V156t Valentim, Nina Carla Ribeiro.
Termografia em Instalações Elétricas Industriais / Nina Carla Ribeiro Valentim, Rafael Fonseca Cardoso, Jeferson Valentim Fernandes – 2015.
56 f. : il. Color.
Orientador: Flávio Nassur Espinosa.
Monografia (Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense. Campus Campos Centro, 2015.
Referências bibliográficas: p. 45 - 46.
1. Instalações Elétricas. 2. Termografia. I. Cardoso, Rafael Fonseca. II. Fernandes, Jeferson Valentim III. Espinosa, Flávio Nassur, orient. IV. Título.
CDD – 621.31042
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENÇÃO INDUSTRIAL
IFF - INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE – CAMPUS CAMPOS-CENTRO
RAFAEL FONSECA CARDOSO JEFERSON VALENTIM FERNANDES
NINA CARLA RIBEIRO VALENTIM
TERMOGRAFIA EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
Campos dos Goytacazes 2015
II RAFAEL FONSECA CARDOSO
JEFERSON VALENTIM FERNANDES NINA CARLA RIBEIRO VALENTIM
TERMOGRAFIA EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense, Campus Campos-Centro, como requisito parcial para obtenção de grau de Tecnólogo em Manutenção Industrial.
Orientador: Prof. Flávio Nassur Espinosa – M. Sc.
Campos dos Goytacazes 2015
RAFAEL FONSECA CARDOSO JEFERSON VALENTIM FERNANDES
NINA CARLA RIBEIRO VALENTIM
TERMOGRAFIA EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense, Campus Campos-Centro, como requisito parcial para obtenção de grau de Tecnólogo em Manutenção Industrial.
Orientador: Prof. Flávio Nassur Espinosa – M. Sc.
Aprovada em:
_____________________________________________________________
Banca Avaliadora:
_____________________________________________________________ Prof. Flávio Nassur Espinosa – M. Sc. - Instituto Federal Fluminense.
____________________________________________________________ Prof. Sérgio Martins Vasconcelos– D. Sc. - Instituto Federal Fluminense.
____________________________________________________________ Prof. Anízio Cezar Silveira de Souza– M. Sc. - Instituto Federal Fluminense.
IV AGRADECIMENTOS
Aos nossos pais, familiares e amigos pelo incentivo que foram essenciais na conclusão de mais esta etapa em nossas vidas.
Ao Instituto Federal Fluminense por proporcionar o acesso ao conhecimento, através do curso de Tecnologia em Manutenção Industrial.
Aos professores pela paciência e pelo empenho durante as aulas ministradas no decorrer do curso.
Ao orientador Flávio Nassur Espinosa pelo apoio, pela atenção e por nos proporcionar o acesso ao conhecimento de uma forma mais clara e objetiva.
E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da nossa formação, o nosso muito obrigado.
RESUMO
Esta pesquisa trata da utilização da técnica de Termografia em instalações elétricas e suas aplicações. Após uma pesquisa bibliográfica em materiais atualizados sobre o tema, é apresentado o conceito de Termografia, sua história e utilização em inspeções industriais em instalações elétricas, abordando aspectos como parâmetros e cuidados necessários a uma boa análise. O trabalho foi desenvolvido com base nas práticas existentes em uma indústria bioquímica, buscando evidenciar falhas em painéis de ligações elétricas usando um termovisor FLUKE modelo TI-25. Destaca-se que o principal objetivo da utilização da termografia em painéis, instalações e componentes elétricos é a detecção de pontos quentes, que uma vez ocorridos em qualquer parte do sistema elétrico e não tratada a sua eliminação, tem a potencialidade de causar interrupção do processo, danificar permanentemente a instalação, e até mesmo provocar um acidente de graves consequências.
VI ABSTRACT
This research is about the use of Thermography Technique in electrical systems and applications. After a bibliographical research in updated materials on the subject, is presented the concept of Thermography, its history and use in industrial inspections of electrical installations, observing aspects such as parameters and care to a good analysis. The work was developed based on existing practices in a biochemical industry in order to avoid failures in wiring panels using a thermal image camera FLUKE TI-25 model. It is noteworthy that the main objective of the use of thermography in panels, installations and electrical components is the detection of hot spots, which once occurred in any part of the electrical system and if it doesn’t treat its elimination, has the potential to cause interruption of the process, permanently damage the installation, and even cause an accident of serious consequences.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Representação do Comportamento das Moléculas... ... 6
Figura 2 – Espectro Eletromagnético. ... 8
Figura 3 – Traçado da emitância espectral de um corpo negro radiante. Onde o eixo X representa o comprimento de onda e o eixo Y a radiação emitida pelo corpo. ... 17
Figura 4 – Traçado da emitância espectral corpo negro em escala logarítmica. Onde a reta vermelha representa os pontos onde ߣ atinge o valor máximo em cada curva ... 18
Figura 5 – Termômetro óptico para medir temperatura pontual. ... 21
Figura 6 – Scanner Térmico (HGH Infrared systems) ... 22
Figura 7 – Câmera termográfica (Nec/Avio, 2009) ... 22
Figura 8 - Detector resfriado a nitrogênio líquido, sistema de varredura óptico/mecânico, peso total de 37 kg ... 23
Figura 9 - Detector resfriado eletricamente, sistema de varredura óptico/mecânico, peso de 6,1 kg ... 23
Figura 10 - Detector “não resfriado”, FPA (Focal Plane Array), peso de 2,7 kg ... 23
Figura 11 - Detector “não resfriado”, FPA (Focal Plane Array), peso de 2,0 kg. ... 23
Figura 12 - Detector Flir E30 , peso 825 g. ... 24
VIII Figura 14 – Tensão e corrente em um sistema elétrico em cargas lineares e cargas não
lineares... 28
Figura 15 – Exemplo de ocorrência de harmônicos...28
Figura 16 – Árvore de falha representando as causas de ocorrência ponto quente em instalações elétricas... 30
Figura 17 – Tabela de Classificação de Severidade de Pontos Quentes ... 32
Figura 18 - Painel de Disjuntores PNLL-2951... 34
Figura 19 – Termograma do Painel de Disjuntores PNLL-295 ... 34
Figura 20 - Painel Elétrico do Circuito de Proteção da Bomba de Captação de Água Bruta. . 37
Figura 21 – Termograma do Painel Elétrico do Circuito de Proteção da Bomba de Captação de Água Bruta. ... 37
Figura 22 - Circuito de Proteção do Aerador P8167... 38
Figura 23 – Termograma do Circuito de Proteção do Aerador P8167...39
Figura 24 – Contator de Potência da Bomba P9113B... 40
Figura 25 – Termograma do Contator de Potência da Bomba P9113B... 40
Figura 26 – Disjuntor Geral do Painel PNLE 2701... 41
Figura 28 – Disjuntor Q3 do painel PNLE 2350... 43
X SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Apresentação ... 1 1.2 Tema ... 3 1.3 Problemática ... 3 1.4 Vantagens e Desenvolvimento ... 3 1.5 Objetivo ... 3 1.6 Estrutura do Trabalho ... 4 1.7 Metodologia Aplicada ... 4 1.8 Delimitação do Tema ... 4 2 TERMOGRAFIA ... 5
2.1 A Termografia na Manutenção Industrial ... 5
2.2 Conceito ... 6
2.3 História ... 8
2.4 Aplicação ... 11
2.5 Princípios Básicos em Termografia ... 14
2.6 Equipamentos ... 21
2.7 Termografia em Eletricidade ... 25
3 EXEMPLOS DE APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS ... 32
4 CONCLUSÃO ... 44
1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação
As técnicas de observação de padrões de distribuição de calor são utilizadas desde os tempos remotos da história, quando pensadores da antiguidade identificaram os padrões de distribuição e incluíram suas observações para entendimento da vida e do calor. Ainda não se perguntava como o calor se originava, mas pesquisas eram realizadas para descobrir como o calor se espalhava.
Hipócrates observou variações de temperatura em diferentes partes do corpo humano, considerando o aumento da temperatura do corpo humano como o principal sinal para diagnóstico de doença. Quando uma parte do corpo é mais quente ou mais fria do que o restante, então a doença está presente nesta parte. Hipócrates sentia o calor radiante com o dorso da sua mão e então confirmava esfregando a área com lama e observava onde ela secava e endurecia primeiro. Desta forma nasceu a termografia.
Em meados de 1916 o inventor Americano Theodore Case obteve maiores avanços. Ele realizou experimentos com detectores de fotocondução e conseguiu produzir um sinal através da interação direta com fótons, obtendo assim resultados mais rápidos e sensíveis. Já nas décadas de 40 e 50, essa tecnologia se expandia consideravelmente com as aplicações militares. Nesse mesmo período os cientistas alemães descobriram que era possível aumentar o desempenho do equipamento através do resfriamento. Na década seguinte essa tecnologia começou a ser aplicada ao uso civil, possibilitando assim seu aperfeiçoamento e consequentemente a utilização em setores industriais (FLUKE, 2009).
Avanços rápidos na tecnologia foram observados de 1970 até os nossos dias. Detectores de resfriamento criogênico evoluíram para resfriados eletricamente e, em seguida, para detectores sem resfriamento. Os sistemas de varredura ópticos mecânicos foram substituídos pela tecnologia de FPA (Focal Plane Array), o peso que nos anos 70 chegava próximo dos 40 kg diminuiu para menos de 200g nas câmeras de bolso, as leituras de temperatura passaram a ser mostradas diretamente no monitor do Termovisor e a sensibilidade térmica aumentou consideravelmente (SANTOS, 2006, p. 22).
2 A Termografia utilizada na indústria apresenta uma evolução considerável nas ultimas décadas, pois a temperatura é uma grandeza física que possibilita a identificação de diversos tipos de falhas no âmbito industrial. As diferenças de temperatura em um objeto podem ser indicadores de que um problema está existente, refletindo no desempenho da máquina durante o seu trabalho. As imagens fornecidas por equipamentos termográficos permitem que estas falhas ou problemas sejam detectados e identificados em tempo de prevenir e evitar consequências mais extremas, como parada de uma linha de fabricação ou até mesmo risco de segurança por incêndio.
Através de um relatório, a Termografia mostra onde o problema está localizado, revelando então o ponto quente, detectado em tempo de prevenir um prejuízo de considerável proporção.
A facilidade com que se percebe o problema é uma das vantagens da termografia, pois apresenta um mapa de temperaturas nos equipamentos observados assim como sua localização, muitas vezes de difícil acesso. Ela não interfere na máquina analisada, realiza a medição com uma precisão em grande escala e apresenta os dados através de relatórios de extrema confiabilidade. Apesar da aparente facilidade, a fidelidade das leituras e interpretação das imagens depende de conhecimento e alguma experiência para fixação dos parâmetros. Parafraseando um ditado popular, na termografia nem tudo que reluz é quente.
Com a evolução e novas tecnologias, a segurança em instalações elétricas torna-se alvo constante de monitoramentos. Os ganhos ou as perdas de calor que se apresentam sem controle ou em desequilíbrio não são mais aceitos em uma instalação industrial. A termografia é utilizada como uma ferramenta inovadora que busca solucionar e ajudar na detecção de problemas elétricos a partir de uma análise da distribuição de temperatura. É um processo inovador e permite novos estudos como contribuição acadêmica.
1.2 Tema
O tema deste trabalho é a termografia em instalações elétricas industriais, e pretende-se demonstrar a relevância quando utilizada como ferramenta de inspeção e prevenção de riscos na planta industrial.
1.3 Problemática
Por se tratar de uma tecnologia relativamente recente no uso industrial, ainda há uma carência de literatura no mercado e no meio acadêmico. Portanto, o desafio desta pesquisa é apresentar, com clareza e simplicidade, a termografia e o seu uso como ferramenta para detecção de problemas em sistemas elétricos, pois quando detectados antecipadamente pode-se evitar uma perda, muitas vezes de elevada relevância.
1.4 Vantagens e Desenvolvimento
Dentre algumas vantagens pode ser citada a facilidade para execução da inspeção com o sistema em operação, pois as medições são feitas somente através da análise das imagens termográficas. Outra vantagem é a segurança na transmissão de informações, onde o operador pode ver imediatamente o foco do problema, facilitando assim a ação corretiva necessária na instalação elétrica industrial.
Ao desenvolver o tema encontra-se discussões sobre intervenções de caráter corretivo que podem ser programadas e com isto evitar danos ou perdas de produção ocasionadas por pontos quentes nas instalações.
1.5 Objetivo
O objetivo deste trabalho é apresentar a aplicação da termografia, assim como os equipamentos e suas configurações, de modo claro e simplificado, além de uma breve metodologia para sua aplicação em sistemas elétricos industriais.
4 1.6 Estrutura do Trabalho
A estrutura do trabalho inicia no capítulo I com a apresentação do tema. Logo após, no capítulo II uma breve revisão bibliográfica, e a seguir no capítulo III o problema proposto. O desenvolvimento mostra a aplicação da termografia nos equipamentos / painéis elétricos da indústria, mostrando as evidências das falhas. Finalmente no capítulo IV é feita uma análise dos resultados obtidos com as consequentes conclusões.
1.7 Metodologia Aplicada
A metodologia escolhida para a realização desta pesquisa foi a pesquisa bibliográfica no que se refere à fundamentação teórica para dar sustentação ao desenvolvimento da pesquisa.
Os exemplos apresentados durante o desenvolvimento deste trabalho demonstram a realização da Termografia durante atividades de inspeções realizadas, confirmando o tema em estudo. Estes exemplos foram retirados do sistema de gerenciamento de manutenção da empresa Corbion, localizada em Campos dos Goytacazes.
1.8 Delimitação do Tema
Devido à vasta extensão do tema, este trabalho fica limitado à análise do perfil termográfico em instalações elétricas industriais, ficando outras abordagens como sugestões para próximos trabalhos.
Esta pesquisa se limita a analisar as aplicações da termografia em equipamentos e painéis elétricos da indústria, assim como na análise de falhas em equipamentos eletromecânicos.
2 TERMOGRAFIA
2.1 A Termografia na Manutenção Industrial
Antes de dissertar sobre a termografia é importante definir o que é manutenção e como ela está subdividida.
Manutenção é o conjunto de técnicas destinadas à conservação de equipamentos e instalações, da forma mais rentável possível e dentro de todos os requisitos de segurança. Seu principal objetivo é evitar a falha em equipamentos e instalações.
Segundo Allan Kardec, em seu livro: “Manutenção – Função Estratégica”, no contexto industrial, a manutenção está subdividida em:
- Manutenção Corretiva; - Manutenção Preventiva; - Manutenção Detectiva; - Manutenção Preditiva .
A manutenção corretiva se caracteriza pela intervenção para a correção da falha ou do desempenho menor que o esperado. É dividida em duas classes:
Manutenção Corretiva Não Planejada: É a correção da falha de maneira aleatória, que caracteriza-se pela atuação da manutenção em um fato já ocorrido, seja este uma falha ou um desempenho menor que o esperado. Não há tempo para a preparação do serviço.
Manutenção Corretiva Planejada: A manutenção corretiva planejada é a correção da falha ou de um desempenho menor que o esperado, por decisão gerencial, ou seja, pela atuação em função de acompanhamento preditivo ou pela decisão de operar o equipamento até a sua quebra.
Manutenção Preventiva: é a atuação realizada de forma a evitar ou reduzir a falha ou queda no desempenho, obedecendo a um plano previamente elaborado, baseado em intervalos definidos de tempo.
Manutenção Detectiva: é a atuação efetuada em sistemas de produção buscando detectar falhas ocultas ou não perceptíveis ao pessoal de operação e manutenção.
6 Manutenção Preditiva: é a atuação realizada com base no monitoramento de parâmetros de condição ou desempenho, cujo acompanhamento obedece a uma sistemática. Neste tipo de manutenção está inserida a termografia no âmbito industrial.
Com a utilização da termografia é possível acompanhar as variações nos parâmetros de temperatura em instalações e equipamentos através da captação da radiação infravermelha emitida por estes, mesmo estando ainda em contínua operação.
Pode-se comparar um desvio térmico em uma instalação, equipamento industrial ou em um processo como um paciente que, devido a um distúrbio orgânico, apresenta estado febril. Assim como em um paciente neste exemplo citado, a análise térmica industrial deve-se basear em padrões desenvolvidos e previamente validados, objetivando eliminar o agente causador.
2.2 Conceito
Termografia é a técnica de manutenção preditiva que torna possível a visualização e medição do calor emitido pelas superfícies de qualquer objeto sem a necessidade de contato físico, através da medição da intensidade de radiação infravermelha que é emitida pela superfície de qualquer objeto. Em outras palavras, a termografia é a técnica onde é possível ver e medir temperaturas superficiais dos objetos, fazendo assim, uma comparação nas diferenças de temperaturas para diversas finalidades (rvtechengenharia on line, 2013).
De acordo com Santos (2005) a termografia por infravermelho baseia-se no fenômeno físico de que, todo objeto com temperatura acima de zero absoluto (-273,15 °C), emite radiação infravermelha em função da excitação das moléculas das quais é constituído.
Quanto maior for a temperatura de um corpo, maior será a excitação das moléculas e maior será a intensidade da radiação emitida. Desta forma, a temperatura de um objeto pode ser determinada pela intensidade da radiação emitida pela sua superfície. Este fato faz da termografia uma técnica interessante para medições de temperatura e visualização da distribuição térmica de superfícies, sem contato físico do medidor com o objeto.
Considerada como um ensaio não destrutivo, a termografia tem como princípio a medição de temperatura pela radiação infravermelha emitida pelo corpo. O objetivo da inspeção termográfica é detectar e diagnosticar elevadas temperaturas e acréscimos de temperatura em componentes, e com isso evitar a interrupção de áreas da empresa (mhf preditiva on line). A Inspeção é realizada com a utilização de sistemas infravermelhos para a medição de temperaturas ou observação de padrões diferenciais de distribuição de calor, com o intuito de propiciar informações relativas à condição operacional de um componente, equipamento ou processo.
A norma ABNT – NBR 15763/ 2009 – define critérios de prioridade de inspeções em sistemas elétricos de potência e a NBR – 15572 trata de termografia como ensaio não destrutivo.
A termografia é uma técnica de detecção da distribuição de energia térmica emitida pela superfície de um ou vários corpos ou objetos. É um método não invasivo, capaz de detectar, visualizar e gravar diferentes níveis de distribuição de temperatura através da superfície de um objeto (ITEAG, 2010).
A radiação eletromagnética, em especial a radiação térmica, pode ser emitida nas faixas de ultravioleta, luz visível, infravermelho e até na faixa de micro-ondas do espectro eletromagnético. Entretanto, grande parte da radiação térmica para temperaturas típicas encontradas em equipamentos é emitida dentro da faixa de infravermelho. Por isto, os termovisores utilizados são fabricados com detectores que respondem a essa faixa do espectro, mais especificamente de 3 a 5 µm ou de 8 a 14 µm, sendo a última faixa ainda mais adequada às temperaturas e condições encontradas em inspeções de equipamentos industriais e de alta tensão expostos ao tempo.
A radiação infravermelha é um tipo de energia eletromagnética similar à radiação visível, ondas rádio e raios-X, que se desloca à velocidade da luz sob a forma de onda sinusoidal, diferindo apenas no comprimento de onda, e onde todos os corpos com uma
8 temperatura acima do zero absoluto a emitem e a absorvem. A radiação infravermelha localiza-se no espectro eletromagnético entre a luz visível e as microondas.
Figura 02 – Espectro Eletromagnético Fonte:www.pt.wikipedia.org
Walker (1998), por sua vez, refere que é no intervalo espectral de 3 a 12 µm que a radiação infravermelha mais se evidencia, embora realce que na atmosfera terrestre a transferência de radiação difere consoante o comprimento de onda, e que a atmosfera apenas transmite o valor da radiação emitida com menor atenuação em dois intervalos distintos, de 3 a 5 µm, e de 8 a 12 µm.
Na maioria dos processos e atividades industriais, o parâmetro temperatura é muito importante. Uma câmera termográfica é uma câmera térmica com capacidade de medir temperaturas apresentando algumas vantagens em relação aos outros sistemas de medição de temperatura, que usam técnicas de contato (SPECMAN, 2010; EPRI, 1999).
2.3 História
Segundo Afonso (2010) nos tempos mais distantes da história os antigos filósofos e médicos gregos encantaram-se ao reconhecer a relação entre a vida e o calor. São estes os conhecidos Platão, Hipócrates, Aristóteles e Galeno, tão citados hoje em dia. A origem do calor humano não era sequer questionada. Em contrapartida, os antigos tentavam perceber os meios pelos quais o calor era libertado do corpo. A respiração era vista como um mecanismo óbvio de refrigeração, pois era possível sentir a temperatura quente ou fria do ar expirado.
Foi verificado por Hipócrates que variações de temperaturas existiam em diferentes regiões do corpo humano, considerando a elevação do calor humano em certa região como diagnóstico primordial de doença localizada.
Em 1592, o astrônomo Galileu desenvolveu o primeiro termômetro a ar e foi este episódio o responsável pela retomada dos antigos conceitos de calor corporal. Este instrumento era influenciado pela pressão atmosférica, não havia escalas de medida, em geral fornecia somente indicações de bruscas mudanças de temperatura (AFONSO, 2010).
Em 1659 o termômetro foi modificado. Boulian introduziu mercúrio dentro de um tubo de vidro, e Fahrenheit, Celsius e Joule contribuíram mais tarde com o desenvolvimento das escalas termométricas. A escala de Celsius (conhecida também como escala de graus centígrados) obteve aceitação na Alemanha e França, já a escala de Fahrenheit obteve popularidade na Inglaterra e nos EUA. O termômetro não era utilizado regularmente para confirmar ou documentar a temperatura interna do corpo humano e caiu em esquecimento por cerca de 200 anos (AFONSO, 2010).
No século XVIII, Bequerel e Brechet estabeleceram a temperatura média normal do corpo humano em 37°C, e apesar de a febre ser muito discutida neste tempo, os médicos não analisavam regularmente a temperatura de seus pacientes (AFONSO, 2010). Por isso, os estudiosos e investigadores começaram a aumentar o interesse em estudar estas fontes de calor naturais e artificiais. A termografia é uma técnica que surge bem mais tarde, mas leva em conta toda a investigação realizada pelos antigos (ainda que realizada com fins medicinais). (AFONSO, 2010).
O alemão Friedrich Wilhelm Hershel, em 1800, observou que diferentes faixas no espectro da luz solar refratados por um prisma eram capazes de produzir elevação de temperatura em termômetros localizados abaixo do espectro de cor vermelha. A descoberta da radiação infravermelha é relativamente recente. Os experimentos deste alemão provaram a existência de algum tipo de radiação abaixo do vermelho, que seria invisível ao olho nu humano, mas capaz de estimular termicamente os termômetros. Hershel os nomeou de “raios invisíveis” ou “espectro termométrico invisível”. Mais tarde, estes raios foram chamados de radiação infravermelha.
Em 1884, Boltzmann mostrou como a lei empírica do corpo negro de Josef Stefan, formulada em 1879, poderia ser derivada dos princípios físicos termodinâmicos.
10 Boltzmann chegou conclusivamente à seguinte fórmula: Radiação = Temperatura x Constante.
Por consequência, Boltzmann ficou conhecido como o pai da termografia infravermelha. Neste tipo de método, um pequeno processador dentro do aparelho usa esta fórmula para prever com precisão a temperatura do alvo. Quinze anos mais tarde surge a 1ª patente de um pirômetro óptico, em 1899, por Morse. Kurlbaum e Holborn, sem saber da sua existência do primeiro (aparentemente), desenvolveram um aparelho similar dois anos mais tarde, em 1901.
Corpo Negro pode ser conceituado como um objeto capaz de absorver toda a radiação que incide sobre ele em qualquer comprimento de onda. (ITEAG, 2010). É definido como o ambiente ou elemento que absorve toda a radiação incidente sobre ele, independentemente da dimensão da onda, direção de incidência ou estado de polarização (YAMASOE, 2006).
Em 1913, L. Bellingham apresentou um método para detectar a presença de icebergs e navios a vapor usando um espelho e uma termopilha. O seu termômetro de infravermelho apresenta melhorias em relação ao pirômetro óptico porque com ele era possível detectar corpos com temperatura inferior à temperatura ambiente.
A evolução de aparelhos de detecção de temperatura em corpos foi surgindo ao longo do século XIX, em que foram desenvolvidos termômetros de infravermelho de curto alcance utilizando termopilhas, termopilhas em miniatura, e cristais termoelétricos como sensores de infravermelhos.
Esta evolução permitiu o desenvolvimento da câmara termográfica, que já sofreu inúmeras alterações desde a sua versão original. A evolução tecnológica deu-se neste aparelho com o sentido de minimizar o tamanho dos componentes, tornando-o numa ferramenta mais leve e fácil de utilizar (com mais características, opções e informações obtidas).
No inicio da década de 70 houve a introdução dos termovisores na área industrial juntamente com o conceito da manutenção preditiva, onde o enfoque era a elevação dos índices de disponibilidade operacional das plantas. Para tanto, a preocupação era evitar as falhas (C. FILHO, 2012).
Neste contexto, a baixa portabilidade dos termovisores entre outras limitações, não impediu que a termografia desempenhasse papel fundamental nos programas de inspeções (C. FILHO, 2012).
No início da década de 80, um termovisor custava aproximadamente US$ 80.000,00 e uma diária de serviços termográficos, aproximadamente US$ 800,00 + despesas de deslocamento e estadia (C. FILHO, 2012). Nos dias atuais podemos ter acesso a um termovisor de bolso que custa em média R$ 3.000,00.
A portabilidade dos atuais Termovisores e o nível de resolução apresentada nos seus termogramas e todo este desenvolvimento tecnológico, torna quase imensurável a gama de processos e instalações industriais onde se pode aplicar a Termografia (C. FILHO, 2012).
2.4 Aplicação
A termografia tem se expandindo rapidamente em diversos setores da sociedade civil. As aplicações mais comuns se dão em estudos de conforto térmico, manutenção preventiva, manutenção preditiva, medicinal, avaliação de componentes mecânicos e elétricos, propriedades de materiais, avaliação de obras de arte, e a notável capacidade da “visão noturna”, utilizada em sistemas de segurança, forças armadas e polícias.
Esta rápida expansão se deu devido às vantagens oferecidas pela termografia, como a não intervenção no funcionamento de equipamentos e processos produtivos, além da relativa facilidade de operação do termovisor, o provimento de um resultado visual do perfil térmico do objeto e a possibilidade de analisar dados de uma inspeção.
Entre as diversas áreas onde a termografia é empregada, o setor de manutenção é o que mais se destaca pela sua utilização, com maiores benefícios. Este fenômeno é explicado pelo simples fato de que, em sua grande maioria, componentes e equipamentos eletromecânicos apresentam o sobreaquecimento como indicativo de futuras falhas. Dispor de um equipamento capaz de estabelecer a temperatura sem contato e sem intervenção no processo produtivo traz benefícios à industria e ao setor que presta o serviço.
Epperly et al. (1997) citou a termografia como uma ferramenta de manutenção confiável e segura para detectar falhas em programas de manutenção preventiva e preditivas de equipamentos elétricos e mecânicos. Nos programas de manutenção de sistemas elétricos,
12 as medições de temperaturas relativas são normalmente mais importantes do que a determinação do valor real da temperatura dos dispositivos, ou seja, a identificação do ponto ou área onde a temperatura esteja relevantemente superior aos pontos adjacentes ou à temperatura ambiente. O autor destaca, também, a dificuldade em se determinar a temperatura real dos dispositivos polidos e refletidos devido ao baixo valor de suas emissividades. Esta publicação apresenta ainda uma série de critérios que devem constar em um programa de inspeção termográfica baseados nas normas Neta MTS - Maintenance Testing Specifcations for Electric Power Distribution Equipment and Systems e MlL-STD-2194, Infrared Thermal Imaging Survey Procedure for Electrical Equipment (cancelada em 1995), além de detalhado procedimento de inspeção. Há no Brasil as normas ABNT sobre o assunto. Holst (2000) faz uma extensa abordagem da termografia infravermelha, apresentando as principais tecnologias de detecção e mapeamento térmico, aspectos de desempenho, seleção de termovisores e aplicações civis e militares. As principais aplicações apresentadas pelo autor são relativas às inspeções qualitativas de edifícios e construções, em inspeções de dutos, tanques de armazenamento e equipamentos subterrâneos, vigilância e uso militar. Exemplos quantitativos são brevemente discutidos em exemplos de inspeções de sistemas elétricos e mecânicos, e em ensaios não destrutivos de materiais. Análises voltadas à qualidade da medição não são realizadas.
Maldague (2000) comenta acerca da dificuldade de avaliar precisamente o potencial econômico gerado pela utilização da termografia como ferramenta da manutenção preditiva. Isto se deve ao fato de que os benefícios econômicos originados de eventos que foram evitados, como paradas não programadas e danos de grande extensão, como explosão de equipamentos, são difíceis de mensurar.
Contudo, está consolidada a termografia como instrumento capaz de diagnosticar falhas e anomalias em sistemas elétricos e mecânicos, principalmente no contexto industrial.
A termografia pode ser aplicada a qualquer situação onde o conhecimento do padrão térmico através de uma superfície forneça dados significativos de uma estrutura, processo ou sistema, nomeadamente (SPECMAN, 2010).
a) Sistemas Elétricos; b) Sistemas Mecânicos;
d) Indústria Automóvel; e) Indústria de processo;
f) Perdas de Energia (Edifícios, Fornos e Caldeiras); g) Eletrônica;
h) Aeronáutica;
i) Vigilância e Segurança;
j) Aplicações Médicas: Medicina e Medicina Veterinária.
k) Fácil medição da temperatura de objetos móveis e de difícil acesso;
l) Técnica sem contato, não interferindo com o funcionamento e com o comportamento do elemento a medir;
m) Facilidade e rapidez na medição de grandes superfícies; n) Medição da temperatura de vários objetos de forma simultânea;
o) Tempo rápido de resposta, permitindo seguir fenômenos transitórios de temperatura; p) Precisão elevada, alta repetitividade e confiabilidade das medições.
A função básica na utilização da Termografia em inspeções industriais, é que a mesma atue de forma proativa no sentido de evitar os sobreaquecimentos, e não simplesmente detectá-los (C. FILHO, 2012).
Cerca de 70% de todos os defeitos ocorridos em sistemas elétricos podem ser atribuídos a pontos de conexão defeituosos. Devido ao envelhecimento, instalação incorreta, carga mecânica ou danos nos componentes do sistema, a energia elétrica é convertida em calor, o que pode levar ao perigoso sobreaquecimento com potenciais consequências catastróficas: as máquinas podem parar, as linhas de produção ser paralisadas, ou até mesmo a destruição dos componentes do sistema (TESTO on line, 2012).
A termografia é utilizada para testar transformadores, caixas de distribuição elétrica, sistemas de comutação ou unidades elétricas. Pode ser usada também em todos os sistemas elétricos para localizar falhas nas conexões elétricas, para descobrir a distribuição assimétrica de carga ou para identificar condições de sobrecarga de qualquer tipo (TESTO on line, 2012).
14 A termografia por infravermelhos apresenta vantagens pela não necessidade do contato entre o objeto que irá detectar o problema e a superfície a ser estudada, podendo a distância entre ambos variar de alguns milímetros até vários quilômetros, possibilitando assim o estudo de objetos e zonas com alto índice de periculosidade, sem qualquer perigo para o equipamento e operador. Deste modo é possível realizar o estudo sem que as instalações ou os sistemas tenham de ser encerrados ou desligados, tornando este tipo de ensaio não destrutivo (NDT- Non-Destructive Testing) muito eficiente em termos de tempo e de custos (SOUZA, 2010).
As câmeras termográficas apresentam outra vantagem, que é a sua grande capacidade de acompanhar o desempenho de um sistema ou objeto em estudo, sendo possível fazer a monitoração simultânea e em tempo real de diversos pontos no mesmo cenário. Além disso, pode ser feito ajuste da abertura das lentes da câmera para variar a escala de medição, mas também recorrendo à aplicação de vários filtros, controlando assim a sensibilidade do sistema e a sua resposta ajustada à radiação térmica captada. A escala de temperaturas típica varia entre os -20˚C e os 1600˚C (SOUZA, 2010).
Para realizar um estudo termográfico não é necessário utilizar qualquer fonte de iluminação externa podendo ser realizado tanto de dia como à noite, e deste modo todos os objetos não visíveis ou obscuros são facilmente detectáveis.
Atualmente os equipamentos de termografia por infravermelhos apresentam capacidade de detecção de pequenas flutuações de temperatura, são também cada vez mais compactos e facilmente transportados, aumentando assim tanto o leque de aplicações quanto a sua utilização em movimento (SOUZA, 2010).
2.5 Princípios Básicos em Termografia
A termografia por infravermelho é a técnica mais utilizada para converter a radiação térmica emitida pela superfície de um objeto em imagens visuais detalhadas do perfil térmico dos objetos. Por ser uma técnica não destrutiva, a termografia pode ser utilizada em diversas aplicações, no entanto é necessário que se verifiquem três condições:
a) O objeto ou superfície tem de apresentar uma temperatura diferente do meio em que se encontra inserida, de modo a realçar a sua localização;
b) Se na presença de um gradiente térmico o objeto com as mesmas propriedades em toda a sua superfície apresentar flutuações de temperatura numa determinada zona, então configura-se possivelmente um defeito ou uma omissão de material;
c) Na ausência das condições anteriores pode ser aplicada uma fonte de calor ou de frio na superfície com diferentes taxas e temperaturas de modo a realçar anomalias ou defeitos.
A presença de defeitos em determinada profundidade da superfície interfere no fluxo de calor que a atravessa, causando variações locais da temperatura superficial, as quais podem ser detectadas através da aplicação da termografia por infravermelhos.
A radiação térmica ou transmissão de calor por radiação, dada a sua temperatura, é a taxa de emissão de energia de um determinado material. A radiação térmica está diretamente relacionada com a energia liberada devido às oscilações ou transições dos elétrons, átomos, íons ou moléculas que são mantidas pela energia interna do material. Toda a forma de matéria com temperatura acima do zero absoluto emite energia térmica (AFONSO, 2010).
Ainda segundo Afonso (2010) a termografia consiste na técnica de estudo por radiação infravermelha que permite observar temperatura dos corpos. Uma câmera termográfica sensível às radiações IV decodifica a imagem em cores equivalentes às diferentes temperaturas (normalmente cores frias significam baixas temperaturas e cores quentes significam altas temperaturas), possibilitando a identificação das áreas cujas temperaturas são anômalas.
Conforme Specman (2010) as leis da radiação são:
a) Lei de Stephan-Boltzmann: relaciona temperatura e energia
Esta lei estabelece que a quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área de superfície de um corpo negro, na unidade de tempo (radiação do corpo negro), é diretamente proporcional à quarta potência da sua temperatura (SPECMAN, 2010; INCROPERA, 2006):
ݍݎ′′=ߪ∗ܶ4 (SPECMAN, 2010; SERTH, 2007)
Onde ߪ é a constante de Stephan-Boltzmann (5.67 x 10 −8 W/(m²K4)) (ver essa unidade com a que está abaixo), T é a temperatura (K) e ݍݎ′′ é a quantidade de calor transferido por radiação, por unidade de área (W/m²).
16 A quantidade total de calor transmitido por convecção, através de uma superfície qh, é dada por (SPECMAN, 2010; INCROPERA, 2006):
ݍݎ( é qh ou qr)=ܣ*ݍݎ′′ (SPECMAN, 2010; HOLST, 2000)
Onde ܣ é a área de transferência de calor, perpendicular ao fluxo de calor (݉2). b) Lei de Planck: relaciona energia e comprimento de onda
A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda (λ) (AFONSO, 2010).
Max Planck (1858-1947) foi capaz de descrever a distribuição espectral da radiação de um corpo negro, através da seguinte fórmula (INCROPERA, 2006):
Fenômenos de transferência de calor (SPECMAN, 2010; PORTAL, 2011):
ܹ(ߣ,ܶ) = 2ߨℎܿ2 X 10 – 6 ߣ 5[e(hc/ߣkT)- 1]
Onde ℎ é a constante de Planck (6.626×10−34 ܬ·ݏ), ߣ é o comprimento de onda (m), ܶ é a temperatura do corpo negro (K), ܭ é a constante de Boltzmann (1.381×10−23 ܬ/ܭ) (comparar com o de cima), ݁ é o número de Euler, ܿ é a velocidade da luz (≃3×108 ݉/ݏ) e ܹ(ߣ,ܶ) é a emitância espectral do corpo negro radiante no comprimento de onda ߣ (ܹ݉2,⁄ߤ݉). O fator 10−6 é usado desde que a emitância espectral nas curvas é expresso em ܹ݉2,⁄ߤ݉. Na figura abaixo, vê-se um traçado gráfico da emitância espectral do corpo negro radiante, numa escala linear, para várias temperaturas, produzindo-se uma família de curvas.
Figura 3 – Emitância espectral de um corpo negro para algumas temperaturas inferiores a 6000°C, onde o eixo X representa o comprimento de onda e o eixo Y a radiação emitida pelo corpo. Fonte: http://slideplayer.com.br.
Da observação do gráfico da figura 3 pode-se concluir :
- A radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda;
- Com qualquer comprimento de onda, a magnitude da radiação emitida aumenta com o aumento da temperatura;
- A região espectral em que a radiação é concentrada depende da temperatura, aparecendo mais radiação em comprimentos de onda mais curtos à medida que a temperatura aumenta.
Conforme Afonso (2010) a lei de Planck aplica-se apenas a radiadores perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calor. Por exemplo, 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 atômicas mais externas contribuem para a emissão de energia térmica.
a) Lei do deslocamento de Wien: relaciona temperatura e comprimento de onda.
Lei da física que afirma que existe uma relação entre a temperatura e o comprimento de onda na qual ocorre a máxima emissão de energia (SPECMAN, 2010): ߣ݉ܽݔ=ܾܶ (SPECMAN, 2010).
18 Na figura 4, pode-se observar a localização de ߣ݉ܽݔ.
Figura 4 – Traçado da emitância espectral corpo negro em escala logarítmica. Onde a reta vermelha representa os pontos onde ߣ atinge o valor máximo em cada curva.
Fonte: INCROPERA, 2006.
A figura 4 mostra que o espetro emissivo de potência máxima desloca-se para comprimentos de onda menores, à medida que aumenta a temperatura (INCROPERA, 2006).
Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o espectro eletromagnético, dentro deste está inserido o espectro infravermelho. A zona visível do espectro eletromagnético abrange comprimentos de onda entre 0,4 µm e 0,7 µm, e o infravermelho entre 0,7µm e 1000 µm. Os pirômetros de infravermelho usam a banda de comprimento de onda entre 5 µm e 20 µm (AFONSO, 2010).
A radiância (L) é a densidade do fluxo luminoso em elemento de superfície de uma fonte de energia, está associada à transferência de energia através de um meio.
Segundo a Organização Meteorológica Mundial (OMM) Radiância (L) é o quociente entre a intensidade de radiação de um certo elemento de superfície, em uma determinada direção, e a área da projeção ortogonal deste elemento em um plano perpendicular a essa direção. Sua unidade é Wm-2 (YAMASOE, 2006).
Radiância num certo ponto de uma superfície (∈) é o quociente entre o fluxo de radiação pela área do elemento de superfície, cuja unidade é Wm-2 (YAMASOE, 2006).
Absortância (α) ou poder de absorção é a fração absorvida quando a radiação incide sobre uma superfície real. A norma técnica NBR 15220:2005 define-a como o quociente da taxa de radiação solar absorvida por uma superfície pela taxa de radiação solar
incidente sobre esta mesma superfície. Por definição, um corpo negro é aquele que tem absortância unitária em todos os comprimentos de onda, também emite a quantidade máxima possível de radiação em qualquer temperatura e comprimento de onda e por isso diz-se que um corpo negro é um radiador e um absorvedor perfeito de radiação.
A emissividade de um corpo é definida como a razão entre a radiação térmica emitida pelo corpo a uma dada temperatura em um determinado comprimento de onda e a radiação térmica de um corpo negro sob as mesmas condições (YAMASOE, 2006).
No corpo negro, nenhuma parte da radiação incidente é refletida ou transmitida, toda ela é absorvida. Para entender o conceito, podemos imaginar um corpo isolado do seu meio externo, com paredes isolantes, assim afirmamos que o corpo está em equilíbrio termodinâmico, pois não há trocas com o meio externo. O equilíbrio termodinâmico se caracteriza pela equipotencialização dos aspectos abaixo citados (YAMASOE, 2006): 1) Equilíbrio térmico: Não há gradientes de temperatura. A temperatura do corpo é constante e homogênea.
2) Equilíbrio mecânico: Não há forças líquidas ou tensões, isto é, a pressão é constante em todas as partes do corpo.
3) Equilíbrio radiativo: O campo de radiação dentro do corpo é constante, isto é, o fluxo de radiação que entra no corpo é igual ao que sai.
4) Equilíbrio químico: As taxas de todas as reações químicas são balanceadas por suas reações inversas, tal que a composição química é a mesma em todo o corpo.
Supondo agora que esse corpo possui uma pequena abertura em sua parede. Toda a radiação incidente nesta abertura é absorvida, visto que a probabilidade de ser refletida dentro do corpo de forma a voltar pelo mesmo orifício é muito pequena. Por essa razão, a abertura é perfeitamente absorvedora ou “negra”. A radiação que sai pela abertura alcançou equilíbrio térmico com o material que constitui o corpo. Essa radiação emitida pela abertura é denominada radiação de corpo negro
A razão entre a emissão de uma superfície real em relação à emissão de um corpo negro à mesma temperatura denomina-se emissividade. Seu valor depende da temperatura, da direção, da faixa espectral, do formato e da textura da própria superfície. Portanto, trata-se de uma propriedade complexa, no entanto, fundamental na medição da radiação e em fonte de
20 incertezas no cálculo de temperatura. A emissividade de uma superfície pode ser qualificada de acordo com sua dependência se comparado ao comprimento de onda e à direção da radiação emitida (TEIXEIRA, 2012).
Um corpo negro é a representação de um sistema físico que, em equilíbrio térmico, possui a capacidade máxima de emitir e de absorver toda a energia recebida por radiação, considerando-se teoricamente um emissor perfeito ε=1. Sendo o corpo negro um conceito teórico, não existindo na vida real, sempre serão encontrados valores de emissividade (ε) inferiores à unidade (1).
Corpo Real é aquele em que as superfícies só são capazes de emitir uma determinada parte da energia. O parâmetro que determina a capacidade de emissão é a emissividade (ε).
A emissividade determina a capacidade de um corpo emitir energia. Define-se refletividade (ρ) como a capacidade de um corpo refletir energia. A transmissibilidade (
τ
) mede a capacidade de um corpo transmitir energia. E a absorção (α) mede a capacidade de um corpo absorver energia (ITEAG, 2010).A emissividade é um parâmetro que indica a eficiência de uma superfície em emitir energia, em comparação com um corpo negro à mesma temperatura. O conhecimento da emissividade dos corpos é um pré-requisito fundamental na caracterização de materiais a partir da análise de imagens térmicas, como também na estimativa de temperaturas de superfícies obtidas a partir de dados sensoriados no infravermelho termal. De modo geral, as emitâncias variam de acordo com a composição física, química e biológica das superfícies naturais. Entretanto, a faixa espectral de detecção, a radiância ambiental e a temperatura cinética são fatores que podem alterar a emitância. O conhecimento da emissividade é importante não só por ser um parâmetro térmico essencial na determinação de temperaturas de superfícies obtidas por sensoriamento remoto, mas também porque é um parâmetro físico importante dentre as propriedades específicas de um material. A falta de padrões específicos de emitâncias para alvos da superfície terrestre é um fator adicional que tem promovido, nos últimos anos, o desenvolvimento de diversos métodos de determinação de emitâncias no infravermelho termal.
A transmissibilidade e a refletividade são parâmetros associados à natureza do objeto, que pode ser opaco ou translúcido, e às condições atmosféricas na região entre o sensor e o objeto (ITEAG, 2010).
2.6 Equipamentos
Foram desenvolvidos três tipos de sistemas para medição de temperatura por infravermelhos ao longo dos últimos anos como: os termômetros pontuais ou de ponto quente, os scanners de linha e as câmaras termográficas (SOUZA, 2010).
Os termômetros pontuais, apenas fornecem a temperatura de um ponto na superfície, como o próprio nome indica, e embora não forneçam uma imagem térmica são aplicados em muitas técnicas não destrutivas (SOUZA, 2010).
Figura 5 – Termômetro óptico para medir temperatura pontual. Fonte: www.tme.eu.com
Os scanners de linha captam a radiação infravermelha numa série de prismas e espelhos internos possibilitando a obtenção de um perfil de temperatura ao longo de uma linha na superfície. A imagem térmica é construída a partir da repetição sucessiva do processo de captação até atingir a imagem completa (SOUZA, 2010).
22 Figura 6 – Scanner Térmico (HGH Infrared systems) Fonte: www.pt.wikipedia.org.
As câmeras termográficas são instrumentos que captam e convertem a radiação infravermelha emitida por uma superfície numa imagem térmica a duas dimensões, numa escala de cores ou escala de cinza, representativas da temperatura a que se encontra a superfície (SOUZA, 2010).
Figura 7 – Câmera termográfica (Nec/Avio, 2009) Fonte: www.pt.wikipedia.org.
A câmera termográfica ilustrada na figura 7, possui um detector que gera um sinal elétrico em função da radiação que recebe, que por sua vez, é tratado por uma unidade de controle que posteriormente disponibiliza a imagem térmica resultante em um monitor.
Assim, a temperatura da superfície em estudo é medida indiretamente a partir da radiação incidente no detector.
A evolução dos termovisores pode ser acompanhada através das figuras a seguir:
Figura 8 - Detector resfriado a nitrogênio líquido, sistema de varredura óptico/mecânico, peso total de 37 kg, utilizado na década de 70. Fonte: Santos et al., 2005.
Figura 9 - Detector resfriado eletricamente, sistema de varredura óptico/mecânico, peso de 6,1 kg, utilizado na década de 80. Fonte: Santos et al., 2005.
Figura 10 - Detector “não resfriado”, FPA (Focal Plane Array), peso de 2,7 kg, utilizado na década de 90. Fonte: Inframetrics, 1996.
Figura 11 - Detector “não resfriado”, FPA (Focal Plane Array), peso de 2,0 kg, difundido no mercado em meados do ano 2000. Fonte: Flir, 2003.
24 Figura 12 - Detector Flir E30 , peso 825 g, utilizado desde 2012. Fonte: Flir, 2012.
As câmeras termográficas com comprimento de onda curto (2 - 5µm) são direcionadas para estudos em ambientes com grandes amplitudes térmicas, enquanto os equipamentos com um comprimento de onda longo (8 - 14µm) são capazes de detectar pequenas diferenças de temperatura na ordem dos 0.08˚C.
Além do comprimento de onda captado, a câmara de infravermelhos deve possuir uma precisão na ordem dos ± 2°C ou ± 2%, e o modelo selecionado deverá possibilitar a configuração e ajuste da emissividade da superfície ou do material avaliado, assegurando assim, a determinação correta da temperatura (SOUZA, 2010). Alguns outros fatores são capazes de influenciar nas leituras de temperatura, como temperatura ambiente, umidade relativa do ambiente, distância do alvo, e até velocidade do vento, e certas câmeras permitem a configuração destes parâmetros.
Outro ponto de destaque é a resolução do detector de infravermelhos do equipamento, pois quanto maior for a resolução melhor será a qualidade da imagem térmica, que normalmente varia de 80×80 pixels a 1020×1020 pixels. A resolução mínima, ou sensibilidade térmica (NEdT - Noise Equivalent Delta Temperature), é a diferença mínima de temperatura detectada pela câmera que depende do tipo de detector e pode variar entre 0.020°C a 0.075°C (SOUZA, 2010). A importância desta resolução depende principalmente de fatores como o tamanho e a distância do alvo.
A variada gama de medições de temperatura da câmera deve ser escolhida em função da temperatura dos elementos a serem medidos, devendo estar obrigatoriamente compreendida no intervalo escolhido (SOUZA, 2010).
O tempo de exposição (Thermal Time Constant/Integration Time) é o tempo necessário para a captura de uma imagem térmica, que deve ser cuidadosamente escolhido,
em função da aplicação, pois, se houver movimentação da câmera ou do objeto, ou a alteração repentina do gradiente térmico da superfície, pode dar origem a uma imagem desfocada. Este parâmetro está diretamente associado à sensibilidade do equipamento, pois uma boa resolução térmica necessita de menos tempo para captar uma imagem térmica detalhada (SOUZA, 2010). Este parâmetro está relacionado à taxa de captura (geralmente em Hz).
Atualmente os termovisores são portáteis, podem ser conectados ao computador e possuem softwares para análise das imagens, facilitando ainda mais a aplicação da termografia em sistemas elétricos.
Alguns recursos adicionais são encontrados nas atuais câmeras, como imagens digitais do alvo, fusão da imagem digital com a imagem térmica, visão térmica panorâmica, imagem térmica com elevada definição do componente, vídeos termográficos, dentre outros.
2.7 Termografia em eletricidade
A crescente demanda por energia de qualidade e as exigências de órgãos reguladores tem conduzido concessionárias de energia elétrica do país a realizar investimentos cada vez maiores em políticas de manutenção, e uma das principais ferramentas empregadas é o termovisor. Até 1982 a termografia não era assumida como “Técnica de Diagnóstico Preventivo”. Em 1994, a Companhia Energética de Minas Gerais – Cemig – tinha seis termovisores arrefecidos a nitrogênio líquido em seu programa de manutenção. Com o advento dos detectores não refrigerados, 2002/2003, com imagens de alta resolução, e termovisores leves, a utilização do termovisor ganhou um forte impulso. Em 2012 a Cemig Distribuição contava com quarenta e dois termovisores em seu programa de manutenção de acordo com informações fornecidas por engenheiros da empresa (TEIXEIRA, 2012).
O resultado da termografia é a emissão dos laudos, indicando as ações corretivas necessárias, ilustrados com os respectivos termogramas e registros fotográficos dos pontos de que apresentam calor excessivo, visando a otimização da eficiência operacional dos sistemas. A análise termográfica permite uma melhor programação, minimizando a mão-de-obra e
26 recursos envolvidos, pois possibilita identificação de sobreaquecimento nas instalações sem a interrupção do processo produtivo (MHF PREDITIVA on line, 2013).
Quando a corrente elétrica flui por um condutor, é gerado calor. Os componentes elétricos começam a deteriorar-se após a instalação, devido à sobrecarga elétrica, vibrações, corrosão e envelhecimento. As anomalias aparecem com o aumento da temperatura durante um largo período de tempo, antes da ocorrência de uma falha. A lei de Joule mostra que a energia elétrica se transforma em energia calorífica num receptor ou condutor, sendo diretamente proporcional à resistência deste, ao quadrado da intensidade de corrente e ao tempo de passagem de corrente. O aquecimento anormal associado à resistência elevada ou à excessiva passagem de corrente é a principal causa de muitos problemas elétricos (FLUKE, 2005).
De acordo com C. Filho (2012) as instalações elétricas são hoje as principais fontes de incêndios nas indústrias, bem como o campo mais comum na aplicação de inspeções termográficas industriais. No entanto, apesar de em princípio ser considerada uma aplicação autoexplicativa, vale ressaltar que:
a) 70% das ocorrências relatadas em uma inspeção termográfica não aconteceram por acaso, foram provocadas por alguma condição inadequada de operação ou instalação;
b) 45% destas mesmas ocorrências são pontos reincidentes em relação à inspeção anterior. São pontos que por falta de critérios técnicos na inspeção, planejamento e/ou reparo, acabam gerando retrabalhos;
c) No mínimo 40% de tais ocorrências têm uma única causa. No entanto, se não forem conhecidos serão tratados todas as ocorrências simplesmente como pontos quentes;
d) No mínimo 20% do sistema elétrico inspecionado estavam indisponíveis à inspeção, devido serem equipamentos reservas ou estarem trabalhando com carga inferior à mínima necessária. Este índice compromete a Manutenção Detectiva que visa basicamente garantir a disponibilidade operacional do equipamento reserva.
Estes índices não são detectados através das inspeções termográficas, mas sim, através do gerenciamento das mesmas (C. FILHO, 2012).
As ligações elétricas devem ser inspecionadas nas caixas de junção, devendo estar todas as ligações á mesma temperatura. É uma anomalia muito usual uma vez que as ligações
elétricas são ignoradas nas ações de manutenção. Na inspeção das carcaças dos motores, a imagem termográfica deverá apresentar uma temperatura uniforme. Motores que apareçam mais quentes poderão indicar problemas nos enrolamentos ou curtos-circuitos. Na inspeção de rolamentos, caso eles se encontrem quentes podem indicar problemas de lubrificação ou um elevado desgaste do mesmo. (SPECMAN, 2010).
Figura 13 – Exemplo de ponto quente detectado no poste de entrada de energia 13,8KV Fonte: Purac Sintese.
Na figura 13 acima tem-se uma subestação de entrada, onde foi realizada uma medição na chave em que apresentou um aquecimento acima da carga estimada. Este procedimento é realizado em um intervalo de inspeções de 2 semanas (15 dias). A ação recomendada é de uma limpeza com reaperto do contato.
Uma inspeção termográfica em instalações elétricas identifica problemas causados devidos à elevada resistência causada por superfícies com contato deficiente, a um circuito sobrecarregado, a um problema de desequilíbrio de cargas e harmônicos. O contato deficiente deve-se a ligações soltas, corroídas ou oxidadas e por falhas de componentes. As sobrecargas podem ser por erros de projeto, falhas de montagem e falta de manutenções preventivas. Um desequilíbrio de cargas mostra uma errada distribuição de carga num sistema trifásico, sendo que uma das fases transporta mais corrente que as outras. Se existir neutro, este aparecerá sobrecarregado.
A utilização intensiva de cargas não lineares no setor de serviços e em muitas indústrias, e uma intensa transformação tecnológica estão na base dos problemas dos harmônicos. Os harmônicos geram sobreaquecimento nos condutores, podendo afetar as três fases (efeito pelicular) ou só o neutro (harmônico homo polar). Um caso particular é a
28 detecção de circuitos abertos, onde a imagem termográfica mostra os componentes frios (FLUKE, 2005)
A transformação tecnológica dos equipamentos utilizados em sistemas elétricos industriais, onde cada vez mais emprega-se dispositivos eletrônicos para controle de potência, caracteriza-se pela utilização de cargas não-lineares. Uma carga é dita não linear quando a corrente que ela absorve não tem a mesma forma de onda que a tensão que a alimenta.
Figura 14 - Tensão e corrente em um sistema elétrico em cargas lineares e carga não lineares. Fonte: AFONSO; MARTINS, 2004.
A utilização intensiva de cargas não-lineares em um sistema elétrico causa interferências e distorções na forma de onda senoidal da tensão elétrica de alimentação desta carga, a estas distorções chamamos de harmônicos.
Um diagnóstico termográfico não deve avaliar uma ocorrência somente considerando a sua gravidade térmica, e com a mesma ocorrência, determinar se a intervenção deve ser imediata ou não. Um método racional de avaliação deve determinar a gravidade da ocorrência de anomalia detectada, submetendo-a a prioridade operacional da respectiva instalação. Pois pode haver uma anomalia grave em uma instalação não tão representativa ao processo fabril. No entanto, mais relevante que estas duas variáveis, é a tendência térmica, observando como este sobreaquecimento tem se comportado ao longo de um determinado período de tempo. Não se trata exclusivamente da evolução térmica somente, mas da performance, pois tanto a ascensão como a regressão dos valores térmicos sob as mesmas condições operacionais, representam uma tendência térmica relevante (C. FILHO, 2012).
Segundo C. Filho (2012) um sobreaquecimento provocado por indução elétrica pode vir a provocar um início de incêndio em um painel. O perfil térmico apresentado no termograma indica a origem do problema, que normalmente é ocasionado pela utilização de tirantes de fixação de isoladores, fabricados em ferro magnético. Um problema de origem interna na bucha de um transformador refrigerado a óleo pode ser detectado através do perfil térmico superficial apresentado no primeiro retentor externo da respectiva bucha.
Sempre que houver uma conexão defeituosa em um circuito elétrico, ocorre uma resistência de contato. Esta condição leva à geração por “efeito de joule” de uma energia térmica proporcional à resistência de contato e ao tempo durante o qual passa a corrente, elevando a temperatura no ponto de defeito. A elevação da temperatura pode alterar a superfície dos contatos, aumentando a sua resistência de contato e agravando o “efeito de joule”. A corrosão e deterioração de ligações elétricas podem ser causadas por causas ambientais, enquanto a vibração, a fadiga e a idade fazem com que as ligações estejam soltas (FLUKE, 2005).
Os equipamentos que podem ser inspecionados são transformadores, geradores, motores, disjuntores, interruptores, fusíveis, cabos elétricos, quadros de distribuição e todos os dispositivos de passagem de corrente em carga. A inspeção termográfica tem de ser feita com a instalação elétrica em carga, sendo necessária uma visão livre do ponto de medição. As portas dos armários e painéis têm de ser abertos ou removidos (SPECMAN, 2010), ou serem providos de janelas de inspeção com vidros especiais para infravermelho.
30 As condições dos equipamentos que geram riscos à segurança devem ser as prioridades mais altas de reparação. Algumas referências normativas (NETA – National Electrical Testing Association) afirmam que, quando a diferença de temperatura entre componentes similares sob carga semelhante é superior a 15°C, devem ocorrer reparações imediatamente (FLUKE, 2005).
Em circuitos sobrecarregados a corrente pode ultrapassar o valor máximo permitido nos condutores, caracterizando uma sobreintensidade. Uma sobrecarga é uma sobreintensidade em que a corrente de serviço no circuito é superior ou ligeiramente superior à intensidade máxima permitida nos condutores.
A sobrecarga ou excesso de corrente faz com que os condutores operem em temperaturas mais elevadas, aquecendo ao longo de todo o seu comprimento. O aquecimento dos condutores pode ser igual em todas as fases e deve ser confirmado com um amperímetro. Através de imagens termográficas é possível detectar e localizar sobrecargas sem necessidade de contato (SPECMAN, 2010).
Figura 16 – Árvore de falha representando as causas de ocorrência ponto quente em instalações elétricas.
Falhas de projeto, redimensionamento de máquinas, falhas de montagem e falta de manutenções preventivas são as causas principais da ocorrência de sobrecargas elétricas. As medidas de proteção contra sobrecargas elétricas residem numa execução e exploração mais criteriosas das instalações e na instalação de dispositivos de proteção (disjuntores magnetotérmicos e fusíveis) que interrompem automática e seletivamente os circuitos em caso de anomalia. Outros tipos de sobrecargas, como o curto-circuito e defeito de isolamento, também podem provocar um sobreaquecimento (SPECMAN, 2010).
O desequilíbrio pode ser provocado por diferentes causas: problemas na qualidade de energia, subtensões devido a excesso de carga ligada, um defeito de isolamento ou um mau dimensionamento de cargas na instalação elétrica (FLUKE, 2005).
32 3 EXEMPLOS DE APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
Os exemplos a seguir foram retirados de ocorrências encontradas na planta de produção de ácido lático e derivados da Corbion Brasil em Campos dos Goytacazes. O sistema de manutenção é gerenciado pelo programa de gerenciamento chamado IVARA, neste programa estão contidos os planos de manutenção de todos os equipamentos da planta industrial. No contexto deste trabalho as rotinas de inspeções em painéis elétricos com a utilização da termografia estão sistematicamente definidas e gerenciadas pelo IVARA. O programa define a periodicidade, os limites de temperatura e nele são armazenadas as imagens termográficas e os relatórios de inspeção de cada painel elétrico.
Existe uma classificação de severidade do ponto quente, e com base nesta classificação é determinado prazo para intervenção corretiva no sistema elétrico. Ao classificar a severidade do ponto quente, o técnico deve considerar em quantos pontos percentuais a temperatura do ponto quente ultrapassou o limite de temperatura especificado. A classificação de severidade do ponto quente segue a tabela a seguir:
Figura 17 – Tabela de Classificação de Severidade de Pontos Quentes Fonte: Corbio Brasil. Classificação do Ponto Quente
% Acima do Limite de Temperatura Máxima de Operação. Prazo para Intervenção Corretiva
Severamente Aquecido 81 a 90 % 2 semanas
acima de 90 % 1 semana Aquecido 1 a 20 % 11 semanas 21 a 30 % 9 semanas 31 a 40 % 7 semanas 41 a 60 % 4 semanas 61 a 80 % 3 semanas
Temperatura abaixo do limite, porém intervenção recomendada em função da diferença de temperaturas entre
componentes / terminais adjacentes.
O limite de temperatura especificado para a realização das análises termográficas em sistemas elétricos é de 70°C, este limite foi arbitrado com base na especificação técnica de temperatura de operação dos componentes definida pelos fabricantes e pelo conhecimento empírico determinado pela engenharia de confiabilidade.
O modelo de termovisor utilizado nas inspeções é o Ti25 fabricado pela FLUKE, a seguir estão relacionadas as principais características técnicas deste equipamento:
- Fabricante: FLUKE; - Modelo: Ti25;
- Faixa de medição: -20°C a +350°C;
- Precisão: ±2 °C or 2% do valor medido (o que for maior); - Modos de medição: Ajuste automático ou manual de escala; - Campo de Visão: 23° x 17°;
- Resolução espacial (IFOV – campo de visão instantânea): 2.5 mRad; - Distância mínima de foco: 15 cm.
- Ajuste de foco: Manual; - Frequência de imagem: 9 Hz;
- Tipo de detector: 160 x 120 FPA (matriz de foco plano) microbolômetro não refrigerado; - Sensibilidade térmica: ≤ 0,1°C em 30°C;
- Câmera visual: resolução de 640 x 480.
EXEMPLO 1: Ponto quente localizado no painel de disjuntores PNLL-2951.
O painel de disjuntores PNLL-2951 está localizado na sala elétrica do centro de distribuição de produto final da planta, neste painel elétrico estão instalados os disjuntores de proteção do sistema elétrico do setor. A termografia realizada neste painel apresentou um ponto quente de 100,4 °C na conexão de entrada da fase R do disjuntor Q45. Abaixo seguem as fotos da inspeção e os dados do componente em falha;
34 Figura 18 - Painel de Disjuntores PNLL-2951 Fonte: Corbion Brasil.
Figura 19 – Termograma do Painel de Disjuntores PNLL-2951 Fonte: Corbion Brasil.
Setup do termovisor Fluke Ti25: - Emissividade: 0,85
- Unidade: °C - Faixa: auto range - Plano de fundo: bg=22,0 - Luz de fundo: auto. - Paleta: alto contraste.
