Definição e influência da emissividade na medição da temperatura sem contacto

Na medição da temperatura sem contacto, a radiação infravermelha ou térmica emitida pelo objeto a medir é detectada por um pirómetro. O pirómetro calcula a temperatura a partir da radiação recebida, de acordo com a equação de radiação de Planck. O nível de radiação depende em grande parte da emissividade do objeto que está a ser medido. Mas o que significa realmente a emissividade e como afecta as medições práticas? Como é que a emissividade pode ser determinada e de que é que depende? Que erros podem ocorrer com uma emissividade incorretamente definida e como podem ser minimizados os erros de medição? Estas e outras questões são discutidas no artigo seguinte.

O nível de radiação infravermelha/calor depende não só da temperatura, mas também do próprio objeto de medição. A capacidade de um objeto de medição emitir a radiação de calor que absorveu (absorveu) é descrita pela emissividade. Um radiador ideal ou o chamado "radiador de corpo negro" emite toda a radiação que absorve. Um radiador real emite menos radiação do que um "radiador de corpo negro" à mesma temperatura. A emissividade ε é o rácio entre a radiação infravermelha de um objeto de medição real Φr e a radiação de um "radiador de corpo negro" Φs.

ε = Φr / Φs

A emissividade é, portanto, uma grandeza física adimensional entre 0 e 1 ou 0 e 100 %.

A radiação que atinge um objeto de medição a partir do ambiente é reflectida em maior ou menor grau, dependendo do grau de reflexão do objeto de medição. A radiação térmica segue as mesmas leis de radiação que a luz visível. No caso de objectos transparentes (vidro, folhas), a radiação térmica também pode vir do interior do objeto de medição e do fundo. A transmitância indica a percentagem de radiação que passa através de um objeto. A radiação total ΦΣ detectada por um pirómetro é composta da seguinte forma.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = Emissividade
ρ = Refletividade
τ = Transmitância
ΦO = Radiação do objeto
ΦU = Radiação ambiente
ΦH = Radiação de fundo

Os coeficientes de radiação estão ligados através da fórmula:

1 = ε + ρ + τ

A componente de transmissão é omitida para objectos não transparentes.

1 = ε + ρ

A emissividade de um objeto de medição depende em grande medida do material ou da superfície do material. Os objectos não metálicos e não transparentes são normalmente bons emissores de calor com uma emissividade de > 80 %. No caso dos metais, a emissividade pode variar entre 5 e 90 %. Quanto mais brilhante for um metal, menor será a sua emissividade.

Além disso, a emissividade pode variar consoante o comprimento de onda. Esta propriedade é particularmente acentuada nos metais. A potência radiante dos metais aumenta à medida que o comprimento de onda se torna mais curto. Ao selecionar um pirómetro, recomenda-se, portanto, um pirómetro de medição de ondas curtas.

Os objectos transparentes, como o vidro, o plástico ou os gases, têm gamas específicas de comprimentos de onda em que apresentam boas propriedades de radiação. Para medir a temperatura destes materiais, devem ser selecionados pirómetros com sensores especiais e filtros sensíveis a este comprimento de onda.

O comportamento de radiação dos metais e do vidro também se altera em função da temperatura. A oxidação da superfície dos metais e a passagem do estado sólido ao estado líquido provocam uma alteração considerável da emissividade.

A emissividade dos metais aumenta com o aumento da temperatura. No caso do vidro, a profundidade de visão do pirómetro aumenta com a temperatura e, consequentemente, a proporção de radiação proveniente da zona interior.

Na prática, pode ocorrer radiação externa do ambiente. Um exemplo clássico é a medição de uma folha de metal fria dentro de um forno de aquecimento quente. Para além da radiação do objeto, o pirómetro também detecta a radiação da parede do forno reflectida na chapa. Quanto mais a temperatura do objeto se aproximar da temperatura do forno, menor será o erro de medição.

Para medir a temperatura real do objeto, são utilizados tubos de observação arrefecidos a água. Estes são utilizados para sombrear a radiação de interferência das paredes do forno. O diâmetro do tubo deve ser, pelo menos, 6 vezes a distância de medição do objeto, de modo a criar uma sombra suficientemente grande.

A informação sobre a emissividade de várias substâncias pode ser encontrada na literatura ou nas instruções de funcionamento. No entanto, estas informações devem ser tratadas com precaução. É importante saber para que comprimento de onda e temperatura o valor especificado é válido. Além disso, estes são valores que se aplicam em condições de medição ideais.

Em condições reais, a radiação detectada pelo pirómetro pode também resultar da radiação ambiente reflectida ou transmitida pelo objeto. Se o pirómetro fosse ajustado para o valor ideal da literatura, indicaria uma temperatura demasiado elevada.

Para indicar a temperatura correta, a emissividade no pirómetro deve ser ajustada para um valor mais elevado. Isto é conhecido como aumentar artificialmente a emissividade. A emissividade real a ser definida pode ser determinada por uma medição comparativa com um termómetro de contacto. Naturalmente, o erro de medição depende também da precisão da medição por contacto.

Em alternativa, pode ser colado um autocolante com uma emissividade definida no objeto medido a temperaturas até aprox. 250 °C.

Em primeiro lugar, determina-se a temperatura real no autocolante (Fig. 2). Em seguida, é efectuada uma medição de comparação diretamente ao lado do autocolante e a emissividade é ajustada no pirómetro, de modo a que o valor medido anteriormente seja novamente apresentado. Uma vez que a influência da emissividade aumenta com a temperatura, esta medição de comparação deve ser efectuada a temperaturas mais elevadas.

No caso de temperaturas elevadas do objeto ou de objectos de medição inacessíveis, por exemplo, num forno de vácuo, recomenda-se uma medição de comparação com um pirómetro de ondas muito curtas, uma vez que, por razões físicas, o erro de medição diminui com um comprimento de onda de medição mais curto.

Um pirómetro de comparação de intensidade é ideal para este fim (Fig. 3). O princípio de medição destes aparelhos baseia-se numa comparação ótica de cores com um comprimento de onda de 0,67 μm. Além disso, o princípio de medição funciona independentemente do tamanho do objeto a medir.

Os efeitos de alterações na emissividade ou de ajustes incorrectos do pirómetro são mostrados no diagrama da Figura 4.

Há alguns anos, surgiram no mercado pirómetros que medem simultaneamente a radiação em dois comprimentos de onda. O quociente destas duas radiações é proporcional à temperatura. Se a radiação recebida pelos dois canais de medição se alterar devido a uma alteração da emissividade, o quociente e, por conseguinte, a temperatura permanecem constantes. No entanto, isto só se aplica se a alteração da emissividade for idêntica para ambos os canais. Na prática, uma alteração nos metais não é constante. Os pirómetros de quociente podem, então, produzir erros de medição consideravelmente maiores do que os pirómetros de canal único. Por isso, advertimos contra a medição "independente da emissividade" frequentemente citada com pirómetros de razão.

Um pirómetro de razão tem vantagens metrológicas se, por exemplo, a energia radiante de ambos os canais for enfraquecida na mesma medida por visores sujos ou pó no campo de visão. A temperatura continua a ser indicada corretamente.

Em condições de medição críticas, recomenda-se que os dois valores de temperatura espetral e a temperatura do quociente sejam analisados em paralelo. Dependendo do resultado, o pirómetro pode ser ajustado para o melhor método de medição.

Ao selecionar um pirómetro, é dada grande atenção à incerteza de medição especificada na brochura. No entanto, na medição de temperatura sem contacto, o erro de medição que ocorre depende essencialmente das propriedades metrológicas do objeto de medição e das condições ambientais. O erro de medição específico do dispositivo tem apenas um efeito menor. Por conseguinte, as correlações acima descritas devem ser tidas em conta tanto na seleção do pirómetro como na determinação do ponto de medição.