confiabilidade metrológica em termografia aplicada em sistemas elétricos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA

CONFIABILIDADE METROLÓGICA EM
TERMOGRAFIA APLICADA EM SISTEMAS ELÉTRICOS

GUILHERME GONÇALVES DIAS TEIXEIRA

Belo Horizonte, 24 de Fevereiro de 2012
Guilherme Gonçalves Dias Teixeira

CONFIABILIDADE METROLÓGICA EM
TERMOGRAFIA APLICADA EM SISTEMAS ELÉTRICOS

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais,
como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Calor e Fluidos
Orientador: Prof. Dr. Roberto Márcio de Andrade
Universidade Federal de Minas

Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2012
Aos meus pais, avós e amigos
Nestes últimos dois anos, convivi entre pessoas maravilhosas, que contribuíram
imensamente com o meu trabalho e, particularmente, para meu crescimento como
pessoa. Por isso, não poderia deixar de agradecê-las neste momento.
a Deus por todas as oportunidades, conquistas e sonhos;
aos meus pais, Israel e Ana, que muitas vezes abdicaram seus sonhos para que
eu pudesse viver os meus. E a minha querida irmã, Fabiana, cuja inocência me
emociona;
a minha namorada, Luciana, pelo apoio incondicional;
aos meus avós Pedro e Regina, que me acolheram como seu filho;e aos meus
tios, em especial, ao Marcelo, por me receber como irmão;
ao meu orientador e amigo, Roberto Márcio de Andrade, pela sabedoria,
confiança e o espírito científico com que me guiou ao longo deste trabalho;
ao prof. Márcio Fonte Boa pelos conselhos e admirável curiosidade; ao prof.
Rudolf Huebner pelas valorosas referências que constituem a base deste trabalho; e ao
prof. Claysson Vimieiro pelos conselhos e apoio;
aos amigos Flávio Calado, Fernanda Batista e Rafael Batista que me
acolheram com sua calorosa amizade;
aos amigos Selson, Eduardo, Rafael Ferreira e Nilton Jr. Pelo auxílio na
condução dos ensaios e dos momentos de descontração;
aos amigos Bruno, Júlia, Luiz Guilherme, Leonardo e Rafael pelo apoio,
dedicação e o espírito juvenil;
ao Engº Henrique Diniz, gerente do P&D 235, que concebeu a infraestrutura
necessária para a realização deste projeto e nunca me deixou esquecer um congresso
(!);
ao Engº Nilton Soares, pelo apreço, dedicação e por encurtar as distâncias
entre o laboratório e a realidade;
ao inspetor Wagner, pelas valiosas informações e condução das inspeções
termográficas;
a Companhia Energética de Minas Gerais, Cemig, e Agência Nacional de
Energia Elétrica, Aneel, por fomentar esta pesquisa;
e aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica da
UFMG;
A todos vocês, a minha mais profunda gratidão.
Sumário________________________________________________________________________________________________

SUMÁRIO

SÍMBOLOS ..................................................................................................................... ii
CONSTANTES .............................................................................................................. iii
SUBSCRITO .................................................................................................................. iii
ABREVIAÇÕES ............................................................................................................ iv
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... vi
LISTA DE TABELAS .................................................................................................... x
RESUMO ....................................................................................................................... xii
ABSTRACT ................................................................................................................. xiii
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 4
2.1 ENSAIOS TÉRMICOS NÃO-DESTRUTIVOS ......................................................... 4
2.2 RADIAÇÃO TÉRMICA .................................................................................... 14
2.2.1 A Lei de Planck ............................................................................................. 15
2.2.2 Lei de Stefan-Boltzmann ............................................................................... 17
2.2.3 As propriedades das superfícies reais .......................................................... 17
2.2.4 A absortividade, a refletividade e a transmissividade .................................. 19
2.3 RADIAÇÃO INFRAVERMELHA ....................................................................... 22
2.4 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA SEM CONTATO ................................................ 23
2.4.1 Transmissão e emissão atmosférica ............................................................. 26
2.4.2 Transmissão e emissão da óptica ................................................................. 28
2.4.3 Campo de visão ............................................................................................. 29
2.4.4 O modelo matemático da medição ................................................................ 31
2.5 INCERTEZA DE MEDIÇÃO .............................................................................. 36
2.5.1 O Método GUM ............................................................................................ 37
2.5.2 O Método de Monte Carlo ............................................................................ 45
2.5.3 Comparação GUM x Monte Carlo ............................................................... 49
2.5.4 Fontes de Incerteza de medição na termografia ........................................... 50
3 METODOLOGIA .......................................................................................... 58
i
Sumário________________________________________________________________________________________________

3.1.1 Conector paralelo à compressão ―H‖ .......................................................... 58
3.1.2 Conector cunha de alumínio ......................................................................... 59
3.1.3 Amostras ....................................................................................................... 59
3.1.4 Ensaios .......................................................................................................... 62
3.1.5 Inspeção Termográfica ................................................................................. 65
3.2 ANÁLISE DA INCERTEZA .............................................................................. 67
3.2.1 Incertezas em termografia pelo método GUM .............................................. 67
3.2.2 Incertezas em termografia pelo MMC .......................................................... 70
3.3 SOFTWARE IMT........................................................................................... 74
4 RESULTADOS ............................................................................................... 76
4.1 MODELO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DO TERMOVISOR ........................ 76
4.2 ESTIMATIVA DAS INCERTEZAS INTRÍNSECAS ................................................ 81
4.3 INCERTEZA DE MEDIÇÃO EM TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA ..................... 86
4.4 DIAGNÓSTICOS DE FALHAS EM CONEXÕES ELÉTRICAS ................................. 98
4.5 INSPEÇÃO TERMOGRÁFICA ......................................................................... 112
5 CONCLUSÕES ............................................................................................ 124
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 127
A. ANEXO............................................................................................................... i
B. ANEXO........................................................................................................... xiv

ii
Símbolos
_______________________________________________________________________________________________
SÍMBOLOS
Delta-T

Coeficiente de transferência de calor por convecção

Coeficiente de transferência de calor por radiação

Detectividade normalizada
Intensidade radiação espectral

Geração ou dissipação de calor
Sensibilidade espectral relativa

Variável aleatória de entrada
Diferença superior das extremidades dos intervalos
de abrangência

Diferença superior das extremidades dos intervalos
de abrangência

Função de densidade de probabilidade

Variância experimental
Incerteza padrão combinada

Valor médio
- Correlação emissividade temperatura refletida

Valor esperado

R Resistência elétrica medida em corrente contínua
CC
Constante de calibração do termovisor
Variável de calibração
Emitância espectral
Irradiância
Radiosidade
R Constante de calibração do termovisor
Distribuição Normal
Distribuição Uniforme

Constante de calibração do termovisor ad.
Sinal digital adimensional
ii
Símbolos
_______________________________________________________________________________________________
Temperatura
Incerteza expandida
Variável aleatória de saída
Coeficiente de sensibilidade
Distância termovisor -objeto m
Coeficiente de correlação
Desvio padrão (experimental)
Incerteza da variável de entrada
Absortividade
Tolerância numérica
Emissividade
Comprimento de onda
Refletividade
Desvio padrão
Transmissividade
Deslocamento angular

CONSTANTES
Stefan-Boltzman
Planck J
Boltzmann s
Primeira constante da radiação ]

Segunda constante da radiação.

Terceira constante da radiação

Velocidade da luz

SUBSCRITO

Referente ao objeto

Referente à dependência espectral
iii
Símbolos
_______________________________________________________________________________________________

Referente à dependência direcional
Referente à fonte externa de radiação (por exemplo,

temperatura refletida)

Referente à atmosférica

Referente à óptica

Referente ao ambiente

Referente à superficial

Referente ao ponto de referência 1 (na medição de temperatura)

Referente enésimo valor

ABREVIAÇÕES
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
BIPM Bureau International des Poids et Mesures
Cumulative Distribution Function (Função de Distribuição
CDF
Acumulada)
CIPM Comté International des Poids e Mesures
DIC Digital Image Correlation
Digital Temperature Resolution (Resolução Digital da
DRT
Temperatura)
FOV Field of View (Campo de Visão)
FPA Focal Plane Array
Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (Guia para
GUM
Expressão da Incerteza de Medição)
HFOV Horizontal Fiel of View (Campo de Visão na Direção Horizontal)
IEC International Eletrotechnical Commission
IFCC International Clinical Chemistry
IFOV Instantaneous Field of View
IMT Incerteza de Medição Termográfica
ISO Organization for Standardization
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
International Union of Pure and Applied Physics
IUPAP
Minimum Error (Mínimo Erro)
ME
Método de Monte Carlo
MMC
iv
Símbolos
_______________________________________________________________________________________________
Minimum Resolvable Temperature Difference
MRTD
Measurement Spatial Resolution (Resolução Espacial da Medição)
MSR
Modulated Thermography (Termografia Modulada)
MT
Non Destructive Thermal Evaluation (Ensaios Térmicos Não
NDTE
Destrutivos)
International Electrical Testing Association
NETA
Noise Equivalent Temperatura Difference
NETD
Noise Generated Error (Erro Gerado por Ruído)
NGE
Internationl Organization of Legal Metrology (Organização
OIML
Internacional de Metrologia Legal)
Probability Density Function (Função de Densidade de
PDF
Probabilidade)
Pulsed Phase Thermography (Termografia Pulsada por Fase)
PPT
Pulsed Thermography (Termografia Pulsada)
PT
Repetitividade
RE
Scanning Laser Doppler Vibrometer
SLDV
Slit Response Function
SRF
Slit Temperature Response Function
STRF
ISO Techinical Advisory on Group on Metrology
TAG 4
Temperature Stability (Estabilidade de Temperatura)
TS
Thermoelastic Stress Analysis
TSA
Measurement Uniformity (Uniformidade da medição)
MU
Vertical Field of View (Campo de Visão na Direção Vertical)
VFOV

v