Técnicas de infravermelhos Ricardo Trindade Nº44233 Outubro 2004 Métodos experimentais de energia...
Transcript of Técnicas de infravermelhos Ricardo Trindade Nº44233 Outubro 2004 Métodos experimentais de energia...
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