Marca 3: Amarelo

• Marca 4: Verde

• Marca 5: Azul

• Marca 6: Púrpura

• Marca 7: Púrpura Escuro

4.6 - Síntese

De acordo com os objetivos propostos, a metodologia desenvolvida para aplicação das

técnicas termográficas foi bem sucedida. Os resultados experimentais mostram que a câmara

termográfica consegue-se aproximar dos resultados esperados, ou seja, as suas medições são

fiáveis. Através dos procedimentos padrão, foi possível chegar a um valor para a

emissividade, para as diferentes cores, por forma a atingir correta calibração da câmara

termográfica.

De acordo com o objetivo proposto, conseguiu-se desenvolver uma ferramenta simples,

com recurso a software facilmente acessível a qualquer utilizador. A visualização de um

gráfico é uma ferramenta muito útil para interpretação do comportamento da temperatura,

especialmente, para utilizadores que não estejam familiarizados com as técnicas

termográficas descritas no Capítulo 2. Os gráficos gerados também são importantes para

constar em documentos, como por exemplo, relatórios, de modo a que a análise quantitativa

seja mais eficaz.

Capítulo 5

Conclusões e trabalho futuro

5.1 - Conclusões

Após análise do trabalho desenvolvido e apresentado na dissertação, considera-se que

todos os objetivos propostos foram atingidos de forma muito satisfatória.

Nos capítulos 2 e 3, conseguiu-se mostrar todo o potencial da termografia como

ferramenta muito útil para ações de manutenção preditiva, manutenção preventiva,

manutenção condicionada. Também foi possível dar a conhecer múltiplas aplicações das

técnicas termográficas. Foi descrito o processo de medição da radiação infravermelha e os

fatores de influência desse processo. Conclui-se que a emissividade é um fator muito

importante para a medição da radiação infravermelha e um fator de erro na mesma.

No capítulo 4, foram identificados os pontos de interesse no transformador para futuras

inspeções: paredes laterais do transformador, golas do transformador e a tampa superior da

baixa tensão. A parametrização dos fatores de influência na medição da radiação

infravermelha foi executada com sucesso, ou seja, foi feita uma correta calibração da câmara

termográfica. Dos resultados experimentais pode-se concluir que a emissividade varia com o

ângulo de visão e para as diferentes cores das superfícies pintadas, e que não depende da

temperatura nem varia nos diferentes pontos de interesse. Através dos resultados

experimentais, podemos afirmar que o transformador de potência, na gama de temperaturas

em que opera, comporta-se como um corpo cinzento. Num transformador de potência, com

superfícies pintadas, não existe variação da emissividade para os diferentes comprimentos de

onda. Foram ainda definidos os valores de emissividade para as cores mais comuns, indicadas

pelo fabricante.

Relativamente ao desenvolvimento da folha de cálculo, conseguiu-se uma ferramenta

simples, com recurso a software universal e facilmente acessível a qualquer utilizador.

120 Conclusões e trabalho futuro

As novas imagens gráficas geradas são um importante auxiliar para a avaliação do

comportamento da temperatura, aumentando-se assim a eficácia da análise quantitativa de

imagens termográficas.

5.2 - Trabalho futuro

Como foi possível demonstrar ao longo da dissertação, a diversidade de aplicações das

técnicas termográficas mostra o potencial de investigação para futuros trabalhos.

A calibração de câmaras termográficas para a inspeção termográfica dos diversos

componentes dos sistemas de energia e das diferentes máquinas elétricas será muito

importante para a definição de mais procedimentos padrão para o uso das técnicas

termográficas.

A definição, através de ensaios experimentais, de níveis de prioridade de intervenção

para os diferentes equipamentos, de acordo com a sua condição de funcionamento ou de

conservação, também seria muito importante para uma melhoria de serviço nos istemas de

nergia e nas máquinas elétricas.

Relativamente ao software disponibilizado na FEUP, aconselha-se o desenvolvimento de

aplicações para melhorar a análise quantitativa e para elaboração de relatórios mais

completos. Se existir possibilidade, devia-se adquirir a aplicação ThermoVision SDK da FLIR

para o desenvolvimento de aplicações através de programação. Assim poder-se-ia desenvolver

o software base disponível.

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[60] Meinlschmidt, Peter; Aderhold, Jochen, “Thermographic Inspection of Rotor Blades”, European Conference on Non-destructive Testing, Berlim, Alemanha, 2006.

[61] FLIR Systems, “FLIR Application Story: Inspecting wind turbines with FLIR thermal imaging cameras”, FLIR Commercial Systems B.V., Breda, Netherlands.

[62] GREENPRO, “Manual e Guia Técnico de Energia Solar Fotovoltaica – Tecnologias, Projeto e Instalação”, Departamento de Engenharia Mecânica, Instituto Superior Técnico, 2004.

[63] Monteiro, Cláudio, “Energia Solar Fotovoltaica: Tecnologias FV”, Energia Eólica e Solar, Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores.

[64] Monteiro, Cláudio, “Energia Solar Fotovoltaica: A célula FV”, Energia Eólica e Solar, Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores.

[65] Ribeiro, Vicente, “Seminário de Termografia: Painéis Solares”, Fluke Corporation, Portugal 2011.

[66] FLIR Systems, “FLIR Solution Series: Solar Cell Development”, FLIR Systems, Inc., MoviTHERM, Automation Technology GmbH, Irvine, CA, USA.

[67] Bainter, Chris, “Solar Cell Production Requires Effective Metrology - Recent IR Thermography Developments can help”, SOLAR 2010 National Solar Conference, Phoenix, Arizona, USA, maio 2010.

[68] Kaminski, A. et al., “Application of infrared thermography to the characterization of multicristalline silicon solar cells”, Quantitative InfraRed Thermography 2000, Université de Reims, Champagne-Ardenne (Reims), France.

Anexo A

Neste anexo é apresentado uma tabela com os valores de emissividade mais comuns.

Tabela A.1 – Valores de emissividade

Material Estado da superfície

Espetro Emissividade

3M tipo 35 Fita eléctrica

(várias cores) LW 0,96

3M tipo 88 Fita elétrica

vinil preto MW 0,96

Aço inoxidável folha, não tratado,

estriado LW 0,28

Aço inoxidável folha, polido LW 0,14

Aço inoxidável folha, polido SW 0,18

Aço inoxidável laminado T 0,45

Água gelo T 0,96

Água neve T 0,85

Água destilada T 0,96

Alcatrão T 0,79 – 0,84

Alumínio Anodizado, opaco LW 0,97

Alumínio Anodizado, folha LW 0,55

Alumínio polido T 0,04 – 0,06

Barro Refratário T 0,91

Betão T 0,92

Borracha dura T 0,97

Cobre Comercial T 0,07

Cobre oxidado T 0,6 – 0,7

Cobre polido T 0,03

Couro T 0,75 – 0,8

Ferro moldado T 0,81

Ferro oxidado T 0,65

126 Anexo A

Ferro Polido T 0,21

Ferro galvanizado T 0,07

Granito rugoso LW 0,87

Latão laminado T 0,06

Latão oxidado T 0,61

Madeira T 0,8 – 0,9

Papel Diferentes cores T 0,92 – 0,94

Pele Humana T 0,98

Plástico Fibra de vidro LW 0,91

Plástico PVC T 0,93

Tijolo Alvenaria SW 0,94

Tinta Cores e Qualidades

Diferentes SW 0,88 – 0,96

Tinta Verde crómio SW 0,64 – 0,7

Tinta Plástica SW 0,84

Titânio oxidado T 0,6

Titânio Polido T 0,15

Zinco folha T 0,2

Zinco Oxidado T 0,5 – 0,7

Zinco Polido T 0,04 – 0,05

Anexo B

Neste anexo são apresentados, em forma de tabelas e gráficos, todos os dados recolhidos

durante a investigação experimental descrita no Capítulo 4.

B.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto

Tabela B.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto

Distância(𝒎) Emissividade Temp. Câmara(℃) Temp. Termopar(℃)

2 0,9 15.1 14,7

3 0,9 15,1 14,7

4 0,89 15,1 14,7

5 0,88 15,1 14,7

6 0,88 15,1 14,7

7 0,87 14,4 14,7

8 0,86 14,4 14,7

9 0,85 14,4 14,7

10 0,85 14,4 14,7

11 0,84 14,3 14,7

12 0,83 14,1 14,7

13 0,83 14,1 14,7

14 0,82 14,1 14,7

128 Anexo B

B.2 – Variação da emissividade com o ângulo de visão

Tabela B.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão

Ângulo (°) Emissividade Temp. Câmara (℃) Temp. Termopar (℃)

0 0,9 15,1 14,7

5 0,9 15,1 14,7

10 0,9 15,1 14,7

15 0,89 15,1 14,7

20 0,89 15,1 14,7

25 0,88 15,1 14,7

30 0,87 14,4 14,7

35 0,82 14,1 14,7

40 0,81 14 14,7

45 0,8 13,9 14,7

50 0,74 13,4 14,7

55 0,72 13 14,7

60 0,7 12,6 14,7

65 0,68 12,3 14,7

70 0,59 10,9 14,7

75 0,56 10,3 14,7

80 0,46 9,1 14,7

85 0,34 5,1 14,7

90 0,1 0 14,7

Anexo B 129

Figura B.1 - Variação da emissividade com o ângulo de visão (experimental).

B.3 – Variação da emissividade com a cor da superfície

B.3.1 - Variação da emissividade com a cor creme

Tabela B.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme).

Emissividade Temp

Câmara(℃) Emissividade

Temp


Temp

Câmara(℃)

1,00 16,3 0,71 12,9 0,42 8,4

0,99 16,0 0,70 12,6 0,41 7,8

0,98 16 0,69 12,6 0,4 7,5

0,97 15,8 0,68 12,3 0,39 7,2

0,96 15,7 0,67 12,3 0,38 6,8

0,95 15,6 0,66 12,1 0,37 6,5

0,94 15,5 0,65 12,1 0,36 6,4

0,93 15,5 0,64 12,1 0,35 6

0,92 15,4 0,63 11,8 0,34 5,4

0,91 15,2 0,62 11,8 0,33 4,8

0,9 15,1 0,61 11,7 0,32 3,7

0,89 15,1 0,60 11,3 0,31 3,2

0,88 15,1 0,59 10,9 0,30 2,6

0,87 14,4 0,58 10,7 0,29 2,1

0,86 14,4 0,57 10,5 0,28 1,4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Emis

sivi

dade

Ângulo (⁰)

Variação da emissividade com o ângulo

130 Anexo B

0,85 14,4 0,56 10,3 0,27 1,0

0,84 14,3 0,55 10,1 0,26 0,2

0,83 14,1 0,54 9,8 0,25 0,0

0,82 14,1 0,53 9,6 0,24 0,0

0,81 14,0 0,52 9,4 0,23

0,8 13,9 0,51 9,3 0,22

0,79 13,8 0,5 9,3 0,21

0,78 13,7 0,49 9,3 0,2

0,77 13,7 0,48 9,2 0,19

0,76 13,6 0,47 9,2 0,18

0,75 13,5 0,46 9,1 0,17

0,74 13,4 0,45 9,0 0,16

0,73 13,1 0,44 9,0 0,15

0,72 13,0 0,43 8,7 0,14

Figura B.2 - Variação da emissividade com a cor da superfície (creme).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Creme

Anexo B 131

B.3.2 - Variação da emissividade com a cor cinzento claro

Tabela B.4 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento claro).

Emissividade Temp


Temp


Temp

Câmara(℃)

1 16,5 0,71 12,3 0,42 6,9

0,99 16,2 0,7 12,2 0,41 6,7

0,98 15,9 0,69 12,1 0,4 6,6

0,97 15,8 0,68 12 0,39 6

0,96 15,8 0,67 12 0,38 5,6

0,95 15,7 0,66 11,9 0,37 5,4

0,94 15,5 0,65 11,6 0,36 4,8

0,93 15,4 0,64 11,5 0,35 4,3

0,92 15,2 0,63 11,5 0,34 3,8

0,91 15,2 0,62 11,4 0,33 3,6

0,9 15,2 0,61 11,2 0,32 3

0,89 15 0,6 11,2 0,31 2,6

0,88 15 0,59 10,8 0,3 2

0,87 14,7 0,58 10,6 0,29 1,4

0,86 14,6 0,57 10,4 0,28 0,7

0,85 14,1 0,56 10,2 0,27 0

0,84 13,7 0,55 10 0,26 0

0,83 13,6 0,54 9,9 0,25 0

0,82 13,5 0,53 9,8 0,24 0

0,81 13,4 0,52 9,8 0,23

0,8 13,3 0,51 9,5 0,22

0,79 13,2 0,5 9 0,21

0,78 13 0,49 8,7 0,2

0,77 13 0,48 8,4 0,19

0,76 12,8 0,47 8 0,18

0,75 12,6 0,46 7,9 0,17

0,74 12,6 0,45 7,6 0,16

0,73 12,6 0,44 7,4 0,15

0,72 12,4 0,43 7,2 0,14

132 Anexo B

Figura B.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento claro).

B.3.3 – Variação da emissividade com a cor cinzento escuro

Tabela B.5 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento escuro).

Emissividade Temp


Temp


Temp

Câmara(℃)

1 16,5 0,71 11,9 0,42 6,3

0,99 16,2 0,7 11,8 0,41 6

0,98 16,1 0,69 11,7 0,4 5,6

0,97 15,8 0,68 11,7 0,39 5,1

0,96 15,4 0,67 11,4 0,38 4,8

0,95 15 0,66 11,3 0,37 4,4

0,94 14,6 0,65 11,3 0,36 4,2

0,93 14,4 0,64 11,1 0,35 3,7

0,92 14,2 0,63 10,9 0,34 2,9

0,91 14,1 0,62 10,8 0,33 1,4

0,9 13,9 0,61 10,8 0,32 0,9

0,89 13,9 0,6 10,4 0,31 0,7

0,88 13,8 0,59 10,2 0,3 0

0,87 13,8 0,58 10,2 0,29 0

0,86 13,7 0,57 10 0,28 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Cinzento Claro

Anexo B 133

0,85 13,7 0,56 9,7 0,27 0

0,84 13,4 0,55 9,2 0,26 0

0,83 13,2 0,54 9,1 0,25 0

0,82 13,1 0,53 9,1 0,24 0

0,81 12,9 0,52 8,8 0,23

0,8 12,8 0,51 8,5 0,22

0,79 12,7 0,5 8,5 0,21

0,78 12,7 0,49 8,3 0,2

0,77 12,6 0,48 8,1 0,19

0,76 12,4 0,47 7,8 0,18

0,75 12,2 0,46 7,5 0,17

0,74 12,1 0,45 7,3 0,16

0,73 12,1 0,44 7 0,15

0,72 12 0,43 6,6 0,14

Figura B.4 - Variação da emissividade com a cor da superfície (cinzento escuro).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Cinzento Escuro

134 Anexo B

B.3.4 – Variação da emissividade com a cor verde

Tabela B.6 - Variação da emissividade com a cor da superfície (verde).

Emissividade Temp


Temp


Temp

Câmara(℃)

1 17,5 0,71 16,1 0,42 12,9

0,99 17,4 0,7 16 0,41 12,7

0,98 17,4 0,69 15,7 0,4 12,5

0,97 17,4 0,68 15,7 0,39 12,2

0,96 17,3 0,67 15,6 0,38 12,2

0,95 17,3 0,66 15,6 0,37 12,1

0,94 17,3 0,65 15,4 0,36 12,1

0,93 17,2 0,64 15,3 0,35 12

0,92 17,2 0,63 15,3 0,34 12

0,91 17,1 0,62 15,2 0,33 11,9

0,9 17,1 0,61 15,2 0,32 11,7

0,89 17,1 0,6 15,2 0,31 11,4

0,88 17 0,59 15,1 0,3 10,9

0,87 17 0,58 15 0,29 10,6

0,86 17 0,57 14,9 0,28 10,2

0,85 16,9 0,56 14,9 0,27 9,9

0,84 16,9 0,55 14,8 0,26 9,5

0,83 16,9 0,54 14,7 0,25 9

0,82 16,8 0,53 14,7 0,24 8,5

0,81 16,8 0,52 14,5 0,23 7,7

0,8 16,6 0,51 14,4 0,22 7

0,79 16,6 0,5 14,3 0,21 6,5

0,78 16,5 0,49 14,2 0,2 5,9

0,77 16,4 0,48 14 0,19 5

0,76 16,4 0,47 13,9 0,18 3,9

0,75 16,4 0,46 13,7 0,17 3,2

0,74 16,3 0,45 13,6 0,16 2,4

0,73 16,3 0,44 13,4 0,15 1,8

0,72 16,2 0,43 13,2 0,14 1,2

Anexo B 135

Figura B.5 - Variação da emissividade com a cor da superfície (verde).

B.4 – Testes sobre um transformador de potência em funcionamento

Figura B.6 - Variação da temperatura de referência ao longo das séries de medidas.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

0,14 0,19 0,24 0,29 0,34 0,39 0,44 0,49 0,54 0,59 0,64 0,69 0,74 0,79 0,84 0,89 0,94 0,99

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Emissividade Cor Verde

11

16

21

26

31

36

41

46

51

0 2 4 6 8

Tem

pera

tura

(⁰C)

Emissividade

Evoluçao da temperatura de referência (termopar)

BT Tampa superior

Parede Lateral 1

Parede Lateral 2

Parede Lateral 3

Gola 1

Gola 2

Gola 3

136 Anexo B

Tabela B.7 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (BT Tampa Superior).

Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp

Câmara Emissividade Dist Alt Âng

0 BT Tampa Sup 17,5 16 16,5 0,9 2 4 0

1 BT Tampa Sup 17,5 31,1 31,8 0,9 2 4 0

2 BT Tampa Sup 19,6 39,6 40,2 0,9 2 4 0

3 BT Tampa Sup 20,6 43,1 43,6 0,9 2 4 0

4 BT Tampa Sup 22,3 49,9 50,4 0,9 2 4 0

5 BT Tampa Sup 23,8 46,4 47 0,9 2 4 0

6 BT Tampa Sup 22,7 46,1 46,6 0,9 2 4 0

7 BT Tampa Sup 22,4 45,3 46,2 0,9 2 4 0

8 BT Tampa Sup 21,6 45,2 45,7 0,9 2 4 0

Tabela B.8 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Parede Lateral 1).

Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp


0 Parede Lateral 1 16,3 14,9 15,2 0,9 2 0 0

1 Parede Lateral 1 16,3 21 21,4 0,9 2 0 0

2 Parede Lateral 1 18,7 31,9 32 0,9 2 0 0

3 Parede Lateral 1 19,9 37,2 37,9 0,9 2 0 0

4 Parede Lateral 1 22,3 41,8 42 0,9 2 0 0

5 Parede Lateral 1 23,7 38,6 38,8 0,9 2 0 0

6 Parede Lateral 1 22,6 38 38,1 0,9 2 0 0

7 Parede Lateral 1 22,5 38 38,3 0,9 2 0 0

8 Parede Lateral 1 21,4 38,4 39,3 0,9 2 0 0

Anexo B 137


Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp


0 Parede Lateral 2 17 15,8 16 0,9 2 3 0

1 Parede Lateral 2 17,1 22,4 22,6 0,9 2 3 0

2 Parede Lateral 2 19,4 35,2 36,1 0,9 2 3 0

3 Parede Lateral 2 20,2 39,7 40,3 0,9 2 3 0

4 Parede Lateral 2 21,4 45,1 45,6 0,9 2 3 0

5 Parede Lateral 2 22,4 41,4 42,1 0,9 2 3 0

6 Parede Lateral 2 21,9 42,4 42,7 0,9 2 3 0

7 Parede Lateral 2 21,4 40,9 41,2 0,9 2 3 0

8 Parede Lateral 2 20,2 40,9 41,6 0,9 2 3 0


Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp


0 Parede Lateral 3 16,8 15,4 15,7 0,9 2 0 0

1 Parede Lateral 3 16,8 30,2 31,1 0,9 2 0 0

2 Parede Lateral 3 19,5 38,8 39,2 0,9 2 0 0

3 Parede Lateral 3 19,9 40,9 41,5 0,9 2 0 0

4 Parede Lateral 3 22,4 42,2 42,9 0,9 2 0 0

5 Parede

Lateral 3 23,1 39,8 39,9 0,9 2 0 0

6 Parede Lateral 3 22,4 41,6 41,7 0,9 2 0 0

7 Parede Lateral 3 22,1 39,1 39,5 0,9 2 0 0

8 Parede Lateral 3 21,2 39,6 39,9 0,9 2 0 0

138 Anexo B

Tabela B.11 - Variação da emissividade com aumento da temperatura (Gola 1).

Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp


0 Gola 1 16,8 15,3 15,9 0,9 2 0 15

1 Gola 1 16,8 19,5 19,7 0,9 2 0 15

2 Gola 1 19,1 29,5 29,7 0,9 2 0 15

3 Gola 1 19,3 35,8 35,9 0,9 2 0 15

4 Gola 1 22,1 41,4 41,9 0,9 2 0 15

5 Gola 1 23,2 39,4 40 0,9 2 0 15

6 Gola 1 23,8 40,9 41,3 0,9 2 0 15

7 Gola 1 22,8 38,3 38,8 0,9 2 0 15

8 Gola 1 20,8 38,4 38,7 0,9 2 0 15


Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp


0 Gola 2 16,8 15,2 15,8 0,9 2 0 15

1 Gola 2 16,8 18,4 18,5 0,9 2 0 15

2 Gola 2 18,9 27,8 28,3 0,9 2 0 15

3 Gola 2 19 33,1 33,3 0,9 2 0 15

4 Gola 2 21,6 39,1 39,5 0,9 2 0 15

5 Gola 2 22,7 37,9 38,3 0,9 2 0 15

6 Gola 2 22,3 38,6 38,9 0,9 2 0 15

7 Gola 2 21,9 36,8 37,3 0,9 2 0 15

8 Gola 2 19,9 36,8 37,2 0,9 2 0 15

Anexo B 139


Medidas Local Temp

Refletida

Temp

Termopar

Temp


0 Gola 3 16,6 15,4 15,6 0,9 2 0 15

1 Gola 3 16,6 21,2 21,5 0,9 2 0 15

2 Gola 3 19,2 30,4 30,6 0,9 2 0 15

3 Gola 3 19,4 35,9 36,4 0,9 2 0 15

4 Gola 3 22,2 41,2 41,8 0,9 2 0 15

5 Gola 3 23,1 39,4 39,8 0,9 2 0 15

6 Gola 3 23,8 40,7 40,9 0,9 2 0 15

7 Gola 3 22,7 38,4 39,3 0,9 2 0 15

8 Gola 3 20,8 38,6 39,2 0,9 2 0 15

Figura B.7 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (BT Tampa Superior).

0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

BT Tampa Superior

T termopar

T camara

140 Anexo B

Figura B.8 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (Parede Lateral 1).


0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

14,5 16,5 18,5 20,5 22,5 24,5 26,5 28,5 30,5 32,5 34,5 36,5 38,5 40,5 42,5 44,5

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

Parede Lateral 1

T termopar

T camara

0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

Parede Lateral 2

T termopar

T camara

Anexo B 141


Figura B.11 - Comparação dos valores de referência com as leituras da câmara (Gola 1).

0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

Parede Lateral 3

T termopar

T camara

0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Emis

sivi

ddad

e

Temperatura (⁰C)

Gola 1

T termopar

T camara

142 Anexo B



0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

Gola 2

T termopar

T camara

0,8

0,82

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Emis

sivi

dade

Temperatura (⁰C)

Gola 3

T termopar

T camara

Anexo B 143

Tabela B.14 - Desvios relativos das leituras efetuadas (BT Tampa Superior).

Medida |Uo-Umed| |Uo-Umed|/Uo %

0 0,5 0,03125 3,125%

1 0,7 0,022508039 2,251%

2 0,6 0,015151515 1,515%

3 0,5 0,011600928 1,160%

4 0,5 0,01002004 1,002%

5 0,6 0,012931034 1,293%

6 0,5 0,010845987 1,085%

7 0,9 0,01986755 1,987%

8 0,5 0,011061947 1,106%

Tabela B.15 - Desvios relativos das leituras efetuadas (Parede Lateral 1).


0 0,3 0,020134228 2,013%

1 0,4 0,019047619 1,905%

2 0,1 0,003134796 0,313%

3 0,7 0,018817204 1,882%

4 0,2 0,004784689 0,478%

5 0,2 0,005181347 0,518%

6 0,1 0,002631579 0,263%

7 0,3 0,007894737 0,789%

8 0,9 0,0234375 2,344%

144 Anexo B



0 0,2 0,012658228 1,266%

1 0,2 0,008928571 0,893%

2 0,9 0,025568182 2,557%

3 0,6 0,01511335 1,511%

4 0,5 0,011086475 1,109%

5 0,7 0,016908213 1,691%

6 0,3 0,007075472 0,708%

7 0,3 0,007334963 0,733%

8 0,7 0,017114914 1,711%



0 0,3 0,019480519 1,948%

1 0,9 0,029801325 2,980%

2 0,4 0,010309278 1,031%

3 0,6 0,014669927 1,467%

4 0,7 0,016587678 1,659%

5 0,1 0,002512563 0,251%

6 0,1 0,002403846 0,240%

7 0,4 0,010230179 1,023%

8 0,3 0,007575758 0,758%

Anexo B 145

Tabela B.18 - Desvios relativos das leituras efetuadas (Gola 1).


0 0,6 0,039215686 3,922%

1 0,2 0,01025641 1,026%

2 0,2 0,006779661 0,678%

3 0,1 0,002793296 0,279%

4 0,5 0,012077295 1,208%

5 0,6 0,015228426 1,523%

6 0,4 0,009779951 0,978%

7 0,5 0,01305483 1,305%

8 0,3 0,0078125 0,781%



0 0,6 0,039473684 3,947%

1 0,1 0,005434783 0,543%

2 0,5 0,017985612 1,799%

3 0,2 0,006042296 0,604%

4 0,4 0,010230179 1,023%

5 0,4 0,01055409 1,055%

6 0,3 0,007772021 0,777%

7 0,5 0,013586957 1,359%

8 0,4 0,010869565 1,087%

146 Anexo B



0 0,2 0,012987013 1,299%

1 0,3 0,014150943 1,415%

2 0,2 0,006578947 0,658%

3 0,5 0,013927577 1,393%

4 0,6 0,014563107 1,456%

5 0,4 0,010152284 1,015%

6 0,2 0,004914005 0,491%

7 0,9 0,0234375 2,344%

8 0,6 0,015544041 1,554%

Figura B.14 - Desvios Relativos em todos os pontos de estudo, ao longo das séries de medidas.

0,000%

0,500%

1,000%

1,500%

2,000%

2,500%

3,000%

3,500%

4,000%

BT Tampa Sup

Parede Lateral 1

Parede Lateral 2

Parede Lateral 3

Gola 1 Gola 2 Gola 3

Erro relativo

Medida 0

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Medida 6

Medida 7

Medida 8

Anexo B 147

Tabela B.21 - Valor da emissividade para as diferentes cores de tinta.

Cor Emissividade

Creme 0.9

Cinzento Claro 0,86

Cinzento Escuro 0,86

Verde 0,7

B.5 – Gráficos de Superfície

Figura B.15 – Grafico de superfície 3D rodado 90 graus

10 11,7 13,4 15,1 16,8

18,5

20,2

21,9

Superfície 3D

20,2-21,9

18,5-20,2

16,8-18,5

15,1-16,8

13,4-15,1

11,7-13,4

10-11,7

148 Anexo B

Figura B.16 – Gráfico de superfície 3D rodado 180 graus.

Figura B.17 – Grafico de superfície 3D rodado 90 graus.

10 11,7 13,4 15,1 16,8 18,5 20,2 21,9

Superfície 3D

20,2-21,9

18,5-20,2

16,8-18,5

15,1-16,8

13,4-15,1

11,7-13,4

10-11,7

10 11,7 13,4 15,1 16,8 18,5 20,2 21,9

Superfície 3D

20,2-21,9

18,5-20,2

16,8-18,5

15,1-16,8

13,4-15,1

11,7-13,4

10-11,7

análise de sistemas de energia e máquinas elétricas com...

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