Técnicas de infravermelhos

Ricardo Trindade

Nº44233

Outubro 2004

Métodos experimentais de energia e ambiente

Introdução

• Porquê da utilização dos infravermelhos (IV)

• História

• Funcionamento

• Aparelhos de IV

• Aplicações

• Referências

Porquê da utilização

• Uma imagem vale mais que mil palavras

• A termografia infravermelha é o único diagnóstico técnico que permite instantaneamente visualizar e verificar o comportamento térmico

• As câmaras de IV mostram os problemas térmicos e quantifica-os com precisam através de medição sem contacto

• Em Junho de 2001, a revista “Maintenance Technology” escreveu que um investimento de 1€ em inspecções com infravermelhos tem um retorno de 4€

História1884, O principio

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

• A descoberta de Boltzmann foi simples:Radiação = Temperatura4 x Constante

LE Boltzmann(1844-1906)

Fonte: ZyTemp

• Consequentemente, Boltzmann foi chamado o pais da termografia infravermelha• Neste tipo de técnica, um pequeno processador dentro do aparelho usa esta formula para prever com precisão a temperatura do alvo

História1899, A primeira patente de um pirómetro óptico:• A primeira patente de um pirómetro óptico é devida a Morse em 1899

• Holborn e Kurlbaum, aparentemente sem saber da sua existência, desenvolveram um aparelho similar em 1901

Fonte: ZyTemp

História1913, Se o Titanic tivesse a capacidade de detectar icebergs.....

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

Fonte: ZyTemp

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

HISTÓRIA1968, Emissividade alterada

• A evolução dos IRT vieram de diversas formas.

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

•O aparelho usava um cristal piroeléctrico como detector

Fonte: ZyTemp

1973, Desenvolvimento de um IRT de curto alcance

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

• Usava um ponteiro para indicar o ponto exacto da medição

Fonte: ZyTemp

HISTÓRIA

1977, Revolução de um sensor: termopilha em miniatura• Primeira termopilha em miniatura. O seu sensor é mais pequeno que 4mm2.• O primeiro sensor de infravermelhos em miniatura. Antes desta invenção, este tipo de sensores eram maiores que uma moeda (4mm)

Fonte: ZyTemp

HISTÓRIA

PRINCIPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica• Radiação térmica ou transmissão de calor por

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

material, dada a sua temperatura

• A radiação térmica está relacionada com a energia

libertada devida as oscilações ou transições dos

electrões, átomos, iões ou moléculas mantidos pela

energia interna do material

• Toda forma de matéria com temperatura acima do

zero absoluto emite energia térmica

PRINCIPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica• Nos gases ou outros materiais transparentes

(materiais com absorção interna desprezível), a energia

térmica irradia-se através de seu volume

• Para materiais com alta absorção interna, como os

metais, apenas algumas centenas de camadas

atómicas mais externas contribuem para a emissão de

energia térmica

PRINCIPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica• A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda • Porém, a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calor

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

E= h ν

E = Energia [J]

h = constante de Planck [6,63x10-34Js]

v = frequência [s-1]

PRINCIPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica• Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectro electromagnético, onde está o espectro IV• A zona do visível abrange comprimentos de onda entre

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

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

Fonte: Victory

PRINCIPIOS BÁSICOS

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

com uma temperatura de 700°C• As ondas médias vão desde 1,4 a 3 μm, e

temperaturas típicas de 950°C a 1600°C• As ondas curta 0,78 a 1,4 μm, com temperatura de

2200°C• As ondas longas são o mais ou menos sensível à cor e

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

prontamente pela água, por muitos plásticos e pinturas• As ondas curtas são mais penetrante do que a onda

longa e são boa para metais quentes

Corpo Negro

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

• Nenhuma superfície emite mais radiação IV que um corpo negro à mesma temperatura

Corpo Real

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

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

PRINCIPIOS BÁSICOS

PRINCIPIOS BÁSICOS

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

reflectir energia• A transmissividade () mede a capacidade de um corpo transmitir energia• A absorvidade (α) mede a capacidade de um corpo absorver energia    

Fonte: Raytek

• A reflectividade ρ e a

transmissividade são

conceitos associados à

natureza do objecto

(opaco ou translúcido)

e às condições

atmosféricas na zona

entre sensor e objecto 

PRINCIPIOS BÁSICOS

EmissividadeUm corpo negro possui uma emissividade = 1, um corpo cinzento possui emissividade constante porém < 1 e um corpo não cinzento possui emissividade que varia ao longo de diferentes comprimentos de onda, mas não com a temperatura

Fonte: Raytek

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

ε+ρ+=1

Corpo negro:

ε=1, ρ==0

Corpo transparente:

=1, ρ=ε=0

• No campo de aplicação da termografia as superfícies são na maioria das vezes opacas ao IV =0 e a sua capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e menor que 1, assim temos:

Corpo cinzento: ε+ρ=1

Espelho perfeito:

ρ=1, ε==0

PRINCIPIOS BÁSICOS

Emissividade

Um corpo real tem uma emissão dada pela Lei de Stefan-Boltzmann :

W=σεT4

W= Potencia radiante [W/m2]

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

T = Temperatura absoluta [K]

ε = Emissividade

PRINCIPIOS BÁSICOS

Emissividade

Emissividades típicas consideradas em termografia

PRINCIPIOS BÁSICOS

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

• Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre a temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho

FUNCIONAMENTO

Fonte: Raytek

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

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

FUNCIONAMENTO

Fonte: Raytek

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

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

FUNCIONAMENTO

Fonte: Raytek

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

Aparelhos de IV

Fonte: ExTech

• A função de IV inclui um ponteiro laser para indicar do alvo

Aparelhos de IV

Fonte: LI-COR Inc

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

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

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

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

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

• Comprimento de onda de 6 a 14 µm

Aparelhos de IV

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

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

• Se a superfície alvo tiver alta reflectividade deve-se pintar ou cobrir com fita preta

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

Fonte: ExTech

Mikron 7515 (Inspecções, investigação e aplicações médicas)

Alcance espectralonda longaGamas de temperaturas-40 a 350 ºC

Arrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºC

Ajustes de emissividade0,10-1,0

Preço

12.000€ a 25.000€

Aparelhos de IV

Fonte: Stockton

FLIR 390 (Inspecções, investigação e aplicações médicas) Alcance espectralonda médiaGamas de temperaturas-10 a 450 ºC

ArrefecimentoventoinhaSensibilidade térmica<0,07 a 30 ºC

Ajustes de emissividade0,10-1,0

Preço

12.000€ a 25.000€

Aparelhos de IV

Fonte: Stockton

Raytheon 2000AS (vigilância, investigação e aplicações médicas)

Alcance espectral

onda longa

Gamas de temperaturas-20 a 1500 ºC

Arrefecimentonão arrefecidaSensibilidade térmica<0,10 a 30 ºC

Ajustes de emissividade0,10-1,0

Preço

4.000€ a 11.000€

Aparelhos de IV

Fonte: Stockton

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

Alcance espectral

8 a 12 μm

Arrefecimento

Uma pequeno motor faz

circular hélio de tal modo,

que consegue arrefecer

a câmara da temperatura

ambiente para -208ºC,

em 8 minutos

Aparelhos de IV

Fonte: JPL

Industria Petroquimica

Aplicações

Fonte: Flir

Manutenção industrial

Aplicações

Fonte: Flir

Manutenção industrial

Aplicações

Fonte: Flir

Industria siderúrgica

Aplicações

Fonte: Flir

Distribuição eléctrica

Aplicações

Fonte: Flir

Inspecções marinhas

Aplicações

Fonte: Flir

Investigação

Aplicações

Fonte: Flir

Infiltrações

Aplicações

Fonte: Flir

• en.wikipedia.org

• www.extech.com

• www.inframation.org

• www.flirthermography.com

• www.attinfrared.com

• www.zytemp.com

• www.amperesautomation.hpg.ig.com.br

• www.nasa.gov

• www.vicotrylighting.co.uk

Referencias