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