Termografia - Thermography

Termograma de um edifício tradicional em segundo plano e uma " casa passiva " em primeiro plano

A termografia infravermelha ( IRT ), vídeo térmico e imagem térmica , é um processo em que uma câmera térmica captura e cria uma imagem de um objeto usando a radiação infravermelha emitida pelo objeto em um processo, que são exemplos da ciência da imagem infravermelha . As câmeras termográficas geralmente detectam a radiação na faixa infravermelha longa do espectro eletromagnético (cerca de 9.000–14.000 nanômetros ou 9–14 μm ) e produzem imagens dessa radiação, chamadas termogramas . Como a radiação infravermelha é emitida por todos os objetos com temperatura acima do zero absoluto de acordo com a lei da radiação do corpo negro , a termografia torna possível ver o ambiente com ou sem iluminação visível . A quantidade de radiação emitida por um objeto aumenta com a temperatura; portanto, a termografia permite ver as variações de temperatura. Quando vistos por uma câmera de imagem térmica, os objetos quentes se destacam bem contra fundos mais frios; humanos e outros animais de sangue quente tornam - se facilmente visíveis contra o meio ambiente, dia ou noite. Como resultado, a termografia é particularmente útil para os militares e outros usuários de câmeras de vigilância .

Termograma de um gato

Algumas mudanças fisiológicas em seres humanos e outros animais de sangue quente também podem ser monitoradas com imagens térmicas durante o diagnóstico clínico. A termografia é usada na detecção de alergias e na medicina veterinária . Alguns praticantes de medicina alternativa promovem seu uso para exames de mama , apesar da advertência do FDA de que "aqueles que optam por este método em vez da mamografia podem perder a chance de detectar o câncer em seu estágio inicial". Funcionários do governo e do aeroporto usaram a termografia para detectar casos suspeitos de gripe suína durante a pandemia de 2009.

Câmera e tela de imagem térmica. A imagem térmica pode detectar temperatura corporal elevada, um dos sinais do vírus H1N1 ( gripe suína ).

A termografia tem uma longa história, embora seu uso tenha aumentado dramaticamente com as aplicações comerciais e industriais dos últimos cinquenta anos. Os bombeiros usam a termografia para ver através da fumaça , encontrar pessoas e localizar a base de um incêndio. Os técnicos de manutenção usam a termografia para localizar juntas e seções de superaquecimento de linhas de energia , que são um sinal de falha iminente. Os técnicos de construção civil podem ver as assinaturas térmicas que indicam vazamentos de calor em um isolamento térmico defeituoso e podem usar os resultados para melhorar a eficiência das unidades de aquecimento e ar condicionado.

A aparência e a operação de uma câmera termográfica moderna costumam ser semelhantes às de uma filmadora . Freqüentemente, o termograma ao vivo revela variações de temperatura tão claramente que uma fotografia não é necessária para análise. Um módulo de gravação, portanto, nem sempre está embutido.

As câmeras de imagem térmica especializadas usam matrizes de plano focal (FPAs) que respondem a comprimentos de onda mais longos (infravermelho de comprimento de onda médio e longo). Os tipos mais comuns são InSb , InGaAs , HgCdTe e QWIP FPA. As tecnologias mais recentes usam microbolômetros não resfriados de baixo custo como sensores FPA. Sua resolução é consideravelmente menor do que a das câmeras ópticas, principalmente 160x120 ou 320x240 pixels , até 1280 x 1024 para os modelos mais caros. As câmeras de imagem térmica são muito mais caras do que suas contrapartes de espectro visível, e os modelos mais sofisticados costumam ter restrições de exportação devido aos usos militares dessa tecnologia. Bolômetros mais antigos ou modelos mais sensíveis, como InSb, requerem resfriamento criogênico , geralmente por um refrigerador de ciclo Stirling em miniatura ou nitrogênio líquido .

Energia térmica

Uma comparação de uma imagem térmica (em cima) e uma fotografia comum (em baixo). O saco plástico é quase transparente para infravermelho de longo comprimento de onda, mas os óculos do homem são opacos.
Este termograma mostra aquecimento excessivo em um terminal em um bloco de fusíveis elétrico industrial.

Imagens térmicas, ou termogramas, são na verdade exibições visuais da quantidade de energia infravermelha emitida, transmitida e refletida por um objeto. Como existem várias fontes de energia infravermelha, é difícil obter uma temperatura precisa de um objeto usando este método. Uma câmera de imagem térmica é capaz de realizar algoritmos para interpretar esses dados e construir uma imagem. Embora a imagem mostre ao visualizador uma aproximação da temperatura na qual o objeto está operando, a câmera está, na verdade, usando várias fontes de dados com base nas áreas ao redor do objeto para determinar esse valor em vez de detectar a temperatura real.

Este fenômeno pode se tornar mais claro ao considerar a fórmula:

Energia radiante do incidente = Energia radiante emitida + Energia radiante transmitida + Energia radiante refletida;

onde a energia radiante incidente é o perfil de energia radiante quando visto através de uma câmera de imagem térmica. A potência radiante emitida é geralmente o que se pretende medir; energia radiante transmitida é a energia radiante que passa pelo sujeito a partir de uma fonte térmica remota, e; energia radiante refletida é a quantidade de energia radiante que reflete na superfície do objeto a partir de uma fonte térmica remota.

Este fenômeno ocorre em todos os lugares, o tempo todo. É um processo conhecido como troca de calor radiante, uma vez que potência radiante × tempo é igual a energia radiante . No entanto, no caso da termografia infravermelha, a equação acima é usada para descrever a energia radiante dentro da banda de passagem do comprimento de onda espectral da câmera de imagem térmica em uso. Os requisitos de troca de calor radiante descritos na equação se aplicam igualmente a cada comprimento de onda no espectro eletromagnético .

Se o objeto está irradiando a uma temperatura mais alta do que seu ambiente, então a transferência de energia estará ocorrendo e a energia estará irradiando de quente para frio, seguindo o princípio estabelecido na segunda lei da termodinâmica . Portanto, se houver uma área fria no termograma, esse objeto estará absorvendo a radiação emitida pelo objeto quente.

A capacidade dos objetos de emitir é chamada de emissividade , de absorver radiação é chamada de absortividade . Em ambientes externos, o resfriamento convectivo do vento também pode precisar ser considerado ao tentar obter uma leitura precisa da temperatura.

Em seguida, a câmera de imagem térmica empregaria uma série de algoritmos matemáticos. Como a câmera só consegue ver a radiação eletromagnética impossível de detectar com o olho humano , ela criará uma imagem no visualizador e gravará uma imagem visível, geralmente no formato JPG .

Para desempenhar a função de registrador de temperatura sem contato, a câmera irá alterar a temperatura do objeto que está sendo visualizado com sua configuração de emissividade.

Outros algoritmos podem ser usados ​​para afetar a medição, incluindo a capacidade de transmissão do meio de transmissão (geralmente o ar) e a temperatura desse meio de transmissão. Todas essas configurações afetarão a saída final para a temperatura do objeto que está sendo visualizado.

Essa funcionalidade torna a câmera de imagem térmica uma excelente ferramenta para a manutenção de sistemas elétricos e mecânicos na indústria e no comércio. Usando as configurações adequadas da câmera e sendo cuidadoso ao capturar a imagem, os sistemas elétricos podem ser digitalizados e os problemas podem ser encontrados. Falhas com purgadores de vapor em sistemas de aquecimento a vapor são fáceis de localizar.

Na área de economia de energia, a câmera de imagem térmica pode fazer mais. Como ele pode ver a temperatura de radiação efetiva de um objeto, bem como para onde esse objeto está irradiando, ele pode ajudar a localizar fontes de vazamentos térmicos e regiões superaquecidas também.

Emissividade

Emissividade é um termo frequentemente mal compreendido e mal utilizado. Representa a capacidade de um material de emitir radiação térmica e é uma propriedade ótica da matéria .

Cada material tem uma emissividade diferente, que pode variar de acordo com a temperatura e o comprimento de onda infravermelho. Por exemplo, superfícies de metal limpas têm emissividade que diminui em comprimentos de onda mais longos; muitos materiais dielétricos, como quartzo (SiO2), safira (Al2O3), fluoreto de cálcio (CaF2), etc., têm emissividade que aumenta em comprimentos de onda mais longos; óxidos simples, como óxido de ferro (Fe2O3) exibem emissividade relativamente plana no espectro infravermelho.

A emissividade de um material pode variar de um valor teórico 0,00 (totalmente sem emissão) a um igualmente teórico 1,00 (totalmente emissor). Um exemplo de substância com baixa emissividade seria a prata, com coeficiente de emissividade de 0,02. Um exemplo de substância com alta emissividade seria o asfalto, com coeficiente de emissividade de 0,98.

Um corpo negro é um objeto teórico com emissividade 1 que irradia radiação térmica característica de sua temperatura de contato. Ou seja, se a temperatura de contato de um radiador de corpo preto termicamente uniforme fosse 50 ° C (122 ° F), o corpo preto emitiria radiação térmica característica de 50 ° C (122 ° F).

Termograma de uma cobra segurada por um humano

Um objeto comum emite menos radiação infravermelha do que um corpo negro teórico. A fração de sua emissão real para a emissão teórica (do corpo negro) é sua emissividade (ou coeficiente de emissividade).

Para fazer uma medição de temperatura de um objeto usando um gerador de imagens infravermelho, é necessário estimar ou determinar a emissividade do objeto. Para um trabalho rápido, um termógrafo pode consultar uma tabela de emissividade para um determinado tipo de objeto e inserir esse valor no imager. O imageador então calcularia a temperatura de contato do objeto com base no valor inserido na tabela e na emissão do objeto de radiação infravermelha detectada pelo imageador.

Para obter uma medição de temperatura mais precisa, um termógrafo pode aplicar um material padrão de alta emissividade conhecida à superfície do objeto. O material padrão pode ser tão complexo quanto o spray de emissividade industrial produzido especificamente para esse propósito, ou tão simples quanto uma fita isolante preta padrão , com emissividade de cerca de 0,97. A temperatura conhecida do objeto pode então ser medida usando a emissividade padrão. Se desejado, a emissividade real do objeto (em uma parte do objeto que não é coberta pelo material padrão) pode ser determinada ajustando a configuração do termovisor para a temperatura conhecida. Existem situações, no entanto, em que esse teste de emissividade não é possível devido a condições perigosas ou inacessíveis. Nessas situações, o termógrafo deve contar com tabelas.

Diferença do filme infravermelho

O filme IR é sensível à radiação infravermelha (IR) na faixa de 250 a 500 ° C (482 a 932 ° F), enquanto a faixa da termografia é de aproximadamente −50 a 2.000 ° C (−58 a 3.632 ° F). Portanto, para que um filme infravermelho funcione termograficamente, ele deve estar acima de 250 ° C (482 ° F) ou refletir a radiação infravermelha de algo que seja pelo menos tão quente.

Os dispositivos infravermelhos de visão noturna captam imagens no infravermelho próximo, logo além do espectro visual, e podem ver o infravermelho próximo emitido ou refletido em completa escuridão visual. No entanto, novamente, eles geralmente não são usados ​​para termografia devido aos requisitos de alta temperatura, mas são usados ​​com fontes ativas de infravermelho próximo.

Dispositivos de visão noturna do tipo Starlight geralmente ampliam apenas a luz ambiente .

Termografia passiva vs. ativa

Todos os objetos acima da temperatura zero absoluta (0  K ) emitem radiação infravermelha . Portanto, uma excelente maneira de medir as variações térmicas é usar um dispositivo de visão infravermelho , geralmente uma câmera infravermelha de matriz de plano focal (FPA) capaz de detectar radiação no infravermelho de onda média (3 a 5 μm) e longa (7 a 14 μm) bandas, denotadas como MWIR e LWIR, correspondendo a duas das janelas de infravermelho de alta transmitância . Perfis de temperatura anormais na superfície de um objeto são uma indicação de um problema potencial.

Na termografia passiva , os recursos de interesse estão naturalmente em uma temperatura mais alta ou mais baixa do que o fundo. A termografia passiva tem muitas aplicações, como vigilância de pessoas em uma cena e diagnóstico médico (especificamente termologia ).

Na termografia ativa , uma fonte de energia é necessária para produzir um contraste térmico entre o recurso de interesse e o plano de fundo. A abordagem ativa é necessária em muitos casos, visto que as peças inspecionadas geralmente estão em equilíbrio com o ambiente. Dadas as super-linearidades da radiação do corpo negro , a termografia ativa também pode ser usada para aumentar a resolução dos sistemas de imagem além de seu limite de difração ou para obter microscopia de super-resolução .

Vantagens

Ele mostra uma imagem visual para que as temperaturas em uma grande área possam ser comparadas. É capaz de capturar alvos móveis em tempo real. É capaz de detectar deterioração, ou seja, componentes de alta temperatura antes de sua falha. Pode ser usado para medir ou observar áreas inacessíveis ou perigosas por outros métodos. É um método de teste não destrutivo. Ele pode ser usado para localizar defeitos em eixos, tubos e outras peças de metal ou plástico. Ele pode ser usado para detectar objetos em áreas escuras. Tem alguma aplicação médica, essencialmente em fisioterapia .

Limitações e desvantagens

Existem várias câmeras mais baratas e mais caras. Câmeras de qualidade geralmente têm uma faixa de preço alta (geralmente US $ 3.000 ou mais) devido ao custo da matriz de pixels maior (estado da arte 1280 x 1024), enquanto os modelos mais baratos (com matrizes de pixels de 40x40 até 160x120 pixels) são também disponível. Menos pixels reduzem a qualidade da imagem, tornando mais difícil distinguir os alvos próximos no mesmo campo de visão.

Também há uma diferença na taxa de atualização. Algumas câmeras podem ter apenas um valor de atualização de 5 a 15 Hz, outras (por exemplo, FLIR X8500sc) 180 Hz ou até mais no modo sem janela inteira.

Além disso, a lente pode ser integrada ou não.

Muitos modelos não fornecem as medidas de irradiância usadas para construir a imagem de saída; a perda dessas informações sem uma calibração correta para emissividade, distância e temperatura ambiente e umidade relativa acarreta que as imagens resultantes são medidas inerentemente incorretas de temperatura.

As imagens podem ser difíceis de interpretar com precisão quando baseadas em certos objetos, especificamente objetos com temperaturas erráticas, embora esse problema seja reduzido na geração de imagens térmicas ativas.

As câmeras termográficas criam imagens térmicas com base na energia de calor radiante que recebe. Como os níveis de radiação são influenciados pela emissividade e reflexão da radiação, como a luz solar da superfície que está sendo medida, isso causa erros nas medições.

  • A maioria das câmeras tem precisão de ± 2% ou pior na medição de temperatura e não são tão precisas quanto os métodos de contato.
  • Métodos e instrumentos são limitados para detectar diretamente as temperaturas da superfície.

Formulários

Termograma de pipa revelando recursos em / sob um campo de jogo relvado. A inércia térmica e a transpiração / evaporação diferencial estão envolvidas
Imagens térmicas UAS de um painel de painéis solares na Suíça
Mira de rifle térmico AN / PAS-13 montada em um rifle AR-15

As câmeras de imagem térmica convertem a energia do comprimento de onda infravermelho em uma exibição de luz visível. Todos os objetos acima do zero absoluto emitem energia infravermelha térmica, de modo que as câmeras térmicas podem ver passivamente todos os objetos, independentemente da luz ambiente. No entanto, a maioria das câmeras térmicas vê apenas objetos com temperatura superior a −50 ° C (−58 ° F).

O espectro e a quantidade de radiação térmica dependem fortemente da temperatura da superfície de um objeto . Isso possibilita que uma câmera de imagem térmica exiba a temperatura de um objeto. No entanto, outros fatores também influenciam a radiação, o que limita a precisão dessa técnica. Por exemplo, a radiação depende não apenas da temperatura do objeto, mas também é uma função da emissividade do objeto. Além disso, a radiação se origina dos arredores e é refletida no objeto, e a radiação do objeto e a radiação refletida também serão influenciadas pela absorção da atmosfera .

Padrões

ASTM International (ASTM)
  • ASTM C1060, Prática padrão para inspeção termográfica de instalações de isolamento em cavidades de envelope de edifícios de estrutura
  • ASTM C1153, Prática Padrão para a Localização de Isolamento Úmido em Sistemas de Cobertura Usando Imagem Infravermelha
  • ATSM D4788, Método de Teste Padrão para Detecção de Delaminação em Decks de Ponte Usando Termografia Infravermelha
  • ASTM E1186, Práticas Padrão para Detecção de Local de Vazamento de Ar em Envelopes de Edifícios e Sistemas de Barreira de Ar
  • ASTM E1934, guia padrão para examinar equipamentos elétricos e mecânicos com termografia infravermelha
  • Padrão para inspeção infravermelha de sistemas elétricos e equipamentos rotativos
  • Padrão para inspeção infravermelha de telhados isolados
  • Padrão para inspeção infravermelha de envelopes de edifícios
  • Padrão para inspeções infravermelhas para detectar pragas e danos relacionados a pragas
  • Padrão para inspeção de infravermelho de sistemas fotovoltaicos (PV) instalados
  • Padrão para inspeção de infravermelho de iates recreativos e pequenas embarcações construídas de plástico reforçado com fibra de vidro e materiais compostos
  • Padrão para imagem térmica infravermelha de cavalos
  • Padrão para medição e compensação de emissão usando radiômetros de imagem infravermelha
  • Padrão para medição e compensação de temperatura refletida usando radiômetros de imagem infravermelha
  • Padrão para medição e compensação de transmitância de um meio atenuante usando radiômetros de imagem infravermelha
  • Padrão para medição de distância / valores de tamanho do alvo para radiômetros de imagem infravermelha
Organização Internacional de Padronização (ISO)
  • ISO 6781, Isolamento térmico - Detecção qualitativa de irregularidades térmicas em envelopes de edifícios - Método infravermelho
  • ISO 18434-1, Monitoramento de condição e diagnóstico de máquinas - Termografia - Parte 1: Procedimentos gerais
  • ISO 18436-7, Monitoramento de condição e diagnóstico de máquinas - Requisitos para qualificação e avaliação de pessoal - Parte 7: Termografia

Contrapartida biológica

A termografia, por definição, é por meio de um instrumento (artefato), mas algumas criaturas vivas têm órgãos naturais que funcionam como contrapartes dos bolômetros e, portanto, possuem um tipo bruto de capacidade de geração de imagens térmicas ( termocepção ). Um dos exemplos mais conhecidos é o sensor infravermelho em cobras .

Termografia CCD e CMOS

Contornos de cor de temperatura para uma brasa fumegante medida com uma câmera CMOS.

Os sensores CCD e CMOS não especializados têm a maior parte de sua sensibilidade espectral na faixa de comprimento de onda da luz visível. No entanto, ao utilizar a área de "rastreamento" de sua sensibilidade espectral, ou seja, a parte do espectro infravermelho chamado infravermelho próximo (NIR), e usando uma câmera CCTV de prateleira, é possível, em certas circunstâncias, obter imagens térmicas verdadeiras de objetos com temperaturas de cerca de 280 ° C (536 ° F) e superiores.

Em temperaturas de 600 ° C e acima, câmeras baratas com sensores CCD e CMOS também têm sido usadas para pirometria no espectro visível. Eles têm sido usados ​​para fuligem em chamas, queima de partículas de carvão, materiais aquecidos, filamentos de SiC e brasas latentes. Esta pirometria foi realizada usando filtros externos ou apenas os filtros Bayer do sensor . Ele foi executado usando proporções de cores, escalas de cinza e / ou um híbrido de ambos.

Veja também

Referências

links externos