Termômetros de Radiação. Prof. Valner Brusamarello

Termômetros de Radiação Prof. Valner Brusamarello

Termômetros de Radiação Todos os corpos na natureza são formados por moléculas, formadas por átomos. Todas as partículas são em essência cargas elétricas. Acima de 0ºC essas partículas estão em movimento e assim geram uma radiação eletromagnética. A radiação pode ser caracterizada pela intensidade ou comprimento de onda. A temperatura pode ser detectada em função dessas variáveis.

Termômetros de Radiação A região do infravermelho é utilizada dentro do espectro eletromagnético para caracterizar temperatura, medindo sua radiação térmica.

Termômetros de Radiação O olho humano utiliza uma faixa muito estrita do espectro, dentro da faixa visível. Durante muito tempo o olho foi utilizado como sensor de temperatura. Dentro do espectro eletromagnético a região de térmica estende-se de 0,1 a 1000 µm. Apesar de os sensores medirem em uma faixa entre 0,7 e 1000 µm, costuma-se utilizar a faixa entre 0,7 e 14 µm.

Corpo Negro e Emissividade A energia que incide sobre um objeto pode ser absorvida, refletida ou transmitida. Se a temperatura do corpo é constante, a taxa de energia absorvida é igual a taxa de energia emitida.

Corpo Negro e Emissividade O corpo negro é uma superfície que não reflete nem transmite energia, apenas absorve. O corpo negro também é considerado um irradiador perfeito, ou seja toda energia incidente é também irradiada. A emissividade é definida como a relação da radiação emitida pelo corpo em estudo pela radiação do corpo negro nas mesmas condições.

Corpo Negro e Emissividade Por isso o corpo negro possui o fator de emissividade ε=1. Corpos que possuem emissividade diferente de 1, mas possuem comportamento parecido são denominados corpos cinza. Corpos não cinza variam a emissividade com o comprimento de onda.

Corpo Negro e Emissividade O forno tipo corpo negro, simula um corpo negro ideal. Isso é feito com um forno possuindo um pequeno orifício. O raciocínio é fazer a radiação penetrar no forno e diminuir as chances da mesma sair. Dessa forma o forno apenas absorve energia. Se a temperatura é mantida constante a taxa de absorção é igua a taxa de emissão.

Corpo Negro e Emissividade Distribuição de Planck: Em resumo define a energia irradiada por um corpo apenas em função da Temperatura e do comprimento de onda. 2 E 2h 1 ( λ, T) = = o 2 λ, cn hc C 5 5 λkt λt C λ e 1 λ e 1

Corpo Negro e Emissividade Existe um comprimento de onda no qual a energia irradiada é máxima. Diferenciando-se a equação em relação ao comprimento de onda pode-se calcular os máximos de radiação emitida para um comprimento de onda específico. Não esqueça: a emissividade é composta por 3 parâmetros: um referente a energia absorvida, outro a energia refletida e outro referente a energia transmitida: α G abs G ρ Gref G τ G Trans G

Termômetros infravermelhos Basicamente consiste em um sistema óptico e um detector. O sistema óptico foca a energia irradiada pelo corpo sobre o detector. Medem uma faixa típica de comprimentos de onda entre 0,7 e 20 µm.

Termômetro infravermelhos O fator de emissividade dos materiais varia geralmente são publicados (entretanto em capo sempre ocorrem discrepâncias). Como regra prática, materiais não metálicos opacos possuem fator de emissividade entre 0,85 e 0,90. Materiais metálicos não oxidados ficam entre 0,20 a 0,50. Ouro, Prata e Alumínio, possuem faores de emissividade muito baixos (de 0,02 a 0,04).

Tipos de termômetros de radiação De Banda Larga: Resposta em 0,3 e 20 µm. Simples e baratos. Faixas de 0 a 1000ºC. Precisão típica de 0,5 a 1% do fundo de escala. De Banda estreita: Classificados como termômetros de cor múnica. Faixas seletivas da ordem de 8 a 14 µm. Faixas de temperatura variam com o fabricante. Faixas típicas: 0 a 1000, 600 a 3000 e 500 a 2000ºC Faixa de precisão varia entre 0,25 e 2% do fundo de escala.

Tipos de termômetros de radiação Termômetros de duas cores: Conhecidos como termômetros de razão de radiação. A medida da temperatura depende da razão da radiação em dois comprimentos de onda diferentes. Este termômetro possui a vantagem de não depender do fator de emissividade. A seletividade do comprimentos de onda é implementados com filtros ópticos. Existem duas janelas. Uma para cada filtro.

Tipos de termômetros de radiação Alguns termômetros desse tipo utilizam mais que dois comprimentos de onda.

Tipos de termômetros de radiação Pirômetros ópticos: Alguns instrumentos antigos utilizavam um sistema formado por uma fonte de luz, cuja cor era calibrada para temperatura. Além disso eram utilizados ainda lentes e e um anteparo conforme o esboço.

Tipos de termômetros de radiação Quando o instrumento é apontado para o objeto. Com um potenciômetro, a intensidade da cor da lâmpada é variada até encontrar a mesma cor do objeto.

Tipos de termômetros de radiação Este mesmo sistema é implementado com um sistema moderno composto por um processador que faz a comparação com uma fonte interna de referência. A comparação é feita utilizando-se um sistema móvel denominado chopper.

Detectores de temperatura Existem vários tipos: Quânticos: São componentes fotovoltaicos ou fotocondutivos cujo funcionamento baseia-se na interação da rede cristalina de materiais semicondutores com fótons. Baseia-se no trabalho de Einstein: Muitos medidores utilizam estes sensores devido a sua alta sensibilidade. Em geral utilizados em termômetros de faixa estreita para temperaturas entre 90 e 450 ºC. E = hν

Detectores Termopilhas: Detectores térmicos passivos por não necessitarem de alimentação. Podem ser definidas como uma ligação de termopares em série. Um sensor de temperatura é acoplado para fazer a compensação da junta fria. Número de junções varia de 20 a centenas A saída é um sinal DC, proporcional a radiação incidente.

Detectores

Termopares Infravermelhos Existe atualmente uma classe de medidores sem contato cuja saída possui o mesmo comportamento que os termopares já conhecidos. Estes medidores são denominados termopares infravermelhos.

Campo de Visão e razão distância-alvo A distância do medidor infravermelho em relação ao alvo, influencia na resposta conforme as especificações dos fabricantes. A medida é executada levando em conta a área enquadrada pelo instrumento, de acordo com a sua abertura.

Termógrafos Podem ser unidimensionais: termógrafos de linha. Nesse caso é feito uma varredura em uma linha, levantado o perfil de temperatura da mesma.

Termógrafos Ou podem ser bidimensionais, levantando o perfil de uma superfície.

Termógrafos

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