A medição da temperatura pode ser dividida em duas categorias: com contato e sem contato. Na prática, os termopares e os sensores Pt 100 são os representantes mais utilizados do primeiro grupo. Eles precisam entrar em contato com o objeto a ser medido e, em princípio, medem sua própria temperatura, que é semelhante à do objeto. Isso resulta em uma resposta relativamente lenta. Os sensores sem contato medem a energia infravermelha (IR) irradiada por um objeto, possuem tempos de resposta rápidos e são frequentemente usados para medir objetos em movimento, bem como objetos que estão em vácuo ou são inacessíveis por outros motivos.
Termômetros infravermelhos ou pirometros são sensores altamente desenvolvidos que têm sido amplamente utilizados na pesquisa e na indústria. Este artigo descreve de forma compreensível a teoria na qual se baseia este princípio de medição e como essa teoria pode ajudar a lidar com os diversos parâmetros específicos da aplicação que os usuários potenciais enfrentam.
Noções básicas de medição de temperatura por infravermelhos
Introdução
Abb. 1 Espectro eletromagnético
Teoria e princípios básicos
A radiação infravermelha foi descoberta por Sir Isaac Newton em 1666, quando fez passar a luz solar por um prisma e a separou nas cores do arco-íris. Em 1880, Sir William Herschel deu o passo seguinte, determinando a energia relativa de cada uma das cores. Descobriu também a energia para além do espetro visível. No início do século XX, Planck, Stefan, Boltzmann, Wien e Kirchhoff definiram ainda mais as actividades do espetro eletromagnético e estabeleceram dados quantitativos e equações para descrever a energia infravermelha.
Os termómetros de infravermelhos medem a temperatura através da medição da radiação infravermelha emitida por todos os materiais e objectos com uma temperatura superior ao zero absoluto (0° Kelvin). Na conceção mais simples, uma lente foca a energia IV no detetor, que converte a energia num sinal elétrico. Depois de compensar a temperatura ambiente, este sinal pode então ser visualizado. Esta configuração permite que a temperatura seja medida a uma certa distância e sem contacto com o objeto a medir. Isto torna o termómetro de infravermelhos adequado para tarefas de medição em que os termopares ou outros sensores não podem ser utilizados ou fornecem resultados imprecisos. Alguns exemplos típicos são a medição de objectos em movimento ou muito pequenos, peças sob tensão ou produtos químicos agressivos, medições em campos electromagnéticos fortes, medições de objectos no vácuo ou noutros ambientes fechados e aplicações em que é necessário um tempo de resposta rápido.
Os primeiros projectos de termómetros de infravermelhos existem desde o século XIX. Alguns conceitos foram introduzidos por Charles A. Darling no seu livro "Pyrometry", publicado em 1911.
Foi necessário esperar até 1930 para que a tecnologia estivesse disponível para pôr estes conceitos em prática. Desde então, estes instrumentos têm sido objeto de um desenvolvimento contínuo, durante o qual se adquiriu um vasto conhecimento e experiência de aplicação. Atualmente, este conceito estabeleceu-se como um método de medição padrão e é utilizado na indústria e na investigação.
Os termómetros de infravermelhos medem a temperatura através da medição da radiação infravermelha emitida por todos os materiais e objectos com uma temperatura superior ao zero absoluto (0° Kelvin). Na conceção mais simples, uma lente foca a energia IV no detetor, que converte a energia num sinal elétrico. Depois de compensar a temperatura ambiente, este sinal pode então ser visualizado. Esta configuração permite que a temperatura seja medida a uma certa distância e sem contacto com o objeto a medir. Isto torna o termómetro de infravermelhos adequado para tarefas de medição em que os termopares ou outros sensores não podem ser utilizados ou fornecem resultados imprecisos. Alguns exemplos típicos são a medição de objectos em movimento ou muito pequenos, peças sob tensão ou produtos químicos agressivos, medições em campos electromagnéticos fortes, medições de objectos no vácuo ou noutros ambientes fechados e aplicações em que é necessário um tempo de resposta rápido.
Os primeiros projectos de termómetros de infravermelhos existem desde o século XIX. Alguns conceitos foram introduzidos por Charles A. Darling no seu livro "Pyrometry", publicado em 1911.
Foi necessário esperar até 1930 para que a tecnologia estivesse disponível para pôr estes conceitos em prática. Desde então, estes instrumentos têm sido objeto de um desenvolvimento contínuo, durante o qual se adquiriu um vasto conhecimento e experiência de aplicação. Atualmente, este conceito estabeleceu-se como um método de medição padrão e é utilizado na indústria e na investigação.
Princípio de medição
Como já foi referido, todos os corpos com uma temperatura superior a 0°K emitem energia infravermelha. A radiação infravermelha é a parte do espetro eletromagnético que se situa entre a luz visível e as ondas de rádio. O comprimento de onda da radiação infravermelha varia entre 0,7 µm e 1000 µm, como mostra a Figura 1. Na prática, porém, apenas os comprimentos de onda de 0,7 a 20 µm desta gama de frequências são adequados para a medição da temperatura. Atualmente, não existem detectores suficientemente sensíveis para medir as pequenas quantidades de energia que são emitidas acima de um comprimento de onda de 20 µm. A energia aumenta em proporção à quarta potência da temperatura.
A curva (Figura 2) representa a energia emitida por um corpo negro numa gama de temperaturas de 700 K a 1300 K. Como se pode ver, a maior parte da energia está para além da gama visível A radiação IV não é percetível ao olho humano, mas é útil pensar nesta radiação como luz visível para compreender o princípio de funcionamento e as questões que surgem nas aplicações.
Em muitos aspectos, a radiação IV comporta-se efetivamente como a luz visível. A radiação IV viaja em linha reta para longe da fonte de radiação e pode ser reflectida ou absorvida por objectos no percurso do feixe. Na maioria dos objectos que não são transparentes ao olho humano, a radiação IV é parcialmente reflectida e parcialmente absorvida pelo objeto. Parte da energia absorvida é reflectida internamente e outra parte é emitida novamente. Isto também se aplica a objectos que são transparentes ao olho humano, como o vidro, gases e películas finas de plástico transparente. Além disso, no entanto, alguma da radiação também penetra através do objeto. A figura 3 ilustra estes processos. No seu conjunto, estes processos contribuem para aquilo a que chamamos o fator de emissão de um objeto ou material.
A curva (Figura 2) representa a energia emitida por um corpo negro numa gama de temperaturas de 700 K a 1300 K. Como se pode ver, a maior parte da energia está para além da gama visível A radiação IV não é percetível ao olho humano, mas é útil pensar nesta radiação como luz visível para compreender o princípio de funcionamento e as questões que surgem nas aplicações.
Em muitos aspectos, a radiação IV comporta-se efetivamente como a luz visível. A radiação IV viaja em linha reta para longe da fonte de radiação e pode ser reflectida ou absorvida por objectos no percurso do feixe. Na maioria dos objectos que não são transparentes ao olho humano, a radiação IV é parcialmente reflectida e parcialmente absorvida pelo objeto. Parte da energia absorvida é reflectida internamente e outra parte é emitida novamente. Isto também se aplica a objectos que são transparentes ao olho humano, como o vidro, gases e películas finas de plástico transparente. Além disso, no entanto, alguma da radiação também penetra através do objeto. A figura 3 ilustra estes processos. No seu conjunto, estes processos contribuem para aquilo a que chamamos o fator de emissão de um objeto ou material.
Abb. 2 Propriedades de radiação dos corpos negros
Abb. 3 Troca de calor e radiação
Tal como acontece com a luz visível, quanto mais polida for uma superfície, mais energia reflecte. Assim, o acabamento da superfície também influencia o fator de emissão. Ao medir a temperatura, isto é particularmente importante para objectos que são impermeáveis ao IR e têm um baixo fator de emissão. Um objeto feito de aço inoxidável polido tem um fator de emissão significativamente mais baixo do que o mesmo objeto com uma superfície rugosa. Após a maquinagem, por exemplo, após o torneamento, o objeto rugoso tem muitas pequenas ranhuras e irregularidades que reduzem significativamente a refletividade da peça de trabalho.
A lei da conservação da energia estabelece que a soma dos coeficientes da energia IV transmitida, reflectida e emitida (absorvida) deve ser igual a 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Além disso, o fator de emissão é igual ao fator de absorção:
ελ = αλ
aplica-se o seguinte:
ελ = 1 - σλ+ τλ
A lei da conservação da energia estabelece que a soma dos coeficientes da energia IV transmitida, reflectida e emitida (absorvida) deve ser igual a 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Além disso, o fator de emissão é igual ao fator de absorção:
ελ = αλ
aplica-se o seguinte:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Abb. 4 Comparação entre corpo negro, corpo cinzento e focos de luz coloridos
O coeficiente pode ser utilizado na equação de Planck como uma variável que descreve as propriedades de uma superfície relativamente ao comprimento de onda. Para objectos opacos, a equação pode ser simplificada da seguinte forma:
ελ = 1 - σλ
Os objectos que não reflectem nem transmitem radiação infravermelha são designados por corpos negros. Não se conhece um corpo negro natural. Para fins teóricos e para o cálculo de outros objectos, um corpo negro tem um fator de emissão de 1,0. Na prática, a melhor aproximação de um verdadeiro corpo negro é obtida utilizando uma esfera impermeável ao infravermelho com uma pequena abertura de entrada cilíndrica. A superfície interna de um tal objeto tem um fator de emissão de 0,998.
O fator de emissão é uma medida da razão entre a radiação térmica emitida por um corpo cinzento e por um corpo negro à mesma temperatura. Um corpo cinzento é um objeto que tem o mesmo fator de emissão em todos os comprimentos de onda e emite menos radiação infravermelha do que um corpo negro. Um radiador Bund é um objeto cujo fator de emissão varia com o comprimento de onda, como é o caso dos metais, por exemplo.
ελ = 1 - σλ
Os objectos que não reflectem nem transmitem radiação infravermelha são designados por corpos negros. Não se conhece um corpo negro natural. Para fins teóricos e para o cálculo de outros objectos, um corpo negro tem um fator de emissão de 1,0. Na prática, a melhor aproximação de um verdadeiro corpo negro é obtida utilizando uma esfera impermeável ao infravermelho com uma pequena abertura de entrada cilíndrica. A superfície interna de um tal objeto tem um fator de emissão de 0,998.
O fator de emissão é uma medida da razão entre a radiação térmica emitida por um corpo cinzento e por um corpo negro à mesma temperatura. Um corpo cinzento é um objeto que tem o mesmo fator de emissão em todos os comprimentos de onda e emite menos radiação infravermelha do que um corpo negro. Um radiador Bund é um objeto cujo fator de emissão varia com o comprimento de onda, como é o caso dos metais, por exemplo.
Diferentes materiais têm também diferentes factores de emissão e, por conseguinte, emitem radiação IV com uma intensidade diferente a uma dada temperatura. Isto não é geralmente uma função da cor, a menos que o material da tinta seja claramente diferente do material do objeto. Um exemplo de um caso em que isto é verdade é a tinta de efeito metálico, que contém grandes quantidades de partículas de alumínio. A maioria das tintas tem o mesmo fator de emissão, independentemente da tonalidade da cor. O alumínio, por outro lado, tem um fator de emissão muito diferente, resultando num fator de emissão diferente para a tinta de efeito metálico.
Para além da composição e da estrutura da superfície de um objeto, um terceiro fator tem um efeito indireto no fator de emissão: a gama espetral do sensor. Não tem influência direta no objeto, mas na forma como o sensor percepciona o espetro emitido pelo objeto.
Os materiais que são parcialmente transparentes, como o vidro, os plásticos ou o silicone, podem ser medidos numa gama em conjunto com os filtros selectivos correspondentes.
Para além da composição e da estrutura da superfície de um objeto, um terceiro fator tem um efeito indireto no fator de emissão: a gama espetral do sensor. Não tem influência direta no objeto, mas na forma como o sensor percepciona o espetro emitido pelo objeto.
Os materiais que são parcialmente transparentes, como o vidro, os plásticos ou o silicone, podem ser medidos numa gama em conjunto com os filtros selectivos correspondentes.
Abb. 5 Fator de emissão de diferentes materiais em função dos comprimentos de onda
Ficou claro nos parágrafos anteriores que o fator de emissão é um parâmetro particularmente importante na medição da temperatura por infravermelhos. Enquanto o fator de emissão do objeto medido não for conhecido com precisão e não for tido em conta na medição, é muito pouco provável que os valores medidos obtidos sejam exactos. Existem essencialmente duas formas de determinar o fator de emissão. O fator de emissão pode ser retirado de tabelas ou determinado por uma medição comparativa. No entanto, como os dados das tabelas são geralmente determinados em condições laboratoriais idealizadas, não são tidas em conta as influências ambientais, que causam um enorme desvio, especialmente em factores baixos. As tabelas também não especificam a temperatura de medição e o comprimento de onda de medição subjacentes. Como primeira aproximação, o valor da tabela é certamente muito útil. Para a medição comparativa, o objeto de medição é medido com um termopar ou outro sensor de temperatura, a fim de definir subsequentemente o fator de emissão no termómetro de infravermelhos, de modo a que este apresente a mesma temperatura. Como regra geral, a maioria dos materiais opacos e não metálicos tem um fator de emissão elevado e relativamente estável de 0,85 a 0,95. Para a maioria dos materiais metálicos não oxidados, o fator de emissão situa-se entre 0,2 e 0,5, com exceção do ouro, da prata e do alumínio, que têm um fator de emissão ainda mais baixo. A temperatura destes metais é, por conseguinte, difícil de medir com termómetros de infravermelhos, uma vez que a componente de reflexão da radiação ambiente é da mesma ordem de grandeza ou superior à da radiação do objeto.
Embora seja quase sempre possível determinar o fator de emissão do material, surgem problemas quando o material não tem um fator de emissão constante, mas varia com a temperatura. Isto aplica-se à maioria dos metais, mas também a alguns outros materiais, tais como o silício ou cerâmicas monocristalinas de elevada pureza. Neste caso, a medição comparativa e o ajuste devem ser efectuados à temperatura crítica para o processo.
As equações e fórmulas em que se baseia a medição da temperatura são conhecidas e comprovadas há já algum tempo. É pouco provável que o utilizador necessite de utilizar as fórmulas no seu trabalho diário com termómetros de infravermelhos. No entanto, o conhecimento destes princípios permite uma melhor compreensão da forma como determinadas variáveis e parâmetros se influenciam mutuamente. As fórmulas mais importantes resumidas são:
1. Lei da radiação de Kirchhoff
A uma dada temperatura T e comprimento de onda l, a emissividade e é igual à absortividade
e = α
Daqui resulta que o fluxo radiante øλ de um objeto real é igual ao do corpo negro øs à mesma temperatura multiplicado pela emissividade do objeto
øλ = ε * øs
2. Lei de Stefan-Boltzmann
Quanto maior for a temperatura T de um objeto, maior será a potência radiante P emitida para uma dada emissividade ε e superfície radiante A (k = constante)
P = k*ε*A*T4
3. Lei da deslocação de Wien
O comprimento de onda em que se situa o máximo da radiação energética desloca-se para a gama de ondas curtas com o aumento da temperatura.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Equação de Planck
Esta equação descreve a relação entre o comprimento de onda, a temperatura T e a potência radiante
Embora seja quase sempre possível determinar o fator de emissão do material, surgem problemas quando o material não tem um fator de emissão constante, mas varia com a temperatura. Isto aplica-se à maioria dos metais, mas também a alguns outros materiais, tais como o silício ou cerâmicas monocristalinas de elevada pureza. Neste caso, a medição comparativa e o ajuste devem ser efectuados à temperatura crítica para o processo.
As equações e fórmulas em que se baseia a medição da temperatura são conhecidas e comprovadas há já algum tempo. É pouco provável que o utilizador necessite de utilizar as fórmulas no seu trabalho diário com termómetros de infravermelhos. No entanto, o conhecimento destes princípios permite uma melhor compreensão da forma como determinadas variáveis e parâmetros se influenciam mutuamente. As fórmulas mais importantes resumidas são:
1. Lei da radiação de Kirchhoff
A uma dada temperatura T e comprimento de onda l, a emissividade e é igual à absortividade
e = α
Daqui resulta que o fluxo radiante øλ de um objeto real é igual ao do corpo negro øs à mesma temperatura multiplicado pela emissividade do objeto
øλ = ε * øs
2. Lei de Stefan-Boltzmann
Quanto maior for a temperatura T de um objeto, maior será a potência radiante P emitida para uma dada emissividade ε e superfície radiante A (k = constante)
P = k*ε*A*T4
3. Lei da deslocação de Wien
O comprimento de onda em que se situa o máximo da radiação energética desloca-se para a gama de ondas curtas com o aumento da temperatura.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Equação de Planck
Esta equação descreve a relação entre o comprimento de onda, a temperatura T e a potência radiante
Conceção dos termómetros de infravermelhos
Um termómetro de infravermelhos é constituído basicamente pelos seguintes blocos funcionais:
1. Uma lente que foca a energia emitida pelo objeto.
2. Um detetor que converte a energia radiante num sinal elétrico.
3. Um ajuste do fator de emissão para adequar o termómetro às propriedades do objeto a medir.
4Uma compensação da temperatura ambiente que evita que a temperatura do termómetro seja incluída no sinal de saída.
Durante muitos anos, a maioria dos termómetros de IV disponíveis no mercado seguiu este conceito. As suas aplicações eram limitadas e, em retrospetiva, não forneciam resultados de medição satisfatórios. No entanto, de acordo com os padrões da época, eram perfeitamente adequados e muito robustos.
1. Uma lente que foca a energia emitida pelo objeto.
2. Um detetor que converte a energia radiante num sinal elétrico.
3. Um ajuste do fator de emissão para adequar o termómetro às propriedades do objeto a medir.
4Uma compensação da temperatura ambiente que evita que a temperatura do termómetro seja incluída no sinal de saída.
Durante muitos anos, a maioria dos termómetros de IV disponíveis no mercado seguiu este conceito. As suas aplicações eram limitadas e, em retrospetiva, não forneciam resultados de medição satisfatórios. No entanto, de acordo com os padrões da época, eram perfeitamente adequados e muito robustos.
Abb. 6 Diagrama de blocos de um termómetro IR
Os termómetros de IV modernos baseiam-se neste conceito básico, mas foram significativamente aperfeiçoados ao longo do tempo. As diferenças mais importantes são a utilização de uma variedade de tipos de detectores diferentes, a filtragem selectiva do sinal de IV, a linearização e amplificação do sinal do detetor e os sinais de saída de temperatura normalizados, tais como 4-20 mA ou 0-10 V CC. A figura 6 mostra um diagrama de blocos de um pirómetro de infravermelhos moderno.
Provavelmente, o avanço mais significativo na medição da temperatura por IV foi conseguido com a introdução de filtros selectivos para a radiação IV. Isto tornou possível a utilização de detectores mais sensíveis e de amplificadores de sinal mais estáveis. Enquanto os primeiros termómetros de IV dependiam de um amplo espetro de IV para obter um sinal de saída do detetor utilizável, uma largura de banda de 1 μm ou mais é completamente suficiente para os detectores modernos. A necessidade de estreitar o espetro e de selecionar determinados comprimentos de onda resulta do facto de as medições terem frequentemente de ser efectuadas através de um meio cuja temperatura não deve ser incluída na medição devido ao teor de carbono ou hidrogénio. Além disso, é por vezes necessário medir a temperatura de objectos ou gases que são permeáveis numa vasta gama do espetro de IV. Alguns exemplos de limitação selectiva do espetro são:
- 8 - 14 μm: As influências da humidade do ar também são excluídas em distâncias maiores.
- 7,9 μm: Permite a medição de películas de plástico finas que são permeáveis ao IV em amplas gamas.
- 3,86 μm: A interferência com CO2 e vapor de água em chamas e gases de escape de combustão é eficazmente suprimida.
Provavelmente, o avanço mais significativo na medição da temperatura por IV foi conseguido com a introdução de filtros selectivos para a radiação IV. Isto tornou possível a utilização de detectores mais sensíveis e de amplificadores de sinal mais estáveis. Enquanto os primeiros termómetros de IV dependiam de um amplo espetro de IV para obter um sinal de saída do detetor utilizável, uma largura de banda de 1 μm ou mais é completamente suficiente para os detectores modernos. A necessidade de estreitar o espetro e de selecionar determinados comprimentos de onda resulta do facto de as medições terem frequentemente de ser efectuadas através de um meio cuja temperatura não deve ser incluída na medição devido ao teor de carbono ou hidrogénio. Além disso, é por vezes necessário medir a temperatura de objectos ou gases que são permeáveis numa vasta gama do espetro de IV. Alguns exemplos de limitação selectiva do espetro são:
- 8 - 14 μm: As influências da humidade do ar também são excluídas em distâncias maiores.
- 7,9 μm: Permite a medição de películas de plástico finas que são permeáveis ao IV em amplas gamas.
- 3,86 μm: A interferência com CO2 e vapor de água em chamas e gases de escape de combustão é eficazmente suprimida.
A gama de temperaturas desempenha um papel importante na seleção do comprimento de onda mais adequado para a medição. A equação de Planck mostra, como indicado na figura 2 para um corpo negro, que o máximo da curva de radiação se desloca para a gama de ondas curtas com o aumento da temperatura. Mesmo em aplicações em que não é necessária uma escolha selectiva de uma gama espetral, pode ser vantajoso restringir a gama espetral a uma secção tão estreita quanto possível de ondas curtas. Uma vantagem é que o fator de emissão efetivo de muitos objectos é mais elevado para metais com comprimentos de onda mais curtos. Além disso, esta limitação tem um efeito favorável na precisão, uma vez que os sensores com uma gama espetral estreita são menos influenciados por alterações no fator de emissão do objeto medido, como se pode ver na Figura 7.
Abb. 7 Abhängigkeit des fehlingestellten Emissionsgrades bei unterschiedlichen Wellenlängen
Conceção construtiva
Os termómetros de infravermelhos são fabricados numa variedade de configurações que diferem em termos de ótica, eletrónica, tecnologia, tamanho e caixa. O que é comum, no entanto, é a cadeia de processamento do sinal, que começa com um sinal IR e termina com um sinal de saída eletrónico. Esta cadeia geral de medição começa com um sistema ótico constituído por lentes e/ou fibras ópticas, filtros e o detetor.
Do ponto de vista da aplicação, o campo de visão é a caraterística essencial da ótica, ou seja, a dimensão do ponto de medição a uma determinada distância. O rácio entre a distância de medição e o diâmetro do ponto de medição é descrito pelo rácio de distância. Na prática, é possível escolher entre pirómetros com distância focal fixa e ópticas focáveis. Os aparelhos com ótica fixa focam apenas o objeto no ponto focal. Noutras distâncias de medição, o diâmetro do ponto de medição aumenta de forma desproporcionada em relação ao rácio de distância calculado. Estas ópticas são principalmente adequadas para objectos grandes. A utilização de ópticas focáveis é recomendada para objectos pequenos ou distâncias de medição maiores. Devido à possibilidade de ajuste da distância de medição, os pirómetros com ótica focável podem ser utilizados de forma muito mais flexível.
Ao especificar e comparar o diâmetro do ponto de medição, é importante saber a que percentagem da potência radiante se refere a especificação. Por exemplo, um ponto de medição baseado em 98 % da energia é duas vezes maior do que um diâmetro baseado em 90 % da potência. Isto pode levar a erros de medição consideráveis, especialmente com alvos pequenos do mesmo tamanho que o ponto de medição do pirómetro.
Outro aspeto da ótica é a mira do alvo. Nos dispositivos sem mira, a lente é fixada à superfície e mede a temperatura da superfície. Isto aplica-se sobretudo a sensores estacionários que estão alinhados com objectos suficientemente grandes e onde não é necessária uma medição precisa. Para objectos mais pequenos ou instrumentos que medem a distâncias maiores, é indispensável um dispositivo de observação sob a forma de uma ótica através da lente, um ponto de luz ou um raio laser.
A sensibilidade do pirómetro é determinada pela utilização de vários detectores e filtros diferentes. Como se pode ver na figura 8, os detectores de sulfureto de chumbo oferecem a sensibilidade mais elevada e as termopilhas a mais baixa. A maioria dos detectores funciona de acordo com o princípio fotoelétrico (a radiação infravermelha incidente provoca um sinal de tensão) ou baseia-se na fotocondutividade (a radiação infravermelha incidente altera a resistência).
Devido à baixa energia de radiação, são necessárias gamas espectrais de banda larga a baixas temperaturas e, por conseguinte, comprimentos de onda de medição mais longos. A temperaturas mais elevadas, a sensibilidade é grandemente reduzida por filtros de banda estreita. Isto minimiza as interferências dependentes do comprimento de onda.
Do ponto de vista da aplicação, o campo de visão é a caraterística essencial da ótica, ou seja, a dimensão do ponto de medição a uma determinada distância. O rácio entre a distância de medição e o diâmetro do ponto de medição é descrito pelo rácio de distância. Na prática, é possível escolher entre pirómetros com distância focal fixa e ópticas focáveis. Os aparelhos com ótica fixa focam apenas o objeto no ponto focal. Noutras distâncias de medição, o diâmetro do ponto de medição aumenta de forma desproporcionada em relação ao rácio de distância calculado. Estas ópticas são principalmente adequadas para objectos grandes. A utilização de ópticas focáveis é recomendada para objectos pequenos ou distâncias de medição maiores. Devido à possibilidade de ajuste da distância de medição, os pirómetros com ótica focável podem ser utilizados de forma muito mais flexível.
Ao especificar e comparar o diâmetro do ponto de medição, é importante saber a que percentagem da potência radiante se refere a especificação. Por exemplo, um ponto de medição baseado em 98 % da energia é duas vezes maior do que um diâmetro baseado em 90 % da potência. Isto pode levar a erros de medição consideráveis, especialmente com alvos pequenos do mesmo tamanho que o ponto de medição do pirómetro.
Outro aspeto da ótica é a mira do alvo. Nos dispositivos sem mira, a lente é fixada à superfície e mede a temperatura da superfície. Isto aplica-se sobretudo a sensores estacionários que estão alinhados com objectos suficientemente grandes e onde não é necessária uma medição precisa. Para objectos mais pequenos ou instrumentos que medem a distâncias maiores, é indispensável um dispositivo de observação sob a forma de uma ótica através da lente, um ponto de luz ou um raio laser.
A sensibilidade do pirómetro é determinada pela utilização de vários detectores e filtros diferentes. Como se pode ver na figura 8, os detectores de sulfureto de chumbo oferecem a sensibilidade mais elevada e as termopilhas a mais baixa. A maioria dos detectores funciona de acordo com o princípio fotoelétrico (a radiação infravermelha incidente provoca um sinal de tensão) ou baseia-se na fotocondutividade (a radiação infravermelha incidente altera a resistência).
Devido à baixa energia de radiação, são necessárias gamas espectrais de banda larga a baixas temperaturas e, por conseguinte, comprimentos de onda de medição mais longos. A temperaturas mais elevadas, a sensibilidade é grandemente reduzida por filtros de banda estreita. Isto minimiza as interferências dependentes do comprimento de onda.
Para otimizar o comportamento de resposta dos sistemas de sensores de IV, a curva espetral do detetor e as suas caraterísticas devem ser tidas em conta.
A eletrónica do termómetro de IV lineariza o sinal de saída do detetor de modo a gerar uma corrente linear 0 (4) - 20 mA ou um sinal de tensão 0(2)-10 V. Atualmente, a linearização é muitas vezes efectuada por software, utilizando um microprocessador.
Isto permite obter uma maior precisão com intervalos de medição maiores, em comparação com a linearização analógica.
O sinal pode também ser digitalizado e enviado para uma interface ou alimentado a um controlador, indicador ou registador. Dependendo da configuração, os termómetros de infravermelhos têm funções adicionais tais como alarmes, memória ajustável min/max para medições intermitentes, intervalos de medição ajustáveis e tempos de resposta, bem como funções de amostragem e retenção.
Como mencionado no início, a vantagem da medição de temperatura sem contacto é o curto tempo de resposta. Os detectores termoeléctricos para dispositivos de baixa temperatura atingem tempos de resposta de 30 ms. Os detectores fotoeléctricos de alta temperatura têm tempos de resposta de 2 ms.
Se for utilizado um sensor com tempos de resposta rápidos numa aplicação, os outros componentes do circuito de controlo também devem permitir velocidades de processamento ou atuação correspondentes.
A eletrónica do termómetro de IV lineariza o sinal de saída do detetor de modo a gerar uma corrente linear 0 (4) - 20 mA ou um sinal de tensão 0(2)-10 V. Atualmente, a linearização é muitas vezes efectuada por software, utilizando um microprocessador.
Isto permite obter uma maior precisão com intervalos de medição maiores, em comparação com a linearização analógica.
O sinal pode também ser digitalizado e enviado para uma interface ou alimentado a um controlador, indicador ou registador. Dependendo da configuração, os termómetros de infravermelhos têm funções adicionais tais como alarmes, memória ajustável min/max para medições intermitentes, intervalos de medição ajustáveis e tempos de resposta, bem como funções de amostragem e retenção.
Como mencionado no início, a vantagem da medição de temperatura sem contacto é o curto tempo de resposta. Os detectores termoeléctricos para dispositivos de baixa temperatura atingem tempos de resposta de 30 ms. Os detectores fotoeléctricos de alta temperatura têm tempos de resposta de 2 ms.
Se for utilizado um sensor com tempos de resposta rápidos numa aplicação, os outros componentes do circuito de controlo também devem permitir velocidades de processamento ou atuação correspondentes.
Abb. 8 Curva espetral de diferentes sensores
Medição monocromática: medição da temperatura num único comprimento de onda
A medição da temperatura com um único comprimento de onda mede a energia emitida por uma superfície num determinado comprimento de onda. Os modelos destes instrumentos vão desde sondas portáteis com um simples visor externo até instrumentos portáteis sofisticados em que a temperatura é apresentada numa janela de visualização através da qual o objeto é focado. Estão também disponíveis funções de memória e de impressão. A gama de sensores fixos em linha vai desde pequenos detectores simples com eletrónica externa até conjuntos robustos e complexos com controladores PID integrados. Fibras ópticas, ópticas transparentes, dispositivos de mira laser, arrefecimento a água e sistemas de scanner são opções utilizadas na monitorização e controlo de processos. Recentemente, até os pirómetros com câmaras de vídeo integradas foram oferecidos, para que, para além da medição, seja possível uma inspeção visual do ponto de medição a partir da sala de controlo. Existem grandes diferenças em termos de tamanho, desempenho, robustez, flexibilidade e processamento de sinal.
Ao planear e conceber aplicações, a configuração do sensor, os filtros, a gama de temperaturas, a ótica, o tempo de resposta e o fator de emissão são critérios importantes que devem ser considerados em pormenor.
A seleção da gama espetral de IV e da gama de temperaturas deve ser sempre considerada em conjunto com a aplicação específica. A partir das curvas espectrais apresentadas na Figura 2, pode ver-se que os comprimentos de onda curtos são mais adequados para temperaturas elevadas, enquanto as temperaturas baixas devem ser medidas na gama de comprimentos de onda mais longos. Se se pretender medir objectos transparentes, como vidro ou películas de plástico, é necessário um filtro seletivo de banda estreita. A película de polietileno, por exemplo, tem uma gama de absorção CH de 3,43 μm, altura em que é impermeável à radiação IV. Do mesmo modo, muitos materiais semelhantes ao vidro têm uma gama de opacidade de cerca de 5 μm. Por outro lado, um sensor com um filtro na gama até 2 μm permite a medição através de uma janela de vidro, por exemplo, para câmaras de vácuo ou de pressão. Outra opção para a medição em câmaras com pontos de medição confinados ou com temperaturas ambiente elevadas é a utilização de cabos de fibra ótica.
A medição da temperatura por infravermelhos utilizando um único comprimento de onda é, por conseguinte, uma tecnologia versátil e simples, suficiente para muitas aplicações em que o controlo da temperatura do produto é essencial para uma qualidade consistente do produto.
Ao planear e conceber aplicações, a configuração do sensor, os filtros, a gama de temperaturas, a ótica, o tempo de resposta e o fator de emissão são critérios importantes que devem ser considerados em pormenor.
A seleção da gama espetral de IV e da gama de temperaturas deve ser sempre considerada em conjunto com a aplicação específica. A partir das curvas espectrais apresentadas na Figura 2, pode ver-se que os comprimentos de onda curtos são mais adequados para temperaturas elevadas, enquanto as temperaturas baixas devem ser medidas na gama de comprimentos de onda mais longos. Se se pretender medir objectos transparentes, como vidro ou películas de plástico, é necessário um filtro seletivo de banda estreita. A película de polietileno, por exemplo, tem uma gama de absorção CH de 3,43 μm, altura em que é impermeável à radiação IV. Do mesmo modo, muitos materiais semelhantes ao vidro têm uma gama de opacidade de cerca de 5 μm. Por outro lado, um sensor com um filtro na gama até 2 μm permite a medição através de uma janela de vidro, por exemplo, para câmaras de vácuo ou de pressão. Outra opção para a medição em câmaras com pontos de medição confinados ou com temperaturas ambiente elevadas é a utilização de cabos de fibra ótica.
A medição da temperatura por infravermelhos utilizando um único comprimento de onda é, por conseguinte, uma tecnologia versátil e simples, suficiente para muitas aplicações em que o controlo da temperatura do produto é essencial para uma qualidade consistente do produto.
Medição do rácio: medição da temperatura em dois ou mais comprimentos de onda
Dado que o fator de emissão desempenha um papel vital na medição exacta da temperatura com termómetros de infravermelhos ou que existem meios intermédios no percurso do feixe, não é surpreendente que os investigadores se esforcem por desenvolver sensores que possam medir a temperatura independentemente destas interferências. Uma abordagem comum e comprovada para este efeito é a medição do rácio ou multicolor. Este método mede o rácio da energia em dois comprimentos de onda diferentes em vez da quantidade absoluta de energia num comprimento de onda. A palavra "medição multicolor" deriva da antiga ideia de combinar as cores visíveis com a temperatura. Esta ideia - e, por conseguinte, também o termo - está agora um pouco desactualizada, mas continua a ser comummente utilizada.
A eficácia deste conceito baseia-se no facto de as alterações das propriedades da superfície do objeto de medição ou dos obstáculos localizados no cone de visão do objeto de medição serem percebidas de forma igual pelos dois detectores. Por conseguinte, o rácio entre os sinais de saída dos sensores permanece o mesmo, o mesmo acontecendo com a temperatura medida. A figura 9 mostra uma ilustração simplificada de um pirómetro que funciona de acordo com este princípio.
A eficácia deste conceito baseia-se no facto de as alterações das propriedades da superfície do objeto de medição ou dos obstáculos localizados no cone de visão do objeto de medição serem percebidas de forma igual pelos dois detectores. Por conseguinte, o rácio entre os sinais de saída dos sensores permanece o mesmo, o mesmo acontecendo com a temperatura medida. A figura 9 mostra uma ilustração simplificada de um pirómetro que funciona de acordo com este princípio.
Abb. 9 Verhältnismessung
Ao medir o rácio em vez do valor absoluto, podem ser evitadas imprecisões causadas por um fator de emissão desconhecido ou variável, nas condições acima descritas. A temperatura também é medida corretamente se parte do campo de visão for obscurecida por materiais mais frios, tais como poeiras, vapores, dispositivos ou janelas.
Desde que o meio entre o objeto e o sensor não atenue seletivamente certos comprimentos de onda, o rácio permanece constante e, por conseguinte, a temperatura medida pelo termómetro também permanece constante.
Este método é, por conseguinte, adequado para aplicações que seriam difíceis ou impossíveis de resolver com outras técnicas de medição, por exemplo, a medição da temperatura em fornos de cimento ou a medição através de uma janela que se embacia durante o processo, como é o caso da fusão de metais no vácuo. No entanto, deve notar-se que estas alterações dinâmicas devem ser percebidas de forma igual por ambos os sensores, ou seja, as alterações devem afetar todos os comprimentos de onda de forma igual.
É claro que também existem limites a este método que devem ser tidos em conta. A medição do rácio não é adequada para emissores coloridos, como o alumínio. Do mesmo modo, não pode ser utilizado para medir através de janelas com transmissão variável ou Pyrex quente. Além disso, este método tende a registar e medir temperaturas de fundo se estas forem superiores à temperatura do objeto que está a ser medido.
Desde que o meio entre o objeto e o sensor não atenue seletivamente certos comprimentos de onda, o rácio permanece constante e, por conseguinte, a temperatura medida pelo termómetro também permanece constante.
Este método é, por conseguinte, adequado para aplicações que seriam difíceis ou impossíveis de resolver com outras técnicas de medição, por exemplo, a medição da temperatura em fornos de cimento ou a medição através de uma janela que se embacia durante o processo, como é o caso da fusão de metais no vácuo. No entanto, deve notar-se que estas alterações dinâmicas devem ser percebidas de forma igual por ambos os sensores, ou seja, as alterações devem afetar todos os comprimentos de onda de forma igual.
É claro que também existem limites a este método que devem ser tidos em conta. A medição do rácio não é adequada para emissores coloridos, como o alumínio. Do mesmo modo, não pode ser utilizado para medir através de janelas com transmissão variável ou Pyrex quente. Além disso, este método tende a registar e medir temperaturas de fundo se estas forem superiores à temperatura do objeto que está a ser medido.
A Figura 10 mostra um exemplo de vários produtos cujo fator de emissão varia com a temperatura. A grafite, por exemplo, é muitas vezes espontaneamente assumida como tendo um fator de emissão elevado e constante. O oposto é verdadeiro - o fator de emissão aumenta de 0,4 para 0,65 numa gama de 20°C a 1100°C.
Para emissores coloridos cujo fator de emissão se altera com o comprimento de onda, existem termómetros multicoloridos que medem a energia de toda uma gama de comprimentos de onda. Estas aplicações são precedidas de uma análise pormenorizada das propriedades da superfície do produto em causa. A relação entre o fator de emissão, a temperatura, o comprimento de onda e a química da superfície deve ser analisada. Estes dados podem ser utilizados para criar algoritmos que relacionem a emissão em diferentes comprimentos de onda com a temperatura de uma forma significativa.
Se houver um meio no campo de visão cujo tamanho de partícula corresponda a um dos comprimentos de onda utilizados para a medição, o rácio também é distorcido.
Apesar destas limitações, a medição do rácio funciona extremamente bem em várias aplicações. Nalgumas aplicações, este método é a melhor, se não a única, solução sensata para medir a temperatura.
Para emissores coloridos cujo fator de emissão se altera com o comprimento de onda, existem termómetros multicoloridos que medem a energia de toda uma gama de comprimentos de onda. Estas aplicações são precedidas de uma análise pormenorizada das propriedades da superfície do produto em causa. A relação entre o fator de emissão, a temperatura, o comprimento de onda e a química da superfície deve ser analisada. Estes dados podem ser utilizados para criar algoritmos que relacionem a emissão em diferentes comprimentos de onda com a temperatura de uma forma significativa.
Se houver um meio no campo de visão cujo tamanho de partícula corresponda a um dos comprimentos de onda utilizados para a medição, o rácio também é distorcido.
Apesar destas limitações, a medição do rácio funciona extremamente bem em várias aplicações. Nalgumas aplicações, este método é a melhor, se não a única, solução sensata para medir a temperatura.
Abb. 10 Para muitos materiais, o fator de emissão varia com a temperatura. Esta figura mostra alguns materiais comuns.
Resumo
A figura 11 mostra mais uma vez os elementos essenciais de uma aplicação. O aspeto mais importante aqui é a superfície do objeto a ser medido. Ao selecionar um instrumento adequado, devem ser tidos em conta o tamanho do objeto a medir, a gama de temperaturas, o fator de emissão, a sensibilidade espetral e o tempo de resposta.
Além disso, as condições ambientais também devem ser tidas em conta ao selecionar o instrumento mais adequado, por exemplo, a presença de chamas, aquecedores radiantes de infravermelhos, fornos de indução e a natureza da atmosfera (poeira, janelas contaminadas, fumo, calor, etc.).
Além disso, as condições ambientais também devem ser tidas em conta ao selecionar o instrumento mais adequado, por exemplo, a presença de chamas, aquecedores radiantes de infravermelhos, fornos de indução e a natureza da atmosfera (poeira, janelas contaminadas, fumo, calor, etc.).
Abb. 11 Störeinflüsse
A medição de temperatura por infravermelhos é uma tecnologia madura que está continuamente a ser optimizada e adaptada a novas aplicações. Prova o seu valor todos os dias numa vasta gama de indústrias, bem como na investigação. Se a tecnologia subjacente for corretamente compreendida e todos os parâmetros de aplicação relevantes forem tidos em conta, este método de medição produz geralmente os resultados desejados, desde que o instrumento tenha sido cuidadosamente instalado. Cuidado, neste contexto, significa que o sensor é operado dentro das suas especificações e que foram tomadas precauções suficientes para manter o sistema ótico livre de contaminação e depósitos.
Um critério ao selecionar um fabricante de termómetros deve, portanto, ser a disponibilidade de acessórios de proteção e instalação. A medida em que estes acessórios permitem que o sensor seja removido rapidamente e substituído, se necessário, também deve ser tida em conta. Se estas diretrizes forem observadas, os termómetros de infravermelhos modernos funcionam frequentemente de forma mais fiável do que os sensores de termopar ou Pt100.
Um critério ao selecionar um fabricante de termómetros deve, portanto, ser a disponibilidade de acessórios de proteção e instalação. A medida em que estes acessórios permitem que o sensor seja removido rapidamente e substituído, se necessário, também deve ser tida em conta. Se estas diretrizes forem observadas, os termómetros de infravermelhos modernos funcionam frequentemente de forma mais fiável do que os sensores de termopar ou Pt100.