Pistolas de Temperatura Vs. Tecnologia Termográfica

• Um pirômetro de ponto fornece apenas um número – as câmeras termográficas geram uma imagem.
• Um pirômetro de ponto lê a temperatura de um único ponto – uma câmera termográfica fornece leituras de temperatura de cada pixel de toda a imagem termográfica.
• Devido aos componentes ópticos avançados, as câmeras termográficas também podem solucionar temperaturas a partir de uma distância maior. Isso permite a inspeção rápida de áreas grandes.

O pirômetro de ponto também é conhecido como pistola de temperatura ou termômetro infravermelho. Uma vez que opera segundo o mesmo princípio físico que uma câmera termográfica, um pirômetro de ponto pode ser visto como uma câmera termográfica com apenas um pixel. Tal ferramenta pode ser muito útil para muitas tarefas, mas, uma vez que somente mede a temperatura de um único ponto, o operador pode perder facilmente informações cruciais. A alta temperatura de determinados componentes críticos que estão perto de falhar e precisam de reparo pode passar despercebida.

A pistola de temperatura mede a temperatura de um ponto.

A câmera termográfica FLIR E40sc mede a temperatura de 19.200 pontos.

Use Milhares de Pirômetros de Ponto ao Mesmo Tempo

Uma câmera termográfica também fornece leituras de temperatura sem contato, tal como acontece com um pirômetro de ponto. Ao contrário de um pirômetro de ponto, as câmeras termográficas geram não uma, mas milhares de leituras de temperatura ao mesmo tempo, uma para cada pixel na imagem térmica. Portanto, usar uma câmera termográfica corresponde a milhares de medições de pirômetro de ponto. A câmera termográfica FLIR E40sc conta com uma resolução de imagem de 160 x 120 pixels, resultando em 19.200 leituras de temperatura em um piscar de olhos. A FLIR T1030sc, um dos modelos de topo para aplicações industriais de P&D/Ciência, apresenta uma resolução de imagem de 1024 x 768 pixels, fornecendo 786.432 leituras de temperatura de uma só vez.

O que um pirômetro de ponto “vê”.

O que uma câmera termográfica “vê”.

O que um pirômetro de ponto “vê”.

O que uma câmera termográfica “vê”.

Poupe Tempo e “Veja” o Calor

Uma câmera termográfica não fornece apenas milhares de leituras de temperatura, ela também converte essas leituras em uma imagem térmica. Essa conversão em uma imagem resulta em uma visão geral completa do equipamento inspecionado, permitindo que o operador veja imediatamente pontos quentes pequenos que seriam facilmente ignorados com um pirômetro de ponto. O uso de uma câmera termográfica também poupa tempo. A varredura de áreas grandes com muitos componentes por meio de um pirômetro de ponto é uma tarefa que demanda muito tempo, uma vez que é preciso varrer cada componente separadamente. Uma câmera termográfica pode ser utilizada para verificar a dissipação de calor em placas de circuito impresso, para efetuar verificações de qualidade ou inspecionar o impacto térmico no setor automotivo, ou para realizar análise de falhas no laboratório.

Para medir com precisão a temperatura de um objeto com um pirômetro de ponto, o objeto-alvo precisa cobrir inteiramente o ponto de medição. Isso limita a distância a partir da qual as temperaturas podem ser medidas com precisão.

Outra vantagem das câmeras termográficas em comparação às pistolas de temperatura é que podem medir com precisão temperaturas a partir de distâncias maiores. A distância a que um determinado pirômetro é capaz de medir um alvo de um dado tamanho é muitas vezes descrita como “Relação de Distância até o Ponto (D:S)” ou “Relação de Tamanho do Ponto” (SSR). Porém, de onde vem esse valor e qual seu significado? O “tamanho do ponto” de um pirômetro de ponto é a menor área que ainda pode ser medida com precisão com o dispositivo. Isso significa que o objeto do qual se deseja medir a temperatura, também referido como alvo, precisa cobrir todo o tamanho do ponto. A radiação infravermelha que é emitida pelo alvo passa através dos componentes ópticos do pirômetro de ponto e é projetada sobre o detector. Se o objeto for menor que o tamanho do ponto, o detector também será atingido por partes da radiação que vêm dos arredores do objeto. Então, o dispositivo não lerá apenas a temperatura do objeto, mas uma mistura das temperaturas do objeto e dos seus arredores.

Quando mais distante o pirômetro de ponto for mantido do objeto que se deseja medir, maior ficará o tamanho do ponto, devido à natureza dos componentes ópticos. Portanto, quanto menor o alvo, mais próximo é preciso chegar com o pirômetro de ponto para medir a temperatura com precisão. Logo, é muito importante manter-se atento ao tamanho do ponto e aproximar-se o suficiente para cobrir todo o tamanho do ponto com o alvo, preferivelmente até mesmo um pouco mais próximo para estabelecer uma margem de segurança. A Relação de Tamanho do Ponto (SSR) define o tamanho do ponto de um pirômetro de ponto para qualquer dada distância até o alvo.

Se a SSR de um pirômetro de ponto for de 1:30, por exemplo, isso significa que a temperatura de um ponto com 1 cm de diâmetro pode ser medida com precisão a uma distância de 30 cm. A temperatura de um ponto com 4 cm pode ser medida a uma distância de 120 cm (1,2 metro). A maior parte dos pirômetros de ponto tem uma SSR entre 1:5 e 1:50. Isso significa que a maioria dos pirômetros de ponto pode medir a temperatura de um alvo de 1 cm de diâmetro a uma distância de 5 a 50 cm. As câmeras termográficas são muito semelhantes aos pirômetros de ponto no que diz respeito à radiação infravermelha ser projetada em uma matriz de detectores, com cada pixel individual na imagem correspondendo a uma medição de temperatura.

Os produtores de câmeras termográficas normalmente não especificam valores de SSR para descrever a resolução espacial dos seus produtos; em vez disso, utilizam o Campo de Visão Instantâneo (Instantaneous Field of View, IFOV). O IFOV é definido como o campo de visão de um único elemento do detector da matriz de detectores da câmera.

Teoricamente, o IFOV determina diretamente a relação de tamanho do ponto de uma câmera termográfica. À medida que a radiação infravermelha emitida pelo alvo passa através dos componentes ópticos e é projetada no detector, a radiação infravermelha projetada deve cobrir completamente ao menos um elemento do detector, que corresponde a um pixel na imagem térmica. Então, teoricamente, cobrir um pixel na imagem térmica deveria ser suficiente para garantir medições de temperatura corretas. O IFOV normalmente é expresso em milirradianos (um milésimo de um radiano).

As câmeras termográficas permitem que você “veja” o calor.

O termo radiano descreve a relação entre o comprimento de um arco e o seu raio. Um radiano é matematicamente definido como o ângulo formado quando o comprimento de um arco circular é igual ao raio do círculo. Uma vez que a circunferência é igual a 2 π vezes o raio, um radiano equivale a 1/(2 π) do círculo, ou aproximadamente 57,296 graus angulares, e um mrad a 0,057 graus angulares. Na situação onde uma câmera termográfica é utilizada para medir a temperatura de determinado alvo, partimos do princípio que a distância até ao alvo equivale ao raio do círculo, e também consideramos o alvo como sendo bastante plano. Uma vez que o ângulo de visualização de um único elemento do detector é pequeno, podemos presumir que a tangente desse ângulo seja aproximadamente igual ao seu valor em radianos. Portanto, o tamanho do ponto é calculado como IFOV (em mrad) dividido por 1000 e multiplicado pela distância até ao alvo.

Onde o IFOV é expresso em mrad.

Componente Óptico Real e Ideal

Utilizando a fórmula, é possível calcular que uma câmera com um IFOV de 1,4 mrad terá uma SSR teórica de 1:714, de forma que, em tese, você deveria ser capaz de medir um objeto de 1 cm de diâmetro a uma distância de mais de 7 metros. Porém, como afirmado anteriormente, esse valor teórico não corresponde à situação do mundo real, uma vez que não leva em consideração o fato de que os componentes ópticos do mundo real nunca são completamente perfeitos. A lente que projeta a radiação infravermelha no detector pode provocar dispersão e outras formas de aberração óptica. Nunca se pode ter certeza de que o alvo está projetado exatamente sobre um único elemento do detector. A radiação infravermelha projetada também pode “vazar” de elementos detectores circundantes. Em outras palavras: a temperatura das superfícies ao redor do alvo pode influenciar a leitura de temperatura.

Tal como acontece com um pirômetro de ponto, onde o alvo deve não apenas cobrir inteiramente o tamanho do ponto como também cobrir uma margem de segurança ao redor do tamanho do ponto, é recomendável empregar uma margem de segurança ao utilizar uma câmera termográfica de microbolômetro para medições de temperatura. Essa margem de segurança é capturada no termo Campo de Visão da Medição (Measurement Field of View, MFOV). O MFOV descreve o tamanho real do ponto de medição de uma câmera termográfica, ou seja, a menor área mensurável para leituras de temperatura corretas. Normalmente é expresso como um múltiplo do IFOV, o campo de visão de um único pixel.

Uma diretriz frequentemente utilizada para câmeras de microbolômetro é que o alvo deve cobrir uma área de ao menos 3 vezes o IFOV para levar em conta aberrações ópticas. Isso significa que na imagem térmica o alvo deve não apenas cobrir um pixel, o que, em uma situação ideal, seria suficiente para a medição, mas também os pixels ao seu redor. Quando essa diretriz é observada, a fórmula para determinar a relação de tamanho do ponto pode ser adaptada para levar em consideração o fator do componente óptico real. Em vez de utilizar 1xIFOV, podemos utilizar a diretriz 3xIFOV, que leva à fórmula a seguir, mais realista:

Onde o IFOV é expresso em mrad.

Com base nessa fórmula, uma câmera com um IFOV de 1,4 mrad terá uma SSR de 1:238, o que significa que deve ser possível medir um objeto de 1 cm de diâmetro a uma distância de pouco menos de 2,4 metros. Este valor teórico provavelmente está no lado conservador, por causa da margem de erro observada. Portanto, a SSR do mundo real pode ser maior, mas, ao se usar esses valores conservadores de SSR, a precisão das leituras de temperatura é protegida.

Na situação ideal, o alvo projetado deve cobrir ao menos um pixel. Para garantir leituras precisas, é aconselhável cobrir uma área mais ampla para levar em conta a dispersão óptica da projeção.

A energia infravermelha (A) que vem de um objeto é focalizada pelos elementos ópticos (B) no detector de infravermelho (C). O detector envia as informações para os componentes eletrônicos do sensor (D) para processamento da imagem. Os componentes eletrônicos convertem os dados que vêm do detector em uma imagem (E) que pode ser vista no visor ou em um monitor de vídeo ou LCD padrão.

Os pirômetros de ponto tem uma SSR que normalmente fica entre 1:5 e 1:50. A maior parte dos modelos econômicos tem uma SSR de 1:5 a 1:10, enquanto que os modelos mais avançados, e portanto mais caros, atingem valores de SSR de até 1:40 ou mesmo 1:50. Observe, porém, que os pirômetros de ponto têm o mesmo problema que as câmeras termográficas quando se trata de elementos ópticos. Ao comparar especificações de pirômetros de ponto, é preciso saber se o número da SSR refere-se ao valor teórico ou ao valor compensado para a imperfeição dos elementos ópticos.

Detectar Temperaturas à Distância

Mesmo quando o fator elementos ópticos ideais vs. realistas é levado em conta, as diferenças em termos de distância de medição entre câmeras termográficas e pirômetros de ponto são enormes. A maior parte dos pirômetros de ponto não pode ser colocada a mais de 10 a 50 cm de distância, presumindo-se um alvo de 1 cm. A maior parte das câmeras termográficas pode medir com precisão a temperatura de um alvo desse tamanho (1 cm) a vários metros de distância. Mesmo a câmera termográfica FLIR E40, com um IFOV de 2,72 mrad, pode medir a temperatura de um ponto desse tamanho (1 cm) a mais de 120 centímetros de distância. A câmera termográfica FLIR T1030sc, um dos modelos mais avançados da FLIR para inspeções industriais, pode medir a temperatura de um alvo desse tamanho a mais de sete metros com uma lente padrão de 28°. Esses valores são calculados supondo o uso da lente padrão.

Muitas das câmeras termográficas mais avançadas contam com lentes intercambiáveis. Quando uma lente diferente é utilizada, isso muda o IFOV, o que por sua vez afeta a relação de tamanho do ponto. Para a câmera termográfica FLIR T1030sc, por exemplo, a FLIR não apenas oferece a lente padrão de 28°, mas também uma lente teleobjetiva de 12°. Com essa lente, desenvolvida especialmente para observações a longa distância, a relação de tamanho do ponto é significativamente maior. Com a lente teleobjetiva de 12°, o IFOV de uma câmera termográfica FLIR T1030sc é de 0,20 milirradianos. Com essa lente, a mesma câmera termográfica pode medir com precisão a temperatura de um alvo do mesmo tamanho a uma distância de quase 17 metros.

Veja se Você Precisa se Aproximar

As câmeras termográficas superam claramente o desempenho dos pirômetros de ponto quando se trata de valores de SSR, mas os valores de SSR somente se referem à distância a partir da qual é possível realizar uma medição de temperatura precisa. No mundo real, detectar um ponto quente nem sempre requer uma leitura de temperatura precisa. O ponto quente pode ser discernível na imagem térmica mesmo quando o alvo cobre somente um pixel na imagem térmica. A leitura de temperatura pode não ser perfeita, mas o ponto quente é detectado e o operador pode se aproximar para certificar-se de que o alvo cobre mais pixels na imagem térmica, assegurando que a leitura da temperatura esteja correta.

Pirômetros de ponto também apresentam desafios com a medição de temperatura em objetos pequenos. Essa capacidade é cada vez mais importante para a inspeção de componentes eletrônicos. À medida que os dispositivos continuam a ficar mais rápidos em velocidade de processamento, sendo no entanto necessário que caibam em pacotes menores, encontrar maneiras de dissipar o calor e identificar pontos quentes é um problema real. Uma pistola de temperatura pode efetivamente detectar e medir a temperatura, mas seu tamanho de ponto é simplesmente muito grande. Porém, câmeras termográficas com elementos ópticos de aproximação podem fazer foco em menos de 5μm (micrômetros) por tamanho de ponto do pixel. Isso permite que engenheiros e técnicos façam medições em uma escala muito pequena.

Pare de Supor, Comece a Ver

Um pirômetro de ponto somente pode lhe fornecer um número. Esse número pode ser impreciso, o que lhe faz supor. Uma câmera termográfica permite que você “veja” o calor, oferecendo não apenas medições de temperatura, mas também uma imagem instantânea da distribuição de calor. Esta combinação de informações visuais e medições de temperatura precisas permite a detecção de falhas de forma rápida e precisa. Pare de supor, faça um upgrade para uma câmera termográfica da FLIR Systems e comece a localizar problemas de forma mais rápida e fácil.

Lentes de aproximação e microscópicas fornecem grandes detalhes de imagens e permitem a medição de pontos pequenos. Isso seria extremamente difícil com um pirômetro de ponto. A imagem de cima foi tirada com uma lente de aproximação de 4x; a imagem de baixo com uma lente de 15 mícrons.