Um estudo recente destacou a importância das condições atmosféricas na precisão das medições termográficas, revelando como a presença da atmosfera entre a fonte emissora e o sensor pode causar perturbações significativas. A pesquisa apontou que fatores como atenuação atmosférica, gradientes térmicos e turbulência podem degradar a qualidade das imagens termográficas, impactando diretamente na detecção de anomalias.

A distribuição térmica em um corpo, bem como a quantidade de radiação infravermelha que chega à câmera infravermelha, podem variar de acordo com alguns parâmetros ambientais tais como: temperatura ambiente, chuva e umidade, radiação solar, vento e transmitância atmosférica. Cada uma dessas ações pode afetar a medição infravermelha de maneira diferente, por isso é necessário compreendê-las para eliminá-las ou mitigar seus efeitos

A radiação térmica captada pela câmera infravermelha fornece informação sobre a distribuição de calor sobre a superfície de um objeto. No entanto, a atenuação da radiação pela atmosfera pode distorcer significativamente esta informação devido a quatro fenômenos: absorção, dispersão, emissão e turbulência.

A absorção é um processo, dependente do comprimento de onda, no qual as moléculas da atmosfera absorvem a energia de fótons incidentes, provocando a atenuação da radiação. Existem dois tipos de absorção: absorção molecular e absorção de aerossol. Porém, devido aos componentes menores da atmosfera, a absorção molecular, é uma fonte muito mais significativa de atenuação da radiação de propagação do que a absorção de aerossol. 

Os principais responsáveis pela absorção molecular da radiação infravermelha na atmosfera são o vapor de água (H2O) e o dióxido de carbono (CO2). A quantidade de vapor de água na atmosfera está sujeita a grandes flutuações e depende muito da altitude, estação do ano, localização geográfica, hora do dia e condições meteorológicas.

O dióxido de carbono existe em maior concentração em áreas industriais e de vegetação e menos em oceanos e desertos [13]. Já a absorção difusa é responsável por transformar radiação infravermelho em radiação visível, logo, não é captada pelo termovisor [1]. O coeficiente de difusão depende do número de partículas e das suas dimensões, e deve ser calculado para os comprimentos de onda para os quais o equipamento é sensível 

A dispersão é o resultado da colisão dos fótons com partículas atmosféricas, provocando o espalhamento do fluxo incidente em todas as direções de propagação e diminuindo o fluxo na direção original. O fenômeno da dispersão redistribui o fluxo de radiação incidente, redirecionando-o para todas as direções e diminuindo, assim, o fluxo de propagação no sentido inicial. Existem dois tipos de dispersão atmosférica: a molecular (Rayleigh) e a dispersão de aerossol (Mie). Dentre os dois tipos, destaca-se a dispersão de aerossol, a qual afeta significativamente a transmissividade atmosférica.

• Dispersão Molecular ou Rayleigh – causada por moléculas de ar e de névoa seca (névoa formada por pó ou partículas de sal, as quais não são visíveis a olho nu) menores que o comprimento de onda da radiação (?). O coeficiente de dispersão é proporcional a ?-4, sendo desprezível para comprimentos de onda maiores que 3 µm, portanto desprezível para a faixa utilizada nos termovisores utilizados no sistema elétrico.

• Dispersão Aerossol ou Mie – causada por partículas de tamanho semelhante ao comprimento de onda da radiação. A dispersão Aerossol afeta a transmitância atmosférica muito mais fortemente que a dispersão Molecular. Geralmente, o efeito da dispersão diminui quando o comprimento de onda de propagação da radiação aumenta. Portanto, a transmitância da fumaça e da névoa para o infravermelho, na faixa de 8 a 14 µm é maior do que para a faixa de 3 a 5 µm, a qual é maior que na faixa visível de 0,4 a 0,75 µm.

Quanto à emissão, pode-se dizer que a atmosfera é composta por gases cujas temperaturas são superiores ao zero absoluto (0 k), portanto, emitem radiação como os demais corpos. Essa radiação é captada pelo termovisor e somada à radiação proveniente do objeto alvo. Todavia, a emissividade atmosférica é geralmente muito baixa. Ademais, a temperatura atmosférica tende a ser inferior à temperatura do objeto nas inspeções termográficas, tornando os efeitos da emissão atmosférica desprezíveis nesses ensaios.

A turbulência atmosférica surge em decorrência de movimentos aleatórios e irregulares do ar causados pela diferença de temperatura entre suas moléculas, que são misturadas pelo vento e convecção. Sob o ponto de vista óptico, tais movimentos significam flutuação aleatória do índice de refração da atmosfera, que altera a transmitância atmosférica e resulta na formação de imagens manchadas e distorcidas. Contudo, em medições termográficas realizadas em curtas distâncias (inferiores a 50 m) os efeitos da turbulência geralmente são desprezíveis.

A umidade do ar é um dos maiores responsáveis pela absorção da radiação infravermelha na atmosfera. Após a saturação, quando se transforma em névoa, nevoeiro ou chuva, as partículas de água crescem em tamanho e aumenta o coeficiente de dispersão, diminuindo ainda mais a transmitância. A amplitude da dispersão depende da relação do diâmetro da partícula e o comprimento de onda. Quando essa relação é grande, a dispersão é significante, caso contrário a dispersão é mínima.

Quanto mais altos os índices de umidade, maiores serão as interferências negativas causadas na aplicação da termografia infravermelha. Este efeito ocorre, pois, este fenômeno resfria a superfície do objeto em inspeção o que dificulta a detecção, a avaliação e o diagnóstico do defeito. Além disso, atenua a radiação infravermelha que chega à câmera infravermelha.

Para reduzir a influência da chuva e umidade sobre os resultados da inspeção termográfica, recomenda-se não realizar inspeções termográficas sob chuva, garoa ou nevoeiro e nem imediatamente após a ocorrência de chuva, pois a anomalia pode ainda estar sob os efeitos do arrefecimento provocado pela água.

Assim, tomando-se as outras condições estáveis, um aumento da temperatura ambiente acarreta em um aumento da temperatura do objeto inspecionado. Consequentemente, a observação de defeitos, como por exemplo, falhas internas ao concreto, fica mais evidente. Em contrapartida, em dias muito frios, defeitos que comumente apresentariam um ligeiro aumento de temperatura, podem simplesmente não ser detectados. A NBR 16554: 2016 apresenta uma metodologia de ensaio para compensação da transmitância de um meio atenuante em medições termográficas.

A exposição à radiação solar não impossibilita a realização de ensaios termográficos, contudo, pode interferir substancialmente na qualidade e análise dos resultados. Essa interferência se dá através de dois modos: carregamento solar e reflexão solar. O carregamento solar implica em absorção de radiação, sendo responsável pela elevação de temperatura do componente (alvo).

Já a reflexão solar, embora não afete o valor da temperatura do componente, é somada à radiação emitida pelo alvo, que é captada pelo termovisor. Este, por sua vez, apresenta como resultado final uma temperatura com valor superior à temperatura real do objeto.

Todos os materiais, expostos a essa radiação e com alta absorção na região do espectro solar, tendem a aquecer devido ao carregamento solar. O aumento da temperatura dependerá de vários fatores, entre eles, o tempo de exposição ao sol, da estação do ano, da hora do dia, da altitude e da relação entre o coeficiente de absorção na faixa de comprimento de onda da radiação emitida pelo Sol (aSol) e da emissividade da superfície (eIV) na faixa do comprimento de onda do infravermelho. Quanto maior essa relação (aSol/eIV), maior o aquecimento da superfície em função do carregamento solar (Holst, 2000).

O carregamento solar provoca o aumento da temperatura dos componentes de uma subestação de uma maneira geral, dificultando a distinção, pela termografia, de um componente defeituoso de um normal, especialmente quando a diferença de temperatura entre eles é pequena. Além disso, a radiação solar pode elevar a temperatura de um componente defeituoso, cuja temperatura já é crítica, e conduzi-lo mais rapidamente à falha.

A maior parte dos conectores utilizados em subestações é de liga de alumínio e possui uma relação (aSol / eIV) alta. Por essa razão, os conectores, quando expostos ao sol, geralmente, tem um aumento de temperatura considerável que, somado ao aquecimento gerado por uma anomalia, têm uma maior probabilidade de falha do que quando não expostos à radiação solar.

Em função das dificuldades apresentadas para a detecção de anomalias térmicas durante o dia, recomenda-se que a inspeção termográfica seja realizada em horários livres do carregamento solar, ou seja, entre o pôr do sol e as primeiras horas do dia. Entretanto, deve-se levar em consideração, para efeito de análise e diagnóstico das anomalias térmicas, que as temperaturas medidas, no período livre do carregamento solar, poderão aumentar durante o dia devido à exposição ao sol e possivelmente, potencializar a criticidade da falha.

Durante dias ensolarados, o efeito do carregamento solar pode ser minimizado realizando a leitura de temperatura na superfície do componente oposta à incidência do Sol. O aquecimento causado pelo carregamento solar pode ser benéfico em algumas inspeções termográficas. Por exemplo, em inspeções que buscam defeitos subsuperficiais e que compreendem grandes áreas, como em tabuleiros de pontes, um aquecimento ponto a ponto seria muito demorado, então o carregamento solar pode desempenhar esse papel.

Para o melhor aproveitamento do carregamento solar, sugere-se que os testes em concreto sejam efetuados durante o período do dia, em que a radiação solar produz um rápido aquecimento da superfície, ou durante a noite, em um período que depois de ser exposta à radiação durante o dia, a superfície se resfrie. Portanto, se a inspeção for realizada à noite, a maioria dos defeitos se apresentará no termograma em valores de 0,01° a 5º C abaixo da temperatura das áreas sem defeitos.

Por outro lado, em inspeções diurnas, os resultados são inversos, ou seja, os locais onde há anomalias estarão mais quentes que as superfícies correspondentes ao concreto sem defeitos. A desvantagem da radiação solar para a termografia infravermelha é o fenômeno de reflexão. A reflexão solar ocorre com mais intensidade em superfícies que apresentam baixa emissividade.

No local onde ocorre a reflexão solar no termograma, a temperatura apresenta-se mais alta induzindo o termografista a registrar uma falsa temperatura elevada e deduzir uma falha em um local sem defeitos. Entretanto, é simples exterminar essa influência modificando a direção da visão da câmera ou fazendo a inspeção em períodos noturnos.

Portanto, a radiação que chega ao detector do termovisor pode ser, em sua maior parte, de outra fonte de calor próxima ou até mesmo da radiação solar refletida na superfície do componente sob inspeção. Ao contrário do carregamento solar, que provoca um real aumento da temperatura dos componentes, o reflexo solar não provoca um aquecimento do componente, mas pode induzir o termografista a registrar uma falsa alta temperatura.

O reflexo solar pode levar o termografista inexperiente a diagnosticar situações normais como uma falha iminente e, com isso, solicitar um desligamento desnecessário do circuito para que uma manutenção de urgência seja realizada. Para eliminar a influência do reflexo solar, recomenda-se executar a inspeção em períodos noturnos. Caso a inspeção seja realizada sob o sol e reflexos solares prejudiquem a inspeção, aconselha-se a mudança de ângulo entre o termovisor e o componente sob inspeção a fim de se evitar o problema. A NBR 16292: 2014 apresenta uma metodologia de ensaio para compensação da temperatura aparente refletida.

O componente sob ação do vento tende a entrar em equilíbrio térmico com o ambiente. Considerando que a temperatura do componente é superior à temperatura do vento, o componente vai ceder calor para o ambiente e ter sua temperatura reduzida. Essa redução de temperatura pode refletir de modo decisivo em diagnósticos baseados em inspeções termográficas.

A depender das características do equipamento, especificamente quanto ao ruído do termovisor, é possível que o aparelho não identifique uma pequena diferença de temperatura. Ademais, se a temperatura real do elemento sob análise for pequena, a redução causada pelo efeito do vento pode camuflar o defeito, inclusive alterando as imagens termográficas e induzindo o termografista a concluir pela inexistência da anomalia.

Em outra vertente, se a temperatura real do elemento for elevada, ainda que seja possível identificar a anomalia, a redução causada pelo efeito do vento pode influenciar na caracterização do grau de severidade da falha e, consequentemente, na priorização do atendimento, podendo resultar em custos elevados seja pela necessidade de uma parada não programada seja pelo enquadramento de urgência para uma situação com situação teoricamente classificada como regular. Visando minimizar os efeitos do vento em medições de temperatura através da termografia, alguns estudos foram desenvolvidos com intuito de identificar o melhor dia para realizar a inspeção [4] ou aplicar fatores de correção (Tabela 1) que permitissem obter valores de temperatura semelhantes àqueles medidos sem a presença do vento.

Todavia, em ambos os casos, as propostas apresentadas, a priori, não se apresentaram adequadas para aplicação em ambientes abertos, ou seja, nos principais locais sujeitos aos efeitos do vento. Experimento realizado em uma subestação de alta tensão desabrigada (ambiente aberto) durante 24 horas ininterruptas, permitiu constatar a ausência de vento em determinados momentos, bem como a ocorrência de ventos com velocidade superior a 20 km/h.

Quanto à orientação do vento, foram observados fluxos em todas as direções cardeais e colaterais, impossibilitando relacionar padrões tampouco tendências acerca da velocidade e direção do vento em determinado período do dia. Esse experimento evidencia a dificuldade de escolha do melhor dia para fazer a medição. A velocidade do vento varia não só em intensidade, mas também em direcionamento e duração, repercutindo na precisão das medições.

Todas essas variações ocorrem durante um único dia, bem como ao longo das estações do ano. Quanto aos fatores de correção, devido às diversas variáveis envolvidas, trabalhos como o de Kaplan (1999), que apresentam tabelas de fatores de conversão da temperatura em função da velocidade do vento e com um simples fator multiplicativo de correção, apresentam dificuldades de aplicação em situações reais de inspeção em ambientes abertos.

A influência do vento sobre a inspeção termográfica em componentes expostos é relevante, reflete nos resultados dos ensaios e, geralmente, difícil de evitar. Nessa situação, diversas variáveis estão envolvidas e um simples fator multiplicativo, para corrigir a temperatura medida em função da velocidade do vento, é de difícil aplicação, uma vez que esse fator de correção foi obtido a partir de experimentos realizados em laboratório e sob condições controladas. Situação que raramente se verifica em condições reais em ambientes abertos.

Tais afirmações se fundamentam em ensaios realizados em conexões normais e defeituosas instaladas em subestações desabrigadas. Nesse ambiente totalmente exposto aos efeitos do vento, foi possível efetuar medições com a incidência de vento e também com vento nulo que permitiram produzir a tabela 2.

A análise da tabela permite constatar variações acima de 10% entre os valores de temperatura medidos nas conexões (Normal: 113,41%; Defeituosa: 116,70%) sem a presença de vento quando comparado com o valor obtido através do fator de correção. A conexão defeituosa apresentou diferença de 9,3°C, variação extremamente relevante para as medições sob análise e respectivos diagnóstico e prognóstico.

Quando não for possível controlar as interferências causadas pelo vento durante ensaios termográficos realizados em sistemas elétricos de potência, principalmente em subestações desabrigadas, pode-se aplicar o modelo proposto por SANTOS (2012). Esse modelo estabelece um fator que permite estimar a temperatura do componente na ausência de vento, retificando a temperatura medida com a presença do vento.

O modelo desenvolvido faz uso de apenas dois parâmetros para caracterizar a influência do vento, que podem ser determinados por equações teóricas ou através do emprego de técnicas de identificação de parâmetros sobre os dados coletados [13]. Um parâmetro leva em consideração a máxima redução de temperatura possível decorrente da incidência de vento, o outro, o grau de influência que uma determinada intensidade de vento exerce sobre a temperatura final a ser atingida pelo componente sob análise.

Através de estudos comparativos, constatou-se que os resultados obtidos em campo foram compatíveis com os ensaios de laboratório e com dados de outros pesquisadores [13]. Dessa forma, o modelo proposto por SANTOS (2012) é uma proposta que pode produzir resultados mais precisos e consequentemente resultar em decisões mais assertivas. As considerações feitas neste trabalho podem reduzir a influência das condições atmosféricas nas medições termográficas e proporcionar resultados mais confiáveis que possam servir de referência em diagnósticos de engenharia.

Créditos: Revista Digital
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