Termómetros de radiação. Radiação. Termómetros de radiação. Instrumentação Aula 03. o Medidor de não contacto, mais especificamente

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1 Instalações, Equipamentos e Instrumentação Aula 03 Medição da temperatura:. fundamentos da radiação. termómetros de radiação (não contacto). calibração Termómetros de radiação 2 o Medidor de não contacto, mais especificamente de radiação o O termo não contacto refere-se ao facto de o sensor não necessitar de estar em contacto físico com o sistema it cuja temperatura t se pretende medir Radiação 3 o Todos os corpos (animados ou inanimados; líquidos, sólidos ou gasosos) trocam constantemente energia térmica com a sua vizinhança na forma de radiação electromagnética Termómetros de radiação 4 o O primeiro termómetro de radiação utilizado o Se houver diferença de temperatura entre a matéria e a sua vizinhança, i ocorrerá transferência de energia na forma de calor o vidreiros, ferreiros,

2 Radiação 5 o O espectro característico da radiação emitida por um corpo depende o das propriedades físico-químicas do corpo e da sua vizinhança o da temperatura do corpo e da sua vizinhança o A dependência da radiação com a temperatura pode ser aproveitada para medir a sua temperatura o a partir das características da radiação emitida por um corpo, podemos determinar a sua temperatura o não é necessário contacto com o corpo para efectuar esta medição Radiação 6 o A capacidade de quantificar a energia radiada por um corpo deve-se a teoria quântica de Planck o A radiação é formada por pacotes de energia discretos, designados fotões ou quanta, cuja magnitude depende do comprimento de onda da radiação E = h c / λ (h: constante de Planck; c: velocidade da luz; λ: comprimento de onda) o A radiação emitida por um corpo é constituída por uma distribuição contínua e não uniforme de componentes monocromáticos (comprimento de onda único), com diferentes comprimentos de onda e magnitudes Radiação 7 Radiação 8 o Comprimentos de onda curtos correspondem aos raios gama, raios X e radiação ultravioleta o Comprimentos de onda intermédios (0,1 a 1000 μm), incluindo parte do ultravioleta, todo o visível e todo o infravermelho é a designada região do calor ( heat region ) o radiação térmica

3 Radiação IV 9 o Em 1800, Friedrick William Herschel (cientista e astrónomo) descobriu que o efeito de aquecimento provocado pela luz é sobretudo causado pela zona abaixo do vermelho (infravermelho) Radiação 10 o Os sensores de temperatura de não-contacto (ou termómetros de radiação), utilizam parte do espectro infravermelho (0,78 a 1000 μm) o iv próximo (0,78 a 3,0 μm) o iv médio (3 a 30 μm) o iv distante (30 a 100 μm) o A radiação infravermelha tem as propriedades das ondas de luz, mas não afecta a retina humana de forma a produzir uma sensação de luz (por isso diz-se invisível) o A gama normalmente utilizada para a medição da temperatura é 0,7 a 14,0 μm Corpo negro 11 o A energia incidente sobre um corpo pode ser absorvida (α), reflectida (ρ) e transmitida (τ)através do corpo (se este não for opaco) o Se a temperatura do corpo for constante α + ρ + τ = 1 Corpo negro 12 o Um conceito central na termometria de radiação é o de corpo negro o Corpo negro é uma superfície que não reflecte, mas que absorve toda a radiação independentemente da direcção e do comprimento de onda. É também um emissor perfeito. o Emissividade (ε) o ratio entre a radiação térmica emitida id por uma superfície real e a radiação térmica emitida por uma corpo negro, nas mesmas condições o para o corpo negro ε = 1 o para todos os corpos reais ε < 1 o para corpos totalmente transparentes ou reflectores ε = 0

4 Corpo negro 13 o O corpo negro é um conceito teórico. Todos os corpos reflectem sempre uma fracção da radiação que sobre eles incide o A melhor aproximação prática é uma cavidade, com uma superfície interna uniforme, que comunica com o exterior através de uma pequena abertura Emissividade 14 o Para medir correctamente a temperatura utilizando termómetros de radiação é necessário conhecer a emissividade do corpo cuja temperatura se mede o pode ser obtida a partir de valores tabelados o pode ser medida experimentalmente o Considerando o caso de um corpo com ε = 0,6. Este corpo apenas emite 60% da radiação de um corpo negro. Se não for feita uma correcção, a temperatura medida será inferior à temperatura real Emissividade 15 o Os corpos reais podem ser classificados como o corpos cinzentos se a emissividade não variar com o comprimento de onda o corpos não cinzento se a emissividade variar com o comprimento de onda Leis da radiação 16 o Lei de Stefan: energia total radiada por uma superfície, por unidade de área e de tempo W = εσtt 4 (σ: constante de Stefan-Boltzman; T: temperatura absoluta) a generalidade dos objectos orgânicos comportam-se como corpos cinzentos, com emissividades entre 0,9 e 0,95 o A distribuição da energia radiada pode não ser uniforme com a direcção o muitas superfícies são, aproximadamente, emissores difusos, ou seja, a intensidade da radiação emitida é independente da direcção

5 Leis da Radiação 17 o Lei de Planck: a intensidade da radiação com comprimento de onda λ emitida por um corpo negro à temperatura T, por unidade de tempo e de área Lei de Planck 18 E λ,b (λ,t) = C 1 /λ 5 [exp(c 2 /(λt))-1] (C1, C2: primeira e segunda constantes da radiação) Lei de Planck 19 o Quanto maior a temperatura, maior a intensidade da radiação o Corpos com temperatura elevada emitem no espectro do vísivel o Quanto menor o comprimento de onda, maior a diferença de intensidade da radiação entre diferentes temperaturas Leis da Radiação 20 o Lei de Wien: comprimento de onda para o qual a intensidade da radiação é máximo, a uma determinada temperatura λ max = C 3 /T (C 3 : terceira constante da radiação)

6 Lei de Wien 21 Superfícies reais 22 o As propriedades dos materiais cuja temperatura se pretende medir têm que ser consideradas o Alterações na emissividade, i id d radiação devida a outras fontes, perdas de radiação (por exemplo, devidas a poeiras, vapor, ) podem introduzir i erros nas medições efectuadas Superfícies reais 23 Termómetros de radiação 24 o Também conhecidos como pirómetros o Basicamente, são constituídos por um sistema óptico e um detector o λ < 2,6: o vidro é altamente transparente e a emissivade é praticamente zero; o λ > 4: o vidro é quase totalmente opaco e a emissividade é superior a 0,97

7 Termómetros de radiação 25 o O sistema óptima foca a radiação emitida num detector, sensível à radiação o O sinal gerado pelo detector é proporcional à quantidade de energia radiada pelo objecto (menos a quantidade absorvida pelo sistema óptico) e à sua resposta a comprimentos de onda específicos Termómetros de radiação 26 o Os termómetros de infravermelhos utilizam a radiação emitida com comprimentos de onda geralmente entre os 0,7 e o 14 mícron o Esta resposta pode ser utilizada para inferir a temperatura do objecto o A emissividade do objecto é fundamental na conversão do sinal do detector num valor preciso de temperatura Termómetros de radiação 27 o Podem medir a radiação, logo a temperatura, à distância o não há necessidade de contacto o Adequados para medir a temperatura de objectos que não podem ser alcançados ou que estejam em movimento o Medem a temperatura t de superfícies o Tempos de resposta muito rápidos o adequados para medições de temperatura frequentes o acompanham mudanças de temperatura muito rápidas o Conseguem medir temperaturas muito elevadas Termómetros de radiação 28 o Podem ser bastante dispendiosos o Necessitam de manutenção regular o limpeza do sistema óptico o Não existem curvas de calibração aceites pela indústria (como existem para os RTD s e os termopares) o De acordo com a aplicação pretendida, devem ser criteriosamente escolhidos

8 Emissividade 29 o Parâmetro crítico na conversão do sinal do detector num valor de temperatura o Emissividade (emissivity): propriedade de um material o Emitividade(emittivity): propriedade de um objecto particular o depende da emissividade, da forma, do estado da superfície, o também pode depender da temperatura e do comprimento de onda utilizado Emissividade 30 o Podem ser usados valores tabelados para diferentes materiais o A emissividade i id d pode ser medida experimentalmente medindo simultaneamente a temperatura t do objecto com um termómetro t de radiação e com outro termómetro (termopar, RTD) o a diferença entre as leituras deve-se à emissividade o nesta determinação deve ser utilizado o mesmo comprimento de onda que será utilizado para efectuar medições Emissividade 31 o Se entre o termómetro e o objecto existir uma janela, é necessária a introdução de correcções o as superfícies de vidro reflectem cerca de 4% da radiação o as perdas devidas a outros materiais podem ser obtidas através do índice de refracção do material no comprimento de onda utilizado para medir a temperatura Emissividade 32 o As incertezas relativas à emissividade também podem ser diminuídas utilizando comprimentos de onda mais pequenos (0,7 mícron) o a resposta mais elevada observada nestes comprimentos de onda tende a sobrepor-se aos efeitos de alterações na emissividade

9 Factor N 33 o O sinal de saída de um termómetro de radiação pode ser, genericamente, descrito por Factor N 34 o Termómetros de radiação com factor N elevado são menos sensíveis a alterações na emitividade o ε: emitividade id d o V(T): sinal de saída o K: constante o T: temperatura do objecto o N: factor N (=14388/(λT)) V(T) = ε KT N o λ: comprimento de onda equivalente o Também são menos afectados por outras condições ambientais o sujidade do sistema óptico o gases ou poeiras no caminho de leitura Termómetros de radiação 35 o Termómetros de infravermelhos (IRT) o banda larga o banda estreita o ratio (ou duas cores) o Pirómetros ópticos IRT banda larga 36 o São os mais simples e, geralmente, os menos dispendiosos o Respondem a comprimentos de onda que podem ir desde os 0,3 mícron até aos 20 mícron, dependendo d d do sistema óptico utilizado o Termopares de infravermelhos o São designados banda larga por medirem uma fracção significativa da radiação térmica emitida por um objecto

10 IRT banda larga 37 o Dependem fortemente da emissividade IRT banda larga 38 o São muito sensíveis a poeiras, gases, vapor de água, o O sistema óptico tem que ser mantido limpo o Intervalos padrão o 0 a 1000ºC e 500 a 900ºC (erro de medição em função da temperatura real para um IRT de banda larga calibrado com ε = 1) o Precisão típica: 0,5 a 1% do intervalo IRT banda estreita 39 o Respondem a uma banda mais estreita de comprimentos de onda (por isso também são, por vezes, chamados de cor única) o Tipicamente respondem a intervalos de comprimento de onda com largura inferior i a 1 mícron o tal é conseguido pela utilização de filtros da radiação, pela utilização de detectores mais sensíveis e de amplificadores de sinal IRT banda estreita 40 o A utilização de filtros de radiação permite uma maior selecção dos comprimentos de onda utilizados o Alguns exemplose o 8 a 14 mícron: evita a interferência da humidade na atmosfera para medições a grande distância o 7,9 mícron: para medição da temperatura de filmes de plástico o 5 mícron: para a superfícies de vidro o 3,86 mícron: evita a interferência do dióxido de carbono e do vapor de água em chamas e gases de combustão

11 IRT banda estreita 41 o A utilização de comprimentos de onda longos ou curtos também depende pela gama de temperaturas que se pretende medir o quanto maior a temperatura, mais o pico de intensidade de radiação se desloca para comprimentos de onda mais curtos IRT banda estreita 42 o A utilização de comprimentos de onda curtos (próximos dos 0,7 mícron) torna o IRT menos sensível a erros na emissividade o mas o termómetro pode perder sensibilidade devido à reduzida quantidade de energia disponível o Comprimentos de onda o curtos para temperaturas elevadas (acima dos 500ºC) o longos para temperaturas baixas (abaixo dos -45ºC) IRT banda estreita 43 o Gamas de temperatura típicas o -38 a 600ºC o 0 a 1000ºC o 600 a 3000ºC o 500 a 2000ºC o Precisão típica: 0,25% a 2% da gama IRT ratio radiation 44 o Também designados duas cores por utilizarem medições efectuadas em duas bandas estreitas de comprimentos de onda o a razão entre a energia emitida nos dois comprimentos de onda é uma função da temperatura o a temperatura obtida depende só da razão das duas energias medidas, e não do seu valor absoluto

12 IRT ratio radiation 45 IRT ratio radiation 46 o Qualquer parâmetro, como a área da superfície medida, que afecte de igual forma a energia nas duas bandas utilizadas, não tem qualquer efeito na temperatura medida o A utilização da razão entre as duas radiações pode eliminar (ou reduzir) os erros devidos a o alterações na emissividade o acabamento das superfícies o existência de materiais que absorvem energia entre o objecto e o termómetro (por exemplo, vapor de água) IRT ratio radiation 47 o Podem utilizar mais do que dois comprimentos de onda diferentes o termómetros mais modernos conseguem analisar as características da superfície cuja temperatura estão a medir o é possível detectar, e corrigir, desvios devidos a alterações na emissividade Pirómetro óptico 48 o Medem a radiação num intervalo estreito de comprimentos de onda no espectro visível do vermelho (à volta do 0,65 mícron) o Tipicamente, são operados manualmente e precisam da intervenção de um operador o A utilização de termómetros de duas cores deve ser seriamente considerada se o a precisão das medições é importante o o sistema medido sofre alterações físicas ou químicas

13 Pirómetro óptico 49 Pirómetro óptico 50 o A energia radiante emitida pelo corpo é focada sobre uma lâmpada de incandescência, sendo a imagem conjunta, depois de filtrada, observada através de um ocular o Nos pirómetros manuais, o operador ajusta a corrente da lâmpada incandescente até que o filamento desapareça da imagem o Em pirómetros mais recentes, este ajuste é feito automaticamente Construção 51 o Os componentes fundamentais de um termómetro de radiação são o sistema óptico o detector o Estes componentes devem ser seleccionados de forma a obter o melhor compromisso entre o custo o precisão, tempo de resposta, gama de temperatura medida Detectores 52 o Os detectores utilizados nos termómetros de radiação podem ser térmicos, de fotões ou piroeléctricos o Os detectores de radiação são afectados pela temperatura t ambiente, sendo necessária compensação

14 Detectores térmicos 53 o São os mais frequentemente utilizados o Geram um sinal porque são aquecidos pela energia que absorvem o São relativamente lentos, porque é necessário que atinjam o equilíbrio térmico o tempos de resposta de 1 segundo, ou mais o o tempo de resposta depende da sua massa Detectores térmicos 54 o Termopilhas: dois ou mais termopares em série, usualmente dispostos de forma a que as suas junções quentes formem um círculo o Podem ser conseguidos tempos de resposta de 10 a 15 milisegundos ( advanced thin film thermopiles ) o É necessária compensação da junção fria para compensar os efeitos da temperatura ambiente o São pouco sensíveis Detectores de fotões 55 o Quando sobre eles incide radiação, libertam carga eléctrica, que é medida como uma voltagem ou uma alteração da resistência o Têm um comprimento de onda máximo, a partir do qual não respondem. O pico de resposta está geralmente próximo deste limite Detectores de fotões 56 o São muito sensíveis o 1000 a 100, vezes mais sensíveis que os detectores térmicos o Tempos de resposta na ordem dos microsegundos o Operam em bandas de comprimento de onda estreito

15 Termopares de infravermelhos 57 o A utilização de termorpilhas como detectores é comum em termómetros de radiação o Daqui surgiu uma nova classe de termómetros de radiação, os termopares de infravermelhos Termopares de infravermelhos 58 o Transformam a radiação recebida num sinal eléctrico o não necessitam de fonte de alimentação externa o O sinal gerado segue as leis da radiação e, por isso, a sua variação com a temperatura é não linear o no entanto, e numa determinada gama de temperatura, a relação do sinal com a temperatura é suficientemente linear Termopares de infravermelhos 59 Termopares de infravermelhos 60 o Região linear (2%): neste intervalo de temperatura, o sinal gerado pelo termopar de infravermelhos produz um sinal com uma diferença inferior i a 2% relativamente a um termopar convencional

16 Aplicações 61 Aplicações 62 Para terminar 63 If you have other jobs than IR thermometry. I preach this all the time, but this time I have to say: There are so many things in this field that you cannot do yourself. You just have to use the experience of those willing people who have made it their career to design, build and apply IR Thermometers. Let them guide you through this application minefield. Arthur Holland in Infrared Thermometers. Point and Shoot hand-held models ( th /t i /t t i t Calibração 64 o Todos os termómetros, excepto os primários, têm que ser calibrados o A calibração faz-se por comparação com termómetros primários ou em banhos (pontos fixos da escala internacional i de temperatura, t EIT) o Na indústria recorre-se frequentemente a termómetros de referência (próprios p ou em laboratórios de reconhecida competência)

17 Calibração 65 o Padrões o termómetro de gás o termómetro de quartzo o células de ponto fixo (equipamentos delicados, que exigem manuseamento cuidado) Calibradores 66 o o o São comparadores da temperatura de um padrão de calibração e um termómetro que se pretende calibrar Têm uma grande aplicação industrial (in situ) e laboratorial São constituídos por uma resistência rigorosa (Pt, W), um controlador de temperatura e um indicador geral o o Rigor da ordem de 0,1 a 0,5 ºC, dependendo da gama de temperaturas Utilizam blocos calibradores, com orifícios de diâmetro diferente, para acomodar termómetros de diversos tipos Selecção de termómetros 67 o Gama de temperaturas a medir o Fiabilidade do sensor / transmissor o Agressividade do meio o Facilidade de instalação e manutenção o Simplicidade de utilização o Repetitibilidade, sensibilidade e linearidade o Resposta dinâmica o Custo o Normalização na fábrica o Experiência anterior Selecção de termómetros 68