Medições Radiométricas de Temperatura com Drones

Medições Radiométricas de Temperatura

Uma câmera termográfica radiométrica mede a temperatura de uma superfície interpretando a intensidade de determinado sinal infravermelho que a atinge. Esta técnica sem contato e não destrutiva (NDT, Non-destructive technique) oferece aos usuários grandes vantagens para diversas aplicações de medição de temperatura da superfície, pois ela pode ser integrada a um pacote FLIR Aerial com o módulo térmico. Esse tipo de sistema é também conhecido como drone ou sistema aéreo não tripulado. Um drone permite ao operador mover e posicionar a câmera termográfica para realizar rapidamente medições de temperatura em áreas extensas e ambientes complexos ou perigosos. Um drone pode medir a temperatura da superfície de um trocador de calor de um teto, uma conexão com falha numa linha de transmissão de alta tensão, células de um painel solar e campos agrícolas extensos. No entanto, a capacidade de detectar a temperatura remotamente, ao contrário do contato direto com a superfície, apresenta a contrapartida de levar em consideração condições específicas de superfície e do ambiente; algumas dessas condições são ilustradas na Figura 1.

É importante distinguir as medições radiométricas de temperatura como medidas infravermelhas de superfície, visto que as medições radiométricas devem ser restritas a materiais opticamente opacos. Geralmente, metais e materiais orgânicos são opacos em sua totalidade, e as medições radiométricas devem ser capazes de determinar a temperatura da superfície. Apesar de existirem materiais que são semitransparentes à radiação infravermelha (vidro de safira, vidro de sulfeto de zinco, óxidos de zircônio), as medições radiométricas dessas superfícies devem considerar a temperatura ao longo da superfície e volumétrica total do material; isso aumenta significativamente a complexidade da análise.

A detecção remota da temperatura de uma superfície depende da capacidade de compensar com precisão as características da superfície, a interferência atmosférica e o sistema de geração de imagens. As características da superfície que influenciam a medição de temperatura consistem na emissividade da superfície e na refletividade nos comprimentos de onda espectral de infravermelho. A atmosfera absorverá e emitirá energia térmica baseada na sua composição e na distância entre a câmera e a superfície. E, por último, a capacidade de realizar medições de temperatura espacialmente em uma imagem térmica é influenciada pelo foco, desfoque e resolução de pixels da imagem. A influência de cada um desses fatores na precisão da medição depende fortemente da aplicação específica da medição e cada um deles deve ser considerado e tratado.

Características da Superfície

Emissividade

A emissividade é uma medida da eficiência de uma superfície quando esta emite energia térmica relativa a um  corpo negro perfeito; ela escala diretamente a intensidade da emissão térmica, e todos os valores reais são menores que 1,0. A emissividade pode depender fortemente da morfologia, da aspereza, da oxidação, do comprimento de onda espectral, da temperatura e do ângulo de visualização da superfície. Uma medida que não considera a emissividade real de uma superfície parecerá “mais fria” do que ela realmente é. Em aplicações na agricultura, muitos materiais orgânicos e materiais com superfícies muito rígidas apresentam valores de emissividade próximos a 1. Para outras aplicações, incluindo a inspeção de linhas de transmissão e de células solares, a superfície pode ser de metal ou vidro altamente polido, ambos os quais podem apresentar valores de emissividade muito mais baixos. Como referência, a Tabela 1 apresenta diversos valores de emissividade que podem ser encontrados nas aplicações radiométricas de drones.

Refletividade

Uma câmera próxima à superfície detecta o calor resultante da temperatura da superfície e a temperatura ambiente de fundo refletida. É muito difícil tirar medições de temperatura de uma superfície altamente refletiva porque a imagem é influenciada pelas reflexões térmicas de fundo. Para uma aplicação com um drone, um telhado de metal limpo e sem pintura pode parecer mais frio do que realmente porque o brilho do telhado reflete o céu acima dele. Considere o caso de uma chapa de aço inoxidável no teto, com 0,80 de refletividade e 0,20 de emissividade, uma medição radiométrica de temperatura seria altamente influenciada pela temperatura de fundo refletida do céu. Normalmente, um céu limpo tem uma temperatura de fundo bem abaixo de 0 °C (32 °F), podendo chegar a até -20 °C (-4 °F). A temperatura de fundo real do céu varia conforme as condições atmosféricas e o período do dia.

Superfícies reflexivas apresentam mais desafios para aplicações com drones; o reflexo do sol na imagem térmica aparecerá como brilhos solares e as medições radiométricas de temperatura desses brilhos podem apresentar erros de precisão de centenas de graus. Recomenda-se gerar uma sequência de imagens da superfície a partir de diferentes ângulos para reduzir a influência de qualquer brilho solar presente na imagem. No entanto, deve-se tomar cuidado para não tirar medições em ângulos excessivamente oblíquos, já que a refletividade é reduzida conforme o ângulo de visualização. Alternativamente, medições a distâncias muito próximas e com um ângulo reto podem fazer com que a câmera capte um reflexo dela mesma e gere medições imprecisas. A Figura 2 mostra os desafios relativos ao ângulo de visualização para medições radiométricas de temperatura e recomenda tirar medições a um ângulo menor que os 60° normais à superfície.

Assim como a emissividade, a refletividade de uma superfície está altamente relacionada à morfologia e aspereza da superfície. Como a refletividade (R) está relacionada à emissividade (E) através da equação R = 1-E, a importância da refletividade pode ser bastante reduzida através de medições de superfícies com emissividade muito alta, de preferência maior que 0,90. Para medições de superfícies controladas realizadas por drones, tais como um tanque de aço instalado no telhado, uma tinta preta fosca de alta emissividade/baixa refletividade pode ser usada para “corrigir as medições”, o que gera medições altamente reprodutíveis.

Transmissão Atmosférica

A atmosfera terrestre interfere nas imagens térmicas ao absorver e emitir radiação infravermelha baseada na densidade do ar, na umidade relativa (UR) e na distância entre a superfície do objeto e a câmera. A transmissão atmosférica entre a câmera e a superfície pode alterar a medição radiométrica de temperatura e esta medida representa o calor real que chega até a câmera. Desconsiderar a transmissão atmosférica resultará em medições radiométricas que parecerão mais frias do que a temperatura real da superfície.

Em um dia muito úmido e quente, uma trajetória de ar de 100 metros (328 ft) (temperatura do ar de 35 °C [95 °F], UR de 80%) tem uma transmissão teórica de 80%. Isso significa que somente 80% do calor da radiação térmica emitido da superfície chegará até a câmera. Se essa perda de transmissão atmosférica não for considerada, então um drone olhando para um objeto de 50 °C (122 °F) com uma emissividade conhecida de 0,97 apresentará uma leitura de 47,6 °C (117,7 °F): um erro de 2,4 °C (4,3 °F) causado somente pela trajetória do ar! A melhor maneira de reduzir o efeito da transmissão atmosférica é minimizar a distância entre a câmera do drone e a superfície. Por exemplo, a uma distância de 10 metros (32,8 ft), a transmissão é de 96% e a temperatura radiométrica sem correção para a trajetória do ar é de 49,5 °C (121,1 °F).

A atmosfera pode afetar as medições de temperatura de outras maneiras inesperadas. As medições devem ser sempre realizadas sem chuva, neve, fumaça, poeira ou quaisquer outros elementos que obscureçam a imagem, já que estes reduzirão a transmissão atmosférica e alterarão a temperatura de fundo. E, por último, lembre-se que as medições radiométricas relatam apenas a temperatura da superfície e esta é bastante sensível a ventos fortes.

Resolução Espacial da Temperatura

Uma imagem térmica radiométrica que define uma superfície fornece uma medição de temperatura radiométrica para cada pixel. Uma superfície muito pequena na imagem será extremamente difícil de medir com precisão, já que o número de pixels que define as dimensões da superfície é reduzido. O efeito do tamanho do ponto focal é essa degradação na precisão da medição devido aos efeitos de distorção óptica, difração, luz difusa e processamento da imagem do sensor que geram uma imagem desbotada. Desconsiderar o efeito do tamanho do ponto focal resultará em medições que poderão ser altamente influenciadas pelas superfícies próximas. Por exemplo, um objeto quente pode parecer mais frio e um objeto frio pode parecer mais quente do que as temperaturas reais.

Apesar do efeito do tamanho do ponto focal ser altamente dependente da câmera termográfica específica, as medições de laboratório da FLIR em câmeras de drones sugerem que um ponto de medição na imagem térmica deve ter, pelo menos, 10 pixels de diâmetro para relatar uma medição significativa e um diâmetro de 20 pixels é grande o suficiente para neutralizar o efeito do tamanho do ponto focal. A Figura 3 mostra a melhoria na precisão da temperatura radiométrica conforme o tamanho do ponto focal aumenta.

Para aplicações com drones, o efeito do tamanho do ponto focal torna-se cada vez mais significativo conforme a distância entre a superfície e a câmera aumenta e o número de pixels que define cada característica espacial é reduzido. O número de pixels usado para decompor a área da superfície de um objeto depende da densidade de pixels, do comprimento focal, da distância da câmera até a superfície e do menor tamanho característico (comprimento, diâmetro) da superfície; a Figura 4 ilustra esses fatores. O número de pixels (N) usado para decompor um objeto é avaliado conforme a razão entre a posição angular e o campo de visão instantânea de pixels da câmera onde a posição angular da superfície até a câmera α = d/s é a razão da distância entre a câmera e a superfície do objeto (d) e o tamanho do objeto (s). O campo de visão instantânea (IFOVp) de cada pixel da câmera é calculado através da razão entre a densidade de pixels (p) e o comprimento focal (f), IFOVp = p/f. Essas relações podem ser manipuladas para chegar-se à distância máxima de medição recomendada, ao menor tamanho necessário do objeto e às características da câmera para qualquer aplicação de temperatura radiométrica específica. 

Considere uma câmera radiométrica com uma lente de 13 mm, sensor com resolução de 640 por 512 pixels, densidade de pixels de 17 µm e que esteja a uma altitude de 20 metros (65.6 ft), uma superfície quadrada de 30 cm (11.81 in) diretamente abaixo da câmera terá uma resolução de apenas 12 por 12 pixels em uma imagem térmica. A Tabela 2 fornece a distância máxima recomendada entre a câmera e um objeto para manter uma resolução de, pelo menos, 10 pixels na imagem térmica para diferentes tamanhos de objeto.

O foco e o desfoque de uma imagem térmica também podem aumentar o número de pixels necessário para tornar as medições radiométricas precisas. Por exemplo, a velocidade do obturador da câmera é relativamente lenta com 1/30 segundo e um drone que se move rapidamente pode resultar em uma imagem desfocada com pouca precisão. Uma superfície quente que está turva devido ao movimento do drone parecerá mais fria e uma superfície fria pode parecer mais quente. É possível realizar montagens em eixos pivotantes e usar técnicas de estabilização ativas para reduzir de forma estratégica a instabilidade da câmera e maximizar a sua estabilidade e o foco da imagem.

Conclusões

Essa é uma descrição resumida dos fatores, quando drones são usados, que podem influenciar na precisão das medições radiométricas de temperatura da superfície. Para superfícies com baixa emissividade e alta refletividade, ângulos de visualização retos e oblíquos devem ser evitados para reduzir o impacto dos reflexos e de reflexos oblíquos acentuados. A emissividade da superfície deve ser alta para reduzir o impacto do reflexo da temperatura de fundo e do brilho solar, de preferência maior que 0,90. Alternativamente, é possível aumentar a emissividade da superfície combinando uma superfície áspera com alta emissividade e tinta preto fosco para diminuir o impacto da incerteza da emissividade e da alta refletividade.

Os fatores de transmissão atmosférica podem ser fortemente neutralizados através de medições tiradas a uma distância de até 10 m (32.8 ft) ou menos da superfície pretendida e em condições atmosféricas com uma temperatura baixa e o céu limpo. Essas condições diminuem o impacto da temperatura do ar, da umidade relativa e de materiais particulados no ar. Para distâncias maiores, as condições atmosféricas (distância, umidade, temperatura) precisarão ser bem caracterizadas para o cálculo da transmissão atmosférica. Medições de mais de 10 metros também são afetadas pelo efeito do tamanho do ponto focal quando o número de pixels que decompõem uma superfície específica é reduzido e a capacidade de tirar medições de objetos muito pequenos é fortemente afetada. Apesar de ser importante tirar medições com um tamanho de ponto focal de diâmetro de, pelo menos, 10 pixels, são necessários mais pixels para imagens tremidas e fora de foco.