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Construção e Teste de um Corpo Negro Extenso

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Academic year: 2021

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Construção e Teste de um Corpo Negro Extenso

Robert C. F. Almeida1, Geraldo M. L. Filho1, Ruy M. Castro1,2 e Alvaro J. Damião2

1Instituto Tecnológico de Aeronáutica 2Instituto de Estudos Avançados – IEAv; – ITA – Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, S J Campos – SP – Brasil.

Resumo  Foi construído e testado por comparação um

Corpo Negro Extenso de dimensões 30 x 30 cm. A comparação foi feita com um Corpo Negro Extenso comercial, a fim de avaliar o seu desempenho em condições de laboratório. Também foram realizados testes externos, principal objetivo deste desenvolvimento. Os materiais usados foram obtidos por reciclagem. Foram utilizadas máscaras de Aço 1020 e alumínio, para avaliação da Função de Referência por Contraste. Os resultados da comparação surpreenderam e indicam a possibilidade da construção de Corpos Negros ainda mais extensos, para utilização em situações de testes a grandes distâncias (altitudes).

Palavras-Chave  Corpo Negro Extenso, CTF, Infravermelho.

I. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de um equipamento ou dispositivo com objetivo didático, além de resultar no objeto pretendido, permite um ganho de conhecimento por parte de todos os envolvidos. Diferente de um dispositivo comercial, muitas vezes associado a uma “caixa preta”, tem-se a oportunidade de interagir com cada uma das partes que compõe este dispositivo, saber suas potencialidades, criticalidades e limitações. Certamente a especificação de uma próxima aquisição de um sistema equivalente poderá ser feita com maior conhecimento e qualidade. Daí a decisão de construir um Corpo Negro de Área Extensa (CNE).

Um Corpo Negro (CN) ideal tem como característica absorver toda a radiação eletromagnética a ele dirigida, independentemente do ângulo de incidência ou da frequência desta radiação. Ao mesmo tempo, ele também emite radiação eletromagnética, cuja intensidade depende da sua temperatura termodinâmica. Devido a estas propriedades os CN têm sido utilizados como referência para a caracterização de instrumentos e sensores, tais como: termômetros no infravermelho, espectroradiômetros, termovisores, câmeras termais, etc.

Entretanto, os corpos negros reais são significativamente diferentes. A primeira diferença é que eles precisam ser aquecidos ou refrigerados por fontes externas, para atingir e manter a temperatura termodinâmica desejada. Outra diferença é que a radiação eletromagnética também depende da emissividade da superfície do corpo negro. A emissividade é uma propriedade física dos corpos, mais especificamente, um número adimensional, variando entre 0 e 1, que depende das características de cada corpo/superfície.

Robert C. F. de Almeida, robert.rcfa@gmail.com, Tel +55-12-3947-5440, Geraldo M. de Lima Filho, geraldolfi@hotmail.com, Tel +55-12-3947-5440, Ruy M. de Castro, rmcastro@ieav.cta.br, Tel +55-12-3947-5350, e Alvaro J. Damião, damiao@ieav.cta.br, Tel +55-12-3947-5412.

Existem dois tipos de Corpos Negros a disposição no mercado:

 O Corpo Negro de Cavidade - CNC, onde a radiação é produzida na cavidade/interior do corpo negro. A temperatura termodinâmica de operação destes equipamentos, pode variar, em geral, entre 50 oC a 1200 oC. A radiação é emitida através de um pequeno orifício no equipamento. De maneira simples, um CNC é um pequeno forno estabilizado termicamente, com um orifício para a emissão da radiação; e  O Corpo Negro de Área Extensa - CNE, que tem a

radiação produzida em determinada área da superfície do equipamento. Assim, esta área deve apresentar uniformidade na temperatura termodinâmica, com a mesma emissividade. Nestes equipamentos, a temperatura termodinâmica pode variar entre -10 a 600 oC.

Corpos Negros são equipamentos delicados e de alto custo. Sua utilização fora de laboratórios pode levantar dúvidas quanto a ser adequada e imprescindível esta utilização.

Decidiu-se então pela construção de um simulacro de baixo custo de um Corpo Negro de Área Extensa (CNEC), para a faixa de temperatura entre 18 °C e 55 °C, e avaliar seu desempenho, quando comparado com um equipamento comercial. Certamente o sistema de controle de temperatura e demais controles do CNEC não podem ser comparados a um dispositivo comercial, mas a facilidade de construção, que pode permitir ainda uma réplica em maior escala, e a surpreendente qualidade dos resultados na comparação, indicaram que esta é uma possível solução para algumas aplicações. Isto tudo além do ganho obtido por um conhecimento mais detalhado de seu funcionamento e controle.

II.MATERIAIS E MÉTODOS

Serão descritas quatro fases da construção e testes do CNEC fabricado: considerações sobre a sua construção, detalhes desta construção, o método de comparação com um CNE comercial e, finalmente, o método para a avaliação de sua caracterização espacial.

Considerações sobre a construção do Corpo Negro Extenso

Esquematicamente pode se pensar num CNEC, para a faixa de temperatura entre 18 °C e 55 °C, como um conjunto formado por: uma fonte de calor, uma fonte de refrigeração, um sistema de bombeamento, um controlador de temperatura e um dispositivo que tenha a área desejada para ser a parte frontal do CNEC.

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CNEC a 20 ºC, daí a fonte de refrigeração será demandada. O sistema de bombeamento fará circular o líquido trocador de calor pelo sistema, determinando assim a temperatura da parte frontal do CNEC.

O cobre é um bom condutor de calor e uma placa de cobre cumpre muito bem o papel de parte frontal do CNEC. A espessura desta placa terá papel determinante na estabilidade da temperatura do CNEC. Se for muito fina, abaixo de 1 mm, rapidamente será atingida a temperatura desejada, mas será bastante susceptível a temperatura externa, pois rapidamente trocará calor com o ambiente. Se a chapa for muito espessa, acima de 10 mm, a troca com o ambiente será minimizada, mas o tempo de termalização será muito mais longo. Esta escolha influenciará na estabilidade do CNEC.

A troca de calor do sistema de aquecimento ou refrigeração com a placa frontal pode ser feita por uma placa dupla ou por uma serpentina soldada na sua parte posterior. É importante que o sistema de bombeamento seja suficientemente potente para garantir boa circulação do líquido aquecedor ou refrigerador, para que seja obtida a uniformidade na temperatura da placa frontal. O isolamento térmico da parte traseira da placa frontal minimiza a troca de calor com o ambiente.

Outro fator a ser levado em consideração é a pintura da superfície exposta da placa de cobre, visto que a emissividade de metais é baixa, da ordem de 0,6 para metais não polidos, em comparação a outros materiais. Assim, se se deseja que o corpo negro trabalhe em uma temperatura termodinâmica superior a temperatura ambiente, para aumentar a quantidade de radiação produzida pelo corpo negro é interessante que a superfície de cobre seja pintada com uma tinta cuja emissividade seja próxima de 1.

Construção do Corpo Negro Extenso

Este trabalho foi desenvolvido como parte de uma tese de mestrado. Não houve financiamento ou qualquer outro tipo de recurso financeiro associado. Para a construção do CNEC relatado neste trabalho os materiais e dispositivos utilizados foram obtidos na sucata ou de equipamentos descarregados.

A água foi escolhida como líquido para a troca de calor. Para a construção do CNEC foram utilizados os seguintes materiais:

1. Controlador e Mostrador de Temperatura Digital, Robertshaw, modelo LFS, para termopar tipo K, faixa de medição 70 a 1200 °C (Fig 1 item 1);

2. Reservatório de plástico com capacidade para 3 litros de água (Fig 1 item 2);

3. Uma bomba d’água, responsável pela circulação da água (Fig 1 item 3);

4. Radiador em circuito fechado com ventilador para resfriar a água do reservatório (Fig 2 esquerda);

5. Resistência de níquel-cromo para aquecer a água do reservatório;

6. Uma chapa de cobre de 30,3 x 30,3 cm, com uma serpentina de cobre soldada na parte traseira (Fig 2 direita);

7. Isolante térmico na parte de trás do Corpo Negro (Fig 1 item 7); e

8. Termopar tipo K (Fig 1 item 8).

O tanque de água funciona como reservatório térmico para o dispositivo. A temperatura desejada é selecionada no controlador de temperatura e, após 30 minutos, é obtida a termalização do conjunto. Este tempo era esperado, pois o mesmo ocorre com os equipamentos comerciais.

Idealmente, quanto maior o tanque de água e maior a potencia da bomba de circulação, maior será a estabilidade térmica do sistema. Também serão maiores a massa e o volume a serem transportados.

O funcionamento do dispositivo indicou que não deve haver dificuldade em aumentar a sua escala, caso se deseje, por exemplo, avaliar câmeras de infravermelho em voo, o que sugeriria a utilização de um alvo com alguns metros quadrados de área.

Fig. 1. Componentes do CNEC.

Fig. 2 Sistema de refrigeração (esquerda) e parte posterior da placa de cobre (direita).

Método de avaliação do desempenho do CNEC

Para avaliar o desempenho do CNEC foi escolhido o método da comparação com um CNE comercial. Uma mesma câmera coletou os dados (imagens) de cada um dos CNE (construído e comercial), aproximadamente nas mesmas

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condições ambientais e de distância, e os resultados obtidos foram então comparados.

Como elemento da comparação foi utilizado o CNE SR800 da CI Systems® [1], que tem as mesmas dimensões frontais do CNEC. Trata-se de um CNE de larga utilização na calibração de câmeras e outros dispositivos no infravermelho.

O comparador utilizado foi uma câmera SC5600 da FLIR SYSTEMS® [2], que é uma câmera de imagem térmica comercial de alto desempenho, para a termografia industrial e educacional. A imagem é gerada por uma matriz de 640 x 512 pixels, com frequências entre 5 a 100 Hz. Os detectores são de antimoneto de índio (SbIn), refrigerados, com resposta espectral entre 2,5 µm a 5,1 µm. Suas lentes possuem um sistema de autofoco integrado. A série SC5600 tem dois conjuntos de lentes, um de foco equivalente de 27 mm, e outro de 54 mm, ambas do mesmo fabricante.

Método de Caracterização Espacial

Com o objetivo de avaliar se a utilização do CNEC poderia afetar o resultado da caracterização espacial da câmera, ou seja, a sua resolução em determinada condição, foi utilizada uma máscara metálica, que não tinha contato térmico apreciável com o CNEC. A temperatura da placa era basicamente a temperatura ambiente.

Foram fabricadas máscaras de alumínio e Aço 1020 com o padrão USAF51. A máscara de aço foi descartada nos experimentos por ter apresentado problemas de condutividade térmica, que resultaram em não uniformidades. Por questões de facilidade de fabricação, foi utilizada uma máquina programável de eletroerosão a fio (Fig 3). Para evitar serem necessárias várias entradas na máquina de corte, foi feita a opção de um roteiro de corte com uma só entrada. Isto implicou em que a extremidade do lado esquerdo de cada barra horizontal não toca o corpo da máscara, estando sustentada pela outra extremidade. O mesmo ocorre para a parte superior das barras verticais. Como a condutividade do material, Aço 1020 neste caso, é mais baixa que a do cobre, há maior dificuldade em ser mantida a temperatura na extremidade de cada barra e uma pequena diferença térmica pôde ser notada.

Fig. 3 Fabricação do alvo com o padrão USAF51.

A reflexão originada por outras fontes, como a de pessoas no laboratório, é um problema sério para este tipo de medição. Como as temperaturas utilizadas estão próximas às do corpo humano, qualquer reflexo de uma pessoa ou outra fonte que

esteja em temperaturas próximas pode afetar a qualidade das medições. As máscaras de Alumínio (Fig 4 esquerda) e de Aço 1020 (Fig 4 direita) foram jateadas com microesferas de sílica, para aumentar a dispersão da luz na superfície. A máscara de alumínio foi pintada de preto fosco, para alterar a sua emissividade.

Fig. 4 Máscaras de Alumínio (esquerda) e Aço 1020 (direita) com o padrão USAF, utilizadas na caracterização espacial.

A caracterização espacial foi baseada no modelo proposto por Schott [3]. Obtém-se daí o Contraste Relativo como função do número de pares de linha por metro do padrão USAF51 utilizado. Os limites de resolução (Fig 5) são dados pela frequência de Nyquist e pela função AIM (Aerial Image Modulation). AIM é reta que liga a interseção do Contraste Relativo (CTF) com a frequência de Nyquist com a origem do gráfico. Ela indica a menor quantidade de modulação detectável por um sistema, isto é, o seu limiar [4].

Fig. 5 Curvas teóricas: CTF, Frequência de Nyquist e AIM (adaptado de [4]).

III.RESULTADOS E ANÁLISE

Foram realizados experimentos dentro e fora do laboratório, com o objetivo de avaliar comparativamente o desempenho dos CNE estudados. O maior tempo de termalização indicado pelos fabricantes era o da câmera, que é de duas horas. Este tempo foi respeitado em todos os experimentos.

A não uniformidade do corpo negro fabricado foi comparada com a sua equivalente do corpo negro CI Systems®. Os CNEs foram ajustados para aproximadamente a mesma temperatura (dentro de uma incerteza mensurável) para que os resultados pudessem ser comparados. Neste experimento não houve a utilização de máscaras. A superfície frontal dos CNEs estava totalmente exposta. A temperatura média de toda a superfície do CNE da CI (área demarcada por uma linha azul, Fig 6) foi obtida. A do CNEC deste trabalho

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está demarcada por uma linha vermelha (Fig 7). O desvio padrão obtido foi o mesmo, mas o CNEC mostrou menor dispersão (Tabela I). No lado direito da Fig 7 podem ser observados os tubos de entrada e saída do sistema de circulação de água do CNEC.

Fig. 6 Medição da não uniformidade do CNE da CI Systems

TABELA I COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS NA MEDIÇÃO DA NÃO UNIFORMIDADE DOS CNES.

CNE CI CNEC Min (°C) 24,66 24,36 Max (°C) 26,47 24,79 Média (°C) 24,92 24,58 Dispersão (°C) 1,81 0,43 Desvio Padrão (°C) 0,05 0,05

Com a máscara de alumínio colocada à frente de cada um dos CNE, foi obtida no laboratório a curva característica do Contraste Relativo como função do número de pares de linhas por metro (Figs 8 e 9) e em ambiente aberto (Fig 10). As diferenças de temperaturas entre os CNE e a máscara, utilizadas em ambiente externo, foram da ordem de 20 ºC, de maneira a aumentar o contraste e assim minimizar a influência de sinais espúrios externos. Todos os dados foram tomados à mesma distância de 1,55 metros, com o conjunto de lentes de foco equivalente de 27 mm.

Os resultados mostraram os comportamentos foram similares. O número de pares de linhas por metro resolvido para ambos os CNEs foi exatamente o mesmo, indicando que qualquer um deles poderia ser utilizado para este tipo de medição, nas condições indicadas.

Fig. 8 Contraste Relativo do CNE da CI Systems a temperatura de 24,9 °C e Alvo a 22,3 °C (medida pela câmera).

Fig. 9 Contraste Relativo do CNEC a temperatura de 24,6 °C e Alvo a 21,9 °C (medida pela câmera).

Auxiliado por uma condição de maior contraste, dada pela maior diferença de temperatura entre o CNEC e a máscara, a medição em ambiente externo apresentou uma resolução ainda maior, como era esperado. Mas a certeza de que qualquer problema que ocorresse com o CNEC poderia ser consertado, permitiu que esta ou qualquer outra medição pudesse ser realizada sem preocupações quanto à integridade do equipamento.

Fig. 10 Contraste Relativo do CNEC a temperatura de 45 °C e Alvo a 28 °C (medida pela câmera), em ambiente externo.

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IV. OBSERVAÇÕES FINAIS

Foi construído um CNE com objetivos didáticos e que permitissem a sua utilização fora de laboratório, sem maiores preocupações com possíveis danos por sua utilização.

Os resultados obtidos mostraram que, quando comparado a um CNE comercial, o comportamento do CNEC apresentou resultados equivalentes, com menor dispersão.

Há possibilidade de construção de um CNE de maiores dimensões para a utilização de caracterizações espaciais que demandem maiores distâncias.

REFERÊNCIAS

[1] CI SYSTEMS. SR-800 extended area blackbody. Simi Valley, 2004.

http://www.ci-systems.com/sr-800-high-temperature-blackbody, acesso em 23/06/2016.

[2] FLIR SYSTEMS. Large format infrared cameras for R&D and thermography applications. Hong Kong. Disponível em:

http://www.sourcesecurity.com/datasheets/flir-systems-sc5600-cctv-camera/co-2752-ga/AU_SC5600-M_Leaflet_APAC.pdf, acesso em 23/06/2016.

[3] SCHOTT, J. Remote sensing: the image chain approach. New York: Oxford University Press, 2007.

[4] ALMEIDA, M. H. Desenvolvimento de um software para avaliação de desempenho do sistema óptico em equipamento para retinografia digital. 2007. 44 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade de São Carlos, São Carlos.

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