Use Materiais de Baixo Custo para Aumentar a Emissividade do Alvo

Superfícies metálicas lisas, não oxidadas e limpas têm emissividade bastante baixa. Tão baixa que são difíceis de medir com uma câmera termográfica. Em muitas aplicações industriais de P&D, existem muitos alvos de baixa emissividade, especialmente no caso de aplicações elétricas. Para obter boas medições, precisamos aumentar a emissividade desses alvos problemáticos.

Uma câmera termográfica grava a intensidade da radiação na parte infravermelha do espectro eletromagnético e a converte em imagem de luz visível. A energia infravermelha que vem de um objeto é focada pela ótica da câmera e direcionada para um detector de infravermelho. O detector envia as informações para os componentes eletrônicos do sensor para o processamento da imagem. Os componentes eletrônicos convertem os dados que vêm do detector em uma imagem que pode ser vista no visor ou em um monitor de vídeo ou tela LCD padrão. A termografia de infravermelho é a arte de transformar uma imagem de infravermelho em uma imagem radiométrica, o que permite a leitura de valores de temperatura a partir da imagem. Cada pixel na imagem radiométrica é na verdade uma medição de temperatura.

Para interpretar as imagens térmicas corretamente, você precisa saber como os diferentes materiais e circunstâncias influenciam as leituras de temperatura da câmera termográfica. A emissividade é a eficiência com que um objeto emite radiação infravermelha, comparado a um emissor perfeito (ou o chamado corpo negro, que tem um valor de emissividade de 1). Na realidade, os alvos que podemos medir não são radiadores perfeitos, com um valor de emissividade abaixo de 1. Para esses alvos, a temperatura medida resultará de uma combinação da radiação emitida, transmitida e refletida. É importante definir o valor certo de emissividade na sua câmera termográfica ou as medições de temperatura serão incorretas. As câmeras termográficas da FLIR Systems têm configurações de emissividade predefinidas para uma variedade de materiais, e o restante pode ser encontrado em uma tabela de emissividade.

Um corpo negro perfeito tem uma emissividade de 1. Em outras palavras, a radiação do alvo é 100% emitida da superfície do alvo.

Na realidade, nossos alvos não são corpos negros perfeitos. A temperatura medida de um alvo resultará de uma combinação da radiação emitida, transmitida e refletida.

Os valores de emissividade, refletância e condutividade térmica de um alvo serão altamente dependentes das propriedades do material. A maioria dos não metais tem valores de emissividade próximos de 0,9, o que significa que 90% da radiação medida vem da radiação emitida pelo alvo. A maioria dos metais polidos tem valores de emissividade próximos de 0,05 a 0,1. Metais manchados, oxidados ou corroídos têm valores de emissividade que vão de 0,3 a 0,9, dependendo da quantidade de oxidação ou corrosão. Materiais com emissividade abaixo de 0,7 são difíceis de medir, materiais com emissividade abaixo de 0,2 são quase impossíveis de medir sem o acréscimo do valor de emissividade de uma maneira ou de outra. Por sorte, existem maneiras econômicas de compensar a baixa emissividade dos alvos. Esses métodos reduzem a refletância do alvo e portanto melhoram a precisão da medição.

Se você olhar a imagem térmica, você pode achar que as folhas são mais frias que a superfície da caneca. Na realidade, elas têm exatamente a mesma temperatura, a diferença de intensidade da radiação infravermelha é causada por uma diferença na emissividade.

Fita Isolante

A maior parte das fitas isolantes de alta qualidade tem uma emissividade de 0,95. É preciso ter cuidado, especialmente com as câmeras de comprimento de onda média (3 a 5 μm), para que a fita seja opaca. Algumas fitas de vinil são finas o suficiente para ter um pouco de transmitância de infravermelho e, portanto, são inaceitáveis para uso como revestimento de alta emissividade. A fita isolante de vinil negra Scotch™ Brand 88 tem uma emissividade de 0,96 em ambas as regiões de comprimento de onda curto (3 a 5 μm) e longo (8 a 12 μm), e é recomendada. 

Temperatura de um ASIC grande com tampa de metal brilhante: sem qualquer revestimento, o ASIC apresenta temperatura quase ambiente. Assim que uma camada de fita Kapton de alta emissividade foi aplicada, foi aferida a temperatura real de 43,9 °C.

Esse exemplo mostra duas latas com fita isolante. A da esquerda está cheia de água quente; e a outra está à temperatura ambiente. Para a lata quente, a leitura de temperatura da fita é de 163 °F (72,8 °C), e da lata é de 74,3 °F (23,5 °C). A leitura posterior é essencialmente de temperatura ambiente, já que a emissividade da lata é bastante baixa. Esse é um exemplo clássico da necessidade de usar uma aplicação de alta emissividade em alvos de baixa emissividade.

Tintas e Revestimentos

A maioria das tintas tem uma emissividade de aproximadamente 0,9 a 0,95. Tintas de base metálica têm baixa emissividade e não são recomendadas. A cor da tinta não é a variável significativa em sua emissividade infravermelha. O fosqueamento da tinta é mais importante que sua cor. Prefere-se tintas foscas a tintas brilhantes. O revestimento também deve ser grosso o suficiente para ser opaco. Duas demãos geralmente são o suficiente. A fita é boa para áreas pequenas. A tinta é boa para áreas maiores, mas esse é um revestimento permanente. Para os revestimentos de áreas grandes que precisam ser removidos, ou onde a fita é inapropriada, pós suspensos em forma de pasta ou spray podem funcionar melhor. Um revelador de líquidos penetrantes e o spray de talco para pés Dr. Scholl’s™ são dois exemplos. A emissividade desses dois pós está na faixa de 0,9 a 0,95, dado que eles sejam aplicados em camadas grossas o suficiente para serem opacas.

Esquerda: PCB sem tinta de acréscimo de emissividade. Direita: com tinta de acréscimo de emissividade. A desvantagem de usar tintas pode ser a redução dos detalhes finos.

Corretivo Líquido

Aplicar corretivo é uma ótima maneira de aumentar a emissividade de uma superfície. Esse método pode ser aplicado aos menores componentes eletrônicos, e ao contrário da fita, ele não grudará em pequenas superfícies. O corretivo é lavável usando-se uma pequena escova e álcool. A emissividade do corretivo está entre 0,95 e 0,96 para uma câmera LW.

Outras Recomendações

Como muitos desses alvos frequentemente são energizados eletricamente, é sempre necessário ter cuidado. Isso significa revestir os alvos somente quando não estiverem energizados e somente usar um revestimento aprovado para garantir a operação adequada quando energizados. Certifique-se de que o revestimento cobre uma área de tamanho suficiente. Conheça a relação de tamanho do ponto da sua câmera para medição, e a distância mínima de operação que você pode usar com segurança. Por exemplo, uma câmera com uma relação de tamanho do ponto de 250:1 pode medir um alvo de uma polegada à distância máxima de 250 polegadas, ou 20,8 pés (para um alvo de um centímetro à distância máxima de 250 centímetros – ou 2,5 metros). Para aplicações de maior temperatura, use tinta de alta temperatura como aquelas usadas em motores e grelhas a carvão. Fitas e pós têm limitações ao nível na faixa de temperatura da aplicação. Para sistemas elétricos, se a fita derreter, o problema será provavelmente significativo. Portanto, você não precisará de material de alta temperatura para essa aplicação.

Controle de Valores de Emissividade em Placas PCB

Durante os processos de descoberta de erros, a medição das temperaturas dos componentes em Placas de Circuito Impresso (PCB) de alta densidade pode ser uma técnica bastante útil e econômica, mas difícil devido aos diferentes valores de emissividade dos diferentes componentes. Geralmente, as PCBs têm alta densidade com uma variedade de componentes metálicos e plásticos fabricados por diferentes fabricantes que aplicam seus próprios revestimentos sobre os componentes. Quando a placa é tratada com um revestimento conhecido, testado e caracterizado, isso normalmente simplifica o problema. Após o revestimento, as superfícies dos componentes têm os mesmos valores de emissividade e as temperaturas relativas podem ser determinadas utilizando-se um termograma.

Para controlar os valores de emissividade, você pode tratar uma placa PCB com revestimento.

Determinação da Emissividade

É preciso conhecer o valor da emissividade para se ter uma avaliação de temperatura real da radiação de medição. Porém, os valores da tabela de emissividade devem ser usados com cuidado. Nem sempre está claro para qual faixa de comprimento de onda o valor de emissividade é válido. E as emissividades se alteram com o comprimento de onda. A condição, textura e formato da superfície também têm papel central na emissividade de um material. Essa é uma maneira de entender o efeito da incerteza de emissividade sobre a precisão da medição: suponha que a incerteza na emissividade do alvo seja de ±0,05. Para uma emissividade de 0,95, isso representa aproximadamente 5% de erro (0,05/0,95). Para um material como cobre reluzente, de emissividade 0,05, isso representa um erro de 100% (0,05/0,05). Esses erros se propagam no cálculo de temperatura e aumentam o erro de leitura da temperatura. Nossa recomendação é não tentar a medição de temperatura para emissividades de alvo menores que 0,5, devido a esse efeito. Faça o revestimento do alvo com um material de alta emissividade.

Materiais de revestimento de alta emissividade