Termometria Infravermelha Teoria Básica

Transcrição

1 Termometria Infravermelha Teoria Básica Infratemp Revisão 1 Maio/2010

2 1 - INTRODUÇÃO A temperatura é uma das grandezas físicas mais medidas, apenas suplantada pelo tempo. A temperatura possui um importante papel como indicador da condição de um produto ou elemento de um equipamento, seja na fabricação ou no controle da qualidade. A correta monitoração da temperatura melhora a qualidade do produto e a produtividade da empresa. Os processos de fabricação podem prosseguir sem interrupções e sob condições otimizadas. Os métodos para medição de temperatura podem ser divididos em medição com contato e medição sem contato. Nos métodos de medição com contato, o termômetro é instalado de modo que seu elemento sensor entre em contato físico com o meio cuja temperatura se quer determinar. A troca de energia entre o termômetro e o meio dá-se principalmente através do fenômeno da condução térmica. Termômetro e meio devem estar em equilíbrio térmico no momento da medição da temperatura. Termômetros de contato são excelentes para a medição da temperatura de meios líquidos e gasosos mas podem apresentar restrições na medição da temperatura de corpos sólidos. Nos métodos de medição sem contato, a transmissão de energia entre o termômetro e o meio dáse por radiação. São indicados para a determinação superficial da temperatura e quando o meio em medição está visualmente acessível, seja através de uma janela, abertura ou fibra óptica. Um termômetro de radiação indica a temperatura de um objeto medindo a radiação eletromagnética que o objeto emite. 2 - O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO O espectro eletromagnético (Figura 1) contém diversas formas de emissões eletromagnéticas como infravermelho, luz visível, raios-x, ondas de rádios e várias outras. A diferença entre essas emissões é o seu comprimento de onda (λ), que é relacionado com a freqüência. O olho humano só responde à região visível do espectro. Figura 1. Espectro Eletromagnético Todos conhecemos o vermelho sombrio do carvão no fogo e o branco brilhante das lâmpadas incandescentes. Sabemos que quanto mais brilhante e branco for um objeto, mais quente ele está. Esta é a forma mais simples da termometria de radiação. Embora simples, a distinção da temperatura com base nas cores por ser bastante exata. Alguns profissionais de industrias cujos processos atingem altas temperaturas, como as siderúrgicas, podem estimar a temperatura dentro de ±50ºC, apenas baseando-se na cor do material (Tabela 1).

3 Tabela 1. Temperatura x cor percebida. Temperatura ºC Cor 500 vermelho pouco visível 700 vermelho sombrio 900 cereja 1000 cereja brilhante 1100 vermelho alaranjado sombrio 1250 amarelo alaranjado brilhante 1500 branco 1800 branco ofuscante Pelo fato de nossos olhos não conseguirem detectar radiação dos corpos com temperatura inferior a 500ºC, a maioria de nós associa a radiação térmica apenas a objetos quentes. Entretanto, qualquer objeto cuja temperatura esteja acima do zero absoluto emite energia eletromagnética, a qual se propaga no espaço à velocidade da luz. Esse fenômeno deve-se ao movimento mecânico das moléculas de um corpo, cuja intensidade aumenta com a temperatura do objeto. Como o movimento das moléculas significa deslocamento de carga, ocorre a emissão de energia eletromagnéticas (partículas de fótons). Estes fótons movem-se à velocidade da luz e comportamse conforme os princípios ópticos conhecidos. Compreendendo como essa radiação se relaciona com a temperatura podemos fazer medições precisas de temperatura em uma ampla faixa. Termômetros de radiação são projetados para responderem a comprimentos de onda da porção infravermelha do espectro, entre 0,2 e 20 µm. A maior parte da radiação infravermelha não pode ser vista pelo olho humano. Essa radiação, entretanto, pode ser dirigida para um detector dentro de um termômetro de radiação, através de um sistema óptico, de forma bastante parecida ao que acontece com a luz visível e o olho humano. Os termômetros de radiação possuem três características principais que os distinguem dos demais termômetros. São termodinâmicos, ou seja, baseiam-se numa lei física universal que descreve objetos reais com alta exatidão. Os termômetros de radiação podem ser construídos com referência apenas no ponto triplo da água. A lei da radiação termodinâmica é também a base da escala de temperatura acima do ponto da prata (~960ºC). São termômetros sem contato e usados para medir a temperatura de objetos distantes ou em movimento. Isto torna possível medir a temperatura dentro de fornos, do fogo e até do sol e das estrelas, locais muito hostis para qualquer termômetro de contato. Usam a superfície do objeto de interesse como sensor. Isso é tanto uma benção quanto uma maldição. Enquanto o uso do objeto como sensor supera uma série de problemas como imersão e contato térmico que afetam outros termômetros, levanta questões ainda mais difíceis sobre rastreabilidade. Como podemos tornar uma medição rastreável, se ela pode envolver uma superfície diferente cada vez que o instrumento é usado? Absorção, Transmissão e Reflexão Os objetos quentes emitem radiação em uma ampla faixa do espectro eletromagnético. Os objetos nas temperaturas de interesse prático emitem radiações situadas na porção infravermelha ou visível do espectro. A Figura 2. ilustra a representação gráfica da distribuição da radiação térmica.

4 Radiância espectral (Wm -2 µm -1 sr - 1 ) Comprimento de onda (λ) Figura 2. Lei de Planck: radiância espectral de um corpo negro em função da temperatura A área abaixo de cada curva representa a quantidade de energia emitida naquela temperatura a radiância espectral ou brilho óptico de uma superfície. A vantagem de se usar a radiância ao invés de outras grandezas ópticas é que a radiância independe da distância até a superfície e do tamanho da superfície. A escala horizontal indica os comprimentos de onda nos quais a radiação é emitida. A radiação emitida em comprimentos de onda menores que 0,4µm é chamada de ultra-violeta ou UV enquanto que a radiação emitida nos comprimentos maiores que 0,7µm é chamada de infravermelha ou IV. Podemos observar a partir da Figura 2 que para objetos abaixo de 700 K (500ºC) toda a radiação está na invisível região do infravermelho. Conforme a temperatura aumenta as curvas de radiância começam a beirar a extremidade vermelha do espectro visível. Aumentando mais ainda o espectro de emissão move-se em direção ao visível e vemos os objetos com as cores descritas na Tabela 1. Em temperaturas acima de 1500ºC a 1800ºC os objetos tornam-se tão brilhantes que nossos olhos têm dificuldade de distinguir a cor com precisão e conforto. Quando a energia infravermelha radiada por um objeto atinge um outro corpo, uma porção dessa energia será absorvida, outra porção refletida e, se o corpo não for opaco, outra porção será transmitida através dele. A soma dessas três partes individuais deve ser igual ao valor inicial da radiação emitida pela fonte. Se chamarmos de a, r e t, respectivamente, absorção, reflexão e transmissão, então: a + r + t = 1

5 Figura 3. Absorção, reflexão e transmissão da radiação incidente em um corpo. Se tivermos um corpo totalmente não reflexivo e completamente opaco, toda energia radiada e recebida por este corpo será absorvida. Este tipo de corpo é um absorvedor perfeito e também será um emissor perfeito de radiação. Um absorvedor e emissor perfeito é chamado de corpo negro. Um corpo negro não apresenta, necessariamente, a cor preta. Trata-se de um termo usado para descrever um objeto capaz de absorver toda a energia que o atinge e de emitir a máxima radiação para uma dada temperatura. Pode-se construir boas aproximações dos corpos negros ideais com cavidades que são feitas para aprisionar e não refletir a luz Corpo negros e radiação de corpo negro Em 1900 Planck derivou a descrição matemática da distribuição da radiação de corpo negro ilustrada na Figura 2: onde L é a radiância, os subscritos λ e b indicam, respectivamente a radiância espectral e o corpo negro, λ é o comprimento de onda da radiação e T é a temperatura do corpo negro em kelvin. As duas constantes c e c são conhecidas como a primeira e segunda constantes de radiação, e 1 2 seus melhores valores medidos atualmente são: c = 1, x W.m 2 e c = 0, m.k 1 2 A Lei de Planck, é usada para definir a escala de temperatura ITS-90 acima do ponto da prata (961,78ºC). Para isso, apenas a segunda constante de radiação é necessária e o valor a ela atribuído é c = 0, m.k. 2 A observação das curvas da Figura 2 permite concluir: À medida que aumenta a temperatura do objeto, a curva aumenta em amplitude e o valor de pico desloca-se para os comprimentos de onda menores; Em comprimentos de onda menores que o de pico, a inclinação da curva é bastante acentuada; Em comprimentos de onda maiores que o de pico, a inclinação da curva é lenta e quase linear.

6 A relação entre o comprimento de onda no qual ocorre o pico da radiação pode ser obtida de: À temperatura ambiente (300 K), por exemplo, a radiância espectral máxima está próxima de 10 µm e a 3000 K, o pico ocorre próximo a 1 µm. A Lei de Wien simplifica a Lei de Planck, fornecendo uma aproximação melhor que 1%: É utilizada para estimar erros e incertezas das medições. Alguns exemplos de energia emitida por corpos negros são ilustrados na Tabela 2. Tabela 2. Taxa de emissão dos corpos negros numa faixa de temperatura. Temperatura (ºC) Taxa de emissão (por metro quadrado) 25 (temperatura ambiente) 470 W 230 (ponto de fusão do estanho) 3,6 kw 500 (elemento quente num forno) 20 kw 1000 (chama amarela) 150 kw 2500 (filamento de lâmpada) 3,4 MW 5800 (sol) 77 MW A tabela mostra que a radiância total aumenta muito rapidamente com a temperatura. Na extremidade dos comprimentos de onda curtos do espectro da lei de Planck, a radiância aumenta violentamente. Para λ<λ a radiância espectral segue aproximadamente a relação de potência: max L α T x onde, usando-se a aproximação para c2, Numa temperatura de 1200K e um comprimento de onda de 1 µm, a radiação espectral muda em T 12. Isto é típico do regime de operação da maioria dos termômetros de radiação. Um dos primeiros termômetros de radiação, o termômetro de filamento operava em 650 nm e temperatura a partir de 600ºC: aqui, a relação de potência é T 25. Essa mudança rápida da radiância com a temperatura tem um lado bom e um lado ruim. Dentro da faixa de operação de um termômetro a radiância medida pode variar em um fator de vezes. É muito difícil projetar um instrumento que seja exato dentro de uma faixa tão dinâmica. A alta relação de potência, entretanto, torna o instrumento extremamente sensível, o que é positivo, porque as medições ópticas estão entre as mais difíceis. Mesmo em condições de laboratório é difícil medir radiância melhor que ±1%. Um problema mais sério é que raramente conseguimos determinar a emissividade melhor que ±5%. Se não fosse pela alta relação de potência, as medições pela termometria de radiação teriam incertezas tão altas que não seriam factíveis. 2.3 Emissividade Conforme mencionado anteriormente, um objeto que radia a maior quantidade de energia possível em uma determinada temperatura é conhecido como corpo negro. Na prática, os objetos reais não são corpos negros e tendem tanto a emitir quanto a refletir a radiação, mesmo que estejam à mesma temperatura que um corpo negro. Assim sendo, a radiância espectral de um objeto real é

7 dada por: L λ = ε (λ)l λ,b onde ε (λ) significa que a emissividade pode variar com o comprimento de onda. A Figura 4, a seguir, mostra porque os corpos reais não são emissores perfeitos de radiação. Num corpo aquecido, à medida que a energia se move para a superfície, uma certa quantidade é refletida de volta e não deixará o corpo por radiação. Figura 4: Emissividade x reflexividade A habilidade de um corpo radiar energia é chamada emissividade (ε). É uma característica da superfície, que depende não apenas do tipo de material, mas da condição da superfície e do comprimento de onda em que a radiação é emitida, o que, por sua vez, depende da temperatura do corpo (Figura.2). Veja na Tabela 3 valores típicos de emissividade de alguns matérias, no comprimento de onda 1 µm. Tabela 3: Valores típicos de emissividade Material Ferro e Aço Oxidado Alumínio Oxidado Cobre Oxidado Emissividade (1 µm) 0,35 0,85 0,13 0,40 0,06 0,80 Tijolo 0,80 Asfalto 0,85 Amianto 0,90 A tabela mostra que não-metais, como tijolo, asfalto e amianto possuem altos valores de emissividade. Por outro lado, metais com superfícies não oxidadas possuem baixa emissividade. A energia não é transmitida através de objetos opacos. De acordo com a lei de Kirchof assume-se que toda radiação absorvida por um corpo e que tenha provocado um aumento na temperatura, também é emitida por esse corpo. O resultado é: Absorção = Emissão = 1 Reflexão

8 Um corpo negro ideal não reflete energia (R = 0). Portanto, para um corpo negro, E=1. 3 -TERMÔMETROS DE BANDA ESPECTRAL OU SINTONIZADOS A maioria dos termômetros medem a radiância dentro de uma banda de comprimentos de onda relativamente estreita, dentro da faixa de 0,2 a 20 µm. A escolha do comprimento de onda depende, entre outros fatores, da faixa de temperatura, do ambiente e do tipo da superfície a ser medida. Essa faixa de comprimentos de onda inclui a maioria dos termômetros de uso industrial e todos os termômetros padrão. A Figura 5 ilustra um diagrama simplificado de um termômetro de banda espectral. O princípio básico de operação é coletar a radiação da superfície, filtrá-la e medi-la com um sistema detector de sinal e enviá-la para um processador. As partes essenciais do termômetro são: a) O detector, que converte a radiação incidente em um sinal, normalmente, de natureza elétrica; b) Um sistema óptico, que define o campo de visão do termômetro (FOV field of view) e o ângulo de aceitação do termômetro. A lente é usada para focalizar a imagem de uma área do alvo; as aberturas definem o tamanho de alvo que o termômetro consegue ver ; o filtro seleciona a banda de comprimento de onda à qual o termômetro é sensível; Figura 5. Esquema de um termômetro de radiação de banda espectral mostrando os elementos básicos da sua construção e operação. c) Uma carcaça para abrigar todas essas peças; d) Uma conexão elétrica que conduz o sinal de saída; e) Um amplificador para a saída do detector (de ma ou mv para V); f) Um indicador de temperatura analógico ou digital; g) Um dispositivo para ajuste da emissividade Detectores Há dois tipos de detectores: térmicos e de fótons. Nos detectores térmicos a radiação incidente é absorvida como calor e o aumento da temperatura produz o sinal de saída. O detector absorve todos os comprimentos de onda mas sua resposta espectral é limitada pela transmissão do sistema óptico. Uma vez que a operação depende de se

9 atingir uma temperatura de equilíbrio, é necessária uma quantidade finita de radiação, dependendo da massa térmica do detector. Para uma resposta rápida, o detector deve ser fino (e, portanto, delicado). Os detectores térmicos incluem: Termopilha: feita de diversos termopares ligados em série, soldados em tiras e pintados de preto, para aumentar a absorção. O tempo de resposta típico é 100 ms. Piroelétrico: consiste de uma tira de material que quando é aquecido pela radiação incidente produz uma carga entre as duas faces (de maneira análoga ao efeito piezo-elétrico). A pulsação da radiação produz uma corrente alternada que é proporcional ao aumento da temperatura e, desta forma, à radiação incidente. Nos detectores de fóton, os fótons incidentes carregam os elétrons da banda de valência para a banda de condução, desde que o fóton tenha energia maior do que a lacuna de energia entre essas duas bandas; isto significa que o fóton dever ter um comprimento de onda menor que um valor crítico. Os elétrons livres resultantes podem ser induzidos a produzir uma corrente elétrica, seja aplicando-se um potencial através do dispositivo (modo foto-condutivo) ou pela presença de uma junção p.n. (modo fotovoltaico). Esses detectores possuem duas importantes características: operam somente em comprimentos de onda curto; como estão relacionados a fenômenos subatômicos, respondem com extrema rapidez, da ordem de poucos microsegundos. Os detectores de fótons incluem: Silício resposta espectral de 0,5 a 1,1 µm Germânio resposta espectral de 0,5 a 1,8 µm Sulfeto de chumbo resposta espectral de 0,5 a 2,8 µm Sistema óptico O sistema óptico de um termômetro de radiação compreende a lente, algumas vezes com uma lente secundária ou abertura à sua frente; um diafragma para restringir a área da lente que é efetivamente usada e um delimitador de campo, localizado na frente do detector. O uso de lentes é preferível ao uso de aberturas quando se deseja melhorar o desempenho do termômetro de radiação com alvos pequenos. Todos os termômetros coletam radiação de uma zona cônica bem definida, na frente do termômetro, referida como alvo. O tamanho mínimo ou máximo do alvo é definido pelas aberturas de definição e é conhecido como campo de visão. Idealmente o alvo deve ter limites definidos, de modo que qualquer radiação de fora do cone não cause interferência na leitura. Também é necessário que o alvo preencha completamente o campo de visão do instrumento, caso contrário, a temperatura indicada será uma média entre a temperatura do alvo e a temperatura dos arredores. Veja a Figura 6.

10 Figura 6: FOV x tamanho do alvo Figura 7: FOV e tamanho do alvo a várias distâncias A Figura 7 mostra os tamanhos de alvos que são medidos a diferentes distâncias do sistema óptico. O ponto focal do instrumento do exemplo é 170 mm, distância na qual o alvo precisa ter pelo menos 2 mm para garantir que o campo de visão esteja completamente preenchido. O instrumento pode ser usado a 200 mm do alvo; nesse caso o diâmetro mínimo do alvo é 9 mm. O campo de visão de um termômetro é definido pela distância entre o delimitador de campo e o centro óptico da lente, dividido pelo tamanho da abertura do delimitador de campo. O campo de visão pode ser expresso em termos de um ângulo ou em termos de uma razão entre uma distância focal e o tamanho do alvo nessa distância. Isso significa que um termômetro com um campo de visão de 100:1, a uma distância de 1000 mm, enxerga um alvo de 10 mm. Os fabricantes de termômetros de radiação normalmente fornecem uma carta óptica do termômetro com os tamanhos de alvos em várias distâncias. Embora um termômetro tenha um ponto focal determinado, ele pode ser usado a qualquer distância, desde que o alvo seja grande o suficiente e que, entre o alvo e o termômetro, não haja nenhum obstáculo que reduza a energia incidente. Para calcular o tamanho do alvo a qualquer distância são necessários 4 dados: O diâmetro ativo (L) da lente de termômetro; O ponto focal (V) do termômetro; O tamanho de alvo (T) no ponto focal; A distância entre o sistema óptico do termômetro e o alvo. V e T são obtidos na folha de especificação ou na carta óptica do termômetro. L é o tamanho do alvo à distância zero (carta óptica do termômetro). D é a distância à qual se pretende fazer a medição. Figura 8: Cáculo do tamanho do alvo para termômetros de foco fixo A Figura 9, a seguir, mostra um termômetro com foco ajustável e um sistema de mira óptica. O sistema de ajuste do foco, na parte posterior do instrumento, permite o ajuste após a instalação, no local definitivo. Ajusta-se o foco até se obter uma imagem nítida do alvo. O mecanismo interno de focalização garante que o foco visual e o foco infravermelho sejam ajustados simultaneamente.

11 Figura 9: Cálculo do tamanho do alvo para termômetros de foco ajustável O termômetro acima apresenta uma faixa de ajuste de foco de 500 mm até infinito. Esta faixa pode ser modificada com a colocação de lentes auxiliares, na frente do sistema óptico, o que permitirá a medição de alvos menores a distâncias também menores que 500 mm. Quando o foco é ajustável, o tamanho do alvo é calculado dividindo-se a distância entre o termômetro e o alvo, pelo campo de visão. Os termômetros de radiação também podem ser equipados com mira laser. O raio de laser permite apontar rápida e precisamente para o alvo desejado. Existem diversos tipos: mira simples, mira dupla, mira circular, mira de três pontos. Figura 10: Mira laser circular e mira laser coaxial de três pontos Materiais ópticos O sistema óptico de um termômetro deve ser projetado para transmitir a faixa completa de comprimentos de onda, dentro da resposta espectral do termômetro. Por exemplo, se o termômetro tiver uma resposta espectral entre 8 e 11,5 µm e os componentes ópticos desse termômetro forem de vidro óptico, o termômetro não verá o alvo corretamente. O diagrama da Figura 11 lista alguns materiais ópticos e suas faixas de transmissão.

12 Figura 11: Faixa de transmissão de materiais usados em termômetros de radiação 4 - ERROS NA TERMOMETRIA DE BANDA ESPECTRAL Existem dois componentes cruciais do termômetro, o elemento sensor, ou seja, a superfície de interesse e a trajetória da transmissão. Cada medição realizada com um termômetro de radiação envolve a caracterização dessas importantes partes do termômetro. O que descrevemos como o termômetro de radiação é apenas um radiômetro, ou seja, um instrumento que mede radiância, análogo ao voltímetro num circuito de termopar. Somente quando o termopar está conectado a um voltímetro, o conjunto forma um termômetro. Na termometria de radiação os erros podem ser divididos em três grupos principais: erros relacionados à caracterização da superfície: emissividade, reflexões e fluorescência; erros devido a variações no caminho da transmissão: absorção, radiações espúrias e efeito do tamanho o objeto; erros de processamento do sinal devido a variações na temperatura ambiente, linearização e emissividade instrumental. Os erros dominantes na termometria de radiação ou se referem à radiância medida ou à emissividade. Na maioria dos casos o erro causado por essas duas grandezas não é conhecido e é tratado como incerteza, expressa como: onde λ é expresso em micra e as incertezas relativas ρ, em porcentagem. Essa equação permite deduzir que:

13 Os erros e as incertezas aumentam com o comprimento de onda de operação, portanto, sempre que possível, deve-se preferir termômetros que operem em comprimentos de onda curtos; Os erros e incertezas aumentam quadraticamente com a temperatura; Os erros e incertezas aumentam, em 1/ε λ ; por isso os erros são muito grandes para materiais de baixa emissividade como os metais. A dependência dos erros em relação ao comprimento de onda pode causar confusão quando termômetros de diferentes comprimentos de onda são usados para medir a mesma temperatura. Na verdade, uma diferença nas leituras indicará que ambos estão errados uma vez que a maioria das fontes de erros depende do comprimento de onda e afeta todos os termômetros de banda espectral. 4.1 Erros na emissividade Na maioria das áreas da termometria de radiação a maior fonte de erro é a falta de conhecimento da emissividade da superfície. Existem diversos fatores que afetam a emissividade de um material. Comprimento de onda A emissividade de materiais polidos tende a decrescer à medida em que aumenta o comprimento de onda. Materiais não metálicos comportam-se de maneira diferente dos metálicos, mostrando um aumento na emissividade com o aumento do comprimento de onda. Materiais semi-transparentes como filmes plásticos apresentam grandes variações com o comprimento de onda e requerem consideração especial. Um corpo cinzento tem emissividade constante. Emissividad e Comprimento de onda Figura 1: Variação da emissividade com o comprimento de onda Condição da superfície Nos materiais metálicos a emissividade diminui com o polimento da superfície e aumenta com a rugosidade e grau de oxidação. Metais que sofreram laminação, por exemplo, normalmente possuem uma pesada camada de óxido, o que lhes confere um alto e estável valor de emissividade. Nos metais brilhantes oxidados, o valor da emissividade dependerá da espessura da camada de óxido. Em comprimentos de ondas maiores, a camada de óxido torna-se transparente e o

14 termômetro mede a superfície do metal não oxidado. Ângulo de visão O valor da emissividade da maioria dos materiais não depende muito do ângulo de visão, desde que ele não ultrapasse 45º. Temperatura A emissividade dos matérias não muda muito com a temperatura quando se usa um termômetro que opera numa banda estreita. Emissivi dade Desvio em relação a 90º Ângulo máximo de montagem Figura 2: Influência do ângulo de visão do termômetro Na prática não é muito difícil constatar se um material é polido ou rugoso, oxidado ou não e fazer uma estimativa da emissividade. A maioria dos fabricantes de termômetros de radiação fornece uma lista de materiais e sua emissividade no comprimento de onda em que o termômetro opera. Com essas informações é possível se fazer uma estimativa dentro de ± 0,05 para superfícies rugosas ou difusas e ± 0,1 para superfícies com polimento ou filme Determinação da emissividade Há diversos métodos para se determinar a emissividade de um objeto. Os fabricantes de termômetros de radiação costumam publicar tabelas para os materiais mais comuns. Elas servem como orientação mas não se pode esquecer de atentar para a condição da superfície e o comprimento de onda de operação, que também interferem na emissividade. Os exemplos a seguir ilustram a incerteza na medição da temperatura devido à incerteza da emissividade da superfície. Exemplo 1. Estime a incerteza na medição da temperatura do aço, em 1000ºC, considerando que a emissividade do aço altamente oxidado em 1 µm é estimada em 0,8 ± 0,1 (95%). A substituição direta na equação de Wien resulta:

15 Exemplo 2. Estime a incerteza na medição da temperatura do aço galvanizado, em 450ºC. A emissividade do zinco fundido em 4 µm é estimada em 0,15 ± 0,05 (95%). Como acima: Os exemplos ilustram a importância de se conhecer bem a emissividade de uma superfície e como a baixa emissividade pode inviabilizar a determinação da temperatura com termometria de radiação. Quando não se conhece a emissividade do material, o método mais simples é medir a temperatura da superfície com um termopar calibrado e ajustar a emissividade do termômetro de radiação até que forneça a mesma leitura de temperatura. Dependendo do comprimento de onda a incerteza será ±0,05. Outro método é fazer um corpo negro operar à mesma temperatura do material de interesse. Ajusta-se a emissividade no termômetro de modo que a leitura no material seja a mesma que no corpo negro, com a emissividade ajustada para 1,0. A versão mais simples desta técnica é cobrir uma parte da superfície com uma tinta preta, que possui emissividade entre 0,9 e 0,95. Pode-se igualmente esperar incertezas de ±0, Correção da emissividade Os termômetros de radiação normalmente possuem um ajuste de emissividade que corrige a indicação de temperatura, considerando a emissividade da superfície, que deve ser informada pelo usuário. A saída do termômetro é multiplicada por 1/ε. A Figura 14, a seguir, ilustra o efeito da emissividade na medição de temperatura quando se usam termômetros que operam em comprimentos de onda curtos e longos. Temperatur a indicada Emissividade do alvo Figura 3: Variação da emissividade com o comprimento de onda Observe que, para o termômetro de comprimento de onda curto, o erro é de aproximadamente 10ºC para uma mudança de 10% na emissividade, com o alvo à temperatura de 1000ºC. O termômetro de comprimento de onda longo dá erros muito maiores para uma situação similar. É aconselhável sempre escolher o termômetro que opere no menor comprimento de onda possível para a temperatura desejada. 4.2 Erros de reflexão

16 Vimos que, quando a radiação que sai do interior de um corpo chega à superfície, ela é parcialmente refletida de volta para o corpo. O mesmo acontece com a radiação que incide em uma superfície. Desta forma, a radiação que deixa uma superfície é a soma da radiação emitida e da radiação refletida. A primeira depende da temperatura do corpo e a segunda, da temperatura dos arredores. O termômetro não consegue distinguí-las. Portanto, a temperatura indicada dependerá dessas duas temperaturas, assim como da emissividade e reflexibilidade da superfície. Veja a Figura 15. Figura 4: Balanço da energia do corpo e do ambiente Vejamos os três casos possíveis: Um alvo quente e um ambiente normal Esta é a situação que acontece, por exemplo, na roughing stand of a steel rolling Mill. A radiação do ambiente é baixa e, para termômetros de comprimentos de onda longos, poderá ser ignorada. Veja a Figura. A saída do termômetro é V = EB + IR. Como o ambiente está frio, em comparação com o alvo, o componente IR pode ser ignorado. Um alvo quente, com ambiente à mesma temperatura Este pode ser o exemplo de uma medição no aço na zona de soaking de um steel rolling Mill reheat furnace ou da medição de vidro fundido dentro do glass furnace forehearth. Nesse caso, I = B e a radiação recebida é (1-RB) + RB = B, ou seja, como um corpo negro. O sistema funciona como um corpo negro e não há necessidade de correção da emissividade. Um alvo quente e um ambiente com temperatura maior que a do alvo Este pode ser o caso de uma medição do aço na zona de aquecimento do forno de recozimento ou a presença de um aquecedor elétrico próximo ao alvo. Além à energia do alvo, há uma grande quantidade de energia refletida pelas paredes do forno ou pelo objeto quente, o que pode ocasionar grandes erros. Esta é a situação mais difícil de lidar e não há uma única solução. É possível usar um tubo de visada que exclui a energia acrescentada pelo ambiente da visão do termômetro. Outra alternativa é determinar a magnitude da influência do ambiente e subtrair do valor medido pelo termômetro. Veja o esquema da Figura 16.

17 Figura 5: Medição de temperatura com um sistema de dois sensores O sistema é composto por um termômetro de radiação e um segundo sensor, como um termopar R/S, que mede a temperatura do ambiente. As saídas de ambos os sensores são enviadas ao processador, que pode então calcular a reflexibilidade do material a partir da emissividade ajustada (r = 1 e). Tendo o valor da reflexibilidade e a temperatura do ambiente, o processador calcula a magnitude da reflexão e a temperatura corrigida do alvo. Alguns instrumentos possuem um recurso automático, que permite medir a temperatura dos arredores e ajustar uma compensação para essa radiação extra, minimizando esse efeito. Figura 6: A compensação da temperatura ambiente é importante quando os alvos estão mais frios que os arredores A Figura 18 compara o desempenho de dois termômetros de radiação operando em comprimentos de onda de 1 µm e 3,9 µm. Todos esses fatores devem ser considerados para a correta especificação. Novamente, os fabricantes de termômetros de radiação, acostumados às mais diversas situações de medição, podem auxiliar na escolha dos acessórios e técnicas mais adequados.

18 Erro da medição Temperatura do ambiente Figura 7: Comparação entre dois termômetros de diferentes λ. Outras fontes de reflexão podem ser o sol ou a iluminação artificial do ambiente, que afetam termômetros de comprimentos de onda curtos. Veja o perfil da radiação emitida na Figura 19. Percentual de radiação Comprimento de onda µm Figura 8: Comparação entre dois termômetros de diferentes λ. Este problema é superado com o uso de uma proteção sobre o alvo, que fornece uma área sombreada. É importante salientar que, neste caso, é o alvo que necessita proteção, não o termômetro. 4.3 Erros de absorção Uma das maiores vantagens dos termômetros de radiação é que eles medem temperatura à distância. Entretanto, isso implica em usar o espaço entre o objeto e o termômetro como trajetória de transmissão e, infelizmente, a maioria dos gases, incluindo o ar, não são transparentes.

19 Figura 9. Transmitância de 300 m de ar ao nível do mar. Na Figura 20, as áreas acima da curva de transmitância estão escuras para enfatizar os comprimentos de onda nos quais a atmosfera é opaca (o vapor d água e o CO absorvem a 2 radiação). As partes do espectro em que a atmosfera é transparente (claras) são conhecidas como janelas. As janelas mais úteis para a termometria de radiação banda espectral são próximas de 0,65µm, 0,9 µm, 1,05 µm, 1,35 µm, 1,6 µm, 2,2 µm, 4 µm e 10 µm. A maioria dos termômetros é projetada para evitar as principais bandas nas quais a radiação é absorvida. Alguns termômetros de banda larga não são completamente imunes a esses efeitos. Mais uma vez, a escolha do termômetro e dos procedimentos de operação deve ser realiza com base nas bem estabelecidas práticas industriais. Em algumas aplicações industriais, não é somente a atmosfera que está entre o objeto e a lente do termômetro. Pode haver uma janela transparente no forno para permitir a medição. Nesse caso, é importante ter certeza de que o comprimento de onda de operação do termômetro é compatível com a banda de transmissão da janela transparente. Também é importante que a perda de energia através da janela e a alteração da emissividade do alvo devido à presença da janela, sejam compensados, para que se tenha a correta leitura da temperatura. A Tabela 4 mostra o comportamento dos diferentes materiais ópticos. Tabela 1: Perdas por reflexão na superfície da lente Material óptico Banda de utilização possível (µm) Perda por reflexão na superfície (%) Vidro óptico 0,3 a 2,7 4 Sílica 0,3 a 3,5 3,5 Fluoreto de Cálcio 0,15 a 12,0 3 Germânio 1,8 a 20 3 a 36 Safira 0,2 a 5,5 7 Sulfeto de Zinco 0,4 a 11,5 15 A emissividade do termômetro pode ser ajustada para compensar essas perdas. Por exemplo: se o termômetro estiver medindo um objeto de emissividade 0,80 através de uma janela de safira, o correto ajuste da emissividade dever ser o produto da emissividade da superfície pela transmissão da safira. A transmissão é igual a 100 % menos a perda por reflexão de cada superfície da janela, de acordo com a tabela, 7%. Assim, 100% - (7% + 7%) = 86%. O ajuste da emissividade será = 0,86 x 0,80 = 0,69 Ajuste da emissividade = Emissividade do objeto x 1- (perda / 100)

20 4.4 Efeito do tamanho do objeto Já conhecemos a necessidade de o campo de visão do termômetro estar completamente preenchido, para fornecer uma boa medição. Sabemos também, que o uso de tubos de visada ou a compensação automática da temperatura ambiente minimizam os efeitos de radiações espúrias. Além desses fatores, o correto ajuste do foco do termômetro e o seu alinhamento melhoram a qualidade da medição. Os principais efeitos que provocam a indefinição dos limites do alvo são: o alargamento do perfil do alvo (flare), causado por poeira no ambiente, riscos e imperfeições na densidade da lente; focalização deficiente; desalinhamento dos componentes ópticos do termômetro (queda do termômetro; mira laser x mira óptica). Figura 10. Efeitos do tamanho do objeto. a) perfil ideal de um alvo; b) perfil alargado (flare) ; c) perfil devido à focalização deficiente; d) desalinhamento. O efeito do alargamento é mais sentido nos termômetros com banda de operação superior a de 4 µm, devido à variação na densidade das lentes, que espalham a radiação e à maior sensibilidade do termômetro. O uso de tubos de visada é indicado. Como tanto os riscos quanto a poeira provocam esse mesmo efeito, o termômetro de radiação deve ser mantido com muito cuidado e sua lente regularmente limpa com produtos não abrasivos. Em ambientes sujos pode ser recomendável o uso de uma purga de ar. 5 USO E MANUTENÇÃO DE TERMÔMETROS DE RADIAÇÃO 5.1 Escolhendo um Termômetro de Radiação A primeira pergunta deveria ser se o termômetro de radiação é a melhor opção. Quase sempre, o termômetro de contato será uma alternativa de melhor exatidão. As situações nas quais o termômetro de radiação é adequado são: quando se busca a temperatura superficial de um objeto; quando o objeto estiver em movimento; quando o ambiente for muito hostil para termômetros de contato, devido à vibração ou corrosão; onde a temperatura for muita elevada, especialmente acima de 1100ºC, em regime contínuo; onde se necessitar de uma rápida resposta; quando se necessitar uma medição à distância; para medição de materiais que são maus condutores de energia (madeira, plástico etc); equipamentos de alta tensão ou sujeitos a campos eletromagnéticos; onde um termômetro de contato iria afetar o equilíbrio de temperatura ao redor do objeto.

21 Quando estiverem envolvidos um ou mais desses fatores o termômetro de radiação pode ser a única opção. Existem duas grandes categorias de termômetros de radiação: portáteis e fixos. Os termômetros portáteis são aplicáveis nas áreas: automotiva/transporte, inspeções elétricas diversas, segurança doméstica e economia de energia, HVAC/R (aquecimento, ventilação, ar condicionado e refrigeração), atividades de manutenção das plantas fabris etc. Os termômetros fixos são tradicionalmente usados nas indústrias de: cimento, vidro, gesso, metalurgia e plástico. Os aspectos a serem considerados na especificação de um termômetro são: - Faixa de temperatura. O limite de erro de termômetros que operam em amplas faixas de temperatura costuma ser maior que o de faixas estreitas. - Limite de erro. Deve-se atentar para a forma como é expresso o limite de erro: % da faixa ou % leitura. Deve-se considerar ainda os erros prováveis devidos a reflexão, incerteza da emissividade da superfície e radiações espúrias. Se a probabilidade de erros for grande deve-se preferir os termômetros de comprimentos de onda menores e alta qualidade. O ajuste digital da emissividade também é a melhor opção. - Comprimento de onda de operação. Os menores comprimentos de onda são os melhores. Entretanto, há casos em que os maiores comprimentos de onda são mais vantajosos: se houver muitas fontes de reflexão, poeira, fumaça ou chamas visíveis. Para uso na indústria de plástico ou vidro, o termômetro deve operar na faixa espectral em que esses materiais são opacos. - Campo de visão. O campo de visão é determinado pelo tamanho do alvo e a distância mais conveniente para sua medição. - Tempo de resposta. O tempo de resposta varia de 0,001 a 10 segundos. - Tipo de leitura. A maioria dos fabricantes fornece opções de saída como: termopar, analógica, digital, corrente ou tensão. - Considerações sobre o ambiente. Se houver poeira ou vapor será necessária uma purga de ar; se a temperatura ambiente for muita elevada será necessária uma jaqueta de proteção e resfriamento. Outras opções podem ser à prova de explosão e proteções contra radiação. - Aplicação/fabricante. Normalmente os fabricantes são a melhor ajuda para especificar adequadamente um termômetro. Os grandes fabricantes especializam-se em atender certas aplicações e possuem a experiência necessária para alertar sobre os principais problemas que envolvem essas medições. - Calibração. Deve-se pensar também em como o termômetro será calibrado. Se o número de termômetros for pequeno convém enviar para um laboratório especializado. Alternativamente existem fontes de corpo negro de custo relativamente baixo que podem ser adquiridas para garantir a rastreabilidade 5.2 Manutenção Os termômetros de radiação devem ser tratados como uma câmera fotográfica cara. As lentes devem ser periodicamente limpas, de acordo com as instruções do fabricante. 5.3 Usando o Termômetro Quando se usa um termômetro de radiação é interessante seguir uma lista de verificação para minimizar os erros de medição: - Emissividade. Conheça a emissividade da superfície. Gaste algum tempo antes da medição estudando o manual do usuário do seu termômetro e amostras do seu material para ter uma boa estimativa da emissividade. - Reflexões. Verifique sistematicamente a existência de fontes de reflexão próximo à superfície que vai ser medida (objetos brilhantes, luz solar, chamas, resistências, paredes de fornos e lâmpadas incandescentes). Proteja o alvo ou o termômetro, conforme o caso.

22 - Ambiente. Evite levar o termômetro em áreas com muita poeira, altas temperaturas e umidade excessiva. Se você não conseguir colocar a mão sobre o termômetro, ele está muito quente. Acima de 70ºC é necessário um sistema de resfriamento. - Absorção. O alvo deve ser visível ao termômetro. Certifique-se que não há janelas opacas, fumaça, poeira ou névoa no campo de visão do instrumento. - Campo de visão. O campo de visão do instrumento deve estar completamente preenchido e preferivelmente sobre-preenchido da maneira mais uniforme possível. - Segurança e exposição a fontes brilhantes. Nunca focalize o sol com um termômetro de radiação. Além de danos ao instrumento podem ser causados danos permanentes ao olho humano. 6 OUTROS TERMÔMETROS DE RADIAÇÃO 6.1 Termômetros de Filamento O termômetro de filamento foi o primeiro termômetro de banda espectral. Ele usa o olho do observador para comparar a radiância da superfície contra uma radiância conhecida um filamento de tungstênio incandescente. A temperatura do filamento é ajustada até que tenha a mesma radiância da superfície ao fundo e desaparece. A corrente através do filamento é o indicador da temperatura da superfície. O termômetro de filamento opera em comprimentos de onda muito curtos, cerca de 650 nm de forma que as incertezas instrumentais, inclusive a dependência da emissividade, sejam minimizadas. As maiores dificuldades estão relacionadas à habilidade e experiência do observador. A faixa de temperatura desse termômetro também é determinada pela sensibilidade do olho humano. Inicia em 600ºC e estende-se a 1400ºC ou até 4000ºC, usando-se filtros para reduzir a radiância a um nível confortável para os olhos. 6.2 Termômetros de Razão Quando o alvo for muito pequeno e não preencher completamente o campo de visão do instrumento, a temperatura indicada será influenciada por aquilo que estiver atrás do alvo, causando erro. Além disso, a presença de fumaça, vapor d água ou obstruções na trajetória da radiação causarão uma redução da quantidade de radiação que atinge o termômetro e a indicação de temperatura será menor que a temperatura real. O termômetro de razão apresenta-se como a solução para esses problemas. O termômetro de razão é um dispositivo de dois canais, por este motivo, também conhecido como termômetro duas-cores. O sistema óptico concentra a energia em um detector de dois elementos. A saída de cada detector é amplificada e dividida, fornecendo uma razão, que é proporcional à temperatura. Se a energia for reduzida devido a obstruções ou preenchimento incompleto do campo de visão, os dois detectores serão igualmente afetados e a razão permanecerá inalterada. Figura 11: Termômetro de razão

23 Na prática, quando se usa um termômetro de razão, apenas uma pequena parte do campo de visão precisa estar preenchida, tornando-o especialmente útil em ambientes muito sujos. Em outras aplicações, principalmente de materiais muito reflexivos, a incerteza da emissividade limita seriamente a utilização de termômetros de banda espectral. Isso se aplica particularmente às indústrias em que a emissividade, além de baixa é extremamente variável. Nos termômetros de razão, cada detector opera em um comprimento de onda diferente, havendo, portanto, dois valores de emissividade a serem considerados. Termômetro com um comprimento de onda Saída = ε.f.tt Termômetro com dois comprimentos de onda Razão = Já vimos que um material cuja emissividade permanece constante em todos os comprimentos de onda é conhecido como corpo cinzento (grey body). Na fórmula acima, se o termômetro de razão estiver medindo um corpo cinzento, os dois valores de λ seriam idênticos, então, as duas emissividades poderiam ser canceladas e a temperatura determinada sem envolver a emissividade. Na prática, a emissividade de um material muda com o comprimento de onda e, considerando-se dois comprimentos de onda, a razão entre as emissividades é conhecida como valor de nongreyness. Emissividad e Comprimento de onda Figura 12: Valores de emissividade em dois comprimentos de onda Uma vez que o termômetro de razão vê dois valores diferentes de emissividade, um canal do detector tende a ver uma quantidade de energia maior que o outro, resultando em erro. O controle de non-greyness no termômetro de razão pode ser ajustado para a razão entre as emissividades nos dois comprimentos de onda ou valor de non-greyness. Esta operação é similar ao ajuste de emissividade do termômetro de banda única. Se as emissividades do alvo mudarem igualmente, não haverá erro na medição. Esses fatores devem ser cuidadosamente analisados. 6.3 Termômetros de Radiação Total Os termômetros de radiação total medem a radiância total da superfície. Devido aos problemas de absorção atmosférica obtém-se sua melhor exatidão somente quando estão muito próximos da superfície de interesse.

24 É usado na faixa de 200 a 1300ºC com incertezas entre ±3 e 4%. 6.4 Termômetros para Plástico e Vidro As indústrias de plástico e vidro apresentam alguns problemas interessantes para medição de temperatura: os materiais são transparentes para a maioria dos termômetros de radiação. Entretanto, em pequenas bandas de comprimento de onda tornam-se opacos e possuem emissividade extremamente alta, tipicamente 0,97. Existem termômetros de radiação específicos para essas aplicações. 6.5 Termômetros de Fibra Óptica Em princípio, um termômetro de radiação pode ser construído explorando qualquer propriedade óptica dependente da temperatura: transmitância, refletância, fluorescência, assim como radiância. Todas já foram experimentadas nos termômetros de fibra óptica. Entretanto, sua principal atração não é o princípio físico utilizado, mas sua capacidade de medir temperatura em situações inacessíveis para outros termômetros.

25 Termômetros de fibra óptica são indicados em aplicações que envolvem a interferência de fortes campos elétricos ou magnéticos. Com esse termômetro é possível colocar o sistema eletrônico, sensível a essas condições, fora da zona de interferência. Aplicações típicas são aquecimento induzido e soldagem. A fibra óptica não contém componentes eletrônicos e a temperatura do ambiente de operação pode ser bem mais alta (200 a 300ºC), sem que haja necessidade de resfriamento. Com isso, o custo de instalação e operação por ponto de medição cai bastante. A fibra ótica pode ser usada para medições a partir de 250ºC, nos comprimentos de onda de 1µm e 1,6 µm. Seu uso é crescente nas aplicações médicas nas quais o pequeno tamanho e a imunidade química são importantes e em indústrias elétricas, devido à imunidade à interferência eletromagnética. Outra vantagem sobre os termômetros convencionais é o confinamento da trajetória da transmissão, que evita alguns dos erros já mencionados. 6.6 Termovisores A termografia é o método de inspeção de equipamentos elétricos e mecânicos, obtendo-se imagens de distribuição de calor (termogramas). Este método tem base no fato de que a maioria de componentes em um sistema mostra um aumento na temperatura quando defeituoso. Este aumento de temperatura pode ser devido a conexões frouxas, em um circuito elétrico ou um mancal aquecido, no caso de equipamentos mecânicos. A observação do padrão de aquecimento dos componentes do sistema permite a detecção e avaliação das falhas. Os termovisores são sistemas de imagem dotados de recursos para a análise e medição de distribuições térmicas. São compostos de uma câmera e um vídeo. A câmera encerra o receptor óptico, o mecanismo de varredura vertical e horizontal, o detector e o resfriador do detector. A unidade de vídeo contém o processador de sinal, monitor de vídeo e controle. As imagens são comumente apresentadas em branco e preto, podendo ser convertidas em imagens coloridas pela substituição da escala de cinza por uma escala de cores. O registro das imagens térmicas geradas pode ser analógico, utilizando-se filme, fotografia e VHS ou digital, através de interfaces que permitem o acoplamento dos sistemas com microcomputadores para posterior processamento da informação. Figura 13: Inspeção de um gerador; Inspeção em uma carcaça de mancal; As principais aplicações da termografia incluem: subestações elétricas, painéis de baixa tensão, motores, retificadores, cadeiras, refratários, fornos de cimento, rolamentos, mancais, trocadores de

26 calores etc., enfim todas as áreas nas quais é possível a localização de componentes defeituosos pelo aquecimento ou é grande o número de processos envolvendo vastas quantidades de calor e problemas operacionais podem ser relacionados diretamente com as distribuições externas de temperatura nos equipamentos.