Termometria IR - Apostila Completa

Termometria Infravermelha
Teoria Básica
Infratemp
Revisão 1 – Maio/2010
1 - INTRODUÇÃO
A temperatura é uma das grandezas físicas mais medidas, apenas suplantada pelo tempo.
A temperatura possui um importante papel como indicador da condição de um produto ou elemento
de um equipamento, seja na fabricação ou no controle da qualidade. A correta monitoração da
temperatura melhora a qualidade do produto e a produtividade da empresa. Os processos de
fabricação podem prosseguir sem interrupções e sob condições otimizadas.
Os métodos para medição de temperatura podem ser divididos em medição com contato e
medição sem contato.
Nos métodos de medição com contato, o termômetro é instalado de modo que seu elemento
sensor entre em contato físico com o meio cuja temperatura se quer determinar. A troca de energia
entre o termômetro e o meio dá-se principalmente através do fenômeno da condução térmica.
Termômetro e meio devem estar em equilíbrio térmico no momento da medição da temperatura.
Termômetros de contato são excelentes para a medição da temperatura de meios líquidos e
gasosos mas podem apresentar restrições na medição da temperatura de corpos sólidos.
Nos métodos de medição sem contato, a transmissão de energia entre o termômetro e o meio dáse por radiação. São indicados para a determinação superficial da temperatura e quando o meio
em medição está visualmente acessível, seja através de uma janela, abertura ou fibra óptica. Um
termômetro de radiação indica a temperatura de um objeto medindo a radiação eletromagnética
que o objeto emite.
2 - O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
O espectro eletromagnético (Figura 1) contém diversas formas de emissões eletromagnéticas
como infravermelho, luz visível, raios-X, ondas de rádios e várias outras. A diferença entre essas
emissões é o seu comprimento de onda (λ), que é relacionado com a freqüência. O olho humano
só responde à região visível do espectro.
Figura 1. Espectro Eletromagnético
Todos conhecemos o vermelho sombrio do carvão no fogo e o branco brilhante das lâmpadas
incandescentes. Sabemos que quanto mais brilhante e branco for um objeto, mais quente ele está.
Esta é a forma mais simples da termometria de radiação. Embora simples, a distinção da
temperatura com base nas cores por ser bastante exata. Alguns profissionais de industrias cujos
processos atingem altas temperaturas, como as siderúrgicas, podem estimar a temperatura dentro
de ±50ºC, apenas baseando-se na cor do material (Tabela 1).
Tabela 1. Temperatura x cor percebida.
Temperatura ºC
Cor
500
vermelho pouco visível
700
vermelho sombrio
900
cereja
1000
cereja brilhante
1100
vermelho alaranjado sombrio
1250
amarelo alaranjado brilhante
1500
branco
1800
branco ofuscante
Pelo fato de nossos olhos não conseguirem detectar radiação dos corpos com temperatura inferior
a 500ºC, a maioria de nós associa a radiação térmica apenas a objetos quentes. Entretanto,
qualquer objeto cuja temperatura esteja acima do zero absoluto emite energia eletromagnética, a
qual se propaga no espaço à velocidade da luz. Esse fenômeno deve-se ao movimento mecânico
das moléculas de um corpo, cuja intensidade aumenta com a temperatura do objeto. Como o
movimento das moléculas significa deslocamento de carga, ocorre a emissão de energia
eletromagnéticas (partículas de fótons). Estes fótons movem-se à velocidade da luz e comportamse conforme os princípios ópticos conhecidos. Compreendendo como essa radiação se relaciona
com a temperatura podemos fazer medições precisas de temperatura em uma ampla faixa.
Termômetros de radiação são projetados para responderem a comprimentos de onda da porção
infravermelha do espectro, entre 0,2 e 20 µm. A maior parte da radiação infravermelha não pode
ser vista pelo olho humano. Essa radiação, entretanto, pode ser dirigida para um detector dentro
de um termômetro de radiação, através de um sistema óptico, de forma bastante parecida ao que
acontece com a luz visível e o olho humano.
Os termômetros de radiação possuem três características principais que os distinguem dos demais
termômetros.
São termodinâmicos, ou seja, baseiam-se numa lei física universal que descreve objetos
reais com alta exatidão. Os termômetros de radiação podem ser construídos com
referência apenas no ponto triplo da água. A lei da radiação termodinâmica é também a
base da escala de temperatura acima do ponto da prata (~960ºC).
São termômetros sem contato e usados para medir a temperatura de objetos distantes ou em
movimento. Isto torna possível medir a temperatura dentro de fornos, do fogo e até do sol e
das estrelas, locais muito hostis para qualquer termômetro de contato.
Usam a superfície do objeto de interesse como sensor. Isso é tanto uma benção quanto
uma maldição. Enquanto o uso do objeto como sensor supera uma série de problemas
como imersão e contato térmico que afetam outros termômetros, levanta questões ainda
mais difíceis sobre rastreabilidade. Como podemos tornar uma medição rastreável, se ela
pode envolver uma superfície diferente cada vez que o instrumento é usado?
2.1 - Absorção, Transmissão e Reflexão
Os objetos quentes emitem radiação em uma ampla faixa do espectro eletromagnético. Os objetos
nas temperaturas de interesse prático emitem radiações situadas na porção infravermelha ou
visível do espectro. A Figura 2. ilustra a representação gráfica da distribuição da radiação térmica.
Radiância
espectral
-2
-1 (Wm µm sr
1
)
Comprimento de onda (λ)
Figura 2. Lei de Planck: radiância espectral de um
corpo negro em função da temperatura
A área abaixo de cada curva representa a quantidade de energia emitida naquela temperatura – a
radiância espectral ou brilho óptico de uma superfície. A vantagem de se usar a radiância ao invés
de outras grandezas ópticas é que a radiância independe da distância até a superfície e do
tamanho da superfície.
A escala horizontal indica os comprimentos de onda nos quais a radiação é emitida. A radiação
emitida em comprimentos de onda menores que 0,4µm é chamada de ultra-violeta ou UV enquanto
que a radiação emitida nos comprimentos maiores que 0,7µm é chamada de infravermelha ou IV.
Podemos observar a partir da Figura 2 que para objetos abaixo de 700 K (500ºC) toda a radiação
está na invisível região do infravermelho. Conforme a temperatura aumenta as curvas de radiância
começam a beirar a extremidade vermelha do espectro visível. Aumentando mais ainda o espectro
de emissão move-se em direção ao visível e vemos os objetos com as cores descritas na Tabela 1.
Em temperaturas acima de 1500ºC a 1800ºC os objetos tornam-se tão brilhantes que nossos olhos
têm dificuldade de distinguir a cor com precisão e conforto.
Quando a energia infravermelha radiada por um objeto atinge um outro corpo, uma porção dessa
energia será absorvida, outra porção refletida e, se o corpo não for opaco, outra porção será
transmitida através dele. A soma dessas três partes individuais deve ser igual ao valor inicial da
radiação emitida pela fonte.
Se chamarmos de a, r e t, respectivamente, absorção, reflexão e transmissão, então:
a+r+t=1
Figura 3. Absorção, reflexão e transmissão da radiação incidente em um corpo.
Se tivermos um corpo totalmente não reflexivo e completamente opaco, toda energia radiada e
recebida por este corpo será absorvida. Este tipo de corpo é um absorvedor perfeito e também
será um emissor perfeito de radiação. Um absorvedor e emissor perfeito é chamado de corpo
negro. Um corpo negro não apresenta, necessariamente, a cor preta. Trata-se de um termo usado
para descrever um objeto capaz de absorver toda a energia que o atinge e de emitir a máxima
radiação para uma dada temperatura. Pode-se construir boas aproximações dos corpos negros
ideais com cavidades que são feitas para aprisionar e não refletir a luz.
2.2 - Corpo negros e radiação de corpo negro
Em 1900 Planck derivou a descrição matemática da distribuição da radiação de corpo negro
ilustrada na Figura 2:
onde L é a radiância, os subscritos λ e b indicam, respectivamente a radiância espectral e o corpo
negro, λ é o comprimento de onda da radiação e T é a temperatura do corpo negro em kelvin.
As duas constantes c e c são conhecidas como a primeira e segunda constantes de radiação, e
1
2
seus melhores valores medidos atualmente são:
2
c = 1,191 044 x 10-16 W.m e c = 0,014 387 69 m.K
1
2
A Lei de Planck, é usada para definir a escala de temperatura ITS-90 acima do ponto da prata
(961,78ºC). Para isso, apenas a segunda constante de radiação é necessária e o valor a ela
atribuído é c = 0,014 388 m.K.
2
A observação das curvas da Figura 2 permite concluir:
À medida que aumenta a temperatura do objeto, a curva aumenta em amplitude e o valor de
pico desloca-se para os comprimentos de onda menores;
Em comprimentos de onda menores que o de pico, a inclinação da curva é bastante
acentuada;
Em comprimentos de onda maiores que o de pico, a inclinação da curva é lenta e quase
linear.
A relação entre o comprimento de onda no qual ocorre o pico da radiação pode ser obtida de:
À temperatura ambiente (300 K), por exemplo, a radiância espectral máxima está próxima de 10
µm e a 3000 K, o pico ocorre próximo a 1 µm.
A Lei de Wien simplifica a Lei de Planck, fornecendo uma aproximação melhor que 1%: É utilizada
para estimar erros e incertezas das medições.
Alguns exemplos de energia emitida por corpos negros são ilustrados na Tabela 2.
Tabela 2. Taxa de emissão dos corpos negros numa faixa de temperatura.
Temperatura (ºC)
Taxa de emissão (por metro quadrado)
25 (temperatura ambiente)
470 W
230 (ponto de fusão do estanho)
3,6 kW
500 (elemento quente num forno)
20 kW
1000 (chama amarela)
150 kW
2500 (filamento de lâmpada)
3,4 MW
5800 (sol)
77 MW
A tabela mostra que a radiância total aumenta muito rapidamente com a temperatura. Na
extremidade dos comprimentos de onda curtos do espectro da lei de Planck, a radiância aumenta
violentamente. Para λ<λ a radiância espectral segue aproximadamente a relação de potência:
max
x
LαT
onde, usando-se a aproximação para c2,
Numa temperatura de 1200K e um comprimento de onda de 1 µm, a radiação espectral muda em
12
T . Isto é típico do regime de operação da maioria dos termômetros de radiação. Um dos primeiros
termômetros de radiação, o termômetro de filamento operava em 650 nm e temperatura a partir de
25
600ºC: aqui, a relação de potência é T . Essa mudança rápida da radiância com a temperatura
tem um lado bom e um lado ruim. Dentro da faixa de operação de um termômetro a radiância
medida pode variar em um fator de 100 000 vezes. É muito difícil projetar um instrumento que seja
exato dentro de uma faixa tão dinâmica.
A alta relação de potência, entretanto, torna o instrumento extremamente sensível, o que é
positivo, porque as medições ópticas estão entre as mais difíceis. Mesmo em condições de
laboratório é difícil medir radiância melhor que ±1%. Um problema mais sério é que raramente
conseguimos determinar a emissividade melhor que ±5%. Se não fosse pela alta relação de
potência, as medições pela termometria de radiação teriam incertezas tão altas que não seriam
factíveis.
2.3 Emissividade
Conforme mencionado anteriormente, um objeto que radia a maior quantidade de energia possível
em uma determinada temperatura é conhecido como corpo negro. Na prática, os objetos reais não
são corpos negros e tendem tanto a emitir quanto a refletir a radiação, mesmo que estejam à
mesma temperatura que um corpo negro. Assim sendo, a radiância espectral de um objeto real é
dada por:
Lλ = ε (λ)Lλ,b
onde ε (λ) significa que a emissividade pode variar com o comprimento de onda.
A Figura 4, a seguir, mostra porque os corpos reais não são emissores perfeitos de radiação. Num
corpo aquecido, à medida que a energia se “move” para a superfície, uma certa quantidade é
refletida de volta e não deixará o corpo por radiação.
Figura 4: Emissividade x reflexividade
A habilidade de um corpo radiar energia é chamada emissividade (ε). É uma característica da
superfície, que depende não apenas do tipo de material, mas da condição da superfície e do
comprimento de onda em que a radiação é emitida, o que, por sua vez, depende da temperatura
do corpo (Figura.2).
Veja na Tabela 3 valores típicos de emissividade de alguns matérias, no comprimento de onda 1
µm.
Tabela 3: Valores típicos de emissividade
Material
Emissividade (1 µm)
Ferro e Aço
Oxidado
0,35
0,85
Alumínio
Oxidado
0,13
0,40
Oxidado
0,06
0,80
Cobre
Tijolo
0,80
Asfalto
0,85
Amianto
0,90
A tabela mostra que não-metais, como tijolo, asfalto e amianto possuem altos valores de
emissividade. Por outro lado, metais com superfícies não oxidadas possuem baixa emissividade.
A energia não é transmitida através de objetos opacos. De acordo com a lei de Kirchof assume-se
que toda radiação absorvida por um corpo e que tenha provocado um aumento na temperatura,
também é emitida por esse corpo. O resultado é:
Absorção = Emissão = 1 – Reflexão
Um corpo negro ideal não reflete energia (R = 0). Portanto, para um corpo negro, E=1.
3 -TERMÔMETROS DE BANDA ESPECTRAL OU SINTONIZADOS
A maioria dos termômetros medem a radiância dentro de uma banda de comprimentos de onda
relativamente estreita, dentro da faixa de 0,2 a 20 µm. A escolha do comprimento de onda
depende, entre outros fatores, da faixa de temperatura, do ambiente e do tipo da superfície a ser
medida. Essa faixa de comprimentos de onda inclui a maioria dos termômetros de uso industrial e
todos os termômetros padrão.
A Figura 5 ilustra um diagrama simplificado de um termômetro de banda espectral. O princípio
básico de operação é coletar a radiação da superfície, filtrá-la e medi-la com um sistema detector
de sinal e enviá-la para um processador.
As partes essenciais do termômetro são:
a) O detector, que converte a radiação incidente em um sinal, normalmente, de natureza
elétrica;
b) Um sistema óptico, que define o campo de visão do termômetro (FOV – field of view) e o
ângulo de aceitação do termômetro. A lente é usada para focalizar a imagem de uma área
do alvo; as aberturas definem o tamanho de alvo que o termômetro consegue “ver”; o filtro
seleciona a banda de comprimento de onda à qual o termômetro é sensível;
Figura 5. Esquema de um termômetro de radiação de banda espectral
mostrando os elementos básicos da sua construção e operação.
c) Uma carcaça para abrigar todas essas peças;
d) Uma conexão elétrica que conduz o sinal de saída;
e) Um amplificador para a saída do detector (de mA ou mV para V);
f) Um indicador de temperatura analógico ou digital;
g) Um dispositivo para ajuste da emissividade.
3.1 - Detectores
Há dois tipos de detectores: térmicos e de fótons.
Nos detectores térmicos a radiação incidente é absorvida como calor e o aumento da temperatura
produz o sinal de saída. O detector absorve todos os comprimentos de onda mas sua resposta
espectral é limitada pela transmissão do sistema óptico. Uma vez que a operação depende de se
atingir uma temperatura de equilíbrio, é necessária uma quantidade finita de radiação, dependendo
da massa térmica do detector. Para uma resposta rápida, o detector deve ser fino (e, portanto,
delicado).
Os detectores térmicos incluem:
Termopilha: feita de diversos termopares ligados em série, soldados em tiras e pintados de
preto, para aumentar a absorção. O tempo de resposta típico é 100 ms.
Piroelétrico: consiste de uma tira de material que quando é aquecido pela radiação incidente
produz uma carga entre as duas faces (de maneira análoga ao efeito piezo-elétrico). A
pulsação da radiação produz uma corrente alternada que é proporcional ao aumento da
temperatura e, desta forma, à radiação incidente.
Nos detectores de fóton, os fótons incidentes carregam os elétrons da banda de valência para a
banda de condução, desde que o fóton tenha energia maior do que a lacuna de energia entre
essas duas bandas; isto significa que o fóton dever ter um comprimento de onda menor que um
valor crítico. Os elétrons livres resultantes podem ser induzidos a produzir uma corrente elétrica,
seja aplicando-se um potencial através do dispositivo (modo foto-condutivo) ou pela presença de
uma junção p.n. (modo fotovoltaico). Esses detectores possuem duas importantes características:
operam somente em comprimentos de onda curto; como estão relacionados a fenômenos subatômicos, respondem com extrema rapidez, da ordem de poucos microsegundos.
Os detectores de fótons incluem:
Silício – resposta espectral de 0,5 a 1,1 µm
Germânio – resposta espectral de 0,5 a 1,8 µm
Sulfeto de chumbo– resposta espectral de 0,5 a 2,8 µm
3.2 - Sistema óptico
O sistema óptico de um termômetro de radiação compreende a lente, algumas vezes com uma
lente secundária ou abertura à sua frente; um diafragma para restringir a área da lente que é
efetivamente usada e um delimitador de campo, localizado na frente do detector. O uso de lentes é
preferível ao uso de aberturas quando se deseja melhorar o desempenho do termômetro de
radiação com alvos pequenos.
Todos os termômetros coletam radiação de uma zona cônica bem definida, na frente do
termômetro, referida como alvo. O tamanho mínimo ou máximo do alvo é definido pelas aberturas
de definição e é conhecido como campo de visão. Idealmente o alvo deve ter limites definidos, de
modo que qualquer radiação de fora do “cone” não cause interferência na leitura. Também é
necessário que o alvo preencha completamente o campo de visão do instrumento, caso contrário,
a temperatura indicada será uma média entre a temperatura do alvo e a temperatura dos
arredores. Veja a Figura 6.
Figura 6: FOV x tamanho do alvo
Figura 7: FOV e tamanho do alvo a várias
distâncias
A Figura 7 mostra os tamanhos de alvos que são medidos a diferentes distâncias do sistema
óptico. O ponto focal do instrumento do exemplo é 170 mm, distância na qual o alvo precisa ter
pelo menos 2 mm para garantir que o campo de visão esteja completamente preenchido. O
instrumento pode ser usado a 200 mm do alvo; nesse caso o diâmetro mínimo do alvo é 9 mm.
O campo de visão de um termômetro é definido pela distância entre o delimitador de campo e o
centro óptico da lente, dividido pelo tamanho da abertura do delimitador de campo. O campo de
visão pode ser expresso em termos de um ângulo ou em termos de uma razão entre uma distância
focal e o tamanho do alvo nessa distância. Isso significa que um termômetro com um campo de
visão de 100:1, a uma distância de 1000 mm, enxerga um alvo de 10 mm.
Os fabricantes de termômetros de radiação normalmente fornecem uma carta óptica do
termômetro com os tamanhos de alvos em várias distâncias.
Embora um termômetro tenha um ponto focal determinado, ele pode ser usado a qualquer
distância, desde que o alvo seja grande o suficiente e que, entre o alvo e o termômetro, não haja
nenhum obstáculo que reduza a energia incidente.
Para calcular o tamanho do alvo a qualquer distância são necessários 4 dados:
O diâmetro ativo (L) da lente de termômetro;
O ponto focal (V) do termômetro;
O tamanho de alvo (T) no ponto focal;
A distância entre o sistema óptico do termômetro e o alvo.
V e T são obtidos na folha de especificação ou na carta óptica do termômetro. L é o tamanho do
alvo à distância zero (carta óptica do termômetro). D é a distância à qual se pretende fazer a
medição.
Figura 8: Cáculo do tamanho do alvo para termômetros de foco fixo
A Figura 9, a seguir, mostra um termômetro com foco ajustável e um sistema de mira óptica. O
sistema de ajuste do foco, na parte posterior do instrumento, permite o ajuste após a instalação, no
local definitivo. Ajusta-se o foco até se obter uma imagem nítida do alvo. O mecanismo interno de
focalização garante que o foco visual e o foco infravermelho sejam ajustados simultaneamente.
Figura 9: Cálculo do tamanho do alvo para termômetros de foco ajustável
O termômetro acima apresenta uma faixa de ajuste de foco de 500 mm até infinito. Esta faixa pode
ser modificada com a colocação de lentes auxiliares, na frente do sistema óptico, o que permitirá a
medição de alvos menores a distâncias também menores que 500 mm. Quando o foco é ajustável,
o tamanho do alvo é calculado dividindo-se a distância entre o termômetro e o alvo, pelo campo de
visão.
Os termômetros de radiação também podem ser equipados com mira laser. O raio de laser permite
apontar rápida e precisamente para o alvo desejado. Existem diversos tipos: mira simples, mira
dupla, mira circular, mira de três pontos.
Figura 10: Mira laser circular e mira laser coaxial de três pontos
3.3 - Materiais ópticos
O sistema óptico de um termômetro deve ser projetado para transmitir a faixa completa de
comprimentos de onda, dentro da resposta espectral do termômetro. Por exemplo, se o termômetro
tiver uma resposta espectral entre 8 e 11,5 µm e os componentes ópticos desse termômetro forem
de vidro óptico, o termômetro não verá o alvo corretamente. O diagrama da Figura 11 lista alguns
materiais ópticos e suas faixas de transmissão.
Figura 11: Faixa de transmissão de materiais usados em termômetros de
radiação
4 - ERROS NA TERMOMETRIA DE BANDA ESPECTRAL
Existem dois componentes cruciais do termômetro, o “elemento sensor”, ou seja, a superfície de
interesse e a trajetória da transmissão. Cada medição realizada com um termômetro de radiação
envolve a caracterização dessas importantes “partes do termômetro”.
O que descrevemos como o termômetro de radiação é apenas um radiômetro, ou seja, um
instrumento que mede radiância, análogo ao voltímetro num circuito de termopar. Somente quando
o termopar está conectado a um voltímetro, o conjunto forma um termômetro.
Na termometria de radiação os erros podem ser divididos em três grupos principais:
erros relacionados à caracterização da superfície: emissividade, reflexões e fluorescência;
erros devido a variações no caminho da transmissão: absorção, radiações espúrias e efeito do
tamanho o objeto;
erros de processamento do sinal devido a variações na temperatura ambiente, linearização e
emissividade instrumental.
Os erros dominantes na termometria de radiação ou se referem à radiância medida ou à
emissividade. Na maioria dos casos o erro causado por essas duas grandezas não é conhecido e
é tratado como incerteza, expressa como:
onde λ é expresso em micra e as incertezas relativas ρ, em porcentagem. Essa equação permite
deduzir que:
Os erros e as incertezas aumentam com o comprimento de onda de operação, portanto,
sempre que possível, deve-se preferir termômetros que operem em comprimentos de onda
curtos;
Os erros e incertezas aumentam quadraticamente com a temperatura;
Os erros e incertezas aumentam, em 1/ελ; por isso os erros são muito grandes para materiais
de baixa emissividade como os metais.
A dependência dos erros em relação ao comprimento de onda pode causar confusão quando
termômetros de diferentes comprimentos de onda são usados para medir a mesma temperatura.
Na verdade, uma diferença nas leituras indicará que ambos estão errados uma vez que a maioria
das fontes de erros depende do comprimento de onda e afeta todos os termômetros de banda
espectral.
4.1 Erros na emissividade
Na maioria das áreas da termometria de radiação a maior fonte de erro é a falta de conhecimento
da emissividade da superfície. Existem diversos fatores que afetam a emissividade de um material.
Comprimento de onda
A emissividade de materiais polidos tende a decrescer à medida em que aumenta o comprimento
de onda. Materiais não metálicos comportam-se de maneira diferente dos metálicos, mostrando um
aumento na emissividade com o aumento do comprimento de onda. Materiais semi-transparentes
como filmes plásticos apresentam grandes variações com o comprimento de onda e requerem
consideração especial.
Um corpo cinzento tem emissividade constante.
Emissividad
e
Comprimento de onda
Figura 1: Variação da emissividade com o comprimento de onda
Condição da superfície
Nos materiais metálicos a emissividade diminui com o polimento da superfície e aumenta com a
rugosidade e grau de oxidação.
Metais que sofreram laminação, por exemplo, normalmente possuem uma pesada camada de
óxido, o que lhes confere um alto e estável valor de emissividade.
Nos metais brilhantes oxidados, o valor da emissividade dependerá da espessura da camada de
óxido. Em comprimentos de ondas maiores, a camada de óxido torna-se transparente e o
termômetro mede a superfície do metal não oxidado.
Ângulo de visão
O valor da emissividade da maioria dos materiais não depende muito do ângulo de visão, desde
que ele não ultrapasse 45º.
Temperatura
A emissividade dos matérias não muda muito com a temperatura quando se usa um termômetro
que opera numa banda estreita.
Emissivi
dade
Desvio em relação a 90º
Ângulo máximo de
montagem
Figura 2: Influência do ângulo de visão do termômetro
Na prática não é muito difícil constatar se um material é polido ou rugoso, oxidado ou não e fazer
uma estimativa da emissividade.
A maioria dos fabricantes de termômetros de radiação fornece uma lista de materiais e sua
emissividade no comprimento de onda em que o termômetro opera. Com essas informações é
possível se fazer uma estimativa dentro de ± 0,05 para superfícies rugosas ou difusas e ± 0,1 para
superfícies com polimento ou filme.
4.1.1 Determinação da emissividade
Há diversos métodos para se determinar a emissividade de um objeto. Os fabricantes de
termômetros de radiação costumam publicar tabelas para os materiais mais comuns. Elas servem
como orientação mas não se pode esquecer de atentar para a condição da superfície e o
comprimento de onda de operação, que também interferem na emissividade.
Os exemplos a seguir ilustram a incerteza na medição da temperatura devido à incerteza da
emissividade da superfície.
Exemplo 1. Estime a incerteza na medição da temperatura do aço, em 1000ºC, considerando que
a emissividade do aço altamente oxidado em 1 µm é estimada em 0,8 ± 0,1 (95%). A substituição
direta na equação de Wien resulta:
Exemplo 2. Estime a incerteza na medição da temperatura do aço galvanizado, em 450ºC. A
emissividade do zinco fundido em 4 µm é estimada em 0,15 ± 0,05 (95%). Como acima:
Os exemplos ilustram a importância de se conhecer bem a emissividade de uma superfície e como
a baixa emissividade pode inviabilizar a determinação da temperatura com termometria de
radiação.
Quando não se conhece a emissividade do material, o método mais simples é medir a temperatura
da superfície com um termopar calibrado e ajustar a emissividade do termômetro de radiação até
que forneça a mesma leitura de temperatura. Dependendo do comprimento de onda a incerteza
será ±0,05. Outro método é fazer um corpo negro operar à mesma temperatura do material de
interesse. Ajusta-se a emissividade no termômetro de modo que a leitura no material seja a mesma
que no corpo negro, com a emissividade ajustada para 1,0. A versão mais simples desta técnica é
cobrir uma parte da superfície com uma tinta preta, que possui emissividade entre 0,9 e 0,95.
Pode-se igualmente esperar incertezas de ±0,05.
4.1.2 Correção da emissividade
Os termômetros de radiação normalmente possuem um ajuste de emissividade que corrige a
indicação de temperatura, considerando a emissividade da superfície, que deve ser informada pelo
usuário. A saída do termômetro é multiplicada por 1/ε.
A Figura 14, a seguir, ilustra o efeito da emissividade na medição de temperatura quando se usam
termômetros que operam em comprimentos de onda curtos e longos.
Temperatur
a indicada
Emissividade do alvo
Figura 3: Variação da emissividade com o comprimento de onda
Observe que, para o termômetro de comprimento de onda curto, o erro é de aproximadamente
10ºC para uma mudança de 10% na emissividade, com o alvo à temperatura de 1000ºC. O
termômetro de comprimento de onda longo dá erros muito maiores para uma situação similar.
É aconselhável sempre escolher o termômetro que opere no menor comprimento de onda possível
para a temperatura desejada.
4.2 Erros de reflexão
Vimos que, quando a radiação que sai do interior de um corpo chega à superfície, ela é
parcialmente refletida de volta para o corpo. O mesmo acontece com a radiação que incide em
uma superfície. Desta forma, a radiação que deixa uma superfície é a soma da radiação emitida e
da radiação refletida. A primeira depende da temperatura do corpo e a segunda, da temperatura
dos arredores. O termômetro não consegue distinguí-las. Portanto, a temperatura indicada
dependerá dessas duas temperaturas, assim como da emissividade e reflexibilidade da superfície.
Veja a Figura 15.
Figura 4: Balanço da energia do corpo e do ambiente
Vejamos os três casos possíveis:
Um alvo quente e um ambiente normal
Esta é a situação que acontece, por exemplo, na roughing stand of a steel rolling Mill. A radiação
do ambiente é baixa e, para termômetros de comprimentos de onda longos, poderá ser ignorada.
Veja a Figura . A saída do termômetro é V = EB + IR. Como o ambiente está frio, em comparação
com o alvo, o componente IR pode ser ignorado.
Um alvo quente, com ambiente à mesma temperatura
Este pode ser o exemplo de uma medição no aço na zona de soaking de um steel rolling Mill
reheat furnace ou da medição de vidro fundido dentro do glass furnace forehearth. Nesse caso, I =
B e a radiação recebida é (1-RB) + RB = B, ou seja, como um corpo negro. O sistema funciona
como um corpo negro e não há necessidade de correção da emissividade.
Um alvo quente e um ambiente com temperatura maior que a do alvo
Este pode ser o caso de uma medição do aço na zona de aquecimento do forno de recozimento ou
a presença de um aquecedor elétrico próximo ao alvo. Além à energia do alvo, há uma grande
quantidade de energia refletida pelas paredes do forno ou pelo objeto quente, o que pode
ocasionar grandes erros.
Esta é a situação mais difícil de lidar e não há uma única solução. É possível usar um tubo de
visada que exclui a energia acrescentada pelo ambiente da visão do termômetro. Outra alternativa
é determinar a magnitude da influência do ambiente e subtrair do valor medido pelo termômetro.
Veja o esquema da Figura 16.
Figura 5: Medição de temperatura com um sistema de dois sensores
O sistema é composto por um termômetro de radiação e um segundo sensor, como um termopar
R/S, que mede a temperatura do ambiente. As saídas de ambos os sensores são enviadas ao
processador, que pode então calcular a reflexibilidade do material a partir da emissividade ajustada
(r = 1 – e). Tendo o valor da reflexibilidade e a temperatura do ambiente, o processador calcula a
magnitude da reflexão e a temperatura corrigida do alvo.
Alguns instrumentos possuem um recurso automático, que permite medir a temperatura dos
arredores e ajustar uma compensação para essa radiação extra, minimizando esse efeito.
Figura 6: A compensação da temperatura ambiente é importante
quando os alvos estão mais frios que os arredores
A Figura 18 compara o desempenho de dois termômetros de radiação operando em comprimentos
de onda de 1 µm e 3,9 µm. Todos esses fatores devem ser considerados para a correta
especificação. Novamente, os fabricantes de termômetros de radiação, acostumados às mais
diversas situações de medição, podem auxiliar na escolha dos acessórios e técnicas mais
adequados.
Erro da
medição
Temperatura do ambiente
Figura 7: Comparação entre dois termômetros de diferentes λ.
Outras fontes de reflexão podem ser o sol ou a iluminação artificial do ambiente, que afetam
termômetros de comprimentos de onda curtos. Veja o perfil da radiação emitida na Figura 19.
Percentual
de
radiação
Comprimento de onda µm
Figura 8: Comparação entre dois termômetros de diferentes λ.
Este problema é superado com o uso de uma proteção sobre o alvo, que fornece uma área
sombreada. É importante salientar que, neste caso, é o alvo que necessita proteção, não o
termômetro.
4.3 Erros de absorção
Uma das maiores vantagens dos termômetros de radiação é que eles medem temperatura à
distância. Entretanto, isso implica em usar o espaço entre o objeto e o termômetro como trajetória
de transmissão e, infelizmente, a maioria dos gases, incluindo o ar, não são transparentes.
Figura 9. Transmitância de 300 m de ar ao nível do mar.
Na Figura 20, as áreas acima da curva de transmitância estão escuras para enfatizar os
comprimentos de onda nos quais a atmosfera é opaca (o vapor d´água e o CO absorvem a
2
radiação). As partes do espectro em que a atmosfera é transparente (claras) são conhecidas como
janelas. As janelas mais úteis para a termometria de radiação banda espectral são próximas de
0,65µm, 0,9 µm, 1,05 µm, 1,35 µm, 1,6 µm, 2,2 µm, 4 µm e 10 µm.
A maioria dos termômetros é projetada para evitar as principais bandas nas quais a radiação é
absorvida. Alguns termômetros de banda larga não são completamente imunes a esses efeitos.
Mais uma vez, a escolha do termômetro e dos procedimentos de operação deve ser realiza com
base nas bem estabelecidas práticas industriais.
Em algumas aplicações industriais, não é somente a atmosfera que está entre o objeto e a lente do
termômetro. Pode haver uma janela transparente no forno para permitir a medição. Nesse caso, é
importante ter certeza de que o comprimento de onda de operação do termômetro é compatível
com a banda de transmissão da janela transparente. Também é importante que a perda de energia
através da janela e a alteração da emissividade do alvo devido à presença da janela, sejam
compensados, para que se tenha a correta leitura da temperatura. A Tabela 4 mostra o
comportamento dos diferentes materiais ópticos.
Tabela 1: Perdas por reflexão na superfície da lente
Material óptico
(µm)
Perda por reflexão
na superfície
(%)
Vidro óptico
0,3 a 2,7
4
Sílica
0,3 a 3,5
3,5
Fluoreto de Cálcio
Banda de utilização possível
0,15 a 12,0
3
Germânio
1,8 a 20
3 a 36
Safira
0,2 a 5,5
7
Sulfeto de Zinco
0,4 a 11,5
15
A emissividade do termômetro pode ser ajustada para compensar essas perdas. Por exemplo: se o
termômetro estiver medindo um objeto de emissividade 0,80 através de uma janela de safira, o
correto ajuste da emissividade dever ser o produto da emissividade da superfície pela transmissão
da safira. A transmissão é igual a 100 % menos a perda por reflexão de cada superfície da janela,
de acordo com a tabela, 7%.
Assim, 100% - (7% + 7%) = 86%. O ajuste da emissividade será = 0,86 x 0,80 = 0,69
Ajuste da emissividade = Emissividade do objeto x 1- (perda / 100)
4.4 Efeito do tamanho do objeto
Já conhecemos a necessidade de o campo de visão do termômetro estar completamente
preenchido, para fornecer uma boa medição. Sabemos também, que o uso de tubos de visada ou
a compensação automática da temperatura ambiente minimizam os efeitos de radiações espúrias.
Além desses fatores, o correto ajuste do foco do termômetro e o seu alinhamento melhoram a
qualidade da medição.
Os principais efeitos que provocam a indefinição dos limites do alvo são: o alargamento do perfil do
alvo (flare), causado por poeira no ambiente, riscos e imperfeições na densidade da lente;
focalização deficiente; desalinhamento dos componentes ópticos do termômetro (queda do
termômetro; mira laser x mira óptica).
Figura 10. Efeitos do tamanho do objeto. a) perfil ideal de um alvo; b) perfil
alargado (flare) ;
c) perfil devido à focalização deficiente; d)
desalinhamento.
O efeito do alargamento é mais sentido nos termômetros com banda de operação superior a de 4
µm, devido à variação na densidade das lentes, que espalham a radiação e à maior sensibilidade
do termômetro. O uso de tubos de visada é indicado. Como tanto os riscos quanto a poeira
provocam esse mesmo efeito, o termômetro de radiação deve ser mantido com muito cuidado e
sua lente regularmente limpa com produtos não abrasivos. Em ambientes sujos pode ser
recomendável o uso de uma purga de ar.
5 USO E MANUTENÇÃO DE TERMÔMETROS DE RADIAÇÃO
5.1 Escolhendo um Termômetro de Radiação
A primeira pergunta deveria ser se o termômetro de radiação é a melhor opção. Quase sempre, o
termômetro de contato será uma alternativa de melhor exatidão. As situações nas quais o
termômetro de radiação é adequado são:
quando se busca a temperatura superficial de um objeto;
quando o objeto estiver em movimento;
quando o ambiente for muito hostil para termômetros de contato, devido à vibração ou
corrosão;
onde a temperatura for muita elevada, especialmente acima de 1100ºC, em regime contínuo;
onde se necessitar de uma rápida resposta;
quando se necessitar uma medição à distância;
para medição de materiais que são maus condutores de energia (madeira, plástico etc);
equipamentos de alta tensão ou sujeitos a campos eletromagnéticos;
onde um termômetro de contato iria afetar o equilíbrio de temperatura ao redor do objeto.
Quando estiverem envolvidos um ou mais desses fatores o termômetro de radiação pode ser a
única opção.
Existem duas grandes categorias de termômetros de radiação: portáteis e fixos.
Os termômetros portáteis são aplicáveis nas áreas: automotiva/transporte, inspeções elétricas
diversas, segurança doméstica e economia de energia, HVAC/R (aquecimento, ventilação, ar
condicionado e refrigeração), atividades de manutenção das plantas fabris etc.
Os termômetros fixos são tradicionalmente usados nas indústrias de: cimento, vidro, gesso,
metalurgia e plástico.
Os aspectos a serem considerados na especificação de um termômetro são:
- Faixa de temperatura. O limite de erro de termômetros que operam em amplas faixas de
temperatura costuma ser maior que o de faixas estreitas.
- Limite de erro. Deve-se atentar para a forma como é expresso o limite de erro: % da faixa ou %
leitura. Deve-se considerar ainda os erros prováveis devidos a reflexão, incerteza da emissividade
da superfície e radiações espúrias. Se a probabilidade de erros for grande deve-se preferir os
termômetros de comprimentos de onda menores e alta qualidade. O ajuste digital da emissividade
também é a melhor opção.
- Comprimento de onda de operação. Os menores comprimentos de onda são os melhores.
Entretanto, há casos em que os maiores comprimentos de onda são mais vantajosos: se houver
muitas fontes de reflexão, poeira, fumaça ou chamas visíveis. Para uso na indústria de plástico ou
vidro, o termômetro deve operar na faixa espectral em que esses materiais são opacos.
- Campo de visão. O campo de visão é determinado pelo tamanho do alvo e a distância mais
conveniente para sua medição.
- Tempo de resposta. O tempo de resposta varia de 0,001 a 10 segundos.
- Tipo de leitura. A maioria dos fabricantes fornece opções de saída como: termopar, analógica,
digital, corrente ou tensão.
- Considerações sobre o ambiente. Se houver poeira ou vapor será necessária uma purga de ar;
se a temperatura ambiente for muita elevada será necessária uma jaqueta de proteção e
resfriamento. Outras opções podem ser à prova de explosão e proteções contra radiação.
- Aplicação/fabricante. Normalmente os fabricantes são a melhor ajuda para especificar
adequadamente um termômetro. Os grandes fabricantes especializam-se em atender certas
aplicações e possuem a experiência necessária para alertar sobre os principais problemas que
envolvem essas medições.
- Calibração. Deve-se pensar também em como o termômetro será calibrado. Se o número de
termômetros for pequeno convém enviar para um laboratório especializado. Alternativamente
existem fontes de corpo negro de custo relativamente baixo que podem ser adquiridas para
garantir a rastreabilidade
5.2 Manutenção
Os termômetros de radiação devem ser tratados como uma câmera fotográfica cara. As lentes
devem ser periodicamente limpas, de acordo com as instruções do fabricante.
5.3 Usando o Termômetro
Quando se usa um termômetro de radiação é interessante seguir uma lista de verificação para
minimizar os erros de medição:
- Emissividade. Conheça a emissividade da superfície. Gaste algum tempo antes da medição
estudando o manual do usuário do seu termômetro e amostras do seu material para ter uma boa
estimativa da emissividade.
- Reflexões. Verifique sistematicamente a existência de fontes de reflexão próximo à superfície que
vai ser medida (objetos brilhantes, luz solar, chamas, resistências, paredes de fornos e lâmpadas
incandescentes). Proteja o alvo ou o termômetro, conforme o caso.
- Ambiente. Evite levar o termômetro em áreas com muita poeira, altas temperaturas e umidade
excessiva. Se você não conseguir colocar a mão sobre o termômetro, ele está muito quente. Acima
de 70ºC é necessário um sistema de resfriamento.
- Absorção. O alvo deve ser “visível” ao termômetro. Certifique-se que não há janelas “opacas”,
fumaça, poeira ou névoa no campo de visão do instrumento.
- Campo de visão. O campo de visão do instrumento deve estar completamente preenchido e
preferivelmente sobre-preenchido da maneira mais uniforme possível.
- Segurança e exposição a fontes brilhantes. Nunca focalize o sol com um termômetro de radiação.
Além de danos ao instrumento podem ser causados danos permanentes ao olho humano.
6 OUTROS TERMÔMETROS DE RADIAÇÃO
6.1 Termômetros de Filamento
O termômetro de filamento foi o primeiro termômetro de banda espectral. Ele usa o olho do
observador para comparar a radiância da superfície contra uma radiância conhecida – um
filamento de tungstênio incandescente. A temperatura do filamento é ajustada até que tenha a
mesma radiância da superfície ao fundo e desaparece. A corrente através do filamento é o
indicador da temperatura da superfície.
O termômetro de filamento opera em comprimentos de onda muito curtos, cerca de 650 nm de
forma que as incertezas instrumentais, inclusive a dependência da emissividade, sejam
minimizadas. As maiores dificuldades estão relacionadas à habilidade e experiência do
observador.
A faixa de temperatura desse termômetro também é determinada pela sensibilidade do olho
humano. Inicia em 600ºC e estende-se a 1400ºC ou até 4000ºC, usando-se filtros para reduzir a
radiância a um nível confortável para os olhos.
6.2 Termômetros de Razão
Quando o alvo for muito pequeno e não preencher completamente o campo de visão do
instrumento, a temperatura indicada será influenciada por aquilo que estiver atrás do alvo,
causando erro. Além disso, a presença de fumaça, vapor d´água ou obstruções na trajetória da
radiação causarão uma redução da quantidade de radiação que atinge o termômetro e a indicação
de temperatura será menor que a temperatura real. O termômetro de razão apresenta-se como a
solução para esses problemas.
O termômetro de razão é um dispositivo de dois canais, por este motivo, também conhecido como
termômetro duas-cores. O sistema óptico concentra a energia em um detector de dois elementos.
A saída de cada detector é amplificada e dividida, fornecendo uma razão, que é proporcional à
temperatura. Se a energia for reduzida devido a obstruções ou preenchimento incompleto do
campo de visão, os dois detectores serão igualmente afetados e a razão permanecerá inalterada.
Figura 11: Termômetro de razão
Na prática, quando se usa um termômetro de razão, apenas uma pequena parte do campo de
visão precisa estar preenchida, tornando-o especialmente útil em ambientes muito sujos.
Em outras aplicações, principalmente de materiais muito reflexivos, a incerteza da emissividade
limita seriamente a utilização de termômetros de banda espectral. Isso se aplica particularmente às
indústrias em que a emissividade, além de baixa é extremamente variável. Nos termômetros de
razão, cada detector opera em um comprimento de onda diferente, havendo, portanto, dois valores
de emissividade a serem considerados.
Termômetro com um comprimento de onda
Saída = ε.F.Tt
Termômetro com dois comprimentos de onda
Razão =
Já vimos que um material cuja emissividade permanece constante em todos os comprimentos de
onda é conhecido como corpo cinzento (grey body). Na fórmula acima, se o termômetro de razão
estiver medindo um corpo cinzento, os dois valores de λ seriam idênticos, então, as duas
emissividades poderiam ser canceladas e a temperatura determinada sem envolver a
emissividade.
Na prática, a emissividade de um material muda com o comprimento de onda e, considerando-se
dois comprimentos de onda, a razão entre as emissividades é conhecida como valor de “nongreyness”.
Emissividad
e
Comprimento de onda
Figura 12: Valores de emissividade em dois comprimentos de onda
Uma vez que o termômetro de razão vê dois valores diferentes de emissividade, um canal do
detector tende a ver uma quantidade de energia maior que o outro, resultando em erro. O controle
de “non-greyness” no termômetro de razão pode ser ajustado para a razão entre as emissividades
nos dois comprimentos de onda ou valor de “non-greyness”. Esta operação é similar ao ajuste de
emissividade do termômetro de banda única. Se as emissividades do alvo mudarem igualmente,
não haverá erro na medição. Esses fatores devem ser cuidadosamente analisados.
6.3 Termômetros de Radiação Total
Os termômetros de radiação total medem a radiância total da superfície. Devido aos problemas de
absorção atmosférica obtém-se sua melhor exatidão somente quando estão muito próximos da
superfície de interesse.
É usado na faixa de 200 a 1300ºC com incertezas entre ±3 e 4%.
6.4 Termômetros para Plástico e Vidro
As indústrias de plástico e vidro apresentam alguns problemas interessantes para medição de
temperatura: os materiais são transparentes para a maioria dos termômetros de radiação.
Entretanto, em pequenas bandas de comprimento de onda tornam-se opacos e possuem
emissividade extremamente alta, tipicamente 0,97. Existem termômetros de radiação específicos
para essas aplicações.
6.5 Termômetros de Fibra Óptica
Em princípio, um termômetro de radiação pode ser construído explorando qualquer propriedade
óptica dependente da temperatura: transmitância, refletância, fluorescência, assim como radiância.
Todas já foram experimentadas nos termômetros de fibra óptica. Entretanto, sua principal atração
não é o princípio físico utilizado, mas sua capacidade de medir temperatura em situações
inacessíveis para outros termômetros.
Termômetros de fibra óptica são indicados em aplicações
que envolvem a interferência de fortes campos elétricos
ou magnéticos. Com esse termômetro é possível colocar
o sistema eletrônico, sensível a essas condições, fora da
zona de interferência. Aplicações típicas são aquecimento
induzido e soldagem.
A fibra óptica não contém componentes eletrônicos e a
temperatura do ambiente de operação pode ser bem mais
alta (200 a 300ºC), sem que haja necessidade de
resfriamento. Com isso, o custo de instalação e operação
por ponto de medição cai bastante. A fibra ótica pode ser
usada para medições a partir de 250ºC, nos
comprimentos de onda de 1µm e 1,6 µm.
Seu uso é crescente nas aplicações médicas nas quais o pequeno tamanho e a imunidade química
são importantes e em indústrias elétricas, devido à imunidade à interferência eletromagnética.
Outra vantagem sobre os termômetros convencionais é o confinamento da trajetória da
transmissão, que evita alguns dos erros já mencionados.
6.6 Termovisores
A termografia é o método de inspeção de equipamentos elétricos e mecânicos, obtendo-se
imagens de distribuição de calor (termogramas). Este método tem base no fato de que a maioria de
componentes em um sistema mostra um aumento na temperatura quando defeituoso. Este
aumento de temperatura pode ser devido a conexões frouxas, em um circuito elétrico ou um
mancal aquecido, no caso de equipamentos mecânicos. A observação do padrão de aquecimento
dos componentes do sistema permite a detecção e avaliação das falhas.
Os termovisores são sistemas de imagem dotados de recursos para a análise e medição de
distribuições térmicas. São compostos de uma câmera e um vídeo. A câmera encerra o receptor
óptico, o mecanismo de varredura vertical e horizontal, o detector e o resfriador do detector. A
unidade de vídeo contém o processador de sinal, monitor de vídeo e controle. As imagens são
comumente apresentadas em branco e preto, podendo ser convertidas em imagens coloridas pela
substituição da escala de cinza por uma escala de cores. O registro das imagens térmicas geradas
pode ser analógico, utilizando-se filme, fotografia e VHS ou digital, através de interfaces que
permitem o acoplamento dos sistemas com microcomputadores para posterior processamento da
informação.
Figura 13: Inspeção de um gerador; Inspeção em uma carcaça de mancal;
As principais aplicações da termografia incluem: subestações elétricas, painéis de baixa tensão,
motores, retificadores, cadeiras, refratários, fornos de cimento, rolamentos, mancais, trocadores de
calores etc. , enfim todas as áreas nas quais é possível a localização de componentes defeituosos
pelo aquecimento ou é grande o número de processos envolvendo vastas quantidades de calor e
problemas operacionais podem ser relacionados diretamente com as distribuições externas de
temperatura nos equipamentos.