Pirómetro de relação

Os pirómetros de quociente tornaram-se indispensáveis nas actuais aplicações de termómetros de infravermelhos. O artigo seguinte explica os princípios físicos, as vantagens, as possibilidades funcionais e analíticas, bem como os limites da pirometria de quociente. As áreas típicas de aplicação são apresentadas com base em aplicações práticas.

Um pirómetro de razão detecta a radiação térmica de um objeto de medição em duas gamas diferentes de comprimento de onda. O quociente das duas radiações espectrais φ varia aproximadamente de forma proporcional à temperatura. Associada à radiância espetral está a respectiva emissividade ε da superfície de medição para os dois comprimentos de onda (Figura 1).

Para minimizar a influência da emissividade da superfície de medição em função do comprimento de onda, são selecionadas gamas de comprimentos de onda próximas umas das outras. Por outro lado, isto significa que as duas densidades de radiação quase não diferem. O quociente de dois valores quase idênticos muda apenas muito ligeiramente, dependendo da temperatura do objeto. Por conseguinte, a menor temperatura mensurável de um pirómetro de quociente está limitada a cerca de 300 °C. Para poder analisar estas pequenas alterações de sinal, é necessária uma grande amplificação. A qualidade dos sensores, dos amplificadores electrónicos e dos conversores A/D tem, por isso, de satisfazer os mais elevados padrões, de modo a obter uma elevada relação sinal/ruído ou uma pequena NETD (Noise Equivalent Temperature Difference - diferença de temperatura equivalente ao ruído) e, assim, a elevada resolução de temperatura necessária para uma medição precisa. Para verificar a NETD, operar o dispositivo no início da gama de medição com o tempo de resposta mais curto e verificar a estabilidade do sinal de medição.

A grande vantagem do método de medição do quociente é que a temperatura correta é determinada com uma atenuação do sinal que é independente do comprimento de onda. Se, por exemplo, um visor sujo ou vapor, fumo e poeira no campo de visão do pirómetro levarem a uma redução do sinal, o quociente e, por conseguinte, a temperatura apresentada permanecem constantes.

Se as emissividades ε1 = ε2 (radiador cinzento) forem as mesmas para ambos os comprimentos de onda, o termo da emissividade na equação é reduzido e o pirómetro de quociente apresenta a temperatura verdadeira independentemente da emissividade do objeto medido. Mesmo que a emissividade do objeto de medição se altere na mesma medida para ambas as gamas de comprimento de onda, tal não tem qualquer influência no resultado da medição. Os desvios da temperatura real devido a diferenças constantes entre as duas emissividades podem ser corrigidos ajustando o rácio de emissividade no pirómetro.

No entanto, como se comporta um pirómetro de razão se a emissividade se alterar de forma diferente para os dois comprimentos de onda durante a medição num chamado radiador colorido devido à superfície ou em função da temperatura?

O mesmo efeito seletivo ocorre se a transmissão do visor de vidro se alterar em função do comprimento de onda devido a depósitos de camada fina (por exemplo, películas de óleo ou depósitos de vapor). O método do quociente também não é completamente independente das propriedades de radiação do objeto de medição, como por vezes se pode ler na literatura.

Os três exemplos do quadro 1 mostram claramente a influência diferente da atenuação dependente da emissividade para os métodos de medição espetral e por quociente. Com base numa temperatura de 800 °C de um "corpo negro" com uma emissividade de ε = 1, os seguintes valores de temperatura resultam da lei da radiação de Planck para um pirómetro de quociente com λ1 = 0,95 μm e λ2 = 1,05 μm com uma alteração diferente nas emissividades relacionadas com o comprimento de onda (ver Quadro 1).

A redução das temperaturas espectrais para o vidro de proteção (1) pode ser claramente observada. Em contrapartida, o valor do quociente mantém-se quase constante. No caso do vidro laminado de qualidade inferior (2), os valores espectrais diminuem ainda mais acentuadamente e em graus variáveis. Isto também leva a um desvio de medição considerável para o quociente.

Com pirómetros de quociente, é essencial quando se mede através de vidros de observação, assegurar que os vidros têm uma curva de transmissão neutra na gama de comprimentos de onda do pirómetro. Isto pode ser verificado muito facilmente segurando um disco em frente do pirómetro durante a medição. A temperatura do quociente não deve variar significativamente.

Outra grande vantagem da pirometria de razão é que os objectos de medição também podem ser mais pequenos do que o campo de medição. Com um pirómetro espetral, o objeto de medição tem de ser sempre maior do que o campo de medição, uma vez que um pirómetro espetral regista o valor médio da radiação dentro de todo o campo de medição. Caso contrário, um pequeno objeto de medição em frente a um fundo frio medirá sempre uma temperatura demasiado baixa.

Se o campo de medição de um pirómetro de razão não for totalmente iluminado pelo objeto que está a ser medido (efeito de iluminação parcial), isto actua como uma atenuação neutra da radiação infravermelha. Por esta razão, um pirómetro de razão continua a fornecer valores de medição corretos mesmo que o objeto seja até 80 % mais pequeno do que o campo de medição do pirómetro. O grau de iluminação parcial mínima depende da emissividade e da temperatura do objeto a medir. Idealmente, a posição do objeto no campo de medição deve ser arbitrária e não afetar o valor da temperatura indicado. No entanto, existem grandes diferenças de qualidade entre os dispositivos disponíveis no mercado a este respeito. Os pirómetros com uma conceção ótica simples, uma correção inferior da aberração ótica da lente da objetiva e sensores com uma distribuição de sensibilidade não homogénea podem aumentar o valor medido até 20 - 30 °C a uma temperatura constante do objeto se, por exemplo, um fio quente estiver localizado na extremidade do campo de medição (Fig. 5).

Outra vantagem na medição de pequenos objectos é que um pirómetro de razão reage de forma muito menos sensível ao alinhamento ótico e à focagem correta. Em contraste, um pirómetro espetral tem de ser alinhado e focado com muita precisão no objeto de medição, de modo a evitar erros de medição se o objeto de medição for pouco maior do que o campo de medição.

A curva de medição seguinte (Fig. 6) foi registada utilizando um pirómetro de razão com um campo de medição de Ø8 mm num objeto com um diâmetro de Ø8 mm. Ao mesmo tempo, foi registada uma temperatura espetral. A distância de focagem fixa foi de 500 mm (ponto de medição 1). A distância de medição foi depois reduzida para 250 mm (ponto de medição 2). A desfocagem tem apenas uma pequena influência na temperatura do quociente, enquanto a temperatura espetral se desvia em cerca de 20 °C. A distância de medição foi então fixada em 1000 mm (ponto de medição 3). O campo de medição do pirómetro é duas vezes maior do que o objeto a ser medido. Mais uma vez, o quociente de temperatura mantém-se praticamente no mesmo nível. Em contrapartida, o valor espetral desce acentuadamente devido à desfocagem e à iluminação parcial.

Ao medir a temperatura de chapas e placas no banco de rolos, a questão de qual o método de medição a recomendar - espetral ou quociente - surge repetidamente devido às condições extremas (Fig. 7).

Por razões de conceção e térmicas, os aparelhos são montados a uma grande distância de medição de vários metros. A utilização de ópticas padrão com uma resolução ótica de 100:1, por exemplo, resulta num diâmetro de campo de medição de 200 mm a uma distância de 20 metros. A distribuição da temperatura na placa é extremamente não homogénea devido à escala. Com um pirómetro espetral, a temperatura é determinada a partir do valor médio da radiação total recebida no campo de medição. O valor medido depende, portanto, da distribuição da temperatura e da escala. Como a placa se move na mesa de rolos, isto levaria a um valor de medição flutuante se o sinal não fosse filtrado. Os fabricantes de pirómetros recomendam, por isso, a utilização de um pirómetro com uma resolução ótica muito elevada de > 200 : 1 nestas condições, de modo a obter o menor campo de medição possível. A memória de valor máximo é utilizada para registar a temperatura mais elevada nos pontos sem escala.

Mas como é que um pirómetro de razão reage a uma distribuição não homogénea da temperatura no campo de medição? O comportamento de um pirómetro de razão é mais complexo com uma distribuição de temperatura não homogénea. Depende da área total dos "pontos quentes" e das diferenças de temperatura entre os pontos quentes e frios no campo de medição. Devido ao efeito de iluminação parcial descrito acima, um pirómetro de rácio determina a temperatura do ponto mais quente no campo de medição, desde que haja uma diferença de temperatura significativa de > 200 °C entre as áreas quentes e frias.

Ao medir numa placa, podem ocorrer vários pontos quentes no campo de medição devido à escala. Se a diferença de temperatura for pequena, o pirómetro de rácio também determina a temperatura a partir do valor médio da radiação recebida. Por isso, recomenda-se também a utilização de aparelhos com uma resolução ótica elevada e uma boa qualidade de imagem para um pirómetro de rácio, de modo a minimizar a influência das inomogeneidades através da deteção do valor máximo.

Se for de esperar vapor de água e contaminação durante o processo de laminagem a quente, deve ser utilizado preferencialmente um pirómetro de razão. A fiabilidade operacional da aquisição de valores de medição também pode ser aumentada através da utilização da monitorização da contaminação do pirómetro de razão.

A questão da medição da temperatura de objectos mais frios dentro de um forno quente é frequentemente discutida. As peças forjadas a frio são colocadas em fornos quentes para aquecimento ou as placas frias passam pelas várias zonas de aquecimento de um forno de empurrar. Devido à elevada radiação de fundo da parede do forno quente, que é reflectida pelo objeto medido e, portanto, também detectada pelo pirómetro, este indica sempre uma temperatura demasiado elevada. Quanto mais próxima a temperatura da peça de trabalho estiver da temperatura do forno, menor será o efeito de interferência. A solução mais eficaz para eliminar a radiação de fundo é a utilização de tubos de observação arrefecidos a água. No entanto, isto está associado a elevados custos de investimento e de funcionamento permanente. Além disso, a instalação de um tubo no interior de um forno que se estende quase até à peça de trabalho pode ser difícil ou impossível por razões estruturais.

Por esta razão, os dispositivos são frequentemente utilizados sem um tubo de observação, sabendo perfeitamente que a medição será mais ou menos incorrecta. A influência da radiação de fundo pode ser reduzida se a temperatura da radiação de fundo for medida separadamente utilizando um termopar ou um segundo pirómetro e a radiação de interferência reflectida no pirómetro for corrigida por cálculo. Esta correção pode estar sujeita a incertezas, especialmente se a emissividade do objeto for pequena, flutuar ou não for conhecida com exatidão.

Se a regra geral "Medir a onda mais curta possível" se aplica a objectos metálicos por razões físicas, a fim de minimizar a influência da emissividade, esta consideração é exatamente o oposto quando se medem objectos mais frios numa atmosfera quente.

A radiação de fundo tem menos efeito num dispositivo que mede comprimentos de onda mais longos. Por outro lado, com uma sensibilidade espetral de maior comprimento de onda, a emissividade ε dos metais é menor e, por conseguinte, a refletividade σ é maior (ε + σ = 1). Isto, por sua vez, leva a uma maior dependência da influência de interferência da radiação do forno quente com emissividades variáveis. Por conseguinte, os fabricantes recomendam a utilização de dispositivos com uma sensibilidade espetral na gama de 1 - 2 μm, de modo a obter o melhor compromisso possível.

Isto também levanta a questão de como se comporta um pirómetro de razão quando mede objectos mais frios numa atmosfera quente. Basicamente, um pirómetro de razão comporta-se de forma semelhante a um pirómetro espetral. Detecta tanto o objeto como a radiação reflectida da parede do forno. Um pirómetro de quociente reage de forma menos sensível se o visor estiver sujo ou se houver pó e fumo no campo de visão do pirómetro. A reação à alteração dos níveis de emissão é extremamente dependente das condições locais, pelo que é difícil de estimar. É aconselhável registar e avaliar em paralelo as temperaturas quociente e espetral durante a colocação em funcionamento ou permanentemente, de modo a poder efetuar quaisquer análises. Os pirómetros de quociente modernos oferecem duas saídas analógicas para este fim, de modo a que os valores medidos do quociente e de uma temperatura espetral possam ser registados diretamente pelo controlador. Outra vantagem do pirómetro de quociente é a possibilidade de analisar a intensidade do sinal como uma indicação das propriedades de radiação do objeto medido (Fig. 8).

Devido às condições extremas de medição causadas por poeiras, vapores e fumos, os pirómetros de rácio são vantajosos para utilização em centrais eléctricas e instalações de combustão em termos de tecnologia de medição e segurança. Um pirómetro detecta a radiação dos objectos no campo de medição. Numa instalação de combustão, a energia recebida é irradiada tanto pelas partículas quentes no fluxo de ar como pela parede oposta. O valor medido depende da densidade das partículas, da falta de homogeneidade da distribuição da temperatura e da temperatura da parede oposta. Se a parede for significativamente mais fria do que as partículas no fluxo de ar devido aos tubos do permutador de calor, um pirómetro espetral regista uma temperatura demasiado baixa e que flutua em função da condição de carga devido ao cálculo da média. É aqui que a vantagem do pirómetro de rácio em termos do efeito de iluminação parcial e da deteção do valor máximo entra novamente em jogo. Em comparação com os termopares comummente utilizados, os pirómetros de quociente são, portanto, uma alternativa real, uma vez que não estão sujeitos a desgaste ou a desvios relacionados com a idade. No entanto, os pirómetros de quociente são muito sensíveis a chamas no campo de visão. Este facto deve ser tido em conta na escolha do local de instalação.

A fiabilidade da medição pode ser verificada através da visualização da intensidade do sinal. Devido às aberturas do forno, frequentemente pequenas, com diâmetros de 20 - 30 mm e espessuras de parede de 200 - 400 mm, devem ser usados dispositivos ópticos de alta resolução, com boas propriedades de imagem, para evitar a constrição do campo de medição. Os eixos geométricos e ópticos devem também ser idênticos e, por conseguinte, o dispositivo deve ser isento de paralaxe para evitar que o dispositivo "fique vesgo". Dependendo do equipamento necessário e da acessibilidade do local de instalação, são utilizados aparelhos compactos ou pirómetros com uma ajuda de observação sob a forma de uma lente transparente ou de uma câmara de vídeo, de modo a poder verificar fácil e rapidamente o alinhamento e a abertura de visualização livre durante a colocação em funcionamento e durante a operação.

Do ponto de vista da segurança, recomenda-se também aqui a utilização da monitorização da contaminação dos pirómetros de razão, de modo a gerar automaticamente um alarme em caso de contaminação excessiva ou de crescimento excessivo da abertura do forno.

Os parafusos passam por um forno de aquecimento antes de serem posteriormente prensados em acessórios. Para obter uma qualidade consistente, a temperatura tem de ser controlada. Nos sistemas de aquecimento por indução, os pirómetros são normalmente utilizados para medir a temperatura da peça que passa diretamente atrás do forno de indução em milissegundos e a uma distância segura. A temperatura é utilizada como variável de controlo para o controlo do processo e para a separação dos biletes cuja temperatura está fora do intervalo permitido (Fig. 9).

São utilizados pirómetros espectrais e de rácio para medir a temperatura. Os aparelhos são montados a distâncias maiores de 600 - 1200 mm. É obrigatória a utilização de uma ajuda de observação sob a forma de ótica através da lente ou de uma luz piloto. Só assim é possível definir a distância de focagem correta e o alinhamento exato, de modo a minimizar eventuais erros de medição causados por influências ópticas.

Especialmente no caso de aparelhos com uma distância de focagem fixa, esta nem sempre pode ser mantida com exatidão devido à conceção da máquina. Se os dispositivos estiverem montados de forma fixa e o diâmetro do parafuso variar, a distância de medição muda de qualquer forma, pelo que os dispositivos por vezes não são operados à distância de focagem.

No caso de dispositivos com ótica focável, a distância de medição não é frequentemente ajustada corretamente, como mostra a prática. O reajuste com a alteração dos diâmetros dos parafusos quase nunca é efectuado, pelo que estes aparelhos também são utilizados repetidamente fora do ponto de focagem.

Um pirómetro de razão reage muito menos sensivelmente a alterações na distância de medição, no diâmetro do parafuso ou quando os dispositivos são operados fora da gama focal, como descrito no início, até certos limites e é, portanto, vantajoso para tais aplicações em comparação com um pirómetro espetral.

Recomenda-se, portanto, a utilização de pirómetros de relação compactos com luz piloto (Fig. 10), de modo a satisfazer de forma óptima os dois requisitos essenciais da tarefa de medição: a) uma medição fiável e independente da distância e b) uma verificação simples do alinhamento.

Para processos de produção com temperaturas superiores a 300 °C, os pirómetros de razão com as vantagens descritas são mais do que uma alternativa para obter valores de medição fiáveis e estáveis devido ao ambiente e ao design. O custo adicional de cerca de 30 % em comparação com um pirómetro espetral com caraterísticas comparáveis é dinheiro bem gasto e é rapidamente recuperado pela redução do esforço de inspeção manual e pela redução da produção de peças defeituosas. Em condições de medição extremas causadas por vapor intenso, sujidade e poeira, as vantagens metrológicas do pirómetro de rácio são claramente evidentes. Para aplicações em que a emissividade dos objectos medidos pode mudar, é aconselhável verificar a fiabilidade da medição quando se utiliza o método de medição por quociente.

Os fabricantes de aparelhos só podem recomendar a utilização das opções adicionais de proteção e análise do pirómetro de quociente para aumentar a fiabilidade do processo e obter informações sobre a temperatura adicional.