Termografia - Física Aplicada

Arquivo:Infrared dog.jpg

Termograma da face um Cachorro.

A termografia é uma técnica de sensoriamento remoto que forma uma imagem térmica de um corpo ou de um cenário. É um método avançado de ensaio não destrutivo. O equipamento utilizado é chamado de câmera termográfica que forma uma imagem térmica e possui vários recursos para a correção dos valores destas temperaturas. Isto permite visualizar o perfil térmico e medir as variações de calor emitidas pelas diversas regiões da superfície a ser analisada, sem o contato com a mesma. Assim é possível formar uma imagem térmica ou termograma.

Tem sido utilizada em áreas cada vez mais diversas, da militar, médica, indústria, pesquisa, chegando até ao comportamento humano. Nos últimos anos, os baixos custos permitiram uma disseminação ainda maior.

As novas tecnologias, a transformação na forma da construir o conhecimento e a estrutura do sistema social atual, convergem para explorar e mostrar o potencial dessa técnica. Uma das faces dos avanços na tecnologia do equipamento utilizado, faz simplificar o seu uso e induzir os iniciantes à conclusões errôneas, devido ao completo desconhecimento dos princípios básicos envolvidos.

Problematização

Propomos iniciar o entendimento do assunto analisando um fenômeno muito comum em nosso dia a dia e que envolve energia térmica; A FUMAÇA. Para começar, vamos tentar responder a seguinte pergunta: o que acontece com a fumaça logo após ser produzida? Qual o seu movimento? Pensem a respeito da fumaça vista em nosso dia a dia.

Vejamos algumas fotografias:

• Fumaça em Diversas Situações
• Fumaca1.jpg

  A agressão da chaminé de uma fábrica.

• Fumaca2.jpg

  A nostalgia da chaminé de um velho trem.

• FumacaCigarro.jpg

  A perseguida fumaça de um pequeno cigarro.

• FumacaVulcao.jpg

  Ou a temida de um grande vulcão.

• Fumaca3.jpg

  Uma desconhecida fumaça qualquer.

• FumacaCastical.jpg

  A fumaça do fogo no castiçal.

Agora convidamos você a observar algumas fotografias de diversas situações envolvendo fumaça. Vamos ver? Imagens

Temos experiencias diárias com fumaça, seja nas chaminés de industrias, lareiras ou fogões caseiros, uma fogueira no terreno baldio, dos escapamentos dos automóveis entre outros. Ao pensarmos em seus movimentos, seria razoável se respondessemos que a fumaça sobe.

Mas para qualquer situação a fumaça irá subir? Vamos propor uma experiência que nos auxilie neste estudo. Vamos colocar fogo na extremidade de uma folha de papel enrolada. A outra extremidade fica dentro de uma garrafa de plástico. O que será que acontece com a fumaça em ambas as extremidades? Você consegue imaginar? Então vamos ver o vídeo?

O que aconteceu com a fumaça em ambas as extremidades? Onde havia a chama, a fumaça subiu. Na extremidade oposta, dentro da garrafa, a fumaça desceu como se fosse "areia". Você faz ideia do por quê?

Nesse contexto, onde a termografia entra? De que forma podemos utilizar esta técnica para nos responder, ou mostrar um caminho, para que possamos propor um modelo?

Para responder a todas estas questões vamos, primeiramente entender o que é a termografia, como funciona e onde podemos aplicá-la.

O equipamento para realizar a Termográfica

Comumente chamada de Câmera Termográfica, o equipamento mais facilmente encontrado no mercado tem seu principio de funcionamento como sendo basicamente sensores que transformam as ondas eletromagnéticas emitidas pelos corpos, em sinais elétricos, que irão ser processados para formar uma imagem térmica, também conhecida como termograma. Tais sensores são chamados de bolômeros e as câmeras termográficas utilizam de 15 a 300 mil microbolômeros, com atualização da imagem com frequencias entre 15 e 30 Hz. Cada microbolômero equivale a um pixel da imagem.

Arquivo:Chimarrão.jpg

Termogramas de um chimarrão.

Arquivo:Ti20.jpg

Câmera termográfica Ti20 da fabricante FLUKE.

Termograma de um disjuntor industrial, realizado com a Ti20.

Arquivo:CameraP640.jpg

Câmera termográfica P-640.

Arquivo:Termograma com a P640.jpg

Termograma do mesmo disjuntor industrial anterior, realizado com a P-640.

Segue um link para ver uma fotografia e um termograma em várias "paletas", de um chimarrão. [1] Percebeu o que é paleta? É o conjunto de cores que representa as várias temperaturas. Não é apenas uma ferramenta para tornar mais bonita a imagem, pois especialistas em termografia escolhem para cada caso, a paleta mais conveniente.

Segue uma fotografia de uma câmera termográfica Ti20 da fabricante FLUKE. - Ti20.jpg [2]

Segue um termograma de um disjuntor industrial, realizado com a Ti20. - Termograma com a Ti20.jpg [3]

Segue uma fotografia de uma câmera termográfica P-640 da fabricante - CameraP640.jpg [4]

Segue um termograma do mesmo disjuntor industrial, realizado com a P-640. - Termograma com a P640.jpg [5]

Segue em forma de apresentação [6]

De maneira geral, quanto maior o número de microbolômeros, melhor a qualidade da imagem.

Segue um vídeo em infravermelho de uma pessoa.

TERMOGRAFIA NA INDUSTRIA A termografia utilizada como meio eficaz na prevenção de paradas súbitas em equipamentos industriais esta inovando com a prática preditiva como é conhecida e vem auxiliando técnicos de manutenção de equipamentos nas mais diversas áreas da industria,onde conseguem detectar falhas ou quebras através do monitoramneto constante, obtendo desta forma uma avaliação sequencial dos dados fornecidos pela cÂmera termografica antevendo situações que futuramente deixariam uma empresa inoperante por um determinado tempo.

Ao falarmos da câmera percebemos que os seus sensores percebem ondas eletromagnéticas e não temperatura. Como é isso? Na verdade a câmera termográfia lê a intensidade de onda eletromagnética emitida pelo corpo e transforma essa informação em temperatura. A termografia utiliza a onda eletromagnética do infravermelho. Mas o que é a onda eletromagnética?

LINK PARA AS NORMAS DA ABNT: Normas ABNT

Ondas Eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas podem ser caracterizadas como um fenômeno ondulatório constituído por campos elétricos e magnéticos variáveis. Desta forma, quando uma lâmpada emite luz, um satélite orbitando a terra transmite seu sinal, o sol ilumina e aquece a superfície terrestre ou, referente ao nosso assunto, um corpo qualquer emite o que podemos chamar de radiação eletromagnética devido a energia cinética de suas partículas, temos várias ondas constituídas por campos elétricos e magnéticos variáveis sendo geradas e transmitidas. O link a seguir mostra a disposição do campo elétrico e do campo magnético de uma onda eletromagnética: Propagação da Onda Eletromagnética

Para melhor entender o conceito de onda eletromagnética assista ao seguinte vídeo:

Como este fenômeno físico é classificado como uma onda, ele deve ter um comportamento ondulatório e, portanto as mesmas características que qualquer fenômeno ondulatório possui, como frequência, amplitude, velocidade de propagação e comprimento de onda. É justamente esta última característica, o comprimento de onda, que define em que região do espectro eletromagnético está determinada onda. A figura abaixo mostra as diferentes regiões do espectro eletromagnético de acordo com o comprimento de onda (em metros), destacando a faixa que comporta a luz visível:

Arquivo:EM spectrum.svg

Espectro eletromagnético com o espectro de luz visível indicado.

Portanto, temos:

- Raios Gama (Abaixo de 10^-11m);

- Raios-X (10^-11m a 10^-9m);

- Ultravioleta (10^-9m a 4x10^-7m);

- Espectro Visível (4x10^-7m a 7x10^-7m);

- Infra-vermelho (7x10^-7m a 10^-4m) - Região de interesse para a termografia;

- Micro-ondas (10^-4m a 10^-1m);

- Rádio (Acima de 10^-1m);

Podemos agora então, perceber que nossa visão é extremamente limitada e que enxergamos somente uma pequena parte de toda a energia que é liberada tanto por objetos em condições normais de temperatura como por grandes fontes de radiação eletromagnética. Desta forma, para que possamos ampliar nossa capacidade de percepção no que diz respeito a ondas eletromagnéticas, necessitamos de ferramentas tecnológicas que possam converter as imagens formadas por ondas que estão fora do espectro visível para imagens visíveis e, é exatamente esta a função de uma máquina termográfica.

Abaixo podemos ver uma figura que apresenta novamente o espectro de radiação eletromagnético com algumas comparações.

Arquivo:EM Spectrum Properties edit.svg

Espectro eletromagnético.

Explicação Física Para o Problema Inicial

De um lado existe a chama e uma intensa energia térmica, do outro lado a garrafa está aberta ao ambiente, por tanto somente serve para não provocar movimento do ar, mas a energia térmica é bem menor. Assim o movimento da fumaça, de subida de um lado e de descida de outro está associado à energia térmica, ou seja, à temperatura da fumaça. Do lado da chama a fumaça está com temperatura altíssimas. A fumaça como resíduo da queima tem moléculas mais pesadas que o ar, porem em altas temperaturas sua densidade é tão baixa que fica mais leve que o ar e sobe. Próxima da chama, mas dentro do papel enrolado, a fumaça está quente mas está trancada e inicia a troca de energia térmica para o papel, buscando o equilíbrio térmico. O papel esquenta (vamos ver isso com termografia) e a fumaça resfria. A medida que o papel vai queimando a fumaça vai sendo empurrada para cima mas quando chega na outra extremidade sua temperatura está baixa, com alta densidade, mais pesada que o ar, descendo dentro da garrafa. Agora como a termografia pode nos ajudar?

Como a termografia é uma técnica que nos fornece imagens térmicas, ou seja, imagens feitas pelo calor dos corpos, podemos utilizá-la para provar que o papel aqueceu. O papel recebeu a energia térmica da fumaça e aqueceu, logo a fumaça esfriou. Então, caso consigamos perceber com a ajuda da termografia que o papel foi aquecendo, comprovaremos nossa teoria. Para isso vamos ver o vídeo da mesma experiencia, agora em infravermelho.

Video no visível com alguns tipos de queima

Para esta situação a fumação que está na extremidade do papel que tem fogo, sobe. Na extremidade oposta, dentro da garrafa, a fumaça desce. Por que isso acontece? O que você responderia? Quais as variáveis envolvidas?

Nesse contexto, onde a termografia entra? De que forma podemos utilizar a esta técnica para nos responder, ou mostrar um caminho, para que possamos propor um modelo?

Vejamos agora o vídeo produzido com uma câmera termografica... [7] Para um termografista (profissional certificado em termografia), a análise do video em infravermelho propõe uma resposta que envolve a tempratura em locais específicos do experimento. Mas é necessário interpretar o vídeo e para isso vamos ver um pouco de termografia.

Teoria de termografia...

Materiais diversos na internet...

Onde ela é utilizada...

Voltemos agora a tentar interpretar nossa experiencia com a fumaça com a termografia como ferramenta de auxílio. Podemos perceber que a imagem térmica mostra um aquecimento na folha de papel muito além da chama, ou seja, o que está aquecendo o papel não é o fogo mas sim a fumaça que está interna à folha. A medida que a quantidade de fumaça no interior da folha aumenta, ela é pressionada para a extremidade oposta da folha. Ao mesmo tempo ela entrega energia térmica para o papel. Isso é comprovado com a termografia. a medida que a temperatura do papel sobe, a da fumaça desce, buscando um equilíbrio térmico (lei da termodinâmica). Quando a fumaça chega na extremidade da folha, já dentro da garrafa, está com uma temperatura muito menor que a fumaça imediatamente próxima do fogo. Com a temperatura é menor, a densidade é maior e desce.

Agora podemos repensar a pergunta inicial da fumaça... por tanto as variáveis envolvidas são temperatura, densidade, força peso, empuxo...

Agora que já sabemos um pouco mais sobre a termografia podemos ver o vídeo completo em infravermelho, entender o fenômeno da fumaça e comprovar utilizando esta técnica. Vamos ao vídeo: [8]