Princípio, vantagens e possíveis aplicações de pirómetros panorâmicos inovadores

Os pirómetros detectam a radiação de calor na superfície de um objeto de medição num campo de medição definido e utilizam-na para determinar a temperatura. O tamanho e a forma do campo de medição são determinados pelas lentes, pela estrutura ótica e pela tecnologia do sensor. Devido à geometria das lentes, ao sistema de abertura e à tecnologia do sensor, os dispositivos disponíveis no mercado até à data têm normalmente uma superfície de medição redonda. Com base num novo tipo de conceção ótica e em lentes de alta qualidade, foram recentemente disponibilizados aparelhos com um campo de medição retangular. O artigo seguinte explica a conceção, funcionalidade, vantagens e possíveis aplicações dos pirómetros com um campo de medição retangular.

A ideia de desenvolver um pirómetro com um campo de medição retangular foi criada há mais de 30 anos, uma vez que existem aplicações na tecnologia de medição de temperatura sem contacto que podem ser resolvidas mais facilmente e, acima de tudo, de forma mais fiável. Uma grande vantagem da medição pirométrica da temperatura, em comparação com a medição por contacto, é que os pirómetros são ideais para medir objectos em movimento. O pré-requisito é, naturalmente, que o objeto a ser medido esteja localizado no campo de medição do pirómetro. Como mostra o exemplo da produção de arame, torna-se problemático quando o objeto a ser medido oscila em ângulos rectos em relação à direção de produção e nem sempre preenche o campo de medição (Fig. 1).

Até agora, os pirómetros de um canal com um campo de medição muito pequeno têm sido utilizados em conjunto com um espelho giratório montado à frente do pirómetro para resolver estes problemas de medição relacionados com a aplicação. O espelho rotativo ou giratório desvia periodicamente o ponto de medição. Ao armazenar o valor máximo no pirómetro, a temperatura é registada no momento em que o ponto de medição é completamente preenchido pelo objeto. Para além da desvantagem de um mecanismo móvel e suscetível a falhas, o tempo de deteção é limitado. Devido ao movimento de varrimento, a temperatura do objeto não é registada continuamente, mas apenas ciclicamente.

Por esta razão, foram feitas tentativas há muitos anos com dispositivos que geravam um campo de medição retangular puramente ótico. Uma lente cilíndrica especial espalhava o campo de medição na direção de um eixo, como se sabe de um armário de espelhos. Em princípio, isto proporcionava uma solução. No entanto, a distribuição desigual da sensibilidade na superfície de medição do sensor revelou-se um problema. Outra desvantagem era o elevado custo desta lente especial. Além disso, os aparelhos só podiam ser utilizados para uma distância de medição fixa. Outra dificuldade era o facto de a imagem ótica na visão através da lente ser distorcida, o que dificultava o alinhamento do dispositivo.

A utilização de um campo de medição retangular é particularmente interessante em conjunto com um pirómetro de razão. Um pirómetro de razão regista a radiação térmica de um objeto de medição em duas gamas de comprimento de onda diferentes. O quociente das duas radiações espectrais varia proporcionalmente à temperatura. Este princípio de medição permite que o objeto de medição seja mais pequeno do que o campo de medição. Ao contrário de um pirómetro de canal único, a temperatura correta continua a ser determinada para um objeto de medição quente em frente a um fundo frio.

Ao contrário da solução acima descrita com uma lente cilíndrica, o campo de medição retangular do novo pirómetro panorâmico é realizado por uma abertura de alta precisão posicionada no ramo de medição do detetor entre a abertura (3) e o espelho deflector com sensor (4) (Fig. 2). Isto resolve dois problemas fundamentais. O dispositivo não necessita de uma lente de formato especial e o objeto a medir é apresentado focado como habitualmente na observação através da lente ou na imagem do monitor em dispositivos com uma câmara de vídeo integrada.

Outra vantagem deste design ótico inovador é que as marcações do campo de medição no visor ou no monitor são apresentadas corretamente, tanto na posição exacta como no tamanho real do campo de medição retangular. Esta é a única forma de verificar e assegurar o alinhamento correto dos dispositivos.

Durante o desenvolvimento do pirómetro panorâmico, teve de ser resolvido outro desafio ótico. Devido a erros de imagem ótica e a uma distribuição não homogénea da sensibilidade na superfície de medição, os pirómetros de razão têm normalmente a caraterística de a posição do objeto de medição no campo de medição ter uma influência notável na temperatura medida. Na extremidade do campo de medição, a indicação pode aumentar mais de 30 °C a uma temperatura do objeto de 1000 °C (Fig. 3).

Também podem ocorrer flutuações na indicação da temperatura com pirómetros de razão convencionais, se o diâmetro do objeto de medição mudar por razões de produção e o campo de medição for preenchido de forma diferente.

A fim de minimizar este efeito físico, foram desenvolvidas lentes de precisão para a ótica que têm propriedades de imagem consistentemente boas em toda a superfície da abertura de entrada (aberração esférica mínima). Além disso, as lentes têm um erro de cor longitudinal mínimo (aberração cromática), de modo a obter uma imagem igualmente nítida para ambos os comprimentos de onda de medição e para a gama visível. Além disso, a realização do pirómetro panorâmico exigiu o desenvolvimento de uma configuração ótica composta por aberturas de precisão e sensores de alta qualidade. Como resultado, o novo pirómetro panorâmico fornece um valor de medição constante, independentemente da posição e do diâmetro de um fio no campo de medição, por exemplo.

A conceção modular dos componentes ópticos e eléctricos significa que o pirómetro panorâmico também pode ser equipado com várias lentes intermutáveis focáveis. Além disso, podem ser aparafusadas várias lentes de fixação na rosca frontal da respectiva lente, de modo a reduzir o campo de medição. Isto resulta em inúmeras variantes de imagem ótica, tanto no que diz respeito à distância de medição desejada como ao tamanho do campo de medição necessário (Fig. 4). Por exemplo, até mesmo fios com um diâmetro de 0,1 mm podem ser detectados.

O alinhamento ótico de um pirómetro num pequeno objeto de medição ou a uma grande distância de medição requer uma mecânica de alta qualidade para o ajuste. É óbvio que um aparelho com um ponto de medição retangular é muito mais fácil de alinhar nestas condições (Fig. 5). Esta vantagem é particularmente notória num pirómetro portátil, se o operador segurar o aparelho na mão ao apontar, uma vez que a largura do campo de medição retangular é 2 a 3 vezes maior do que a de um aparelho comparável com um campo de medição redondo. Isto garante um manuseamento e uma deteção de temperatura mais seguros.

Em processos de produção em que a posição e o tamanho do objeto quente podem mudar ou em sistemas de tratamento térmico em que a zona de aquecimento na peça de trabalho flutua, o pirómetro panorâmico oferece maior fiabilidade operacional e é muito mais fácil de alinhar. Como um campo de medição retangular é mais largo do que um campo de medição redondo com a mesma área, o risco de o ponto quente se deslocar para fora do campo de medição é significativamente menor.

Um exemplo típico é a produção de tubos sem fim em que o material é dobrado e soldado. O material é aquecido com uma bobina de indução. A posição do pequeno ponto de soldadura pode flutuar, pelo que, com os aparelhos convencionais, o cordão de soldadura pode, por vezes, ficar fora do campo de medição e a medição deixa de ser possível (Fig. 6).

Na produção de garrafas de vidro, a posição e a forma da gota de vidro no cisalhamento alteram-se. Também aqui, um pirómetro panorâmico proporciona uma maior fiabilidade de medição. A influência da temperatura do material e a cor do vidro parcialmente transparente também desempenham um papel importante. Esta influência é grandemente reduzida pelo método de medição de quociente do pirómetro panorâmico.

Nos sistemas de trefilagem, o fio é depois sujeito a tratamento térmico. O fio passa através de uma bobina de indução a alta velocidade. A oscilação do fio entre os rolos-guia é inevitável. No caso de fios finos, a flutuação pode ser várias vezes superior ao diâmetro do fio. Nestas condições, é quase impossível efetuar uma medição precisa.

A medição manual da temperatura sem contacto do metal fundido durante o vazamento no molde é efectuada a uma distância segura. Com um dispositivo convencional com um campo de medição redondo, é difícil alinhar o pirómetro com o jato de vazamento, especialmente porque a posição do jato pode mudar dependendo do ângulo de inclinação da panela. Um dispositivo com um campo de medição retangular é muito mais fácil de manusear (Figura 7).

A medição da temperatura dos objectos mais pequenos, como um filamento ou um elemento de aquecimento num tubo de raios X, coloca as exigências ópticas mais elevadas aos dispositivos. Na sua maioria, tais aplicações só podiam ser resolvidas anteriormente com os chamados pirómetros de comparação de intensidade. Com estes aparelhos, a temperatura é medida manualmente pelo operador, comparando visualmente a radiação de um radiador de referência interno e o objeto a medir.

A dificuldade na utilização de aparelhos de medição electrónicos reside no alinhamento mecânico dos aparelhos com objectos extremamente pequenos a medir. Tais tarefas de medição também podem ser resolvidas muito mais facilmente com o pirómetro panorâmico.

Devido ao princípio de medição do quociente, a área de aplicação está limitada a aplicações com temperaturas superiores a 600 °C. Outro limite é o grau de iluminação parcial até ao qual o pirómetro de razão ainda é capaz de formar um valor de medição reproduzível.

Este valor depende da emissividade do objeto de medição e da temperatura absoluta, entre outras coisas. No início da gama de medição, um pirómetro de razão já pode fornecer um valor de medição fiável se a energia radiante for 10 % da radiação de um radiador de corpo negro à mesma temperatura. medida que a temperatura de medição aumenta, é permitida uma atenuação ainda maior do sinal. A atenuação é influenciada pela emissividade, pelo grau de iluminação parcial, pela forma do objeto a medir e por obstruções visuais como vapor, poeira e fumo no campo de medição. Um fio de aço com uma emissividade de 0,6 é tomado como exemplo. No caso de um objeto de medição redondo, deve também ser tido em conta que a radiação detectada pelo pirómetro é parcialmente emitida num ângulo muito plano. O fator de segurança de 1,5 é então também incluído como uma aproximação. O grau de iluminação parcial, a largura do campo de medição e a distância máxima de medição podem ser calculados a partir das seguintes fórmulas.

Grau de iluminação parcial = (intensidade mínima do sinal analisável ÷ emissividade) × fator de segurança

Em relação ao exemplo acima, o campo de medição deve estar pelo menos 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % cheio para que o pirómetro possa determinar um valor medido. A intensidade do sinal, como indicação da fiabilidade do valor medido, pode ser mostrada no visor do pirómetro.

Para um diâmetro de fio de 5 mm, isto resulta numa largura máxima do campo de medição de 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm para o início da gama de medição.

Com um pirómetro panorâmico, a resolução ótica é especificada pelo rácio de distância (distância de medição ÷ tamanho do campo de medição) para a largura DW (largura) e para a altura DH (altura). Com base num rácio de distância de, por exemplo, DW = 40 : 1, isto resulta numa distância máxima de medição de 40 × 20 mm = 800 mm. Ou, visto de outra forma, para uma distância de medição pretendida de 500 mm, por exemplo, deve ser utilizada uma lente com uma relação de distância DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, ou seja, ≥ 25 : 1, de modo a que o campo de medição seja suficientemente iluminado pelo objeto a medir.

O pirómetro panorâmico também pode ser operado de modo a que o campo de medição seja alinhado longitudinalmente com o objeto. Isto permite que o pirómetro capte uma área maior do objeto a medir, em comparação com um dispositivo com um campo de medição redondo, pelo que pode ser utilizado para fios com um diâmetro a partir de 0,1 mm.

Os dispositivos com ótica panorâmica estão disponíveis para a série de dispositivos fixos CellaTemp PA e para a série portátil CellaTemp PT. Ambas as versões têm uma viseira transparente para alinhar e focar o dispositivo. Em alternativa, o CellaTemp PA estacionário está disponível com uma câmara de vídeo a cores. Isto permite que o alinhamento e o campo de visão do objeto sejam monitorizados a todo o momento no monitor do centro de controlo. Para além da marcação do campo de medição, o valor medido e o número do ponto de medição são também transmitidos através do sinal de vídeo e apresentados no ecrã do monitor. Graças à função especial TBC (Target Brightness Control) da câmara, a intensidade só é registada no campo de medição para o controlo da exposição e não em todo o campo de visão da câmara, como é normalmente o caso. Isto significa que um pequeno alvo quente em frente a um fundo frio é apresentado na imagem do monitor com um brilho ótimo e sem sobrecarregar o alvo.

Estão agora também disponíveis duas versões da série de pirómetros compactos CellaTemp PKL com ótica panorâmica (Fig. 8). Os dispositivos têm uma luz piloto LED para verificar o alinhamento. Uma vez que a luz ilumina não só a posição, mas também a largura real do campo de medição, o dispositivo pode ser alinhado de forma muito fácil e precisa com o objeto a ser medido.

Para processos térmicos e temperaturas superiores a 600 °C, o novo pirómetro panorâmico é claramente superior aos aparelhos anteriores com um campo de medição redondo, se o alinhamento for difícil em objectos pequenos ou a grandes distâncias de medição ou se o ponto quente, ou seja, o ponto quente a ser detectado, não estiver fixo. Os custos adicionais de cerca de 25 % são certamente dinheiro bem gasto devido à maior fiabilidade operacional.