apostila termografia

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Termografia 1 1 - Conceitos básicos Termografia – É a técnica que permite a medição de temperaturas à distância e a obtenção de imagens térmicas chamadas “termograma” a partir da radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos. Imageamento – É forma de apresentação da informação térmica que permite a observação direta da distribuição de calor nos objetos estudados. Absorção -Processo de conversão da energia radiante incidente em energia térmica por interna. Coeficiente de absorção – Fração do fluxo incidente que é absorvido pro um objeto Coeficiente de transmissão – Fração do fluxo incidente que é transmitida através de um objeto. Coeficiente de reflexão – Fração do fluxo incidente que é refletida por um objeto Emissão térmica – Processo pelo qual a energia térmica de um corpo é convertida em energia radiante. 2 – Teoria da Radiação “... Obtive um prisma triangular de vidro, a fim de com ele tentar reproduzir os Fenômenos das Cores. De modo a poder realizar meu experimento, havia escurecido meu quarto, feito em uma das folhas da janela um pequeno orifício que deixasse passar uma quantidade conveniente de raios de sol, colocando um prisma na entrada de luz,de forma que esta pudesse ser refratada na parede oposta.Inicialmente,esse arranjo propiciou-me um divertimento agradável, dado pela contemplação das cores vivas e intensas produzidas dessa forma; mas depois de um certo tempo, forçando-me a examiná-las mais seriamente, notei para minha surpresa, uma forma oblonga na disposição das cores .” Mas, a composição mais surpreendente foi à brancura. Não há nenhum tipo de raio que, isoladamente, possa exibi-la. Ela é sempre composta e, para se manifestar, é preciso que se componham todas assim chamadas cores primárias, misturadas em proporções adequadas. Com freqüência pude contemplar em estado de admiração, que se fazendo convergir todas as cores produzidas pelo prisma, recombinando-as, portanto, reproduzia-se luz, inteira e completamente branca.”“. Assim Issac Newton descreveu em carta a Royal Societ sua experiência realizada em 1666 sobre a decomposição da luz solar ao atravessar um prisma de vidro, produzindo uma sucessão de raias coloridas: Violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho.A imagem alongada e colorida foi ela denominada “espectro” em alusão ao fato de que as cores estão presentes, mas escondidas na luz branca. A natureza da luz foi motivo de grandes debates desde os tempos da Grécia Antiga. No século XVII experimentos realizados pelo pesquisador holandês Chrstiaan Huygens levaram-no a afirmar que as características da luz eram mais bem definidas como decorrentes de um comportamento ondulatório. Por outro lado Issac Newton defendia, a partir de suas partículas chamadas “corpúsculos”, os quais seriam menores para o violeta e progressivamente maiores na direção do vermelho.

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Termografia

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1 - Conceitos básicos

• Termografia – É a técnica que permite a medição de temperaturas à distância e a obtenção de imagens térmicas chamadas “termograma” a partir da radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos.

• Imageamento – É forma de apresentação da informação térmica que permite a

observação direta da distribuição de calor nos objetos estudados.

• Absorção -Processo de conversão da energia radiante incidente em energia térmica por interna.

• Coeficiente de absorção – Fração do fluxo incidente que é absorvido pro um objeto

• Coeficiente de transmissão – Fração do fluxo incidente que é transmitida através

de um objeto.

• Coeficiente de reflexão – Fração do fluxo incidente que é refletida por um objeto

• Emissão térmica – Processo pelo qual a energia térmica de um corpo é convertida em energia radiante.

2 – Teoria da Radiação

“... Obtive um prisma triangular de vidro, a fim de com ele tentar reproduzir os Fenômenos das Cores. De modo a poder realizar meu experimento, havia escurecido meu quarto, feito em uma das folhas da janela um pequeno orifício que deixasse passar uma quantidade conveniente de raios de sol, colocando um prisma na entrada de luz,de forma que esta pudesse ser refratada na parede oposta.Inicialmente,esse arranjo propiciou-me um divertimento agradável, dado pela contemplação das cores vivas e intensas produzidas dessa forma; mas depois de um certo tempo, forçando-me a examiná-las mais seriamente, notei para minha surpresa, uma forma oblonga na disposição das cores .”

Mas, a composição mais surpreendente foi à brancura. Não há nenhum tipo de raio que, isoladamente, possa exibi-la. Ela é sempre composta e, para se manifestar, é preciso que se componham todas assim chamadas cores primárias, misturadas em proporções adequadas. Com freqüência pude contemplar em estado de admiração, que se fazendo convergir todas as cores produzidas pelo prisma, recombinando-as, portanto, reproduzia-se luz, inteira e completamente branca.”“.

Assim Issac Newton descreveu em carta a Royal Societ sua experiência realizada em 1666 sobre a decomposição da luz solar ao atravessar um prisma de vidro, produzindo uma sucessão de raias coloridas: Violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho.A imagem alongada e colorida foi ela denominada “espectro” em alusão ao fato de que as cores estão presentes, mas escondidas na luz branca.

A natureza da luz foi motivo de grandes debates desde os tempos da Grécia Antiga. No século XVII experimentos realizados pelo pesquisador holandês Chrstiaan Huygens levaram-no a afirmar que as características da luz eram mais bem definidas como decorrentes de um comportamento ondulatório. Por outro lado Issac Newton defendia, a partir de suas partículas chamadas “corpúsculos”, os quais seriam menores para o violeta e progressivamente maiores na direção do vermelho.

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Em meados do século XIX, o físico inglês James Clerk Maxwell propôs ser a luz uma radiação de natureza eletromagnética, e as equações por ele montadas para demonstrá-lo indicavam a existência de outras ondas de mesma natureza. Então o espectro de luz visível observado por Issac Newton deveria ser somente uma pequena parte um contínuo de radiações invisíveis mais amplo. Segundo Maxwell constatou, as notas eletromagnéticas são produzidas pela oscilação de um campo elétrico perpendicularmente a um campo magnético. A distancia entre duas cristas sucessivas definem o comprimento da onda, se essa distância estiver compreendida entre 0,00040 e 0,00075 milímetros a radiação pode ser captada pela retina humana é chamada “luz”.

A apresentação dos trabalhos de Maxwell em 1867 motivou um grande número de pesquisadores a investigar esse novo campo da Física. Entre eles estava Heinrich Hetz, o qual confirmou as afirmações de Maxwell e demonstrou e que as ondas eletromagnéticas se propagam à mesma velocidade que a luz. Estudos posteriores levaram a determinações precisas dessa velocidade: cerca de 299792458m/s no vácuo. A importância da velocidade da luz reside no fato de que seu valor determina a relação entre o comprimento de onda e a freqüência da radiação: λf=c.

Onde:

λ - comprimento de onda em metros

f – freqüência em Hertz c- velocidade da luz em metros por segundo Figura 1.2 – A oscilação eletromagnética A família de ondas eletromagnéticas, englobando os raios gama, raios x, ultravioleta, luz, infravermelho, microondas e ondas de televisão e rádio é denominada “espectro eletromagnético”. O espectro eletromagnético não possui limites inferiores ou superiores definidos, estando dividido de maneira arbitrária em regiões distintas pelo método de produção e detecção da onda. Não existe, no entanto nenhuma diferença fundamental entre as várias radiações, uma vez que todas seguem as mesmas leis de refração, reflexão difração e polarização.

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Figura 1.3 O Espectro Eletromagnético 2.2 – O infravermelho Em 1800, Sir Willian Herschel, repetiu a existência de Newton com a finalidade de determinar qual material deveria ser utilizado como filtro em observações do sol. Ao medir com um termômetro o aquecimento provocado pela incidência de cada uma das cores do espectro, Herschel percebeu, não sem espanto, que isto ocorreria na região escura que se estendia além do extremo vermelho do mesmo. Chamou a essa região do espectro de “calor negro” e “espectro termométrico”. O termo “infravermelho” só foi adotado pro volta de 1880, sendo composto a partir do prefixo latino “infra”, que significa “abaixo”, ou seja, abaixo do vermelho na escala de freqüências. O limite do infravermelho coincide com o limite da percepção visual para o vermelho (0,75μm), enquanto que o superior confunde-se com as microondas no campo milimétrico. O infravermelho é comumente sub-dividido em quatro partes cujos limites são também arbitrariamente escolhidos.

• Infravermelho próximo (0,75 a 3μm) • Infravermelho médio (3 à 6μm) • Infravermelho distante (6 à 15 μm) • Infravermelho extremo (15 a 1000μm)

Outro critério divide o infravermelho em duas regiões a partir do comprimento de onda de 3μm. Abaixo desse valor predomina a radiação refletida (Infravermelho refletido), acima desse valor à emissão própria prevalece (Infravermelho termal).

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Figura 1.4 – Sir Herschel realizando as medições que o levaram à descoberta do infravermelho

Linha do tempo:

• Até 1829 – Mobili desenvolve o primeiro termopar • 1830 – Os termômetros de mercúrio com auxilio de microscópio era possível perceber

incremento 0,1°C

• 1833 – termopilha de meloni (São vários termopares ligados em série e apresentava-se 40 vezes mais sensível que os melhores termômetros da época).

• 1840 – John Herschel (filho do pioneiro faz protótipo de “evaporagraph” (Espécie de

imageador baseado na evaporação diferencial de um filme de óleo)).

• 1843 – Becquerel demonstra a fosforescência de certos materiais sob infravermelho bem como a sensibilidade de filmes fotográficos

• 1883 – Abney detecta 1,3 um com filmes fotográficos especiais.

Década de 1880 surge o bolômetro de langrey (30 vezes mais sensível que a termopilha de melloni).

• 1917 – Case desenvolve o primeiro fotocondutor de Sulfeto de Tálio (primeiro detector quântico)

• Durante a II Guerra Mundial os Alemães desenvolvem vários fotocondutores e

demonstram o ganho de sensibilidade com resfriamento

• Durante a Guerra fria houve grande desenvolvimento na área (Novos materiais, novas técnicas, grande aperfeiçoamento eletrônico).

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2.3 – Leis da radiação

Em 1860 Gustav Kirchhoff demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a capacidade de um corpo absorver e emitir energia radiante. Essa lei é fundamental na teoria da transferência de calor por radiação. Gustav Kirchhoff também propôs o termo “copo negro” para designar um objeto que absorve toda energia radiante que sobre ele incide. Tal objeto, em conseqüência, seria um excelente emissor.Em 1879 Josef Stefan concluiu a partir de medidas experimentais, que total de energia irradiada por um corpo negro é proporcional a quarta potência de sua temperatura absoluta. Ludwing Boltzmann chegou em 1884 às mesmas conclusões, através da termodinâmica clássica, o que resultou na chamada lei Stefan - Boltzmann: W=σ T4

Onde:

W – Energia irradiada (Watts /m2) σ - Constante de Stefan-Bolzmann (5,7 X 10-8 w/m2 K4) T - Temperatura absoluta (k)

Wilheim Wien publicou em 1894 a lei do deslocamento a qual estabelecia a relação entre a temperatura absoluta e o comprimento de onda onde ocorre à máxima emissão de energia.

)m(T

2898max μ=λ

Figura 1.5 – Curva de máxima emissão (tracejada) em função da temperatura

Ao final dos séculos passados, vários pesquisadores tentaram através da Física clássica estabelecer uma lei que determinasse a distribuição espectral da energia irradiada por um corpo negro de acordo com as medições efetuadas em laboratório.A equação que foi proposta por Wien coincidia com o dados experimentais apenas para comprimentos de ondas curtas e baixas temperaturas. Por outro lado, a equação proposta por Lord Rayleygh era válida apenas para comprimentos de onda longos e altas temperaturas; além disso, predizia um crescimento exponencial da energia irradiada em função da freqüência, o que

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foi chamado de “catástrofe do ultravioleta”.Foi o Físico alemão Max Planck quem finalmente reconheceu a necessidade de se abandonar à idéia de que os osciladores elementares, geradores de ondas eletromagnéticas, podiam fazê-lo de maneira contínua ou quantizada da energia radiante, ou seja, os osciladores têm a liberdade de vibrar em qualquer freqüência, mas a emissão de energia decorrente dessa oscilação se dá de forma descontínua. Isto significa que as radiações eletromagnéticas são emitidas na forma de pacotes chamados “quantum” ou “fótons (para a radiação visível), onde a energia é associada a cada pacote é dada pelo produto” h X f “, onde” h “é uma constante e” f “é a freqüência da oscilação. Em 1900, Planck apresentou sua fórmula para a distribuição espectral da energia irradiada. A lei de Planck como é chamada, é apresentada a seguir”:

W = 5Cλ

1e

1T/c −λ

(watts/m2 μm)

Onde:

T – temperatura absoluta (k) λ - comprimento de onda (μm) C e c – constantes

A lei de Planck, quando plotada graficamente para várias temperaturas produz uma família de curvas. Seguindo-se qualquer curva, a energia irradiada é zero para comprimentos de onda próximos a zero, aumenta rapidamente até um máximo e então se aproxima de zero para comprimentos de onda muito longos.

2.4 - Emissividade

Objetos reais raramente se comportam como corpos negros, atuando sobre a radiação incidente de várias formas:

• Uma fração α da radiação pode ser absorvida • Uma fração δ da radiação pode ser refletida • Uma fração τ da radiação pode ser transmitida.

Figura 1.8 – A radiação que atinge um corpo pode ser absorvida (α), refletida (δ) ou transmitida (τ). Somando-se três coeficientes para um mesmo comprimento de onda temos:

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α + δ + τ =1 Para materiais opacos, onde τ =0, essa relação se simplifica para :

α + δ=1

De acordo com a Lei Kirchhoff existe uma igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver a energia incidente e a sua capacidade de remiti-la.Chama-se esta última de “emissividade” a qual pode ser assim definida: “A emissividade é a relação entre a energia irradiada, de um dado comprimento de onda, por qualquer e um corpo negro à mesma temperatura”.

Expressando matematicamente:

WW '

W’ (corpo qualquer) W (corpo negro)

Assim definida, a emissividade assume sempre valores entre 0 e 1 sendo numericamente iguais à fração da radiação absorvida pelo corpo:

=ε α

Para corpos opacos pode-se escrever:

Ou 1=δ+α

ε−=δ 1

A emissividade é uma característica que depende primordialmente da composição química e da textura do material, podendo variar coma a temperatura e com o comprimento de onda, considerado. Assim sendo, a formação de camadas de óxidos, poeira e pinturas alteram os valores de emissividade dos corpos. De um modo geral, há três tipos de corpos, distintos na maneira pela qual sua emissividade varia com o comprimento de onda.

• Corpo negro: quando a emissividade é constante e igual a 1. • Corpo cinza: quando a emissividade é constante e menor que 1 • Corpo real ou radiador seletivo; caso mais próximo da realidade onde a

emissividade varia com o comprimento de onda.

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Figura 1.9 - Variação da emissividade com o comprimento

Considerando a emissividade, a fórmula de Stefa-Boltzmann fica:

W= ε Tσ 4

Portanto, um corpo não negro emite proporcionalmente menos energia que um corpo negro à mesma temperatura. Por outro lado, irá refletir ou transmitir parte da radiação incidente.Considerando-se as relações acima, a quantidade de energia captada por um observador externo a partir de um corpo opaco é a somatória da energia emitida mais a energia refletida, segundo a fórmula abaixo:

Onde:

re wwW +=

40e Tw εα=

)1(TW 4a ε−σ=

Sendo

: temperatura absoluta do objeto. 0T : temperatura absoluta do ambiente aT

Tabela a seguir fornece os valores típicos de emissividade normalmente empregado em medições na faixa do infravermelho. Esses valores são destinados a serem utilizados como guia, pois dependem da resposta espectral do equipamento utilizado para obtê-los.Recomenda-se assim, a verificação dos aparelhos de medições no qual de necessitem maior precisão.

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2.5 - Transmissão atmosférica

Após ser emitida por um corpo, a radiação infravermelha pode interagir com a massa de gases circundantes, tendo vários de seus comprimentos de onda absorvidos e remitidos.A essa interação dá-se o nome de “atenuação atmosférica” e sua ocorrência deve-se a presença de gases contendo três ou mais átomos na molécula e de partículas sólidas em suspensão. A atmosfera terrestre não é inteiramente transparente à radiação infravermelha. Embora seus principais constituintes como o nitrogênio, oxigênio e o argônio não atuem apreciavelmente sobre a radiação infravermelha, o mesmo não ocorre com o vapor d’água e o gás carbônico, os quais absorvem diversos comprimentos de onda entre 1 e 15μm e grande parte da radiação acima de 15μm.Em termos atmosféricos esse fenômeno é denominado “efeito estufa” e a sua ocorrência é responsável por uma elevação da temperatura média da Terra de 30°C em relação ao calculado para uma atmosfera seca e isenta de gás carbônico.Em atmosferas industriais, onde são encontrados altas percentagens de vapor d’água, gás carbônico, gás metano e partículas em suspensão, os efeitos da atenuação e reemissão tornam-se mais pronunciados, o que leva à necessidade da utilização de filtros para seleção de comprimentos de onda menos afetados em instrumentos que realizem medições nessas condições.

3 - Sistemas infravermelhos

3.1 - Histórico A pesquisa do infravermelho limitou-se inicialmente ao efeito do aquecimento provocando pela incidência dessa radiação em um material, assim seu prosseguimento dependeu em grande parte da evolução da termometria. O primeiro instrumento destinado à medição de temperaturas foi o “termoscópio”, inventado por Galileu Galilei em 1595, cujo princípio de funcionamento baseava-se na variação de volume de um gás com a temperatura. Em 1645 já haviam sido fabricados os primeiros termômetros contendo álcool em tubos capilares selados hermeticamente.

Gabriel Fahrenheit foi responsável por dois aprimoramentos importantes na termografia. Inventou em 1714 um método de purificação do mercúrio que permitia seu uso em lugar do álcool, e propôs uma escala de temperaturas tendo como referências o ponto de fusão da água salgada e a temperatura do corpo humano.

Foi com a utilização de termômetros de mercúrio que se realizaram as primeiras tentativas para se determinar como variava o efeito de aquecimento provocado pela luz ao longo do espectro visível. Em 1777 o pesquisador italiano Landrini observou que o aquecimento crescia do violeta para o vermelho. Foi William Herschel, no entanto, quem verificou, em 1800, que o máximo de aquecimento ocorria fora do espectro visível, além do vermelho. Os termômetros empregados por Herschel necessitavam de 16 minutos para cada medição e permitiam uma precisão de 0,2°C.Melhoramentos posteriores aumentaram a precisão desses instrumentos para 0,05°C. Em 1863 Melloni construiu a termopilha, composta de vários termopares ligados em série. A sensibilidade alcançada pelo arranjo era quarenta vezes superiores aos melhores termômetros da época, o suficiente para detectar uma pessoa a dez metros de distância.A primeira imagem térmica foi obtida em 1840 por John Herschel, que desenvolveu um processo de detecção e registro da radiação infravermelha incidente baseado na evaporação diferencial de um filme de óleo, em processo semelhante

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à fotografia.Durante a Segunda Guerra Mundial grande avanços foram feitos na obtenção de sistemas de comunicação, visão noturna e reconhecimento utilizando o infravermelho. Os primeiros sistemas de visão noturna consistiam de uma fonte de iluminação, geralmente um farol dotado de filtro e um conversor de imagens.Sistemas de tipo, integrados ao controle de tiros de tanques, foram empregados pela primeira vez em 1944 pela forças alemãs em combates noturnos na frente russa.

Para o reconhecimento aéreo, os norte-americanos desenvolveram o FLIR (Forward Looking Infrared – Visão dianteira por infravermelho), sistema destinado a executar a varredura do terreno à frente da aeronave e fornecer um mapa térmico que permitisse a localização de tropas e veículos.Ao final da segunda Guerra Mundial, estavam em andamentos os projetos que deram origem aos mísses Sidewinder e Falcon, ambos equipados com sensores infravermelhos capazes de detectar o calor emitido pelas turbinas de aviões inimigos.

3.2 – Elementos do Sistema Infravermelho

A visão humana abrange a faixa espectral compreendida entre os comprimentos de onda de 0,40 a 0,75 μm.A máxima sensibilidade ocorre entre 0,50 e 0,55μm, dependendo do grau de adaptação dos olhos às condições de luminosidade.

Figura 1.10 – Sensibilidade espectral da visão humana para condições de alta luminosidade (curva) e de baixa luminosidade.

Os recursos de fotografia infravermelha se estendem até o comprimento de onda de 0,9 μm, além do qual a energia associada à radiação não é mais suficiente para sensibilizar as emulsões fotográficas as emulsões fotográficas.

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Figura 1.11 – Faixas de utilização dos principais recursos utilizados na detecção da radiação infravermelha.

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A detecção de comprimento de onda mais longo, onde se situa o infravermelho termal é realizado por equipamentos denominados “sistema infravermelho”, os quais realizam a conversão da radiação captada em sinais eletrônicos que possibilitam a formação de imagens térmicas e a medição de temperaturas à distância. Os elementos básicos que compõem um sistema infravermelho são apresentados na figura 1.12 e discutidos em detalhes nos itens seguintes.

Figura 1.12 – Elementos de um sistema infravermelho

3.2.1 – Ótica do Sistema

A ótica de um sistema infravermelho tem como finalidade básica coletar a radiação que incide sobre o mesmo e através de reflexão ou refração direcioná-la ao detector. Pode ainda realizar o controle da radiação que chega ao detector em termos espectrais, por intermédio de filtros, ou de intensidade por meio de diagramas. O direcionamento da radiação por reflexão é realizado com a utilização de superfícies planas ou parabólicas polidas e

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recoberto com materiais de alta refletividade ao infravermelho depositado a vácuo. A refletividade de alguns filmes metálicos mais comumente utilizado é apresentada a seguir:

Comprimento de onda (μm) Refletividade (%)

Alumínio Prata Ouro Cobre

0,5 (visível) 90,4 97,7 47,7 60,0

1,0 93,2 98,9 98,2 98,5

3,0 97,3 98,9 98,3 98,6

5,0 97,7 98,9 98,3 98,7

8,0 98,0 98,9 98,4 98,7

10,0 98,1 98,9 98,4 98,8

Devido à opacidade do vidro à radiação infravermelha, a óptica de refração utiliza lentes fabricadas com materiais especiais, transparentes a essa faixa espectral. Empregam-se semicondutores como germânico e o silício, composto de zinco e cádmio depositados a partir de fase gasosa, e os materiais prensados a quente, comercializados sob o nome de IRTRAN.A figura 1.13 mostra a variação da transparência (transmitância) de alguns desses materiais em função do comprimento de onda. Pelo fato de apresentarem alta refletividade, tais materiais necessitam ter sua transparência ao infravermelho aumentada pela deposição de finais películas anti-reflexo, possibilitando a montagem de conjuntos de lentes que de outra forma seriam impraticáveis pelas grandes perdas de radiação que provocariam.

Figura 1.13 – Variação da transparência dos principais materiais utilizados na óptica infravermelha.

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A óptica de um sistema pode ser caracterizada pelos seguintes parâmetros: campo de visão total, campo de visão instantâneo, distância focal, diâmetro efetivo e abertura. O campo de visão total (FOV – field of view), dado em graus, é definido como a porção angular sensoreada pelo sistema, função não só da parte óptica como também do mecanismo de varredura. O campo de visão instantâneo (IFOV – Instantaneous fiel of view), expresso em radianos, é dado pelo ângulo sólido determinado pela projeção do detector na cena em um dado instante. Figura 1.14 – Campo de Visão Instantâneo (IFOV) 3.2.2 – Mecanismo de Varredura

A função do mecanismo de varredura é efetuar o deslocamento do campo de visão instantâneo do sistema permitindo o sensoreamento de uma cena. A varredura pode se realizada ao longo de uma só direção (varredura linear) ou simultaneamente em duas direções perpendiculares entre si (varredura bidimensional). A seleção do mecanismo de varredura é função do sensoreamento a ser executado pelo sistema e do tipo de detector utilizado. Na figura 1.15 são apresentadas as principais composições entre mecanismos de varredura e detectores.

Detector monoelemento X varredura linear

Detector monoelemento X varredura rápida na horizontal e lenta na vertical

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Detector multielemento X varredura linear com deslocamento vertical após a formação de cada linha

Detector multielemento X varredura linear

Mosaico de elementos Figura 1.15 – Principais composições entre mecanismo de varredura e detectores Os mecanismos de varredura são em sua grande maioria do tipo óptico-mecânico, utilizando espelhos e prismas. Os espelhos efetuam o deslocamento do campo de visão do sistema

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por meio dos movimentos de oscilações e rotação em torno do eixo. Com a utilização de prismas, tal efeito é conseguido através da refração da radiação durante a rotação doa mesmos (figuras 1.16 e 1.17) motivo, pelo qual são fabricados a partir dos mesmos materiais empregados nas lentes.

Figura 1.16 – Três aspectos do deslocamento do campo de visão de um sistema em decorrência da rotação de um prisma. Figura 1.17 – Mecanismo de varredura bidimensional composto de dois primas ( 1 e 2)

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3.2.3 – Detectores A função dos detectores é converter a energia radiante captada pelo sistema em outra forma mensurável de energia, geralmente um sinal elétrico. O espaço de tempo compreendido entre uma variação no fluxo da energia radiante incidente e a correspondente variação na intensidade do sinal gerado pelo detector é chamado “tempo de resposta” do mesmo. A maior ou menor sensibilidade de um detector é dada por sua “detectividade” grandeza representada pelo símbolo D* (D – estrela), cujas unidades são cm (Hz) 1/2w/1 . Como regra geral, pode-se dizer que o valor D* aumenta com sensibilidade do detector. Segundo a forma como processam a conversão da energia radiante em outra forma de energia, os detectores podem ser classificados em duas categorias: os termodetectores e os fotodetectores.

a) Temodetectores

O princípio de funcionamento dos termodetectores (também chamados detectores termais) baseia-se no efeito de aquecimento causado pela radiação incidente em elemento sensor, alterando alguma propriedade física do mesmo. Para se eficiente o elemento sensor deve ser convenientemente preparado para absorver o máximo de radiação na faixa espectral desejada. As principais características dos termodetectores são a ampla sensibilidade espectral e tempos de respostas relativamente longas, devidas á inércia térmica dos componentes. Em virtude dessas características os termodetectores têm sido aplicados primeiramente em sistemas que devam operar em diversas faixas espectrais e não necessitem de altas freqüências de medição.Os principais termodetectores são descritos a seguir:

• Detector pneumático ou célula de Golay • Termopar • Termopilha • Bolômetro • Detector Piroelétrico

b) Fotodetectores Os fotodetectores (também chamados detectores quânticos) operam pela interação direta entre fótons da radiação incidente e os elétrons no material do detector. Por esse motivo, os fotodetectores são mais sensíveis e possuem tempos de resposta mais curtos que os termodetectores (da ordem de microssegundos ao invés de milisegundos).Nos termodetectores o sinal e proporcional ao total de energia absorvida, enquanto nos fotodetectores este depende do número de fótons que interagem com os elétrons. Os principais tipos de fotodetectores são os fotovoltaicos. 3.3 – Principais sistemas infravermelhos Os principais sistemas infravermelhos têm por objeto transformar a radiação infravermelha captada em informação térmica que dependendo da finalidade a que se destina, pode ser qualitativa ou quantitativa. Com o propósito de atender às necessidades específicas de cada aplicação, diversos tipos de sistemas foram desenvolvidos, diferindo entre si na forma de realizar a varredura da cena, tipo de detector utilizado e n a apresentação da informação. A seguir são apresentados os principais sistemas infravermelhos atualmente em uso.

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3.3.1- Radiômetros São os sistemas mais simples, neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector tipo termopilha ou piroelétrico, onde é transformada em sinal elétrico.Para as realizações das medições, um anteparo (chopper) é alternadamente interposto na trajetória da radiação, servindo como referência. Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são em geral portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis. Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem se memorizados para cálculos de temperaturas e seleção de valores. A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns radiômetros são diretamente conectados com unidades de controle para monitoração de processos a figura 1.18 mostra um radiômetro dotado de microprocessador. Figura 1.18 – Radiômetro Infravermelho 3.3.2 – Sistemas de varredura linear São sistemas nos quais um mecanismo de varredura desloca o campo de visão instantânea do equipamento repetidamente ao longo de uma mesma linha. Em geral esses sistemas apresentam a informação térmica na forma de perfil de temperaturas, mas podem construir imagens linha por linha, desde que haja deslocamento relativo entre o sistema e o objeto a ser observado. Os sistemas de varredura linear são utilizados principalmente na monitoração de processos contínuos e em equipamentos rotativos. Versões mais sofisticadas, capazes de sensoriar várias faixas espectrais simultaneamente(multispectral Scanners) , são empregas no mapeamento térmico do solo a partir de aeronaves e satélites. 3.3.3 – Visores térmicos Os visores térmicos são sistemas desenvolvidos a partir de seus equivalentes militares, destinados a localização noturna de tropas e seus veículos inimigos.Sendo sistemas de excelente portabilidade e robustez, desenvolvidos primordialmente para imageamento e não

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para medição de temperaturas, destina-se à localização de pontos aquecidos e análises térmicas qualitativas, sobretudo em locais de difícil acesso. A geração de imagens nos visores térmicos e realizada a partir de vidicons piroelétricos (PEV) e arranjos de detectores resfriados termeletricamente. Em ambos os casos, a energia necessária para o funcionamento do sistema é fornecida por baterias recarregáveis. 3.2.4 – Termovisores São sistemas imageadores dotados de recursos para análise e medição de distribuição térmica.Ao termovisores compõem-se em geral de uma unidade de câmera e de uma unidade de vídeo (display). Figura 1.19 – Modelos de unidade de Câmera. 4. – Inspeção termográfica A inspeção térmica inclui todos os métodos nos quais aparelhos sensíveis ao calor são usados para medir variações de temperatura nos componentes, estruturas, sistemas ou processos físicos.Métodos térmicos podem ser úteis na detecção de defeitos subsuperficiais ou vazios, desde que a profundidade do defeito não seja maior que sue diâmetro. A inspeção térmica se torna menos efetiva na detecção de defeitos subsuperficiais conforme a espessura do objeto aumenta, porque é maior a possibilidade do defeito ser mais profundo.O principio da inspeção térmica envolve a medição ou mapeamento de temperaturas superficiais quando o fluxo de calor flui para ou através do objeto em teste.Diferenças de temperatura sobre a superfície ou mudanças de temperatura com o tempo, estão relacionadas ao fluxo de calor padrão e pode ser usado para detectar falhas ou para determinar as características de transferência de calor do corpo em teste.

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4.1 – Definições

• Termografia È o ensaio não-destrutivo realizado através da visualização da radiação infravermelha emitida pelos objetos, que permite o registro de imagens térmicas. • Imagem térmica É a imagem produzida a partir da radiação térmica emitida pelos objetos. • Termograma É o registro da imagem térmica obtida no ensaio termográfico. • Temperatura Ambiente É a temperatura do ambiente onde está localizado o objeto a ser inspecionado. • Referência É um objeto com emissividade conhecida tomado como objeto padrão. • Temperatura de referência É a temperatura conhecida da referência utilizada para calibração do instrumento termográfico, quando aplicável. • Isotermas Regiões do objeto a ser inspecionado, com iguais níveis de temperatura.

4.2- Métodos

• Steady – State Method (regime estacionário) É usada para detectar anomalias onde a temperatura varia muito pouco com o tempo.Muitos ou processos ativos termicamente podem ser inspecionados sobre a condição steady state. Por exemplo, uma tubulação que regularmente transporta vapor, pode ter seu isolamento inspecionado procurando-se por pontos quentes.Esse tipo de anomalia geralmente produz grande diferença de temperatura e a imagem resultante é facilmente interpretada. • Timed –Based method (regime transiente) É usado para detectar anomalia onde a temperatura varia durante a inspeção. A diferença de temperatura pode desenvolver e em seguida desaparecer, isto é objeto muda a sua temperatura total para outra. A mudança pode ser ativa ou passivamente produzida. Por exemplo, a retirada de um forjamento a quente, de uma prensa de forjar ou de um molde, irá esfriar até a temperatura ambiente, produzindo diferença de temperatura por um curto período de tempo.

5. Aplicações da termografia A termografia é genericamente definida como a técnica que possibilita a medição de temperatura à distância e a formação de imagens térmicas (termogramas) a partir da radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos em função de sua temperatura

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absoluta. Em seu desenvolvimento, a termografia encontrou uma infinidade de aplicações em diversos campos da atividade humana, como é descrito a seguir. 5.1- Aplicações militares A capacidade de detectar fontes de calor a distância mesmo em condições de má visibilidade ou completa escuridão, confere aos sistemas infravermelho uma grande variedade de aplicações militares, sobre tudo nos armamentos desenvolvidos para combate noturno.Os sistemas militares de imageamento térmico, denominados TIS(thermal imaging systems) ou mais simplesmente sistemas de visão noturna , operam geralmente na faixa espectral entre 8 e 14μm, na qual a atenuação atmosférica é mínima. 5.2 – Astronomia Pelo fato de que mesmo os corpos celestes por demais frios para irradiarem luz própria são emissores de radiação infravermelha, e valendo-se de sua elevada penetração em nuvens de poeira interestrelar opacas à radiação visível, a astronomia infravermelha vasculha um universo muito diferente do observado opticamente. O centro de nossa galáxia, vastas nuvens de gás, estrelas em fase de formação e a distribuição térmica em corpos do sistema solar são alguns dos objetos estudados por esse ramo da astronomia. 5.3 – Aplicações médicas É experiência pessoal para a maioria das pessoas que a reação do corpo a uma infecção provoca o aumento de temperatura que denominamos febre. O desenvolvimento da termometria médica somente teve início no século XVIII com a fabricação dos primeiros termômetros.Com a introdução dos sistemas infravermelhos no mercado civil, no inicio da década de 60, os médicos puderam pela primeira vez observar detalhadamente a distribuição térmica no corpo humano. 5.4 – Aplicações na Indústria do Petróleo e petroquímica Os problemas operacionais que ocorrem em unidades industriais muitas vezes se traduzem em variações na temperatura externa dos equipamentos, tornando viável sua detecção por termografia.São apresentadas a seguir algumas aplicações do método termográfico na indústria de refinação de petróleo e em petroquímica. 5.4.1 – Fornos de processo 5.4.1.1 – Condições dos tubos A aplicação da termografia na inspeção de tubos de fornos é uma de suas utilizações mais importantes, uma vez que são bastante limitadas as informações que podem ser obtidas de um forno em operação através da utilização de outros métodos de inspeção.Em alguns casos, até mesmo a termografia pode ser prejudicada pelas chamas e gases de combustão existentes no interior do equipamento. 5.4.1.2 – Controle de queima

O ajuste de queimadores de um forno é um dos fatores importantes na prevenção de superaquecimento s localizados em decorrência de incidência de chamas em seus tubos.A operação de ajustagem dos queimadores pode, no entanto, ser prejudicada quando o forno utiliza gás combustível, em razão da má visualização das chamas obtidas neste tipo de

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queima. A termografia pode ser utilizada como método auxiliar no processo de regulagem dos queimadores de um forno nestas condições.As indicações sobre a distribuição das chamas no interior do forno são fornecidas através da visualização da imagem térmica dos seus contornos no monitor de vídeo do aparelho.

5.4.1.3 – Descoqueamento

Alguns fornos podem apresentar formação excessiva de coque internamente a seus tubos mesmo em condições de operação, tornando necessária à execução de descoqueamento periódicos.Um dos métodos de descoqueamento utilizado é a queima de coque controlada por meio de vapor e ar (steam-air decoking). A temperatura dos tubos durante este processo é função da injeção vapor-ar e da quantidade e distribuição dos depósitos de coque sendo, portanto, possível à ocorrência de acentuada elevação de temperatura em algumas regiões localizadas.Durante o descoqueamento os queimadores do forno operam apenas para proporcionar temperatura suficiente para a queima do coque.Desta maneira, o nível de chamas e de gases de combustão é menor que durante as operações normais do equipamento, facilitando a aplicação da termografia permite os mapeamentos térmicos contínuo dos tubos, reduzindo em muito o risco de superaquecimento localizado.

5.4.2 – Condições de refratários

O comportamento de revestimentos refratários pode ser avaliado através da análise da imagem térmica da superfície externa dos equipamentos em que esteja instalado.A termografia pode ser utilizada, também em programas de conservação de energia, fornecendo dados, fornecendo dados para cálculo da eficiência de refratários e da perda térmica por radiação pelas paredes de equipamentos como fornos caldeiras. 5.4.3 –Condições de isolamento O comportamento de isolamentos pode ser avaliado de maneira semelhante ao caso de refratário. Também neste caso a termografia pode ser aplicada a programas de conservação de energia. O mapeamento termográfico do isolamento de vasos, torres, tubulação e acessórios pode fornecer os dados necessários para o cálculo da perda térmica que ocorre nesses equipamentos. 5.4.4 – Obstruções de equipamentos Um dos problemas operacionais freqüentes em refinaria de petróleo são as obstruções no interior dos equipamentos, que reduzem ou até mesmo impedem o escoamento normal do fluxo. A inspeção termográfica mostra claramente os tubos obstruídos (mais frios) e permite acompanhar a evolução do seu problema, dando uma idéia bastante precisa das condições do equipamento. Este acompanhamento permite fazer previsões quanto ao tempo de operação, até a parada da unidade, bem como planejar o volume de serviços de manutenção que são necessários. 5.4.5 – Sistemas elétricos A continuidade operacional das unidades de processo está diretamente ligada ao suprimento de energia elétrica através que necessitam. A inspeção de subestações de energia elétrica através da termografia é uma das aplicações mais diretas deste método,

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fornecendo indicações sobre os problemas em seus componentes com facilidade, uma vez que uma grande parte destes problemas se traduz em elevação local de temperatura. 6- Normas de referência A Petrobrás elaborou a nível interno, três normas para padronizar a execução desse exame.

N – 2472 – Ensaio não destrutivo – Termografia N – 2475- Inspeção termográfica em sistemas elétricos N – 2487 – Inspeção termográfica em equipamentos de processo N – 2472 – Define regras gerais para execução do exame. As demais definem condições específicas e critérios de avaliação das imagens térmicas obtidas.

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7- Bibliografia 7.1 – Termografia – Princípios e aplicações AGA - Divisão eletrônica –1984 7.2 – Metals handbook – Nondestructive Evaluation and Quality control – Ninth Edition – Volume 17 7.3- Curso de formação de técnico de inspeção de equipamentos I – REVAP/1994 7.4 – Normas Petrobrás N-2472,N-2475, N-2487