Avaliação da imagem térmica

Neste artigo trata-se do tema da avaliação da imagem térmica.

1 – Avaliação da imagem térmica – Os benefícios e vantagens das medições radiométricas de temperatura

Uma câmara térmica radiométrica mede a temperatura de uma superfície interpretando a intensidade de um sinal de infravermelhos que chega à câmara.

A adição da funcionalidade radiométrica a uma câmara pode dar aos técnicos a capacidade de guardar as imagens para análise pós-inspeção e medir com precisão as temperaturas de pixels individuais da imagem. A adição de imagens radiométricas permite aos técnicos captar dados de temperatura em cada pixel de uma imagem. Os técnicos podem assim analisar e enviar relatórios detalhados e imagens que examinam os dados de temperatura em toda a imagem, fornecendo resultados quantificáveis.

2 – Avaliação da imagem térmica – Termografia Qualitativa vs. Quantitativa

A capacidade de detetar e visualizar a energia infravermelha com câmaras termográficas tem enormes benefícios para os utilizadores. Durante a última década, especialmente, as inovações no tamanho, peso e custo das câmaras termográficas, juntamente com as atualizações dos fatores de forma, software de análise e processamento de dados, tornaram esta tecnologia inestimável de formas imprevistas.

Com tantas opções – desde sistemas de câmaras aéreas não tripuladas para busca e salvamento até câmaras de imagem ótica de gás para detetar emissões fugitivas – é importante focar em fatores chave ao selecionar a ferramenta térmica certa para o seu trabalho. Para começar, a questão é saber se os dados qualitativos ou quantitativos são fundamentais.

Avaliação da imagem térmica – Termografia Qualitativa

Para algumas aplicações, o operador apenas necessita de uma termografia ou de dados de infravermelhos representados como uma imagem visual, para interpretar a cena e identificar a origem de um problema ou a necessidade de uma reparação. Este método qualitativo de termografia fornece a pista visual necessária para atuar.

Avaliação da imagem térmica – Figura 1 – A termografia qualitativa – Fuga de metano de uma válvula

A imagiologia ótica de gás é uma tecnologia qualitativa que revela fugas de gás.

Uma utilização valiosa da termografia qualitativa envolve operações de busca e salvamento utilizando uma câmara térmica acoplada a um sistema aéreo não tripulado (UAS). Neste cenário, os pesquisadores utilizam a câmara para localizar formas humanas quentes que se destacam contra um fundo mais frio da paisagem. A imagem térmica é particularmente útil à noite ou noutras situações de baixa visibilidade que desafiam os olhos humanos ou as câmaras de luz visível; não é necessário identificar temperaturas específicas.

Esta mesma necessidade qualitativa pode também aplicar-se aos sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) ou aos veículos autónomos. Neste caso, o objetivo é semelhante: a capacidade de identificar objetos específicos na estrada, especialmente pessoas e animais de grande porte, que os condutores queiram evitar em situações de baixa visibilidade.

Avaliação da imagem térmica – Termografia quantitativa

Por outro lado, há alturas em que uma simples imagem térmica não é suficiente para interpretar a cena. Nesses cenários, a capacidade de detetar e registar a temperatura de cada pixel é vital para o sucesso da missão. Nestes casos, é importante utilizar uma câmara térmica radiométrica – o que significa que a câmara é capaz de medir a temperatura de uma determinada superfície interpretando a intensidade do sinal de infravermelhos que chega à câmara.

Com a funcionalidade radiométrica na câmara, os termógrafos podem guardar dados para análise de imagens após a inspeção. O software compatível pode medir com precisão as temperaturas de pixels individuais da imagem nos dados, um processo crítico para a inspeção industrial. Quer estejam a observar quadros elétricos, telhados, painéis solares, subestações ou culturas, os inspetores de termografia podem analisar os dados de temperatura após a inspeção e enviar relatórios e imagens detalhados que fornecem resultados quantificáveis e acionáveis.

Avaliação da imagem térmica – Figura 2 – A termografia quantitativa

A tecnologia térmica radiométrica também desempenha um papel crucial na monitorização do estado e nas inspeções mecânicas, porque pode não só identificar pontos quentes ou frios anómalos, mas também fornecer a camada adicional de dados de temperatura necessária para diagnosticar corretamente potenciais problemas. Estes pontos quentes ou frios podem significar uma falha ou potencial falha num sistema elétrico, mecânico ou crítico para as instalações. De facto, a identificação precoce destes problemas permite que os técnicos programem reparações ou substituições sem necessidade de uma paragem dispendiosa das operações.

3 Avaliação da imagem térmica – Funcionalidades das camaras térmicas radiométricas

As câmaras térmicas radiométricas incluem muitas vezes funcionalidades úteis, como um medidor de temperatura pontual que o utilizador pode mover ou redimensionar para melhor se adaptar a aplicações específicas ou vários medidores de temperatura pontual que medem intervalos de temperatura em diferentes partes da cena. Isto pode ser crucial para identificar a fonte de calor superior ao normal, que pode indicar problemas elétricos, mecânicos ou operacionais.

Avaliação da imagem térmica – Figura 3 – Imagem de câmara térmica radiométrica

Apesar da ampla utilização da termografia radiométrica, é importante reconhecer que podem existir variações na temperatura real quando se capturam dados de temperatura sem contacto. A deteção remota da temperatura de uma superfície depende da capacidade de compensar com precisão as caraterísticas da superfície, a interferência atmosférica e o próprio sistema de imagem. A emissividade, ou a capacidade do objeto de emitir infravermelhos, e a refletividade, ou a forma como a superfície reflete os infravermelhos, podem influenciar e reduzir a precisão global da temperatura registada em dois graus Celsius ou mais. A maioria das câmaras termográficas fornece definições de compensação que podem ter em conta estas caraterísticas da superfície e melhorar a precisão geral da medição.

4 – Avaliação da imagem térmica – Caraterísticas avançadas das câmaras térmicas radiométricas

Algumas das vantagens das câmaras radiométricas avançadas incluem:

• Precisão melhorada (desempenho típico da ordem de +5º C ou 5% no estado de alto ganho, variando ligeiramente em toda a gama de temperaturas de funcionamento)
• Medidor de pontos móvel e redimensionável (as coordenadas podem ser selecionadas pelo utilizador para qualquer localização na matriz)
• Dados adicionais do medidor de pontos (média, desvio padrão, valor mínimo e máximo)
• Dados digitais lineares na temperatura do cenário (em funcionamento em tempo real, os valores dos pixels nos dados digitais correspondem à temperatura do cenário)
• Informações detalhadas sobre a temperatura (os utilizadores obtêm informações sobre a temperatura por pixel de objetos na cena)
• Precisão da temperatura (permite que os parâmetros externos da cena sejam compensados pela emissividade – uma medida da eficiência de uma superfície para emitir energia térmica em relação a uma fonte de corpo negro perfeito – e pela transmissão da janela, para determinar a temperatura com maior exatidão)
• Funcionalidade de métrica de imagem (permite que os utilizadores consultem a câmara para obter dados de temperatura do cenário através de um comando de série, tais como o máximo, o mínimo e o desvio padrão para regiões definidas pelo utilizador).
• Algumas câmaras com tecnologia radiométrica avançada têm ainda a capacidade de compensar as variações de temperatura da câmara. Isso permite que os usuários recebam uma saída que foi estabilizada e normalizada, resultando em um “vídeo com temperatura estável”; uma cena com uma determinada temperatura sempre corresponderá a um determinado valor digital no vídeo, independentemente da temperatura da câmara.

É importante distinguir as medições de temperatura como medições de infravermelho de superfície porque as medições radiométricas devem ser restritas a materiais opticamente opacos. Os metais e os materiais orgânicos (como as pessoas) são geralmente completamente opacos e as medições radiométricas devem ser capazes de determinar a temperatura da sua superfície.

A deteção remota da temperatura de uma superfície depende da capacidade de compensar com precisão as caraterísticas da superfície, as interferências atmosféricas e o próprio sistema de imagem. As caraterísticas da superfície que influenciam a medição da temperatura são a emissividade e a refletividade da superfície nos comprimentos de onda do espetro infravermelho.

5 – Avaliação da imagem térmica – Ferramentas de medição

Ferramenta de ponto

A ferramenta de ponto é uma ferramenta de medição de temperatura que apresenta a leitura de temperatura de um ponto específico na imagem. Esta ferramenta é útil quando é necessário medir a temperatura de uma área específica da imagem com elevada precisão.

Avaliação da imagem térmica – Figura 4 – A ferramenta de ponto

Ferramenta de caixa

A ferramenta de caixa apresenta a temperatura mínima, máxima e média dentro de uma área retangular selecionada da imagem. É particularmente útil quando se mede a temperatura de uma grande área da imagem.

Avaliação da imagem térmica – Figura 5 – A ferramenta de caixa

Ferramenta de máscara de medição

A ferramenta de máscara de medição é utilizada para capturar e medir formas mais complexas na imagem. Esta ferramenta mostra a temperatura mínima, a temperatura máxima e a temperatura média dentro de uma forma selecionada da imagem, tornando-a ideal para medir objetos com formas irregulares.

Avaliação da imagem térmica – Figura 6 – A ferramenta de máscara

Ferramenta de linha

A ferramenta de linha mostra a temperatura mínima, a temperatura máxima e a temperatura média na linha selecionada. É particularmente útil para medir variações de temperatura ao longo de um caminho específico.

Avaliação da imagem térmica – Figura 7 – A ferramenta de linha

Ferramenta de linha poligonal

A ferramenta de linha poligonal é semelhante à ferramenta de linha, mas permite medir variações de temperatura ao longo de uma série de linhas conectadas desenhadas na imagem. Apresenta a temperatura mínima, a temperatura máxima e a temperatura média dentro da linha poligonal.

Avaliação da imagem térmica – Figura 8 – A ferramenta de linha poligonal

Ferramenta Delta

A ferramenta delta é utilizada para calcular a diferença entre duas medições de temperatura ou entre uma medição de temperatura e uma temperatura fixa conhecida como temperatura de referência. Esta ferramenta é particularmente útil para medir variações de temperatura ao longo do tempo ou para comparar duas áreas diferentes na imagem.

Avaliação da imagem térmica – Figura 9 – A ferramenta delta

A seguir pode ver um vídeo sobre análise de imagem em termografia.

6 – Avaliação da imagem térmica – Ajuste de nível e amplitude

O nível e amplitude podem ser ajustados utilizando as barras por baixo da imagem. É possível também pode ajustar automaticamente a escala e pode introduzir números específicos para a temperatura máxima e mínima, se desejado.

Avaliação da imagem térmica – Figura 10 – O nível e amplitude podem ser ajustados

7 – Avaliação da imagem térmica – Correção da distância (atmosférica) e emissividade

A emissividade, a temperatura refletida e outros parâmetros do objeto podem ser ajustados na tabela à direita da imagem. Estes parâmetros têm um impacto na exatidão das medições de temperatura. Clique em Mostrar tudo para exibir a temperatura atmosférica, humidade, distância e parâmetros de ótica externa.

Avaliação da imagem térmica – Figura 11 – A emissividade, a temperatura refletida e outros parâmetros do objeto podem ser ajustados.

8 – Avaliação da imagem térmica – Diretrizes para interpretação de imagens

Do ponto de vista do equipamento, a interpretação de imagens térmicas é essencialmente um processo de comparação das temperaturas e padrões aparentes da superfície com imagens de referência representativas dos critérios ideais de referência, representativas dos critérios ideais de conceção, fabrico, instalação, funcionamento e manutenção. Esta comparação também pode ser necessária antes e depois de uma atividade de manutenção.

Uma vez concluída a comparação e a identificação de quaisquer anomalias, a análise assume normalmente a forma de comparação de temperaturas e padrões com aqueles consistentes com falhas e modos de falha conhecidos.

Quando se utiliza a termografia para fins de monitorização do estado das máquinas, é necessário conhecer em pormenor as condições de funcionamento e ambientais da máquina no momento de cada inspeção, uma vez que muitas alterações nos padrões térmicos dependem das condições de funcionamento e/ou do ambiente.

Compreender o projeto de um equipamento é essencial para compreender a carga dos componentes, que pode ser o principal contribuinte para o padrão térmico. Num caso, uma carga normal pode gerar uma temperatura excessiva, enquanto uma temperatura aceitável pode ser gerada por uma aplicação de carga anormal. Um exemplo típico desta situação é quando o calor gerado pela fricção numa zona de carga de um rolamento não é excessivo, mas está no local errado, indicando potenciais falhas, como uma montagem incorreta ou um desalinhamento da unidade de tração.

Ao analisar os sistemas de máquinas, é necessário adotar uma abordagem termodinâmica combinada com uma abordagem analítica que considere o sistema de máquinas como um todo e não como componentes individuais. Esta abordagem termodinâmica considera o sistema da máquina do ponto de vista da produção de calor, da perda de calor e do calor incidente, bem como da condução, convecção e radiação.

Os principais exemplos incluem a transferência de calor ao longo de um veio para uma chumaceira a partir de outra fonte de calor, ou seja, engrenagens, vedações/glândulas de vapor com fugas ou fluido de processo quente.

A consideração de tais fontes, antes de determinar as caraterísticas de falha da máquina ou do componente, assegura que o equilíbrio térmico da máquina é considerado como um sistema e não como uma falha específica do componente.

Um processo típico de identificação de defeitos que pode ser utilizado é especificado na norma ISO 18434-1.

Após a conclusão deste processo, podem ter também de se implementar as seguintes ações adicionais

1. Aplicar uma análise de confirmação utilizando uma técnica alternativa, se necessário;
2. Determinar ações corretivas.

9 – Avaliação da imagem térmica – Avaliação da severidade das anomalias térmicas

Temperatura absoluta

Para se determinar a urgência das intervenções deve ser realizada uma análise da severidade das anomalias térmicas encontradas. Infelizmente pouco se sabe sobre a relação entre temperatura e o tempo, para a ocorrência de falhas causadas por alta resistência em pequenas superfícies de contato. Todavia podem ser tomados como limites de temperatura e como dados iniciais de análise, valores de temperatura, nos quais os metais (utilizados em condutores e conexões) oxidam, recozem ou fundem. Por exemplo:

• A temperatura para o cobre não deve exceder a 80° C, pois a partir dessa temperatura, a taxa de oxidação do cobre na presença de ar aumenta rapidamente e pode produzir um acumulativo e excessivo aquecimento local nas conexões e contatos. Com base nesse fato, as normas da American Institute of Electrical Engineers – AIEE e National Electric Manufacturers – NEMA especificam como limites de operação, para condutores descobertos, um aumento de temperatura de 30° C acima de uma temperatura ambiente de 40° C.

Para muitas ligas utilizadas em condutores e conexões, o recozimento pode ocorrer caso a temperatura se mantenha acima de 93° C por um período de 30 dias. Após o recozimento, ocorre uma alteração nas características do material, com a perda da resistência, o que aumenta consideravelmente a probabilidade de falhas. Além disso, temperaturas acima de 93° C, podem degradar os compostos comumente utilizados para proteger as conexões da oxidação, acelerando o processo de envelhecimento e diminuindo a vida útil da conexão.

Avaliação da imagem térmica – Figura 12 – Avaliação pela temperatura medida

Temperatura relativa

A maioria das Normas e Orientações internacionais baseia seus critérios de avaliação da severidade das anomalias térmicas, no aumento de temperatura acima de uma temperatura de referência (componente similar e sob mesma carga, ΔTref), ou acima da temperatura ambiente (ΔTamb).

A Tabela faz uma comparação entre algumas das Normas mais conhecidas.

Tabela 1 – Comparativo de critérios de severidade de algumas Normas internacionais.

Severidade	Ref.	NETA1 (° C)	US NAVY2 (° C)	NMAC3 (° C)	Nuclear4 (° C)	CES5 (° C)
Baixa	ΔTref	1 – 3	10 – 24	0,5 – 8	5 – 15	14 – 20
	ΔTamb	1 – 10
Média	ΔTref	4 – 15	25 – 39	9 – 28	16 – 35	21 – 60
	ΔTamb	11 – 20
Alta	ΔTref	NA	40 – 69	29 – 56	36 – 75
	ΔTamb	21 – 40
Crítica	ΔTref	> 15	> 70	> 56	> 75	> 61
	ΔTamb	> 40

1. NETA – NETA MTS-2001, “Maintenance Testing Specifications for Electric Power Distribution Systems”, NETA – InterNational Electrical Testing Association,
2. US NAVY – MIL-STD-2194 (SH) “Infrared Thermal Imaging Survey Procedure for Electrical Equipment”; Naval Sea Systems Command 02/1988;
3.  NMAC – Nuclear Maintenance Applications Center – Infrared Thermography Guide (NP-6973), EPRI Research Reports Center.
4. Nuclear – Nuclear industry guidelines – (IR-F/H/V-200, Rev. 1); (Rogers, 2002).
5.  CES Guidelines – Overhead electrical wiring;

Ainda com referência à Tabela anterior, a ação a ser tomada e o prazo para executá-la são definidos como descrito a seguir:

• Severidade Baixa – Verificar na próxima manutenção programada.
  • Severidade Média – Corrigir na próxima manutenção programada.
  • Severidade Alta – Intervenção de urgência observando as restrições operativas do Sistema.
  • Severidade Crítica – Intervenção imediata.

A aplicação das normas citadas acima deve ser feita com precaução, quando em subestações em ambientes abertos, visto que, os critérios de severidade se fundamentam em leituras de temperatura (Delta T) e não levam em consideração as várias influências conhecidas. Assim sendo, podem levar a análises equivocadas e a diagnósticos errados.

Avaliação da imagem térmica – Figura 13 – Avaliação pela temperatura relativa

10 – Avaliação da imagem térmica – Fluxo de decisão de intervenção

Existe um método que utiliza de várias perguntas, direcionadas ao inspetor de termografia, cuja finalidade é a avaliação, através das respostas fornecidas, da severidade das anomalias térmicas em função dos vários fatores relevantes em uma inspeção termográfica. A partir dessa avaliação, é definida a ação a ser tomada e o prazo para a executar. Baseado nesse método e dando um enfoque a subestações de alta tensão, em ambientes abertos, foram elaboradas as questões abaixo.

Estado 1

• Existe aquecimento visível ou derretimento evidente? 
  • A temperatura absoluta é maior que 93° C? (Medidas feitas em superfícies de alta emissividade próximas da fonte de aquecimento).
  • O delta T entre a anomalia térmica e uma temperatura de referência (componente similar e sob mesma carga, ΔTref) é maior que 35° C? (Medidas feitas em superfícies de alta emissividade próximas da fonte de aquecimento).
  • O aquecimento é de origem interna e o delta T entre a anomalia térmica e a temperatura de referência (componente similar e sob mesma carga, ΔTref) é maior que 10° C? (Conexões dentro de dispositivos a óleo, para-raios, conectores prensados, etc.).

Se qualquer uma das questões tiver resposta positiva existe uma alta probabilidade de falha e as ações a serem tomadas podem ser:

• Intervir imediatamente.
  • Monitorar o componente continuamente até ser possível a intervenção.

Se nenhuma das perguntas tiver resposta positiva o inspetor de termografia passa a responder o Estado 2.

Estado 2

• O delta T entre a anomalia térmica e uma temperatura de referência (componente similar e sob mesma carga, ΔTref) é maior que 10° C? (Medidas feitas em superfícies de alta emissividade próximas da fonte de aquecimento).
  • Existe a possibilidade de a corrente de carga duplicar antes da reparação?
  • A emissividade do componente é muito baixa?
  • A velocidade do vento é maior que 10 km/h? (Medidas da velocidade do vento feitas próximas da anomalia).
  • Existe um histórico de falhas para este componente?
  • O componente está sujeito a um severo ciclo de trabalho? (Excessiva vibração, poeira, poluição, agentes corrosivos ou oscilação de carga).

Se duas ou mais questões, tiverem resposta positiva, a anomalia térmica é classificada com tendo uma moderada probabilidade de falha. Nesse caso uma avaliação por parte da gestão da manutenção ou da subestação, ajudará a definir qual ação deve ser tomada.

As seguintes perguntas auxiliam nesta tarefa:

• Existe grande risco de acidentes pessoais caso a falha ocorra?
  • Qual é a importância do equipamento / circuito para o sistema no momento atual?
  • Existe a possibilidade de reduzir o risco de falha por meio de manobras de circuitos e/ou diminuição da corrente de carga?
  • Existem pessoal e sobressalente disponíveis para a reparação no período estabelecido para a intervenção?
  •  

Com base nas respostas, as ações podem ser:

• Intervir com urgência observando as restrições operativas do Sistema.
  • Corrigir na próxima manutenção programada.
  • Monitorar o componente periodicamente até ser possível a reparação.
  • Executar outros testes de diagnóstico.
  • Reduzir a corrente de carga do componente.

Estado 3

Caso uma ou nenhuma pergunta do Estado 2 tiver resposta positiva, a anomalia é classificada como tendo uma baixa probabilidade de falha e as ações podem ser as seguintes:

• Corrigir na próxima manutenção programada.
  • Verificar na próxima manutenção programada.
  • Executar outros testes de diagnóstico.