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Medidas de Temperatura 1-IV

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Tópicos: Radiação Emitida por um Corpo | Pirômetro Ótico | Medição com Sensores |


1) Radiação Emitida por um Corpo

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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 boa aproximação. A Figura 1-I mostra o espectro da potência irradiada por unidade de área (ou radiância espectral) de um corpo negro para algumas temperaturas. Nota-se 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:

$$R(\lambda) = \frac{c_1}{\lambda^5}\left(\frac{1}{\mathrm e^{\tfrac{c_2}{\lambda T}}} - 1\right)\\c_1 = 2 \pi c^2 h\\c_2 = h c \big/ k \tag{1A}$$
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)

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Fig 1-I

Nota: no gráfico da figura está considerada frequência e não comprimento de onda, que pode ser determinado pela relação:

$$f = \frac{c}{\lambda} \tag{1B}$$
A radiância é dada pela integração da radiância espectral:

$$R = \int_0^\infty R(λ) dλ \tag{1C}$$
Para um corpo negro a radiância é dada por:

$$R_c = \sigma T^4 \tag{1D}$$
σ: constante de Stefan-Boltzmann (5,6704 10−8 W m−2 K−4)
T: temperatura absoluta

Para um corpo real, vale:

$$R = \epsilon R_c = \epsilon \sigma T^4 \tag{1E}$$
O fator ε é chamado emissividade que, para o corpo real, depende da temperatura. Para o corpo negro, ela é constante e igual a 1.

A Figura 1-II é uma ampliação logarítmica do gráfico anterior na região visível do espectro, indicada pelo círculo de linha tracejada. As curvas confirmam a observação prática. Para um metal, por exemplo, radiação emitida começa a ser visível perto de 500°C com um vermelho escuro, significando que a maior parte da radiação visível está na faixa inferior (vermelho) do espectro.

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Fig 1-II

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.


2) Pirômetro Ótico

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A avaliação visual de temperatura pela radiação visível de um corpo aquecido é substancialmente melhorada se feita por comparação.

A primeira patente de pirômetro ótico de que se tem notícia é de 1899. E a produção comercial teve início em 1917. A operação é mostrada na Figura 2-I: a corrente que passa pelo filamento de uma lâmpada é ajustada 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.

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Fig 2-I

Apesar de bastante superior a uma observação direta, a exatidão não é das melhores. 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 limitações dos pirômetros óticos.


3) Medição com Sensores

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A Figura 3-I 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, o que permite a observação visual para focalizar o local desejado. Entretanto, o uso de sensores implica um problema: de acordo com a equação de Plank no tópico inicial desta página, qualquer corpo com temperatura acima de zero absoluto emite radiação. Se os valores a medir são baixos, a emissão do próprio sensor e de partes próximas são significativas e mascaram o resultado.

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Fig 3-I

Uma solução 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 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.

Os sensores usados são classificados em dois grupos básicos: térmicos e quânticos. Segue descrição de ambos.

Sensores 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) Resistivos: 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.

Sensores 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

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 normalmente calibrados pela radiação do corpo negro (ε − 1). Se não aplicada a correção, a temperatura lida será menor que a real. Se existirem outras fontes de calor nas proximidades, elas podem afetar a leitura.
Referências
Pesquisa na Internet em 07/2008. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018 (retoques de textos e imagens. Conteúdo básico não alterado)