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Emitância, emissividade

A quantidade de radiação termal deixando um objeto depende da temperatura e da emitância deste objeto. Se o objeto é emissor perfeito (corpo negro), sua emitância é 1. As emissividades da maioria das substancias são conhecidas, mas infelizmente, a emissividade determinada sob condições de laboratório raramente é totalmente igual à emitância real sob as condições de operação. A emissividade não é o único fator determinante da emissividade; outros fatores como oxidação, acabamento da superfície, formato afetam a emissividade.

As incertezas relacionadas com a emitância podem ser reduzidas criando-se as condições do corpo negro (tubo alvo ou buraco alvo) ou usando pirômetros de relação ou de comprimento de onda curto.

A regra geral é medir a temperatura de um objeto em um local onde sua emissividade é mais alta ou onde a variação na energia irradiada é mais sensível às variações de temperatura do que às variações da emissividade.

Projeto do pirômetro de radiação

Os pirômetros podem ser portáteis ou instalados permanentemente. A energia irradiada pode alcança-los através de lentes de focalização ou através de fibras ópticas. Os pirômetros podem ser classificados de acordo com o número e o comprimento das faixas de comprimento de onda usados.

Quando se usa todo o espectro, de 0,3 a 15 mícrons, o pirômetro é chamado de pirômetro de radiação total ou pirômetro de faixa larga. Quando se usa somente um pequeno segmento do espectro, é chamado de pirômetro de faixa estreita. Se esta faixa estreita cai dentro do espectro visível, este subgrupo de pirômetro de faixa estreita é chamado de pirômetro óptico, colorido ou de brilho. Quando é detectada a relação de intensidades de dois comprimentos de onda (em vez de medir a intensidade de radiação de um único comprimento de onda), o pirômetro é chamado de relação ou de duas cores. Quando a operação é na faixa do infravermelho (0,7 a 15 mícrons), o pirômetro é chamado de infravermelho (IR).

Com o passar do tempo, diminuiu-se o uso de pirômetro de radiação total e aumentou o uso de pirômetros de relação, que são mais precisos (e mais caros). Os pirômetros ópticos são aplicados principalmente como medidores portáteis.

A precisão dos pirômetros ópticos varia com o tipo e fabricante. Tipicamente, tem-se

Tab. 3.4. Precisão e faixa de medição dos pirômetros

Tipo do pirômetro

Precisão (% F.S.)

Faixa de medição (oC)

Óptico

1 a 2

760 a 3500

Relação

0,5 a 2

760 a 3500

Total

0,5 a 1

-40 a 4000

Estreita

0,25 a 2

-40 a 4000

Tab. .3.5. Emissividades totais de vários produtos

Material

Emissividade

Alumínio

Não oxidado

Oxidado

0,06

0,19

Bronze (oxidado)

0,60

Cobre calorizado

0,19 a 0,26

Aço calorizado

0,57

Carbono

0,79

Ferro fundido

Oxidado

Muito oxidado

0,78

0,95

Cobre (oxidado)

0,60

Ouro

0,03

Ferro

Oxidado

Enferrujado

0,89

0,65

Chumbo (oxidado)

0,63

Monel (oxidado)

0,43

Níquel

Brilhante

Oxidado

0,12

0,85

Sílica

0,85

Aço (oxidado)

0,79

Tungstênio

0,07

Pirômetro de radiação total

Os pirômetros de radiação total (faixa larga) tentam medir a máxima energia radiante possível que chega de um corpo quente. O mais simples dos três tipos (total, estreita, relação), ele praticamente não possui seletividade por algum comprimento de onda específico, a não ser o corte inerente do sistema óptico e depende da emitância total da superfície sendo medida.

Há vários meios para diminuir o erro de leitura, tais como:

  1. fazer um controle rigoroso na calibração do instrumento de leitura

  2. ajustar o pirômetro através de outro termômetro de referência, assumido como correto e confiável

  3. conhecer a natureza do alvo e referir se à tabelas de emissividades totais.

O caminho entre o pirômetro de radiação total e o objeto cuja temperatura quer se medir deve estar livre. A presença de fumaça, vapores e CO2 irá absorver parte da energia radiante e causar uma leitura a menor. O sistema óptico deve ser mantido limpo, com a janela de visão protegida contra gases corrosivos.

É necessária a compensação da temperatura ambiente para o pirômetro de radiação total, feita por um detector a termopilha. Fio de níquel, tendo um coeficiente termal oposto ao dos fios da termopilha, é geralmente usado.

Pirômetro de faixa estreita

Pirômetro de faixa estreita ou de passagem de única faixa, opera sobre uma faixa selecionada e estreita de do espectro de energia, centrada no ponto desejado. Para a medição de alta temperatura de metais, a faixa seria muito estreita no ponto de 0,65 mícron, o fim do espectro visível (vermelho), onde a emissividade do metal é maior. Neste ponto visível, o instrumento poderia ser chamado de pirômetro de brilho.

Para medir temperatura de gases, pode-se escolher uma faixa em torno de 4,3 mícrons para pegar CO2 . Temperaturas de superfície de vidro seriam medidas na faixa de comprimento de onda de 5 a 7 mícrons.

A emissividade sobre uma faixa estreita de comprimento de onda varia muito menos do que sobre o espectro total, porém o pirômetro de faixa estreita sofre do problema de falta de sensitividade por causa do menor nível de energia disponível. Como a quantidade de energia da radiação aumenta quando o comprimento de onda se torna menor, as bandas mais estreitas são geralmente usadas para detectar temperaturas mais elevadas, acima de 500 oC. Uma faixa estreita é geralmente menor que 0,5 micro de largura.

Pirômetro de relação

O pirômetro de relação ou de duas cores mede a energia que ele recebe de duas faixas estreitas e divide uma pela outra. Quando as duas faixas são escolhidas de modo que há muito pouca variação na emissividade de uma para outra, o fator de emissividade praticamente se cancela. Assim, corpos com pequena emissividade que criam a maioria dos erros nos pirômetros de radiação total ou de faixa estreita, não tem grande efeito no instrumento tipo relação.

A seleção dos dois comprimentos de onda não é arbitrária mas, depende da aplicação.

Os pirômetros de relação são mais complexos e por isso, mais caros. Eles possuem melhor precisão, mesmo quando o alvo se comporta como um corpo cinza ou quando a emissividade é variável. (A emissividade de muitas substâncias varia com a temperatura). A medição de temperatura pelo pirômetro de radiação também não é afetada por poeiras, vapores, fumaças ou outros contaminantes no campo de visão nem pelo tamanho do alvo ou pelo bloqueio periódico do caminho de visão.

Como a emitância depende do comprimento de onda e quando se tem os dois comprimentos de onda muito próximos, o pirômetro de relação não funcional Ele é muito aplicado quando se alvo muito pequeno para encher o campo de visão ou quando o alvo é encoberto por poeira fria, como em indústria de cimento e mineração.

Pirômetro óptico manual

O pirômetro óptico é de faixa estreita ou de duas cores e opera no espectro visível, em torno do ponto de 0,65 mícron. O olho humano age com sensor para fazer o balanço manual entre duas cores: a cor da fonte de energia radiante conhecida gerada dentro do instrumento por uma lâmpada calibrada de tungstênio e a cor da fonte desconhecida externa. Há um filtro entre o olho e as duas fontes que serve para:

  1. minimizar a diferença entre os olhos, permitindo um melhor casamento de cores

  2. permitir um aumento da faixa de temperatura alem do ponto onde o olho não poderia mais tolerar a quantidade de energia vista diretamente.

Fig. 3.3.24. Pirômetro portátil

O pirômetro óptico é portátil e opera como uma câmara de filmagem. Um foco ajustável permite ao operar focalizar a imagem na fonte cuja temperatura se quer medir. O filamento da fonte padrão é colocado no mesmo plano de sua imagem, de modo que os dois aparecem superpostos quando vistos através do olho.

Um balando de nulo é usado, com um reostato movendo contra um dial calibração, para variar a corrente através da fonte padrão até que ela desapareça no campo da temperatura desconhecida.

A faixa de aplicação do pirômetro óptico manual é limitada inferiormente em 760 oC, pois há emissão insuficiente de luz visível para uma comparação precisa abaixo deste valor. À temperatura de 1320 oC a imagem se torna brilhante demais para se olhar, porém os filtros permitem a medição de temperaturas até de 3500 oC.

O uso do olho humano como detector restringe a precisão, pois

  1. o olho responde simultaneamente à cor e ao brilho e não responde diretamente à energia

  2. a decisão é subjetiva

  3. dois olhos não são absolutamente iguais

  4. não se pode calibrar o olho humano

O pirômetro óptico manual é muito usado, por causa das seguintes vantagens:

  1. leve

  2. portátil

  3. precisão razoável quando aplicado a uma fornalha que se aproxima do corpo negro.

Suas desvantagens são:

  1. Requer o ajuste manual pelo operador

  2. Não se aplica a alarme, registro e controle

  3. Só pode ser usado em temperaturas relativamente altas, onde se tem muita energia visível.

  4. É sujeita a erros de emissividade inerentes ao pirômetro de faixa estreita

  5. Deve ser conhecida a relação entre tamanho do alvo e distancia do pirômetro

Pirômetro Infravermelho (IR)

O pirômetro óptico automático de infravermelho usa um detector da radiação elétrica no lugar do olho humano e por isso não é limitado aos comprimentos de onda visíveis do espectro. Ele opera na faixa que vai do infravermelho até o ultravioleta, usando uma faixa estreita, faixa de duas cores ou uma faixa larga, de acordo com o sistema óptico e com o detector.

Fig. 3.3.25. Pirômetro óptico

Embora existam várias adaptações e pequenos detalhes, o pirômetro automático de infravermelho funciona comparando a quantidade de radiação emitida pelo alvo com a emitida por uma fonte de referência internamente controlada. A saída é proporcional à diferença na radiação entre a fonte medida e a referência fixa. O sistema consiste de dois componentes básicos:

  1. cabeça óptica

  2. amplificador eletrônico

Em alguns modelos, a cabeça óptica contem uma fonte de corpo negro com temperatura controlada, filtros necessários, detector, preamplificador e um oscilador óptico.

Detector

O detector recebe a energia radiante focalizada nele pelo sistema óptico e gera um sinal de saída elétrico em reposta a esta energia. Há duas classes de detectores:

  1. termal

  2. fotodetector

O detector termal gera uma saída porque ele é aquecido pela energia que ele absorve. Esta categoria inclui:

  1. termopares

  2. termopilhas

  3. detectores pneumáticos

  4. bolômetro metálico ou a termistor

  5. dispositivo piroelétrico

O detector termal, quando comparado com o fotodetector, possui menor sensitividade e sua saída é menos afetada pela variação nos comprimentos de onda irradiados. Possuem maior tempo de resposta (por causa de sua massa) e alguns respondem à variação de temperatura (em vez de responder à temperatura em si).

Termopilhas de filme fino conseguem tempos de resposta da ordem de 10 a 15 ms. As termopilhas e os bolômetros respondem à energia radiante através de todo o espectro e assim são mais convenientes para detecção em pirômetro de radiação total. Considerando velocidade, sensitividade e estabilidade, a melhor escolha para aplicações de radiação total é o detector de termopilha a silício.

Os fotodetectores são sensíveis ao comprimento de onda e por isso são mais convenientes para pirômetros de faixa estreita. A saída fotodetector não é causada pelo calor, mas pelas cargas elétricas que são liberada quando a energia radiante atinge o detector. A sensitividade destes detectores é da ordem de s. A principal desvantagem é a instabilidade em comprimentos de onda longos e quando operando em alta temperatura. Como conseqüência, eles são usados em detectores de faixa estreita em aplicações com comprimento de onda pequeno.

Os fotodetectores podem ser

  1. fotocondutivo (foto-resisitivo)

  2. fotovoltáico

  3. fotoemissivo

O detector fotocondutivo varia sua resistência elétrica como uma função da temperatura e inclui o PbSe e as células de PbS. Eles são sensíveis na faixa de 1 a 3 mícrons e por isso são usados com filtros em pirômetros de faixa estreita ou em medição de temperatura media (100 a 430 oC), como detectores de faixa larga.

A saída da célula fotovoltáica é uma função da radiação absorvida. O material mais usado na célula é o Si, sendo usados também Ge, Ir e antimônio. As células de Si servem para detectar emissões termais de objeto em alta temperatura (400 a 3900 oC), correspondendo à faixa de 0,5 a 1,0 mícron. As células de Ge com sua faixa de 0,7 a 1,8 mícron, são convenientes para media temperatura e são mais estáveis, rápidas e reprodutíveis que as células de PbS. A velocidade dos fotodetectores permite seu uso para medir temperatura de pequenos objetos em alta velocidade, onde a saída de energia relativa é pequena.

Fig. 3.3.26. Caminho de visão do pirômetro de radiação total de grande ângulo

Características

No projeto ou escolha do pirômetro de radiação para uma determinada aplicação, devem ser consideradas as seguintes características:

  1. o campo de vista ou a relação tamanho e distância do alvo

  2. as qualidades de transmissão do sistema coletor e qualquer janela ou filtro no caminho óptico

  3. a faixa de passagem e a sensitividade do detector

A Fig. 3.3.26 mostra um campo típico largura-ângulo de vista. O tamanho do alvo torna-se mínimo no comprimento focal da lente.

O formato físico do sistema óptico (lentes ou espelhos curvos) e sua montagem dentro do invólucro do pirômetro controla o caminho de visão, enquanto a forma do material de fabricação determina as propriedades ópticas. O vidro não transmite bem alem de 2,5 mícrons e é conveniente apenas para alta temperatura, onde se tem disponível alta saída. Outro material óptico popular é o quartzo (sílica fundida) para 4 mícrons e CaF2 cristalino para 10 mícrons.

Janela (visor) e filtros na frente ou atrás do sistema óptico podem alterar as propriedades de transmissão. Uma janela de vidro na frente de uma lente de CaF2, por exemplo, não deixa passar comprimentos de onda maiores, que poderiam passar se houvesse somente a lente. Pode-se usar propositadamente um filtro passa faixa na frente do detector para cortar os comprimentos de onda indesejáveis.

Instalação

As exigências de medição de temperatura em aplicações industriais envolvem a temperatura de superfície, de objetos externos ou de interiores de vasos, tubulações ou fornalhas.

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