Câmeras Termográficas de Alta Velocidade – a Necessidade de Velocidade

Medir o calor com termopares ou pirômetros de ponto pode levar a uma imagem incompleta das propriedades térmicas de um dispositivo. Esses métodos tradicionais não oferecem a resolução ou a velocidade necessária para caracterizar totalmente aplicações termográficas de alta velocidade. Por outro lado, as câmeras de infravermelho capturam milhares de pontos de medição termográfica de alta velocidade, mostrando exatamente onde o calor irrompe e a que velocidade. Com a câmera de infravermelho correta é possível coletar medições confiáveis e gerar dados convincentes para a sua pesquisa.

Tipos de câmeras termográficas de infravermelho

No geral, há dois tipos de câmeras termográficas de infravermelho em uso na atualidade. São as câmeras refrigeradas de alto desempenho de contagem de fótons e as câmeras de baixo custo com base em microbolômetro não refrigerado. 

A maior parte das câmeras termográficas refrigeradas no mercado atualmente utiliza um detector de Antimoneto de Índio (InSb). As câmeras refrigeradas operam por meio de contar os fótons de energia em uma faixa de ondas específica, tipicamente a faixa de IV de onda média em torno de 3-5 μm. Os fótons atingem os pixels e são convertidos em elétrons que, por sua vez, são armazenados em um capacitor de integração. O pixel é obturado eletronicamente pela abertura ou curto-circuito do capacitor de integração. Os tempos de integração típicos para objetos entre -20 °C e 350 °C com uma câmera FLIR InSb variam de cerca de 6 ms a 50 µs, conforme o modelo da câmera. Esses tempos de integração realmente curtos permitem utilizar a técnica “stop motion” e medir com precisão transientes muito rápidos.

Imagem em “stop motion” de FA-18 Hornets de uma câmera termográfica refrigerada FLIR InSb

Imagem térmica de um termopar tradicional

As câmeras não refrigeradas são baratas, mais pequenas, mais leves e apresentam menor consumo de energia que as correspondentes câmeras refrigeradas acima mencionadas. Os pixels de uma câmera não refrigerada são compostos de um material cuja resistência muda significativamente com a temperatura. Os materiais mais comuns para essa aplicação são Óxido de Vanádio ou Silício Amorfo. A energia térmica é focalizada no pixel e o pixel aquece ou resfria fisicamente. Uma vez que a resistência do pixel varia com a temperatura, o seu valor pode ser medido e mapeado para a temperatura alvo através de um processo de calibração. Uma vez que os pixels têm uma massa finita, eles apresentam uma constante de tempo térmica. As constantes de tempo para câmeras modernas com base em microbolômetro normalmente ficam entre 8 e 12 ms. Isso não significa que a leitura do pixel possa ser feita a cada 8 - 12 ms e fornecer uma resposta precisa! A regra geral para um sistema de primeira ordem que responde a uma entrada de degrau é que leva cinco constantes de tempo para atingir uma condição estável.

Constantes de tempo e um experimento mental

Uma forma divertida de pensar sobre a resposta temporal de um detector de microbolômetro é fingir que se tem dois baldes de água. Um balde está cheio de água gelada bem misturada a 0 °C e o outro está a uma fervura rápida a 100 °C. Deixe o microbolômetro voltado para a água gelada e então passe instantaneamente para a água fervente (uma entrada de degrau de 100 °C) e plote a temperatura resultante. Se convertermos a constante de tempo térmica de 10 ms em um meio tempo para simplificar a matemática, obtemos algo em torno de 7 ms.

Figura 1 – Resposta do sistema à transição de 0 °C para 100 °C, tau = 10 ms, meio tempo = 7 ms

Figura 3 – InSb vs. microbolômetro para transientes térmicos

Figura 2 – Imagem térmica de papel que sai de rolos aquecidos 

Aqui podemos ver que o microbolômetro regista 50 °C a 7 ms, ou um meio tempo, 75 °C a dois meios tempos, 87,5 °C a três meios tempos, etc. O que aconteceria se tentássemos ler esse microbolômetro ao equivalente de 100 quadros/s ou 10 ms? A câmera registaria 63 °C, apresentando um erro de 37 °C. A câmera registaria com precisão a temperatura do pixel, mas o pixel não teria atingido a temperatura da cena para a qual estava voltado. No geral, não faz sentido operar microbolômetros mais rapidamente que a cerca de 30 quadros/s.

Dados do mundo real

Vamos analisar um processo de impressão necessário para aquecer uma folha de papel a 60 °C. O papel sai dos rolos a 50 polegadas/s e deve estar a uma temperatura uniforme ao longo da largura e do comprimento.

Foram utilizadas uma câmera refrigerada de contagem de fótons e uma câmera de microbolômetro para capturar dados lado a lado. A Figura 3 mostra que os dados dos dois tipos de câmeras são muito diferentes. Os dados do microbolômetro mostram um salto de temperatura grande e relativamente estável ao longo do comprimento. Os dados da câmera de contagem de fótons mostram variações significativas na temperatura ao longo do tempo. A câmera refrigerada mostra que o conjunto do rolo aquecido resfriou devido ao contato com o papel durante a primeira volta. O controlador de histerese detectou a queda de temperatura e, em resposta, passou o controlador do aquecedor para totalmente ligado novamente. Como resultado, o rolo aqueceu até atingir o ponto de ajuste e depois foi desligado e o processo se repetiu. Este gráfico foi suficiente para convencer o engenheiro de P&D de duas coisas: que era necessária uma câmera de contagem de fótons para testar o produto e que um sistema de controle de PID deve ser implementado no rolo aquecido, em vez do controlador de histerese simples, para que os objetivos de design desejados sejam atendidos. 

Câmera com detector de contagem de fótons (tempo de integração de 66 μs)

Câmera com detector de microbolômetro (constante de tempo de 8 ms)

Gravação a 60 Hz com tempo de integração de 1 ms

Gravação a 60 Hz com tempo de integração de 12 ms

No segundo exemplo, observamos pás em um ventilador de rotação rápida e tentamos parar o movimento das pás a fim de medir sua temperatura com precisão. Como se poderia esperar, se os tempos de exposição não forem suficientemente rápidos, as imagens ficam borrada e não seremos capazes de parar o movimento a fim de obter leituras de temperatura confiáveis. (Ver a Figura 4)

Observe como o tempo de integração rápido oferecido pela câmera refrigerada parou o movimento da pá, permitindo a medição precisa da superfície da pá e das bobinas de aquecimento. Por outro lado, as pás movem-se muito rapidamente para serem registradas pela câmera não refrigerada. Todas as medições de temperaturas obtidas das bobinas serão muito baixas, porque as bobinas estão na verdade sendo bloqueadas pelas pás em movimento.

Um exemplo final deste mesmo problema pode ser mostrado ao se medir os efeitos térmicos de pás de helicóptero em rotação. O atrito com o vento gera um gradiente térmico ao longo da pá que aumenta à medida que se avança em direção às extremidades das pás. Com detectores de microbolômetro não é possível parar realmente o movimento do objeto a fim de caracterizar e medir com precisão as temperaturas reais. (Ver as Figuras 5 e 6)

Obtenha a ferramenta correta para o trabalho

Como se pode ver, é importante utilizar o detector térmico correto para o trabalho. Se escolher um detector com uma resposta inerentemente lenta e depois realizar uma leitura a uma taxa de quadros alta com o mesmo, é possível que obtenha dados incorretos. No geral, os microbolômetros podem ser utilizados para taxas de quadros de até 50 fps. Para testes que exijam transientes térmicos rápidos ou taxas de quadros rápidas, normalmente é melhor selecionar uma câmera refrigerada de contagem de fótons com melhor desempenho. Porém, se não forem necessárias altas taxas de quadros, então uma câmera de microbolômetro não refrigerado pode economizar custos.