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Esta página contém algumas informações sobre sensores de temperatura que operam sem contato com os corpos, isto é, medem pela radiação emitida (infravermelha, na maior parte).
São bastante úteis quando não é prático nem seguro o contato direto, como metais fundidos, redes elétricas energizadas, objetos móveis, etc. E em muitas outras aplicações técnicas e científicas.
Radiação emitida por um corpo negro
| Topo pág | Fim pág |Aqui será considerada somente a radiação emitida por um corpo negro ou irradiador ideal. Isso torna as considerações mais fáceis e vale de uma forma aproximada para os reais. Algo semelhante ao gás perfeito no estudo dos gases.
Um corpo negro pode ser definido como um sólido cujas propriedades de emissão luminosa não dependem do material e variam de forma simples com a temperatura. Na prática, uma cavidade simula um corpo negro com bastante aproximação.
A Figura 01 ao lado mostra o espectro da potência irradiada por unidade de área (ou melhor, radiância espectral) de um corpo negro para algumas temperaturas.
Notar que, para temperaturas usuais de processos, a maior parte da radiação está fora do espectro visível, no infravermelho. Essas curvas teóricas são definidas pela equação de Plank:
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| Figura 01 |
R(λ) = ( c1/λ5 ) [ 1/e(c2 / λ T) − 1 ] #A.1#.Onde:
c1 = 2 π c2 h #A.2#.c2 = h c / k #A.3#.λ: comprimento de onda.
T: temperatura absoluta.
c: velocidade da luz.
k: constante de Boltzmann (≈ 1,38054 10−23 J/K).
h: constante de Planck (≈ 6,625 10−34 J s).
Obs: no gráfico da figura está considerada a freqüência e não o comprimento de onda. Mas é facilmente conversível pela relação:
f = c / λ #B.1#.A radiância é dada pela integração da radiância espectral:
R = ∫0...∞ R(λ) dλ #C.1#.Para um corpo negro a radiância Rc é dada por:
Rc = σ T4 #C.2#. Ondeσ: constante de Stefan-Boltzmann (5,6704 10−8 W m−2 K−4).
T: temperatura absoluta.
Para um corpo real, vale:
R = ε Rc = ε σ T4 #C.3#.O fator ε é chamado emissividade que, para o corpo real, depende da temperatura. Naturalmente, para o corpo negro, ela é constante e igual a 1.
Radiação emitida por um corpo negro na faixa visível
| Topo pág | Fim pág |O gráfico da Figura 01 deste tópico é uma ampliação logarítmica do gráfico do tópico anterior na região visível do espectro, indicada pelo círculo de linha tracejada.
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| Figura 01 |
Com o aumento da temperatura, além da maior potência, as curvas ficam cada vez mais "horizontais", ou seja, o espectro emitido tende para uma distribuição mais uniforme de cores, correspondendo à tendência para o branco na observação prática.
Entretanto, a simples observação visual não permite uma determinação precisa da temperatura. No máximo, uma avaliação aproximada sujeita a erros grosseiros.
O pirômetro ótico
| Topo pág | Fim pág |Conforme dito no tópico anterior, a vista humana não consegue avaliar precisamente valores absolutos de radiação. Mas as coisas ficam bem melhores na comparação.
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| Figura 01 |
A operação é simples (ver Figura 01): a corrente que passa pelo filamento de uma lâmpada é regulada até que sua cor fique igual à da radiação (o filamento "desaparece").
E o amperímetro pode ter sua escala gravada em unidades de temperatura para uma indicação direta.
Apesar de bastante superior a uma observação direta, ainda há uma certa imprecisão. E não há possibilidade de uma indicação automática, sempre necessitando da ação humana em cada medição. Também não podem ser medidas temperaturas mais baixas, na faixa de não emissão de radiação visível. Portanto, os sensores térmicos sem contato vieram preencher as lacunas dos pirômetros óticos.
Medição com sensores
| Topo pág | Fim pág |A Figura 01 dá um diagrama básico de um medidor de temperatura com sensor (ou detector) de radiação. O conjunto ótico (lentes, espelho, filtros) dirige a radiação para o sensor e permite a observação visual para focalizar o local desejado.
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| Figura 01 |
Uma solução que pode ser e é usada é o resfriamento do sensor com líquidos criogênicos como nitrogênio líquido. Mas não é prático para equipamentos móveis ou portáteis.
Na figura, o obturador rotativo é um disco com aberturas, de forma que a radiação recebida pelo sensor é pulsante. A radiação emitida pelo sensor e de partes próximas é contínua. No circuito eletrônico a parte pulsante é facilmente separada da contínua com o uso de filtros, eliminando, portanto, o efeito da radiação residual.
No lugar (ou além) do visor, alguns instrumentos podem ter um feixe de laser para posicionamento no local desejado.
Sensores
| Topo pág | Fim pág |Os tipos usados são classificados em dois grupos básicos: térmicos e quânticos. Segue descrição de ambos.
Térmicos:
1) Termopilhas de dimensões reduzidas, fabricadas por eletrodeposição ou outros processos conforme mencionado na página anterior.
2) Piroelétricos: o fenômeno da piroeletricidade (formação de potencial elétrico devido ao aquecimento) está presente em alguns minerais como quartzo e turmalina. Os materiais piroelétricos também são piezelétricos, os dois fenômenos estão relacionados. Alguns materiais piroelétricos artificiais são nitrato de césio (CsNO3), nitreto de gálio (GaN), polifluoreto de vinila e alguns outros compostos orgânicos. O efeito piroelétrico é conhecido desde o século 19. Foi assim batizado pelo cientista escocês Sir David Brewster em 1824.
3) De resistência: podem ser filmes metálicos ou mesmo fios, que operam de forma similar a termistores e outros já vistos na página anterior.
Em geral os sensores térmicos não precisam de resfriamento e têm menor custo.
Quânticos:
Os fótons da radiação incidente causam mudanças nas propriedades elétricas ou geram potencial.
1) Fotocondutivos: no sulfeto de chumbo (PbS) e no seleneto de chumbo (PbSe) a radiação é medida pela variação da resistência.
2) Fotovoltaicos: em materiais como silício, germânio, antimoneto de índio, a radiação é medida pela tensão gerada.
A sensibilidade e a velocidade de resposta dos sensores quânticos é superior à dos térmicos, mas alguns precisam de resfriamento e o custo é maior.
Outras considerações
| Topo pág | Fim pág |Os sensores de radiação (ou de infravermelho, denominação mais comum) podem ser usados em uma variedade de aparelhos. Podem ser apenas termômetros para indicação da temperatura em um ponto. Ou podem ser os chamados "termopares infravermelhos", cujas saídas são usadas para controlar temperatura de processo, de forma similar aos termopares convencionais. Podem ser tipo scanner, com espelhos para varrer uma superfície e calcular a temperatura média. E também aparelhos de imagem térmica, similares às câmeras digitais.
A emissividade da superfície deve ser conhecida, pois os instrumentos são calibrados pela radiação do corpo negro (ε − 1). Se não for aplicada a correção, a temperatura lida será menor que a real. Se existirem outras fontes de calor nas proximidades, elas podem afetar a leitura.
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