termografia - modulo iii_roberto marcio
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Termografia - ModuloTRANSCRIPT
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TERMOGRAFIATERMOGRAFIAMMDULO IIIDULO III
ENGENHARIA DE MANUTENENGENHARIA DE MANUTENO NA O NA GESTO PARA RESULTADOS GESTO PARA RESULTADOS
CEManCEManCENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA ENGENHARIA DE MANUTENCENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA ENGENHARIA DE MANUTENOO
Prof. Dr. Roberto Mrcio de Andrade [email protected] - 9977.8923
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SISTEMAS DE MEDIO DE TEMPERATURA SEM CONTATO:
TERMOCMERAS
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OBJETIVOS
Aplicar os conceitos bsicos de
Termodinmica e Transmisso de Calor na
medio de temperatura sem contato.
Conhecer os sistemas de medio e as
tcnicas para medio de Temperatura sem
contato.
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PrincPrincpiopio de FuncionamentoFuncionamento Todo corpo uma
temperatura finita emite energia, como funo da
temperatura, na forma de onda eletromagntica (na
faixa de 0,1 m a 100 m - radiao trmica).
TEMPERATURA SEM CONTATO
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Visvel
Lei de Wien:
maxT = 2.897,8 m
, , , , m
E (,,,,)[kW/m2 m]
Infravermelho
RADIAO DO CORPO NEGRO
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CORPO CINZENTO
3 - superfcie negra;
4 - superfcie seletiva;
5 - superfcie cinzenta.
En(,T)
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RADIOSIDADE
Radiosidade espectral (J) taxa de radiao que deixa uma unidade de rea de superfcie, em [W/(m2)].
4vvs
4ssns TTGEJ +=+=
G
nEsJ
G
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FLUXO DE CALOR ENTRE DUAS SUPERFCIES CINZENTAS COM MEIO PARTICIPANTE
giji
jiij
FA1
JJq
=
ijq
gijiFA1R
=
iJ jJ
Ai Ti
Aj Tj
ijq
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TERMMETOS SEM CONTATOTipos de termmetros: monocromtico (pirmetro ptico/de filamento); duas cores (razo); radiao total; termocmera.
Existem duas tipologias de sensores: trmicos - a radiao incidente absorvida como calor e o
aumento da temperatura produz uma sinal de sada. Ex.: Termopilha e piroeltrico.
fotodiodo - os ftons incidentes carregam os eltrons da banda de valncia para a banda de conduo, desde que o fton tenha energia maior do que a lacuna de energia entre essas duas bandas.
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TERMMETRO DE FILAMENTO
Sistema ptico que permite o confronto visvel entre a luminosidade de um filamento de tungstnio
incandescente e do objeto de medida.
Trabalha com filtro vermelho a = 0,65 m.
um instrumento usado para T (700 a 4 000)C um instrumento padro para T > 1 235 C.
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TERMMETRO DE FILAMENTO
Observador varia I varia TfImagem do filamento desaparece quando Tf = To
Objeto Lente
Filamento
Filtro vermelho
Ocular
GalvanmetroFilamento incandescente
of TT >
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TRMMETROS DUAS CORES
Determina To a partir da relao entre as emisses monocromticas hemisfricas em dois comprimentos de ondas distintos, 1 e 2.
=
0i
25i
1
exp
i
TC
CE
i
=
120
2
5
1
2 11exp2
1
2
1
TC
EE
Para 1 e 2:
A emisso monocromtica hemisfrica a 1 :
Supondo corpo cinzento 1111= 1111....Medindo-se E1111e E1111,,,, determina-se T0.
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TRMMETROS DUAS CORES
til especialmente em ambientes muito sujos.
Alto custo
Necessidade de se conhecer a emissividade do material nos dois comprimentos de onda de operao.
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TERMMETROS DE RADIAO TOTAL
Resposta espectral de 0,3 m a 20 m. Medem uma poro significativa de toda radiao
trmica emitida pela superfcie. So baratos e simples. Possuem baixa
sensibilidade e so susceptveis a erros de absoro (Logo, devem ser usados muito prximos da superfcie de interesse).
Faixa de temperatura: (200 a 1 300)C Limites de erro: entre 3 % e 4 %
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TERMMETROS TOTAL
Com lenteCom lente
Objeto Sensor termopilha
OcularLenteLenteTo
TTii
TTtt
Com espelho
Objeto Sensor termopilha
Ocular
Espelho
TToo
TTii
TTtt
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SELEO DE UM TERMMETRO DE RADIAO
Faixa de medio de temperatura
Incerteza de medio
Comprimento de onda de operao
Campo de viso (tamanho de alvo/distncia)
Tempo de resposta
Condies ambientais
Calibrao
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USANDO O TERMMETRO DE RADIAO
Conhea a emissividade da superfcie. Gaste algum tempo antes da medio estudando o manual do termmetro e amostras do seu material.
Reflexes. Verifique a existncia de fontes de reflexo prximas a superfcie que vai ser medida (objetos brilhantes, luz solar, chamas, resistncias, paredes de fornos e lmpadas incandescentes.
Ambiente. Evite levar o termmetro em reas com muita poeira, altas temperaturas e umidade excessiva. Acima de 70 C necessrio um sistema de resfriamento.
Absoro . O alvo deve ser visvel ao termmetro. Certifique-se que no hjanelas opacas, fumaa, poeira ou nvoa
Campo de viso O campo de viso deve estar completamente preenchido .
Segurana e exposio a fontes brilhantes. Nunca focalize o sol com o termmetro de radiao.
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EVOLUO TECNOLOGICA DOS
TERMOVISORES
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OBJETIVOS
Apresentar a Evoluo Tecnolgica dos
sensores e funcionamento dos Termovisores
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n =
400 AC: Hipcrates usa a lama medicinal e o toque para determinar doenas de pacientes.
1595: Galileo inventa o thermoscope, cujo princpio de funcionamento baseava-se na variao de volume de um gs com a temperatura
1717: Fahrenheit Inventou um mtodo de purificao do mercrio que permitia seu uso em lugar do lcool. Props uma escala de temperaturas tendo como referncias o ponto de fuso da gua salgada e a temperatura do corpo humano
BREVE HISTRIA DA TERMOMETRIA
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n =
1742: Anders Centgrado, astrnomo sueco, apresentou o Centgrado que e hoje a escala de temperatura mais usada no mundo.
1800: Coube a Willian Herschel verificar que o mximo de aquecimento ocorria fora do espectro visvel, alm do vermelho. Os termmetros empregados por Herschel necessitavam de 16 minutos para cada medio e permitiam uma preciso de 0,2oC.
BREVE HISTRIA DA TERMOMETRIA
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EXPERIMENTO DE HERSCHEL
Em 1800, Sir Willian Herschel descobriu o infravermelho. Ele estava interessado na medida da quantidade de calor associada a cada cor. Para fazer isto ele usou termmetros com bulbos pretos e mediu a temperatura nas diferentes cores do espectro da luz solar que atravessava um prisma. Ele percebeu que a temperatura crescia da parte azul para a parte vermelha do espectro. Ele posicionou o termmetro um pouco alm da parte vermelha do espectro, em uma regio onde no havia incidncia de luz visvel e constatou que a temperatura media era mais alta. Concluiu que deveria haver outro tipo de luz que no podia ser vista. Esta luz ele chamou de infravermelho
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/
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Prisma
Termmetro Fundo branco
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
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Checar a temperatura dos
termmetros distante do espectro,
mas na parte sombreada da caixa.
A imagem acima mostra a
temperatura antes dos termmetros
serem colocados sob o espectro.
Todos os 3 mostram a leitura de 76oF,
quando dispostos na sombra.
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
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A imagem mostra as leituras da temperatura aps um minuto.
O 1 termmetro (regio azul do espectro) mostra a mais baixa leitura, no muito maior que a da rea sombreada da caixa .
O 2 termmetro (regio amarela do espectro) mostra uma temperatura mais alta que a da parte azul.
O 3 termmetro (regio escura) mostra a mais alta temperatura das 3 regies (o sol moveu-se levemente neste tempo em que a imagem foi tomada, e conseqentemente o termmetro mais a direita tem uma poro pequena do bulbo iluminado pelo espectro vermelho).
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
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A diferena entre as 3 leituras continua a crescer at que a temperatura final seja alcanada. A rea escura mostra uma temperatura maior que as reas que esto nas regies iluminadas com a luz visvel.
As leituras finais sero:
azul: 80 oF (26,7C)amarelo: 83 F (28,3C)infravermelho: 86 F (30,0C)
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
-
A diferena entre as temperaturas das cores no espectro varia com o comprimento do espectro, o qual depende de aspectos metereolgicos e da distncia do prisma, crescente do azul para o infravermelho.
Experimento de Herschel descoberta da radiao infravermelha.
EXPERIMENTO DE HERSCHEL
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n =
1840: John Herschel, filho de Willian Herschel, desenvolveu um processo de deteco e registro da
radiao infravermelha incidente baseado na
evaporao diferencial de um filme de leo, em um processo semelhante fotografia.
1860: J. Herschel produziu o primeiro "filme" infra-vermelho
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
-
n =
1929: Czerny inventa evaporagrafo que mais
eficazmente produziu termograma.
1946: O exrcito americano desenvolveu o primeiro scner de linha infra-vermelho. Um termograma foi
produzido reunindo muitas linhas (levou horas).1954: O primeiro scner de imagem infra-vermelho
foi feito. Levou 45 minutos para produzir um
termograma
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
-
n =
1960: Scners infra-vermelhos levaram 4 minutos para produzir uma imagem.
1966: Introduo do primeiro imageador de tempo real comercialmente disponvel", produzindo 20 imagens/segundo. Seus detectores refrigerados a nitrognio liquido.
1985: Introduzido detectores trmicos eletricamente resfriados (Efeito Peltier).
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
-
n =
1990: Introduzido a alta resoluo de imagens formadas pelo espelho com arranjo de plano focal (FPA), capaz de produzir 70.000 pontos por imagem (pixel), com detectores refrigerados nos sistemas Criostato, (Split Stirling)
1997: Detectores sem refrigerao (micro-bolometros), com resoluo melhorada da imagem e preciso de medida de temperatura.
BREVE HISTRIA DA TERMOGRAFIA
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Os equipamentos de termografia j passaram por quatro fases importantes, sendo que, ns como
usurios para aplicaes civis, somos beneficiados
pelos grandes investimentos feitos pelas potencias
militares nessa rea.
INTRODUO AO TERMOVISORES
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n =
1 Gerao Comercial
Arrefecimento do Detector de IR Nitrognio
Obtido pela destilao do ar lquido, se usa em criogenia, j que na presso atmosfrica condensa a -196 C.
usado como veiculo refrigerante.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
1 Gerao ComercialPrimeiro sistema infravermelho de uso
industrial (AGA THV 660) Dcada de 60
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
1 Gerao Comercial
AGADcada de 50 (USO
MILITAR)AGA 680
Dcada de 60 (USO COMERCIAL)
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
1 Gerao Comercial Gerao de Imagens
Tecnologia formao de Imagens
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
2 Gerao ComercialArrefecimento do Detector de IR Termeltrico/PeltierEfeito Peltier uma corrente eltrica forada a passar por junes de metais diferentes, resulta em aquecimento de uma juno e resfriamento da outra.
Os dispositivos prticos de efeito Peltier usam semicondutores para uma maior densidade de corrente e, assim, de potncia.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
2 Gerao Comercial
Em geral o material semicondutor telureto de bismuto altamente dopado para criar semicondutores tipo P e tipo N. Ao circular corrente pelas junes, calor transferido de uma para outra e o dispositivo funciona como um refrigerador sem partes mveis.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
Na prtica no usado apenas um par de junes, mas uma srie delas para maximizar a potncia de resfriamento.Figura 01 as junes so eletricamente ligadas em srie e termicamente em paralelo. Figura 02 vrias sries so agrupadas em forma de matriz, formando um conjunto ou mdulo de aspecto conforme.
Fig. 1 Fig. 2
2 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
2 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
2 Gerao Comercial Fase 2
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
3 Gerao ComercialArrefecimento do Detector de IR Split Stirling/CriostatoO gs Helio comprimido dentro de um micro-cilindro chegando a atingir a temperatura de -192C.A utilizao dessa tcnica no arrefecimento dos detectores faz com que ao ligar a termocmera a formao das imagens trmicas somente acontecem aps alguns minutos.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
Termovisor Prism DS
3 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
Termovisor Agema 550
3 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
4 Gerao ComercialArrefecimento do Detector de IR microbolmetroOrigens: A tecnologia do microbolmetro foi originalmente desenvolvida pela Honeywell, em meados da dcada de 80, como um contrato classificado para Departamento de Defesa dos USA. O Governo Americano homologou a tecnologia em 1992. Aps a homologao, a Honeywell licenciou sua tecnologia para vrios fabricantes.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
4 Gerao ComercialUm microbolmetro um tipo especfico de *bolmetrousado como um detector em uma cmera trmica. uma grade de xido de vandio ou silcio amorfo, com sensores de calor em cima de uma grade correspondente de silcio. A Radiao infravermelha a partir de uma gama especfica de comprimentos de onda atinja o xido de vandio e muda a sua resistncia eltrica.
*BolmetroUm bolmetro funciona como uma resistncia varivel quando aquecida. Formada de finas lminas de platina ou nquel ou de um semicondutor.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
4 Gerao ComercialEssa mudana na resistncia medida e transformada em temperaturas que pode ser representado graficamente. A grade do microbolmetro comumente encontrada em dois tamanhos, uma matriz 320 240 ou menos caro a matriz 160 120. Ambos os arranjos fornecem a mesma resoluo com a maior variedade proporcionando um campo mais vasto para visualizao. As grades maiores, de 640 480 leques foram anunciados em 2005.
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
4 Gerao Comercial
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
4 Gerao Comercial
P20 infrared camera76800 Pixels
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
4 Gerao Comercial
TH7102 infrared camera76800 Pixels
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
-
n =
4 Gerao Comercial
P640 infrared camera307200 Pixels
PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TERMOVISORES
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TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
Campo de viso/distncia mnima(ex.: 24 x 18)/0,3 m
FOV / IFOV
Resoluo espacial (resoluo geomtrica)(ex.: 1,3 mrad)
funo: da dimenso angular de um elementoda matriz de detectores; da nitidez da imagem edo espaamento entre as linhas da matriz.
Est relacionada com a mnima dimenso necessria do objeto, sem que esta afete a temperatura medida
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TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
Sensibilidade trmica (ex.: 0,08 C 30 C)Resoluo trmica
Resoluo de temperatura
NETD = desvio padro da disperso de Tout
causada por rudos no sistema. NETD, influncia
do rudo no circuito eltrico no erro de medio.
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TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
MRTD mnima resoluo da diferena de temperatura. Parmetro importante para verificar a capacidade da termocmera em detectar e identificar o alvo.
MDTD mnima diferena de temperatura identificvel.
Ambos fornecem uma boa indicao da resoluo do sistema e da capacidade de medir pequenos alvos.
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TERMOCMERAS- CARACTERSTICAS METROLGICAS
Resoluo da imagemNmeros de pixels ou nmero de linhas por campo. Estrelacionada com a qualidade da imagem.
Accuracy (Exatido). Ex.: Valor tpico 2 % de Tout mas no menor do que 2 C.
A maioria dos fabricantes no informam as condies ambientais nas quais foram obtidos os resultados (T= 23 C). Em condies reais esta temperatura chega a variar de (-10 a 40) C.
Elementos Elementos pticos. Sensibilidade do pticos. Sensibilidade do detector. Componentes eletrnicosdetector. Componentes eletrnicos
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TERMOCMERAS- REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
International Lighting Vocabulary of CIE
Guide for Spectroscopy Catalog, Jobin Yvon
Hudson R.D., infrared System Engineering, John Wiley & Sons
ASTM
Zissis George J. Infrared & Electro-Optical Systems Handbook
Maldague X.P. The Infrared Methodology and Technology
Chrzanowski, K. Non-Contact Thermometry Measurement Errors,
2001
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INCERTEZA DO RESULTADO NA
MEDIO DE TEMPERATURA
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OBJETIVOS
Identificar as principais fontes de incerteza na edio de temperatura sem contato: termometria de Radiao Infravermelho
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Resultado de uma medio
Procedimento de medio
Termocmera
N de imagensHora do diaPerodo do anoDistancia
Calibrao/avaliaoEstabilidade com o tempo. Temperatura do detectorAjuste da emissividadeLinearizao, Filtro.
RugosidadeEmissividadeTransmitnciaReflectnciaCavidadeFluorescncia
Condies Ambientais
Mensurando
VentoTemperaturaUmidadePoluioAbsoroSujeiraFumaaReflexes
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
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Sinal eltrico de sada da
medio ++
Clculo do sinal
corrigido++
Clculo da temperatura
de sada
Funo inversa Tout = f(Scor)
Hipteses assumidas sobre as condies de
medio
Temperatura ambiente refletida
Emissividade
Transmissividade
Tout
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
PROCESSO DE MEDIO
-
dsTM
FRA
gTS )()(),(14
)( Fbb2 CSdbbbb2
1
+=
a(a)a
opopba(a)bba(a)arcor
)()()1(
TSTSSS
=
( )
ob
bb
bbbbobcorobout
)()((
TTdTdS
TSTSTT
=
=
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
Equao matemtica da medio:
-
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
Temperatura indicada pela termocmera com relao ao ajuste da emissividade (e)
Para-raio tipo cermico e = 0,88 0,02
58
60
62
64
66
68
70
72
74
266 268 270 272 274 276 278Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Temperatura e = 0,88
Temperatura e = 0,75
Termopar (T2)
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
Temperatura indicada pela termocmera com relao ao ajuste da emissividade
Para-raio tipo Cermico = 0,88 0,02
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Termopar de referncia+U95% /C-U95% /Ce = 0,91e = 0,90
e = 0,86
e = 0,85
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
Temperatura indicada pela termocmera com relao o ngulo de viso
Componente n 617 e = 0,15 0,01 - Angulo 60 a esquerda
4042444648505254565860
236 238 240 242 244 246 248Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Termopar de referncia T6Termopar de referncia T7Temperatura e = 0,15
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
58,2
58,4
58,6
58,8
59,0
59,2
59,4
59,6
59,8
60,0
320 321 322 323
Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Termopar de refernciaTemperatura AR01
Temperatura indicada pela termocmera com relao ao ngulo de visoPara-raio do tipo Cermico na posio horizontal com suporte isolado
e = 0,88 0,02
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
Temperatura indicada pela termocmera com relao a selao da rea de medio (AR)Componente n 617
e = 0,15 0,01
62
63
64
65
66
67
68
69
70
216 218 220 222 224 226 228
Imagem
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
/
C
Temperatura AR01
Temperatura AR02
Termopar dereferncia T6Termopar dereferncia T7
TERMOMETRIA SEM CONTATO TERMOGRAFIA
-
CEManCEManCENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA CENTRO DE ESTUDOS EM CINCIAS DA ENGENHARIA DE MANUTENENGENHARIA DE MANUTENOO
RealizaRealizao:o:
ENGENHARIA DE MANUTENENGENHARIA DE MANUTENO NA O NA GESTO PARA RESULTADOS GESTO PARA RESULTADOS