Curso de Termografia - Nabor.ppt

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Introdução

••

Definição de Termometria e Termografia

••

V

Vantagens da

antagens da utilização dos Infra

utilização dos Infravermelhos

vermelhos

••

História

••

Princípios Básicos

••

Sistema Infravermelho

••

Medições

Medições T

Termográficas

ermográficas

••

Aplicações

••

Aparelhos Infravermelhos

••

Referências

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Definição de Termometria

É o ramo da ciência que trata da medição de

temperaturas. A termometria se divide em duas

áreas de acordo com o princípio de medição

empregado:

- Medição de contato:

busca-se a obtenção debusca-se a obtenção de um perfeito equilíbrio térmico entre o sensor e o meio um perfeito equilíbrio térmico entre o sensor e o meio medido. Tal equilíbrio é alcançado principalmente medido. Tal equilíbrio é alcançado principalmente pelos mecanismos da condução e convecção.

pelos mecanismos da condução e convecção.

- Radiometria:

se baseia na detecção dase baseia na detecção da radiação eletromagnética naturalmente emitida pelos radiação eletromagnética naturalmente emitida pelos corpos em função de sua temperatura absoluta.

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Radiometria

- A radiometria se enquadra nas técnicas de - A radiometria se enquadra nas técnicas de sensoreamento remoto, onde as medições são realizadas sensoreamento remoto, onde as medições são realizadas por sensores que não estão em contato físico com o por sensores que não estão em contato físico com o objeto em estudo.

objeto em estudo.

- A radiometria pode ser realizada nas faixas - A radiometria pode ser realizada nas faixas espectrais do ultravioleta visível, infravermelho ou espectrais do ultravioleta visível, infravermelho ou microondas, abrangendo grande número de técnicas, microondas, abrangendo grande número de técnicas, dentre as quais a

dentre as quais a TERMOGRAFIATERMOGRAFIA..

- A termografia é definida como a

- A termografia é definida como a técnica de Inspeçãotécnica de Inspeção Não-destrutiva ou sensoreamento remoto que possibilita Não-destrutiva ou sensoreamento remoto que possibilita a medição de temperaturas à distância

a medição de temperaturas à distância e a formação dee a formação de imagens térmicas

imagens térmicas de um componente, equipamento oude um componente, equipamento ou processo, a partir da

processo, a partir da radiação infravermelha emitida por radiação infravermelha emitida por

corpos aquecidos

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Vantagens da utilização dos Infravermelhos

•• As câmaras de Infravermelho mostram os problemasAs câmaras de Infravermelho mostram os problemas

térmicos e quantifica-os com precisão através da radiação térmicos e quantifica-os com precisão através da radiação naturalmente emitida pelos objetos em análise.

naturalmente emitida pelos objetos em análise.

••

Verificação de equipamentos ou sistemas em pleno

funcionamento

– –

NÃO interfere na produção

..

••

Permite a medição de temperaturas à distância, sem

a necessidade de contato físico

-a necessid-ade de cont-ato físico - SEGURANÇA

SEGURANÇA

..

••

A termografia infravermelha é o único diagnóstico

técnico que permite instantaneamente visualizar e

verificar o comportamento térmico dos objetos em

análise.

••

Apresentam resultado imediato -

Apresentam resultado imediato - RAPIDEZ

RAPIDEZ

(5)

História

O Espectro Eletromagnético

• 1666, Issac Newton – analisando a decomposição da luz

solar ao atravessar um prisma de vidro, observou uma

sucessão de raios coloridos: violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho. Essa imagem colorida foi denominada de espectro, e a luz era composta por minúsculas

partículas chamadas corpúsculos, sendo menores para o violeta e progressivamente maiores para o vermelho.

•A família de ondas eletromagnéticas, englobando os

raios gama, raios X, ultra-violeta, luz, infravermelho,

microondas e ondas de televisão e rádio, é denominada Espectro Eletromagnético.

•Os valores das ondas

podem ser determinados pelas seguintes unidades:

Mi lím et ro (m m ) = 10 -3 _{m et ro} Micrômetro (μm) = 10 -6 _{m et ro} Nanôm etro (nm ) = 10 -9 _{m et ro}

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História

O Espectro Eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética

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História

O Espectro Eletromagnético

Mi lím et ro (m m ) = 10 -3 metro Micrômetro (μm) = 10 -6 m et ro Nanôm etro (nm ) = 10 -9 _{m et ro} _{A ng st ro n (Å) = 10}-1 0 _{m et ro}

Comprimento de onda

menos que 0,1 Å (Ångstrom) 0,1 a 200 Å

200 a 4000 Å 4000 a 7500 Å infravermelho próximo 7500 Å a 10 microns

infravermelho médio 10 microns a 60 microns infravermelho longínquo 60 microns a 300 microns

sub milimétrico 300 microns a 1 milímetro rádio milimétrico 1 milímetro a 1 centímetro microondas rádio 1 centímetro a vários centímetros Luz visível

Infravermelho

Ondas de rádio

Região do Espectro Eletromagnético

Raios Gama Raios X

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Ondas de rádio são radiações eletromagnéticas com comprimento de onda maior e freqüência menor do que a radiação infravermelha. A freqüência das ondas de rádio chama-se radiofreqüência (RF), é a menor do espectro

eletromagnético. Estas ondas são usadas para a comunicação em rádios amadores, radiodifusão, telefonia móvel, além das ondas do tipo VHF e UHF. Microondas: também designadas SHF (Super High Frequency) são ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda maiores que os dos raios

infravermelhos, mas menores que o comprimento de onda das ondas de rádio variando de 30 cm (1 GHz de freqüência) até 1 cm (30 GHz de freqüência).

Infravermelho é uma parte da radiação eletromagnética cujo comprimento de onda é maior que o da luz visível ao olho do ser humano, porém menor que o das microondas, consequentemente, tem menor freqüência que a da luz visível e maior que a das microondas. O vermelho é a cor de comprimento de onda mais larga da luz visível, compreendida entre 1 milímetro a 700 nanômetros. Os infravermelhos estão associados ao calor porque os corpos na temperatura normal emitem radiação térmica no campo dos infravermelhos.

Ondas de Rádio > Microondas > Infra-vermelho > Luz Visível > Raios Ultravioleta > Raios X > Raios Gama

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Ondas de Rádio > Microondas > Infra-vermelho > Luz Visível > Raios Ultravioleta > Raios X > Raios Gama

Relação entre o Comprimento de Onda do Espectro Eletromagnético

Radiação Ultravioleta (UV) é a radiação eletromagnética ou os raios

ultravioletas com um comprimento de onda menor que a da luz visível e maior que a dos raios X. O nome significa mais alta que (além do) violeta (do latim ultra), pelo fato que o violeta é a cor visível com comprimento de onda mais curto e maior freqüência.

Raios X: são emissões eletromagnéticas de natureza semelhante à luz visível. Seu comprimento de onda vai de 0,1 ângström até centenas de angströns. Os Raios X propagam-se à velocidade da luz e como qualquer radiação

eletromagnética estão sujeitos aos fenômenos de refração, difração, reflexão, interferência e atenuação. Sua penetrância nos materiais é relevante, pois

todas as substâncias são transparentes aos Raios X em maior ou menor grau. Radiação Gama ou Raio Gama (γ) é um tipo de radiação eletromagnética

produzida geralmente por elementos radioativos, processos subatômicos como a aniquilação de um par pósitron-elétron. Possui comprimento de onda de

Espectro visível (ou espectro óptico) é a porção do espectro eletromagnético cuja radiação pode ser captada pelo olho humano. Identifica-se esta radiação como sendo a luz visível, ou simplesmente luz, e situa-se entre a radiação

infravermelha e a ultravioleta. Os comprimentos de onda desta radiação estão compreendidos entre os 700 e os 400 nanômetros.

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História

•1750, James Clerk Maxwell – propôs ser a luz uma

radiação (onda) de natureza eletromagnética, produzidas pela oscilação perpendicular de um campo elétrico em relação a uma campo magnético.

•Ondas eletromagnéticas com 0,00040~0,00075 mm de

comprimento geram radiação que podem ser captadas pela retina humana (LUZ VISÍVEL).

OSCILAÇ O ELETROMAGN TICA

Campo Elétrico

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História

•1850, William Herschel – estabeleceu uma relação do

infravermelho com o comprimento de onda, cujo limite inferior coincide com o limite da percepção visual para o vemelho (0,00075 mm) e o superior com as microondas no campo milimétrico.

•1867, Heinrich Hertz – demonstrou que as ondas

eletromagnéticas se propagam na mesma velocidade que a LUZ (~300.000.000 m/s no vácuo), e seu valor determina a relação entre comprimento de onda e freqüência da

radiação.

V = . F

V =Velocidade da luz (m/s)

= Comprimento de onda (m) F = Frequência (Hertz)

(12)

História

Leis da Radiação

•1860, Gustav Kirchhoff – demonstrou que um objeto tem

igual capacidade em “absorver” e “emitir” energia

radiante. Também definiu como “Corpo Negro” o objeto

(padrão de referência) que absorve toda a energia

radiante que sobre ele incide. Por conseqüência, é um excelente emissor.

•1879, Josef Stefan – concluiu que toda energia irradiada

por um corpo negro é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta.

•1884, Ludwing Boltzmann – confirmou a

experiência de Stefan através da termodinâmica clássica e criou a Lei deStefan-Boltzmann:

W = σ . T4

W = Energia Irradiada (watts/m2₎

σ = Constante (5,7 x 10-8 w/m2K) LE Boltzmann(1844-1906) O Pai da termografia

(13)

História

•1899, Morse – registrou a primeira patente de um pirómetro óptico: •1901, Holborn e Kurlbaum – através de algumas experiências práticas em laboratórios, desenvolveram um aparelho similar ao criado por Morse, aparentemente sem saber da sua existência.

(14)

História

•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 é melhor em relação ao pirômetro óptico porque era capaz de

detectar objetos com

temperatura mais baixa do que a temperatura

ambiente.

•Se o Titanic tivesse a

capacidade de detectar icebergs...

(15)

História

•1968 – apareceu um

aparelho analógico, pesado, que requeria um longo

tempo de estabilização.

•O aparelho usava um

cristal piroelétrico como detector.

•Em 1973, um aparelho

infravermelho de curto alcance foi criado por Sensors, Inc.

• Usava um ponteiro para

indicar o ponto exato da medição.

(16)

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica

• Radiação térmica ou transmissão de calor por radiação,

é a taxa de emissão de energia de um dado material, numa determinada temperatura.

• A radiação térmica está relacionada com a energia

libertada devida as oscilações ou transições dos eletros, átomos, íons ou moléculas mantidos pela energia interna do material.

• Toda forma de matéria com temperatura acima do zero

absoluto emite energia térmica.

•Nos gases ou outros materiais transparentes (materiais

com absorção interna desprezível), a energia térmica irradia-se através de seu volume.

(17)

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica

• A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade

de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda

• Porém, a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores

perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calor.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1500°C 1000°C 542°C 260°C 20°C

Relação entre Temperatura e Energia E m i t a n c i a r a d i a n t e r e l a t i v a

Comprimento de Onda (microns)

102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 0

Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro)

E = h . F

E = Energia [J] h = constante de Planck [6,63x10-34 _Js] F = frequência [s-1_] .

(18)

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Radiação Térmica

• Os comprimentos de onda utilizados para a medição de

temperatura compõem o chamando espectro

eletromagnético, onde está o espectro InfraVermelho.

• A zona do visível abrange comprimentos de onda entre 0,4

μm e 0,75 μm, e os InfraVermelhos entre 0,75μm e 1.000 μm.

(19)

Corpo Negro

• É um objeto capaz de absorver toda a radiação que incide

sobre ele em qualquer comprimento de onda. É utilizado como um padrão de referência.

• Nenhuma superfície emite mais radiação InfraVermelha

que um corpo negro à mesma temperatura.

Corpo Real

• As superfícies só são capazes de emitir uma

determinada parte da energia.

• O parâmetro que determina a capacidade de emissão é

a emissividade

PRINCÍPIOS BÁSICOS

(20)

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Emissividade

• Uma radiação (energia) que atinge um corpo, pode ser absorvida

(α), refletida (ρ) ou transmitida ( ).

•A refletividade (ρ) é a capacidade de um corpo refletir energia.

• A transmissividade ( ) mede a capacidade de um corpo transmitir

energia.

• A absorvidade (α) mede a capacidade de um corpo absorver

energia.

• A reflectividade (ρ) e a

transmissividade (

conceitos associados à natureza do objeto (opaco ou translúcido) e às

condições atmosféricas na zona entre sensor e objeto.

(21)

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Emissividade

• Emissividade é a capacidade de um corpo em reemitir (refletir) a

energia absorvida, e sempre assume valores entre 0 e 1.

•Pode ser definida pela “relação entre a energia irradiada por um corpo qualquer e um corpo negro à mesma temperatura e num

determinado comprimento de onda”.

 = W’ / W

 = Emisividade

W’ = Corpo qualquer

W = Corpo Negro

•A emissividade é uma característica da composição química e da

textura do material, podendo variar com a temperatura e com o comprimento de onda.

•Camadas de óxido, poeira e pintura alteram os valores da

(22)

PRINCÍPIOS BÁSICOS

Emissividade

•Um corpo negro possui uma emissividade = 1,

•Um corpo cinzento possui emissividade constante,

porém < 1.

•Um corpo não cinzento (radiador seletivo) possui

emissividade que varia ao longo de diferentes comprimentos de onda, mas não com a temperatura.

(23)

• Num corpo não negro, uma parte da radiação total incidente é

absorvida e, por conservação de energia, o restante é refletido ( ε

+

ρ

+ = 1

Corpo negro ε=1, ρ==0 Corpo transparente  =1, _ρ=_ε=0

• No campo de aplicação da termografia, as superfícies são na

maioria das vezes opacas ao Infravermelho (

capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e

menor que 1, assim temos:

Corpo cinzento: ε + ρ = 1

Espelho perfeito

ρ=1, ε==0

PRINCÍPIOS BÁSICOS

) na superfície e transmitido ( ) através do corpo:

(24)

Emissividade

•Considerando a emissividade, a Lei de Stefan-Boltzmann que

define a potência radiante fica:

W =

σ

.

ε

. T

4 W = Potencia radiante [W/m2_] σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2] T = Temperatura absoluta [K] ε = Emissividade

PRINCÍPIOS BÁSICOS

(25)

Emissividade

Emissividades típicas consideradas em termografia

(26)

São equipamentos que detectam os comprimentos de ondas mais longos e convertem a radiação captada em

sinais eletrônicos que possibilitam a formação de imagens térmicas e a medição de temperatura à distância.

SISTEMA INFRAVERMELHO

Os principais sistemas infravermelho são:

- Radiômetros: São os sistemas mais simples. Neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha, piroelétrico ou

quântico, onde é transformada em sinal elétrico.

- Termovisores: São sistemas imageadores dotados de recursos para a análise e medição de distribuições

térmicas. Os termovisores compõem-se, em geral, de uma unidade de câmera e de uma unidade de vídeo (display).

(27)

O S i s t e m a In f r a v e r m e l h o

Janela e Ótica

Objeto _Atmosfera _Detetor

Electronica, Display ou Outras Saídas

453¡C SP1 470¡C EMS ¯.85

As medições termográficas são realizadas com a utilização de sistemas infravermelhos, tendo como princípio a comparação entre as intensidades de radiação provenientes do corpo observado e de uma referência de temperatura.

(28)

•SISTEMA ÓTICO: coleta a radiação incidente e direciona ao

detector (através de reflexão ou refração).

•MECANISMO DE VARREDURA: define o campo de visão para o

sensoriamento de uma cena (pode ser varredura linear, horizontal, vertical ou composição dessas).

•DETECTORES: converte energia radiante captadas pelo sistema

em outra forma mensurável de energia (sinal elétrico).

•PROCESSADOR: transforma o sinal elétrico em imageamento

(forma de apresentação da informação térmica que permite a

observação direta da distribuição de calor nos objetos estudados), através da comparação do sinal do objeto com o sinal de um corpo negro de referência.

•DISPLAY: apresentação da imagem e ou medição, podendo ser

monocromática ou policromática.

SISTEMA INFRAVERMELHO

Radiação Sistema Ótico Mecanismo de Varredura

Detectores Processador Display

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ESCALA MONOCROMÁTICA:

•A escala monocromática vai do preto ao branco através de

suaves variações de tonalidades de cinza. É conhecida como escala Grey.

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS

18,4°C 41,3°C 20 25 30 35 40

(30)

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS

ESCALA POLICROMÁTICA:

•A escala policromática vai do preto ao branco através de suaves

variações de tonalidades de cores, que dependem da escala usada. Em nosso caso usamos a escala IRON, que vai do preto ao branco através de tonalidades de violeta, azul, rosa, vermelho, laranja e amarelo.

(31)

• A medição de temperaturas a partir da radiação natural emitida

pelos corpos é denominada PIROMETRIA, quando o comprimento de

onda é até 0,70 μm (VISÍVEL).

•Quando o comprimento de onda é maior que 0,70 μm

(INFRA-VERMELHO e MICROONDAS), é denominada RADIOMETRIA.

•A TERMOGRAFIA é uma técnica da radiometria para medição de

temperatura, que utiliza sistemas infravermelhos a partir da

comparação entre a intensidade da radiação proveniente do objeto com a de uma referência de temperatura.

•Genericamente é a técnica que possibilita a medição de temperatura

à distância e a formação de imagens térmicas (termogramas) a partir da radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos em

função de sua temperatura absoluta.

• Um sensor foto sensível sintonizado para detectar uma banda

específica do espectro infravermelho, recebe energia radiante do alvo através do sistema óptico.

(32)

• Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre a

temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho.

• O sistema óptico determina o diâmetro da área circular ou campo

de visão do aparelho.

• A relação entre distância do alvo ao pirómetro (D) e o diâmetro do

campo de visão (S), determina a resolução óptica do equipamento.

(33)

Erros

• Existe uma forte dependência entre a temperatura, a emissividade

e a quantidade de energia emitida pela área delimitada pelo campo de visão do aparelho.

• A redução de energia dada a obstrução causada por vapores e

partículas sólidas (Atenuação Atmosférica), assim como variações de emissividade, afetam diretamente a medição da temperatura.

(34)

Industrial:

As principais aplicações da termografia na indústria incluem a área elétrica, onde é importante a localização de componentes defeituosos sem a necessidade de contato físico, e as áreas siderúrgica, petroquímica e fábricas de papel, onde é grande o número de processos envolvendo vastas quantidade de calor Problemas operacionais podem ser relacionados diretamente

com as distribuições externas de temperatura nos equipamentos.

Aplicações

•Redes e Equipamentos Elétricos: Um equipamento defeituoso

aparece na imagem térmica como ponto quente em comparação com o ambiente ou componentes similares em bom estado

(35)

Aplicações

(36)

Aplicações

(37)

Aplicações

•Petroquímica: Inspeção da rede elétrica, localização de

problemas de fluxo de produto (válvulas de segurança, purgadores, nível de tanques), inspeção de bombas,

acompanhamento da eficiência de refratário e isolamento térmico de fornos, reatores, dutos, trocadores de calor, chaminé e

quantificação de perdas de calor em equipamentos de grande porte.

(38)

Aplicações

(39)

Aplicações

(40)

Aplicações

(41)

Aplicações

(42)

Aplicações

•Petroquímica: IR - I0000200.028 TROCADOR DE CALOR -57,9 31,8 °C -40 -20 0 20 IR - I0000200.027 TORRE DE REFRIGEÇÃO 17,2 47,6 °C 20 25 30 35 40 45

(43)

Aplicações

(44)

Aplicações

•Siderurgia: Acompanhamento do desgaste do revestimento em

alto-fornos, dutos de gás, lingoteiras, regeneradores,

carros-torpedo e fornos rotativos, inspeção de rede elétrica e verificação da ocorrência de queda ou desgaste de refratários.

(45)

Aplicações

•Indústria de papel: Inspeção de rede elétrica, acompanhamento

de desgaste de refratário de forno rotativo, detecção de falhas no isolamento térmico das tubulações de vapor, localização de

purgadores defeituosos, controle de secagem da folha e medição de temperatura da máquina de papel.

(46)

Aplicações

•Militares: Imageamento noturno, mecanismos de mira das armas,

imageamento térmico do solo, controle direcional de mísseis (pelo calor), localização de navios, aeronaves e carros de

(47)

Aplicações

•Astronomia: Telescópios infravermelhos para identificação e

detecção de corpos celestes.

•Sensoreamento Remoto: Sensoreamento da terra a partir do

espaço, imageamento térmico da terra, levantamentos meteorológicos, geológicos e cartográficos.

(48)

Aplicações

(49)

Aplicações

•Médicas: Termômetros, detecção de câncer de mama e de

problemas de circulação.

•Aeroespaciais: Identificação de células danificadas em painéis

solares de satélites, estudo de desempenho de materiais para naves espaciais, estudos térmicos em áreas de motores a jato.

(50)

HR101 (EXTECH)

• Este aparelho mede a humidade relativa,

temperatura do ar (com uma sonda) e a temperatura de uma superfície (a partir de infravermelhos). A função de Infravermelho inclui um ponteiro laser para indicar do alvo.

Aparelhos de Infravermelho

MIKRON 7515 (MIKRON)

• Utilizado para inspeções, investigação e

aplicações médicas. Possui alcance

espectral para onda longa, sensibilidade térmica de 10 a 30 ºC, ajustes de

emissividade de 0,10-1,0 e preço de 12.000 € a 25.000 €.

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FLIR 390 (FLIR)

•Utilizado para Inspeções, investigação e

aplicações médicas, tem alcance espectral de onda média, gamas de temperaturas de -10 a 450 ºC, sensibilidade térmica <0,07 a 30 ºC, ajustes de emissividade 0,10-1,0 e preço de 12.000 € a 25.000 €.

Aparelhos de Infravermelho

RAYTHEON 2000 AS (RAYTHEON)

•Utilizado para vigilância, investigação e

aplicações médicas, tem alcance espectral de onda longa, gamas de temperaturas de -20 a 1500 ºC, sensibilidade térmica <0,10 a 30 ºC, ajustes de emissividade 0,10-1,0 e preço 4.000 € a 11.000 €.

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QWIP

•Utilizado para sistemas de vigilância, navegação,

monitorização do tempo e astronomia, possui alcance

espectral de 8 a 12 μm, sensibilidade térmica <0,09 a 25

ºC, ajustes de emissividade 0,15-1,0 e preço de 10.000 € a

20.000 €.

(53)

• en.wikipedia.org • www.extech.com • www.inframation.org • www.flirthermography.com • www.attinfrared.com • www.zytemp.com • www.amperesautomation.hpg.ig.com.br • www.nasa.gov • www.vicotrylighting.co.uk