Erros de medição na prática com medição de temperatura sem contacto

A medição da temperatura sem contacto, também conhecida como pirometria, é vista com ceticismo por muitos profissionais da medição da temperatura. Os dados técnicos dos fabricantes documentam que os pirómetros são dispositivos de medição muito exactos e precisos. Para além da seleção correta de um pirómetro adequado à aplicação, é particularmente importante ter em conta as propriedades do material e as influências ambientais no local.

Os erros de medição podem ser evitados através de uma utilização correta. As causas mais comuns de erros e as formas de os reduzir são explicadas abaixo.

Os pirómetros medem a radiação térmica emitida por um objeto. A radiação infravermelha emitida pelo objeto depende das propriedades do seu material e da sua superfície. Esta propriedade de radiação é descrita pela emissividade ε. A emissividade tem de ser definida no dispositivo para uma medição exacta da temperatura. Uma emissividade incorretamente definida pode causar erros consideráveis. A Figura 1 mostra o desvio da temperatura (ΔT) para três valores medidos, dependendo do comprimento de onda, se for definida uma emissividade de 80% no dispositivo em vez de uma emissividade de 90%. Este erro aumenta com comprimentos de onda de medição maiores ou com o aumento da temperatura. Por isso, deve ser selecionada a gama de comprimentos de onda mais curta possível que esteja disponível para a gama de medição pretendida.

Especialmente na medição de superfícies metálicas com emissividade desconhecida ou fortemente flutuante, o erro de medição é significativamente reduzido através da seleção de um comprimento de onda de medição mais curto. A emissividade dos metais aumenta com comprimentos de onda mais curtos. Ao mesmo tempo, a influência do erro é reduzida se a emissividade for incorretamente definida.

As condições óptimas aplicam-se quando o pirómetro tem um campo de visão claro do objeto. Se existirem meios como poeira, gases, fumo, vidros de proteção ou materiais opacos no percurso do feixe do pirómetro, estes causam uma redução na radiação de temperatura do objeto.

Se as perdas de transmissão forem conhecidas, por exemplo, quando se mede através de um vidro de proteção (τ=0,95), é possível medir a temperatura do objeto. Se as perdas de transmissão forem conhecidas, por exemplo, quando se mede através de um vidro de proteção (τ=0,95), podem ser compensadas ajustando a emissividade no dispositivo.

_εdevice= _εobject- _τbeampath

_εdevice = emissividade a definir no dispositivo
_εobject = emissividade do objeto
_τbeam path = transmitância dos objectos no percurso do feixe

É mais problemático se poeira, óleo ou materiais vaporizados se acumularem nas lentes ou janelas de proteção ao longo do tempo. O pirómetro mede então uma temperatura mais baixa com o aumento da sujidade. Por isso, é necessária uma limpeza regular das lentes. Os dispositivos de purga de ar prolongam o ciclo de limpeza. Recentemente, também se tornaram disponíveis no mercado pirómetros com um indicador de nível de contaminação integrado. É emitido um sinal de alarme quando a lente fica suja.

O fator decisivo para a temperatura do objeto indicado é a potência radiante_ΦΣ que atinge o detetor do pirómetro_.

De acordo com a seguinte fórmula, para além da componente de emissão do objeto medido, inclui-se uma componente de radiação de fundo constituída pela componente de reflexão e transmissão da radiação ambiente.

_ΦΣ = _Φε + _Φτ + _Φρ

ε = emissividade da superfície de medição
τ = transmitância do objeto de medição
ρ = reflectância da superfície de medição

A influência de erro da radiação de fundo é reduzida quanto maior for a emissividade do objeto e quanto maior for a temperatura do objeto em relação à temperatura ambiente. Esta influência é problemática, por exemplo, quando se utilizam pirómetros à saída de fornos contínuos. O erro de medição pode ser reduzido se o alinhamento da ótica impedir a reflexão da radiação de calor do forno na superfície do objeto a medir. As fontes de radiação na gama dos infravermelhos, tais como lâmpadas incandescentes, aquecedores radiantes ou lasers, provocam por vezes uma forte radiação infravermelha, que é subestimada na prática.

Existem dispositivos com filtros de bloqueio especialmente para aplicações de laser, para evitar a influência da radiação laser de alta energia na radiação infravermelha muito baixa.

Os erros de imagem na ótica, a luz dispersa e a reflexão dos componentes ópticos e das peças da caixa, bem como a difração devida à natureza ondulatória da luz, significam que uma parte da radiação detectada atinge o sensor fora do campo de medição especificado. A ótica recebe parte da radiação fora do campo de medição. Esta influência da ótica é conhecida como o "efeito do tamanho da fonte". Esta influência pode ser minimizada pelo fabricante através da correção cuidadosa dos erros de imagem ótica, utilizando componentes ópticos antirreflexo e evitando reflexos no dispositivo. As ópticas de alta qualidade reduzem os efeitos destes erros. O "efeito do tamanho da fonte" é mais pequeno no ponto focal da ótica. Nos pirómetros com ótica focável, este efeito pode, portanto, ser significativamente reduzido se a distância de medição for corretamente definida.

O erro ótico aumenta com o comprimento de onda por razões físicas. Por este motivo, é necessário um esforço ainda maior para a correção do erro ótico em dispositivos de medição de ondas longas e, por conseguinte, em dispositivos para gamas de medição baixas. Isto tem um efeito negativo nos pirómetros mais baratos que medem a partir da temperatura ambiente, na medida em que o valor medido apresentado depende muito da distância de medição selecionada.

Se o objeto for significativamente maior do que o ponto de medição do pirómetro e a área estiver quase ao mesmo nível de temperatura, este efeito pode ser quase negligenciado. Caso contrário, o erro pode ser reduzido através da utilização de um dispositivo com ótica focável e alinhamento exato com o objeto. Uma luz piloto, uma mira através da lente ou uma câmara de vídeo integrada são recomendadas para o alinhamento exato do pirómetro.

Com um pirómetro de razão, analisa-se a razão entre as densidades de radiação de duas gamas espectrais diferentes. Simplificada, a fórmula seguinte aplica-se à temperatura medida com os dois comprimentos de onda centrais _λ1 e _λ2.

1 ÷_TM = (1 ÷_TW) + ((_λ1- _λ2) ÷ (_C2 - (_λ1- _λ2))) -(ln _{ε1 ÷_ε2})

_TM = Emissividade da superfície de medição
_TW = Transmitância do objeto de medição
_C2 = Reflectância da superfície de medição

Se as emissividades _ε1 e _ε2 forem as mesmas para ambos os comprimentos de onda, a temperatura medida corresponde à temperatura do objeto. Um pirómetro de quociente mede, portanto, independentemente da emissividade da superfície, desde que as emissividades _ε1 e _ε2 sejam idênticas. Em teoria, os pirómetros de quociente são recomendados se a emissividade do objeto de medição flutuar. Na prática, porém, isto depende da respectiva aplicação e raramente se aplica. Devido à formação do rácio, o erro de medição de um pirómetro de rácio pode ser significativamente maior do que o de um pirómetro espetral, se as emissividades dos dois comprimentos de onda de medição flutuarem e diferirem. Os metais em particular, e especialmente os metais não ferrosos, apresentam uma alteração da emissividade dependente do comprimento de onda.

Por outro lado, as perdas de transmissão, tais como poeiras, vapores ou fumos, provocam frequentemente uma atenuação homogénea da intensidade da radiação. Em comparação com os pirómetros espectrais, o valor medido pelos pirómetros de rácio permanece constante nestas condições.

Os pirómetros de razão inovadores permitem a medição e o cálculo simultâneos da temperatura em ambos os comprimentos de onda espectrais e da temperatura de razão. Isto permite decidir, durante a colocação em funcionamento, se a medição com um pirómetro espetral ou com um pirómetro de razão fornece valores de medição mais reprodutíveis e precisos para toda a gama de medição.