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Métodos experimentais de energia e ambiente

Técnicas de infravermelhos

Mestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas

Armando Caldeira Pires

IntroduçãoIntrodução

P ê d tili ã d i f lh (IV)• Porquê da utilização dos infravermelhos (IV)

• HistóriaHistória

• Funcionamento

• Aparelhos de IV

A li õ• Aplicações

• ReferênciasReferências



Porquê da utilizaçãoPorquê da utilização

U i l i il l• Uma imagem vale mais que mil palavras

• A termografia infravermelha é o único diagnósticog gtécnico que permite instantaneamente visualizar everificar o comportamento térmico

• As câmaras de IV mostram os problemastérmicos e quantifica-os com precisam através detérmicos e quantifica os com precisam através demedição sem contacto

• Em Junho de 2001 a revista “Maintenance• Em Junho de 2001, a revista MaintenanceTechnology” escreveu que um investimento de 1€em inspecções com infravermelhos tem um retorno



em inspecções com infravermelhos tem um retornode 4€

História1884 O i i i1884, O principio

• Em 1884, L.E. Boltzmann mostrou como a lei ,empírica do corpo negro de Josef Stefan, formulada em 1879, poderia ser derivada dos princípios físicos t di â itermodinâmicos.

• A descoberta de Boltzmann foi simples:R di ã T t 4 C t tRadiação = Temperatura4 x Constante

• Consequentemente, Boltzmann foi chamado o pais da termografia infravermelha

N t ti d té i• Neste tipo de técnica, um pequeno processador dentro do aparelho usa esta formula para prever com precisão a


Armando Caldeira PiresLE Boltzmann(1844-1906)

Fonte: ZyTemp

formula para prever com precisão a temperatura do alvo

História1899 A i i t t d i ó t1899, A primeira patente de um pirómetro óptico:• A primeira patente de um pirómetro óptico é devida a Morse em 1899

• Holborn e Kurlbaum, aparentemente sem saber da sua existência, desenvolveram um aparelho similar em 19011901


Armando Caldeira Pires Fonte: ZyTemp

História1913 S Tit i ti id d1913, Se o Titanic tivesse a capacidade de detectar icebergs.....

• L. Bellingham apresentou um método para detectar a presença de icebergs e navios a vapor usando um espelho e uma termopilha

• O seu termómetro de IV é melhor em relação ao pirómetro óptico porque era capaz de detectar objectos comobjectos com temperatura mais do baixo do que a



qambiente

HISTÓRIA1968 E i i id d lt d1968, Emissividade alterada

• A evolução dos IRT vieram de diversas formas.ç

• Em Julho de 1968 apareceu uma aparelho analógico, pesado, que requeria um longo tempo de estabilizaçãopesado, que requeria um longo tempo de estabilização

•O aparelho usava um cristal piroeléctrico como detector



1973 D l i t d IRT d

HISTÓRIA1973, Desenvolvimento de um IRT de curto alcance

• Em 1973, um IRT de curto alcance foi criado por Sensors, Inc.

• Usava um ponteiro para indicar o ponto exacto da mediçãoç


Armando Caldeira PiresFonte: ZyTemp

1977 R l ã d

HISTÓRIA1977, Revolução de um sensor: termopilha em miniatura• Primeira termopilha em miniatura. O seu sensor é mais pequeno que 4mm2.

O i i d i f lh i i t• O primeiro sensor de infravermelhos em miniatura. Antes desta invenção, este tipo de sensores eram maiores que uma moeda (4mm)maiores que uma moeda (4mm)



PRINCIPIOS BÁSICOSRadiação TérmicaRadiação Térmica• Radiação térmica ou transmissão de calor por

radiação, é a taxa de emissão de energia de um dado

material, dada a sua temperatura

• A radiação térmica está relacionada com a energia

libertada devida as oscilações ou transições doslibertada devida as oscilações ou transições dos

electrões, átomos, iões ou moléculas mantidos pela

energia interna do material

• Toda forma de matéria com temperatura acima doToda forma de matéria com temperatura acima do

zero absoluto emite energia térmica



PRINCIPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica

• Nos gases ou outros materiais transparentes• Nos gases ou outros materiais transparentes

(materiais com absorção interna desprezível), a energia

térmica irradia-se através de seu volume

• Para materiais com alta absorção interna, como os ç

metais, apenas algumas centenas de camadas

atómicas mais externas contribuem para a emissão deatómicas mais externas contribuem para a emissão de

energia térmica



PRINCIPIOS BÁSICOSRadiação Térmica• A lei de Planck descreve, matematicamente, a

id d d i i id i lquantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda • Porém a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores• Porém, a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calorg

Relação entre Temperatura e Energia

va

102E= h ν

1500°C 1000°Ca

rad

ian

te r

ela

tiv

101

1

10-1

E = Energia [J]

h = constante de Planck 34

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1000 C 542°C260°C

20°C Em

itan

ci

10-2

10-3

10-4

0

[6,63x10-34Js]

v = frequência [s-1]



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Comprimento de Onda (microns)

0

Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro)Fonte: Raytek

PRINCIPIOS BÁSICOSRadiação TérmicaRadiação Térmica

• Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectrotemperatura compõem o chamando espectro electromagnético, onde está o espectro IV

• A zona do visível abrange comprimentos de onda entre• A zona do visível abrange comprimentos de onda entre

0,4 μm e 0,7 μm, e os IV entre 0,7μm e 1000 μm. Os

pirómetros de IV usam a banda entre 5 μm e 20 μmpirómetros de IV usam a banda entre 5 μm e 20 μm


Armando Caldeira PiresFonte: Victory

PRINCIPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica• As ondas longas têm comprimentos desde 3 a 100 μmAs ondas longas têm comprimentos desde 3 a 100 μm

com uma temperatura de 700°C

• As ondas médias vão desde 1 4 a 3 μm eAs ondas médias vão desde 1,4 a 3 μm, e

temperaturas típicas de 950°C a 1600°C

• As ondas curta 0 78 a 1 4 μm com temperatura de• As ondas curta 0,78 a 1,4 μm, com temperatura de

2200°C

• As ondas longas são o mais ou menos sensível à cor e• As ondas longas são o mais ou menos sensível à cor e

são absorvida pela água

• As ondas médias são insensível à cor e são absorvida• As ondas médias são insensível à cor e são absorvida

prontamente pela água, por muitos plásticos e pinturas

As ondas curtas são mais penetrante do que a ondaMestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas


• As ondas curtas são mais penetrante do que a onda

longa e são boa para metais quentes

PRINCIPIOS BÁSICOS

Corpo Negro

• Um objecto capaz de absorver toda a radiação que incide sobre ele em qualquer comprimento de onda

• Nenhuma superfície emite mais radiação IV que um corpo negro à mesma temperaturap g p

Corpo Real

• As superfícies só são capazes de emitir uma determinada parte da energiap g

• O parâmetro que determina a capacidade de emissão é a emissividade



emissão é a emissividade

PRINCIPIOS BÁSICOSEmissividadeEmissividade• A emissividade mede a capacidade de um corpo emitir energia• Definem-se a reflectividade (ρ) como a capacidade de um corpo

reflectir energia

• A transmissividade () mede a capacidade de um corpo t iti itransmitir energia• A absorvidade (α) mede a capacidade de um corpo absorver energiaenergia

• A reflectividade ρ e a

transmissividade sãotransmissividade são

conceitos associados à

natureza do objecto

(opaco ou translúcido)

e às condições

atmosféricas na zona



Fonte: Raytek

atmosféricas na zona

entre sensor e objecto

PRINCIPIOS BÁSICOSEmissividadeEmissividadeUm corpo negro possui uma emissividade = 1, um corpoi t i i i id d t t é 1cinzento possui emissividade constante porém < 1 e um

corpo não cinzento possui emissividade que varia aolongo de diferentes comprimentos de onda, mas não comg p ,a temperatura

Emissividade vs. Comprimento de Onda

Distribuição espectral de Diferentes Emissividades

varia c/ comprimento de onda

= 0.9 (Corpo Cinza “Graybody”)

iva

= 1.0 (Corpo Negro “Blackbody”)

p(non-graybody)

En

ergi

a R

elat

i


Armando Caldeira PiresFonte: Raytek

Comprimento de onda (microns)

PRINCIPIOS BÁSICOS• Num corpo não negro, uma parte da radiação total incidente é absorvida e, por conservação de energia, o restante é reflectido () na superfície e transmitido () através do corporeflectido () na superfície e transmitido () através do corpo

ε+ρ+=1

Corpo negro:

ε=1 ρ==0

Corpo transparente:

=1 ρ=ε=0E lh f itε=1, ρ==0 =1, ρ=ε=0Espelho perfeito:

ρ=1, ε==0

• No campo de aplicação da termografia as superfícies são na maioria das vezes opacas ao IV =0 e a sua

id d i i é t t ( T capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e menor que 1, assim temos:



Corpo cinzento: ε+ρ=1

Emissi idadePRINCIPIOS BÁSICOS

Emissividade

Um corpo real tem uma emissão dada pela Lei de S f B lStefan-Boltzmann :

W=σεT4W=σεT

W= Potencia radiante [W/m2]

σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2]

T = Temperatura absoluta [K]T = Temperatura absoluta [K]

ε = Emissividade



EmissividadePRINCIPIOS BÁSICOS

Emissividade

Emissividades típicas consideradas em termografia



FUNCIONAMENTO

• Um sensor foto sensível sintonizado para detectar uma banda específica do espectro IV, recebe energia radiante do alvo através do sistema óptico

• Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre édi d á d li i d l da temperatura média da área delimitada pelo campo de

visão do aparelho

O S fO Sistema Infravermelho

Janela e Ótica

Objeto Atmosfera Detetor

453¡C

SP1 470¡C

EMS .̄85



Objeto Atmosfera DetetorElectronica, Display

ou Outras Saídas

Fonte: Raytek

FUNCIONAMENTO

• O sistema óptico determina o diâmetro da área circular ou campo de visão do aparelhoou campo de visão do aparelho

• A relação entre distância do alvo ao pirómetro (D) e o diâmetro do campo de visão (S) determina a resoluçãodiâmetro do campo de visão (S), determina a resolução óptica do equipamento, D:S

Distância x Tamanho do Alvo

O Objeto Deve Preencher o Campo de VisãoCampo de VisãoIdeal Bom Errado

Sensor

Objeto maiorque área de

Objeto menor que área de leitura


Armando Caldeira PiresFonte: Raytek

leituraObjeto igual a area de leitura

área de leitura

FUNCIONAMENTO

Erros• Existe uma forte dependência entre a temperatura a• Existe uma forte dependência entre a temperatura, a emissividade e a quantidade de energia emitida pela área delimitada pelo campo de visão do aparelho

• A redução de energia dada a obstrução causada por vapores e partículas sólidas, assim como variações de emissividade, afectam directamente a medição da temperatura.

Erros De Temperatura Devido À pIncerteza Na Emissividade

10

88-14 µm Solução :

U8

6

4

2

Usar o menor comprimento de onda possível

% E

rro

5.0 µm

3.9 µm

2.2 µm



2

0500 1000 1500 2000 2500 3000

1.0 µm

Temperatura do Alvo (°C)

Fonte: Raytek

Aparelhos de IV

HR101• Este aparelho mede a humidade relativa temperatura• Este aparelho mede a humidade relativa, temperaturado ar (com uma sonda) e a temperatura de umasuperfície (a partir de infravermelhos)

• A função de IV inclui um ponteiro laserpara indicar do alvo

Fonte: ExTech



Fonte: ExTech

Aparelhos de IV

HR101• Temperatura por IV (tempo de resposta): 0,5 s

• Temperatura por sonda (tempo de resposta): 3 minTemperatura por sonda (tempo de resposta): 3 min

• Tempos de resposta numa gama de temperaturas entre 18 a 28°Centre 18 a 28 C

• Emissividade é fixa em 0,95 (A maior parte dos materiais e superfícies pintados ou oxidadas têm umamateriais e superfícies pintados ou oxidadas têm uma emissividade de 0,9)

• D/S = Média aproximada de 8:1 (D = distancia,D/S Média aproximada de 8:1 (D distancia, S = diâmetro)

• Comprimento de onda de 6 a 14 µm


Armando Caldeira PiresFonte: LI-COR Inc

p µ

Aparelhos de IV

HR101• Poderá demorar até 30 min de estabilização para• Poderá demorar até 30 min de estabilização para mudanças bruscas no ambiente

• Se a superfície alvo está coberta com gelo, óleo, p g , ,sujidade, etc. a medição não será a correcta

• Se a superfície alvo tiver alta reflectividade deve-se i t b i fit tpintar ou cobrir com fita preta

• A superfície do alvo tem que ser maior que zona de alvo


Armando Caldeira PiresFonte: ExTech

Aparelhos de IV

Mikron 7515 (Inspecções, investigação e aplicações médicas)p ç )

Alcance espectralonda longagGamas de temperaturas-40 a 350 ºCArrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºCAj t d i i id dAjustes de emissividade0,10-1,0

P Fonte: Stockton



Preço12.000€ a 25.000€

Fonte: Stockton

Aparelhos de IV

FLIR 390 (Inspecções, investigação e aplicações médicas)p ç )

Alcance espectralonda médiaGamas de temperaturas-10 a 450 ºCArrefecimentoventoinhaSensibilidade térmica<0,07 a 30 ºCAj t d i i id dAjustes de emissividade0,10-1,0

PreçoFonte: Stockton



Preço

12.000€ a 25.000€

Aparelhos de IV

Raytheon 2000AS (vigilância, investigação e aplicações médicas)

Alcance espectralonda longag

Gamas de temperaturas-20 a 1500 ºCArrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºCAj t d i i id dAjustes de emissividade0,10-1,0Preço

Fonte: Stockton



Preço

4.000€ a 11.000€

Aparelhos de IV

Qwip (sistemas de vigilância, navegação, monitorização do tempo e astronomia)monitorização do tempo e astronomia)

Alcance espectral8 a 12 μm8 a 12 μm

Arrefecimento

Uma pequeno motor fazUma pequeno motor faz

circular hélio de tal modo,

fque consegue arrefecer

a câmara da temperatura

bi t 208ºCambiente para -208ºC,

em 8 minutosFonte: JPL



Aplicações

Industria Petroquimica

Fonte: Flir



Aplicações

Manutenção industrial



Fonte: Flir

Aplicações

Manutenção industrial



Fonte: Flir

Aplicações

Industria siderúrgica

Fonte: Flir



Aplicações

Distribuição eléctrica

Fonte: Flir



Aplicações

Inspecções marinhas



Fonte: Flir

Aplicações

Investigação

Fonte: Flir



Aplicações

Infiltrações



Fonte: Flir

Referencias

• en.wikipedia.org

• www.extech.com

www inframation org• www.inframation.org

• www.flirthermography.com

• www.attinfrared.com

t• www.zytemp.com

• www.amperesautomation.hpg.ig.com.brp pg g

• www.nasa.gov



• www.vicotrylighting.co.uk

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