Técnicas de infravermelhos

Apresentação em tema: "Técnicas de infravermelhos"— Transcrição da apresentação:

1 Técnicas de infravermelhos
Métodos experimentais de energia e ambiente Técnicas de infravermelhos Ricardo Trindade Nº44233 Outubro 2004

2 Introdução Porquê da utilização dos infravermelhos (IV) História
Funcionamento Aparelhos de IV Aplicações Referências

3 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€

4 História 1884, 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 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 LE Boltzmann( ) Fonte: ZyTemp

5 História 1899, 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

6 História 1913, 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 com temperatura mais do baixo do que a ambiente Fonte: ZyTemp

7 HISTÓRIA 1968, 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

8 HISTÓRIA 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

9 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

10 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

11 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

12 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 E= h ν E = Energia [J] h = constante de Planck [6,63x10-34Js] v = frequência [s-1] Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro) Fonte: Raytek

13 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

14 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

15 PRINCIPIOS BÁSICOS Corpo Negro Corpo Real
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 

16 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     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  Fonte: Raytek

17 PRINCIPIOS BÁSICOS Emissividade
Um 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

18 PRINCIPIOS BÁSICOS ε+ρ+=1 Corpo negro: ε=1, ρ==0 Corpo transparente:
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 Espelho 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 capacidade emissiva é constante (para T e  considerados) e menor que 1, assim temos: Corpo cinzento: ε+ρ=1

19 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

20 PRINCIPIOS BÁSICOS Emissividade
Emissividades típicas consideradas em termografia

21 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 a temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho Fonte: Raytek

22 FUNCIONAMENTO 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 Fonte: Raytek

23 FUNCIONAMENTO 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. Fonte: Raytek

24 Aparelhos de IV HR101 Este aparelho mede a humidade relativa, temperatura do ar (com uma sonda) e a temperatura de uma superfície (a partir de infravermelhos) A função de IV inclui um ponteiro laser para indicar do alvo Fonte: ExTech

25 Aparelhos de IV 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 Fonte: LI-COR Inc

26 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

27 Aparelhos de IV Mikron 7515 (Inspecções, investigação e aplicações médicas) Alcance espectral onda longa Gamas de temperaturas -40 a 350 ºC Arrefecimento não arrefecida Sensibilidade térmica <0,10 a 30 ºC Ajustes de emissividade 0,10-1,0 Preço 12.000€ a € Fonte: Stockton

28 Aparelhos de IV FLIR 390 (Inspecções, investigação e aplicações médicas) Alcance espectral onda média Gamas de temperaturas -10 a 450 ºC Arrefecimento ventoinha Sensibilidade térmica <0,07 a 30 ºC Ajustes de emissividade 0,10-1,0 Preço 12.000€ a € Fonte: Stockton

29 Aparelhos de IV Raytheon 2000AS (vigilância, investigação e aplicações médicas) Alcance espectral onda longa Gamas de temperaturas -20 a 1500 ºC Arrefecimento não arrefecida Sensibilidade térmica <0,10 a 30 ºC Ajustes de emissividade 0,10-1,0 Preço 4.000€ a € Fonte: Stockton

30 Aparelhos de IV 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 Fonte: JPL

31 Aplicações Industria Petroquimica Fonte: Flir

32 Aplicações Manutenção industrial Fonte: Flir

33 Aplicações Manutenção industrial Fonte: Flir

34 Aplicações Industria siderúrgica Fonte: Flir

35 Aplicações Distribuição eléctrica Fonte: Flir

36 Aplicações Inspecções marinhas Fonte: Flir

37 Aplicações Investigação Fonte: Flir

38 Aplicações Infiltrações Fonte: Flir

39 Referencias en.wikipedia.org www.extech.com www.inframation.org