Pirômetro: diferenças entre revisões

O {{PBPE|pirômetro|pirómetro}} é um tipo de [[termômetro]]. É um equipamento que mede irradiação térmica da superfície de um objeto e informa a [[Temperatura termodinâmica|temperatura]]. Diferentes tipos de pirômetros foram desenvolvidos pelo homem – hoje se trata de um dispositivo que não necessita de contato, contrastando com outros meios de obter informação sobre a temperatura de um objeto, como o [[termopar]] e uma [[termorresistência]]. <ref>http://mech207.engr.scu.edu/SensorPresentations/Telidevara%20-%20Pyrometers%20Combined.pdf </ref>

 

 

O impulso que motivou o desenvolvimento de pirômetros foi a necessidade de medir a temperatura de objetos muito quentes, impossibilitando contato direto, como metais fundidos, cerâmicas e outros processos industriais, estrelas e também a temperatura em câmaras como as de vácuo. Hoje em dia os pirômetros são métodos eficazes (com erros próximos a 2% e que diminuem conforme a temperatura aumenta) para medição de temperatura inclusive [[Temperatura Negativa|negativas]]. <ref>C. Mercer, Optical metrology for fluids, combustion and solids (Kluwer Academic, 2003) </ref>

 

Tornou-se possível desenvolver pirômetros modernos quando o primeiro pirômetro de [[filamento]] que desaparece foi desenvolvido em 1901 por Kurlbaum e Holborn - físicos alemães. Antes disso outros modelos surgiram mas nunca com o mesmo impacto e aplicabilidade do método de filamento que desaparece. <ref>L. Michalski et al, ''Temperature Measurement, Second Edition''. (Wiley, 2001), pp. 162–208.</ref>

 

O equipamento se tratava de um filamento fino alimentado por uma [[Fonte de tensão|fonte]] controlável que tinha sua temperatura controlada através da corrente. O brilho emitido pelo filamento aquecido era então comparado com o brilho de um objeto o qual se desejava obter informações sobre a temperatura. Uma escala permitia o controle da corrente no filamento e a temperatura era então obtida quando o filamento atingia a mesma cor que o objeto, "desaparecendo" diante do mesmo. O método claramente dependia da acuidade visual do operador.

Após algum tempo de uso os operadores e desenvolvedores do equipamento perceberam que a temperatura fornecida pelo pirômetro era diferente da temperatura real do objeto - o que não era muito bem compreendido na época mas hoje sabemos ser a diferença entre um [[Radiação de corpo negro|corpo-negro ideal]] e um corpo-negro real, um objeto cuja temperatura desejamos medir (também chamado de [[Corpo cinza|corpo-cinza]]), que é a [[emissividade]]. Com o estudo da emissividade foi possível descobrir que ela dependia de diversos fatores associados a estrutura do material e principalmente às condições da superfície e também da temperatura. <ref>Ng and G. Fralick (2001). "Use of a multiwavelength pyrometer in several elevated temperature aerospace applications". ''Review Scientific Instruments'' '''72''' (2): 1522. doi:10.1063/1.1340558.</ref>

 

Hoje os pirômetros de múltiplas cores funcionam com aproximações que fornecem resultados muito precisos de temperatura mesmo para materiais onde a emissividade não é conhecida por completo e varie para diferentes comprimentos de onda.

 

Pirômetros são compostos de dois mecanismos que atuam em conjunto na informação da temperatura da superfície de um objeto. Um sistema óptico e um sistema de detecção. O papel do sistema óptico é focalizar a radiação térmica do objeto sobre um detetor, permitindo que o mesmo adquira radiação de uma forma constante e eficiente, e selecionar diferentes comprimentos de onda através de filtros. O detetor então utiliza basicamente de dois processos para informar a temperatura: quântico e térmico.

 

Pirômetros mais antigos funcionavam com dilatação de metais e quadrantes graduados. Um dos primeiros modelos foi desenvolvido para medir a temperatura de fornos para cerâmicas.

 

Os pirômetros se dividem em dois grandes grupos, os pirômetros ópticos e os pirômetros de radiação. Existem alguns tipos de pirômetros para aplicações específicas como o por efeito fotoelétrico.

 

Qualquer objeto emite radiação térmica em temperaturas superiores ao zero absoluto e a radiação emitida é função da temperatura. Na prática, a energia radiada é proporcional a emissividade a dada temperatura e comprimento de onda - de forma que para obter um valor preciso e coerente de temperatura para uma superfície o operador precisa conhecer a emissividade do material que ele está medindo. O equipamento é construído com uma lente que focaliza essa radiação emitida em um [[Fotodiodo|sensor]], que é sensível a luminosidade, e gera uma voltagem que é proporcional a radiação focalizada.

 

É vantajoso pois independe da capacidade de interpretação de cores do operador e pode ser utilizado para diversas aplicações através da implementação de [[Filtro passa-baixo|filtros]] permissivos para apenas a faixa do espectro eletromagnético desejada. Todavia, sofre impacto de toda radiação do local que chega ao detetor - radiação que pode ser muito mais intensa do que a do objeto que se deseja medir a temperatura - dificultando o processo de medição. <ref>Chas. R. Darling - Pyrometry - a practical treatise on the measurement of high temperatures</ref>

 

Tem como princípio básico utilizar o olho do operador para comparar o brilho de um objeto quente com o brilho de um filamento ou uma lâmpada de filamento dentro do instrumento. Pode também ser utilizada uma chama para comparação. O operador modifica a corrente no filamento até que este tenha o mesmo brilho do objeto e então usa uma escala graduada e calibrada para inferir a temperatura.

 

É o método mais barato que pode ser utilizado, todavia, como o sistema funciona utilizando o olho humano as radiações do espectro que podem ser comparadas são bastante limitadas, compreendendo somente a faixa do visível, de forma que o corpo precisa estar quente o suficiente para emitir com comprimentos de onda entre 400 e 700 nanometros.

 

No geral, pirômetros são equipamentos vantajosos para quanto maior a temperatura da aplicação desejada. Os erros para temperaturas acima de 1200 °C são muito pequenos e, contanto que a emissividade do material medido seja bem conhecida (o que é verdade para a maioria das aplicações)<ref>http://www.contemp.com.br/downloads/pdf/tabela_de_emissividade_.pdf</ref>, a informação de temperatura será diferente da real por no máximo 1%. Eles possuem tempo de resposta extremamente rápido quando comparados aos termômetros usuais, da ordem de microssegundos e nanosegundos com os pirômetros de efeito fotoelétrico.

 

As dificuldades na implementação desse tipo de medidor em uma indústria se dá pela sua resposta não satisfatória em meios empoeirados devido a perda de potência da radiação até chegar no detetor, na dependência do operador de conhecer a emissividade do material para obter valores precisos de temperatura e em seu custo quanto comparados com outros métodos de obtenção de temperatura.

 

A calibração de um pirômetro é realizada com uma [[Corpo negro|cavidade de corpo negro]]. É um forno especial construído para fornecer resultados muito próximos de um emissor de radiação eletromagnética perfeito. Esse tipo de estrutura deve suprir algumas exigências:<ref>http://www.maxwell.lambda.ele.puc-rio.br/5464/5464_4.PDF</ref>

* Temperatura uniforme e bem controlada na região de foco do equipamento.

Se escolhe uma temperatura para a câmara e se posiciona o pirômetro diante da cavidade de forma que ele receba toda a radiação emitida pelo forno. No Brasil existem institutos credenciados pela [[RBC]] (rede brasileira de calibração) e que fazem a calibração de pirômetros para uso de pesquisa ou industrial: o [[INMETRO]], a [[Usiminas|USIMINAS]] e a [[CST]].

 

Pirômetros possuem um campo vasto de aplicações, tanto para a indústria quanto para a pesquisa, e são equipamentos indispensáveis quando houver necessidade de medição de temperaturas elevadas em curto tempo e monitoramento de sistemas automatizados que dependem do controle de temperatura para acompanhamento do processo. As aplicações mais conhecidas são:

* industria metalúrgica e automação em processos de [[usinagem]] e tratamento de metais

É válido apontar que o preço do equipamento para aplicações específicas, principalmente quando é desejada a obtenção de radiação fora do visível é bastante elevado. Atualmente empresas fazem pesquisa e desenvolvem pirômetros para o [[ultravioleta]].

 

*[[Termorresistência]];

*[[Termopar]];