Calibração de termômetros infravermelhos: corpo negro, emissividade e tamanho do ponto

O que um termômetro infravermelho realmente mede?

Um termômetro infravermelho, também chamado de termômetro de radiação ou pirômetro, funciona como uma câmera. Uma lente e um filtro passa-banda focalizam a radiação térmica em um detector, e o instrumento converte o sinal em temperatura (NPL Good Practice Guide No. 125, capítulo III). Como ele lê radiação e não a temperatura de um sensor em contato com o objeto, precisa ser calibrado com uma fonte conhecida de radiação térmica.

A banda de comprimentos de onda depende da temperatura para a qual ele foi feito. Instrumentos para temperatura ambiente costumam trabalhar entre 8 µm e 14 µm, outros entre 3 µm e 5 µm, e instrumentos para altas temperaturas, acima de cerca de 700 °C, entre 0,65 µm e 1,0 µm (NPL GPG 125).

Quais normas cobrem a calibração de termômetros infravermelhos?

A ASTM E2847 não cobre instrumentos acima de 1000 °C nem instrumentos de banda estreita, e não trata do projeto de termômetros infravermelhos. Ela também pode ser aplicada a outros termômetros de radiação e a câmeras termográficas.

Cavidade de corpo negro ou fonte de placa plana?

O NPL Good Practice Guide No. 125 chama o corpo negro de condição de referência: uma calibração usa uma fonte de temperatura conhecida com emissividade igual ou próxima de 1, e calibrações em outras emissividades podem então ser calculadas. Uma cavidade bem projetada chega muito perto disso. As fontes de temperatura variável do NPL têm em geral pelo menos 0,999, e o NPL observa que uma cavidade bem construída pode passar de 0,9999. A temperatura vem de um sensor de contato calibrado, como um termômetro de resistência de platina ou um termopar, o que dá rastreabilidade à ITS-90. Muitas vezes a cavidade e o sensor são calibrados juntos em relação a um corpo negro de referência.

Cavidades podem ser grandes e lentas, por isso são comuns placas enegrecidas, geralmente ranhuradas. Uma placa é aquecida por trás e tem um sensor perto da superfície. Como a superfície fica exposta, sua emissividade provavelmente fica bem abaixo de 1, e há diferenças de temperatura ao longo da placa e entre o sensor e a superfície. O guia do NPL diz que a própria placa precisa ser calibrada em relação a um corpo negro de referência.

• Rastreabilidade metrológica explicada
• Incerteza do sensor de contato da fonte
• Como montar um balanço de incerteza de medição

Como a emissividade deve ser ajustada durante a calibração?

Ajuste o termômetro para coincidir com a fonte quando o ajuste puder ser alterado. A IEC TS 62492-1:2008, seção 4.1.1, dá os valores da folha de dados com ajuste de emissividade de 1, salvo indicação em contrário, e para um instrumento com ajuste fixo diferente de 1 exige que esse valor seja informado com a especificação.

Uma superfície real também reflete a radiação do ambiente. O NPL Good Practice Guide No. 125 escreve a radiância que chega ao termômetro como L = εL(Ts) + (1 − ε)L(Tb), em que ε é a emissividade, Ts a temperatura da superfície e Tb a temperatura de fundo. Com uma cavidade e ajuste de 1, o segundo termo fica perto de zero. Com uma placa plana, ou um termômetro com ajuste fixo diferente da fonte, use essa relação para calcular o que o termômetro deveria ler a partir da emissividade da fonte e da radiância de fundo. A ASTM E2847 dá a montagem do ensaio e uma estrutura para o cálculo da incerteza.

Um certificado não diz nada sobre a emissividade da sua própria peça. O NPL alerta que erros de dezenas de graus são comuns quando a emissividade de uma superfície é estimada incorretamente, então o uso em serviço precisa de um controle próprio: um valor conhecido para aquele material, ou um revestimento de alta emissividade onde for permitido (NPL GPG 125).

Distância, tamanho do ponto e efeito do tamanho da fonte

A relação de distância, muitas vezes escrita D:S, é a distância de medição dividida pelo diâmetro do campo de visão (IEC TS 62492-1:2008, seção 3.1.6). Um termômetro de 12:1 a 300 mm enxerga um ponto de 25 mm de diâmetro. A especificação deve informar a partir de qual parte do instrumento a distância é medida (seção 4.1.1.4.2), e a calibração deve usar esse ponto.

O campo de visão não tem borda nítida. Por isso a IEC TS 62492-1:2008, seção 4.1.1.5, o define como o diâmetro que contém uma fração declarada do sinal, pelo menos 90% e tipicamente 90%, 95% ou 99%. Um pouco de radiação de fora desse círculo ainda chega ao detector, então a leitura muda com o tamanho da área radiante. Esse é o efeito do tamanho da fonte (seção 3.1.7). O guia de termometria de radiação do BIPM o atribui à dispersão e às reflexões na óptica e observa que a poeira na objetiva pode alterá-lo.

Daí saem duas regras práticas. Use uma fonte bem maior que o ponto declarado, como o guia do NPL recomenda para qualquer superfície medida. E teste o efeito: mude a abertura da fonte ou a distância e veja se a leitura se move. A IEC TS 62492-1:2008, seção 4.1.1.7, compara o campo de visão nominal com o dobro da sua área.

Quais condições ambientais importam?

• Aquecimento. Deixe primeiro o termômetro se estabilizar na sala. A IEC TS 62492-1:2008 considera as especificações válidas depois do tempo de aquecimento e em condições ambientais estáveis, e define uma incerteza adicional quando a temperatura do próprio instrumento se afasta delas (seção 3.1.10).
• Reflexões. Luzes, aquecedores e até pessoas se somam ao sinal em baixas temperaturas (NPL GPG 125). Uma placa plana reflete parte do que a cerca, então mantenha o entorno estável.
• Linha de visada. Poeira, vapor de água e dióxido de carbono podem absorver ou dispersar a radiação (NPL GPG 125). Mantenha o caminho curto e livre.
• Lente. A poeira na objetiva pode alterar o efeito do tamanho da fonte (guia de termometria de radiação do BIPM). Limpe-a como o fabricante indicar.
• Registre a temperatura e a umidade da sala, pois um efeito de umidade também pode ser declarado (IEC TS 62492-1:2008, seção 3.1.11).

Qual a diferença entre uma verificação de exatidão e uma calibração?

O título da ASTM E2847 cobre tanto a calibração quanto a verificação de exatidão. Uma calibração compara o termômetro com uma fonte rastreável em condições declaradas e informa o erro e sua incerteza em cada ponto. Uma verificação confirma que o termômetro ainda se comporta bem, em um ou poucos pontos, e não substitui uma calibração nem reinicia o vencimento.

Uma verificação só diz algo quando é repetida nas mesmas condições: a mesma fonte estável, a mesma distância e o mesmo ajuste de emissividade, comparando com resultados anteriores. A ISO/IEC 17025:2017, seção 6.4.10, exige um procedimento para verificações intermediárias quando elas são necessárias para manter a confiança no equipamento.

• Calibração x verificação
• Verificações intermediárias entre calibrações

Pirômetros, instrumentos de banda estreita e temperaturas muito altas

A ASTM E2847 vai até 1000 °C e exclui instrumentos de banda estreita. A ASTM E1256 traz os métodos de ensaio para termômetros de radiação de banda única. Instrumentos para altas temperaturas usam comprimentos de onda curtos, em que o erro de temperatura pode ser de 10 a 20 vezes menor que o erro de emissividade. Um erro de emissividade de 1% dá então menos de 0,1% da temperatura em kelvin (NPL GPG 125).

Acima do ponto de solidificação da prata, 961,78 °C, a ITS-90 é definida por termometria de radiação, com o ponto fixo da prata, do ouro ou do cobre como referência (Guia do BIPM para a realização da ITS-90, termometria de radiação). Pirômetros nessa faixa são rastreados a corpos negros de ponto fixo ou de alta temperatura por meio de um laboratório de calibração.

Pirômetros de duas cores ou de razão ajudam em alvos pequenos que não preenchem o campo de visão e em atmosferas sujas, mas não eliminam o problema da emissividade: a emissividade só se cancela se for a mesma nos dois comprimentos de onda (NPL GPG 125).

Com que frequência calibrar um termômetro infravermelho?

Nenhuma norma fixa o intervalo, e o NIST não recomenda um intervalo de recalibração fixo. A ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 lista os fatores a considerar, entre eles a tendência à deriva e a severidade do uso. Parta da recomendação do fabricante e ajuste com o seu histórico de leituras antes do ajuste e os resultados das suas verificações. Encurte depois de uma queda, de dano à lente ou de uso perto dos limites da faixa, e registre o motivo de cada mudança.

• Como definir intervalos de calibração
• Calculadora de intervalo de calibração

O que o certificado e o registro devem mostrar?

A ASTM E2847 especifica os elementos de um relatório de calibração (seção 5.3), e a ISO/IEC 17025:2017, seção 7.8, define o conteúdo geral de um relatório para trabalhos acreditados. Guarde pelo menos o seguinte.

• O termômetro e o seu ajuste de emissividade durante a calibração.
• O tipo de fonte, cavidade ou placa plana, com o tamanho, a emissividade e a referência usada para a temperatura.
• A distância de medição e o ponto do termômetro a partir do qual ela foi medida.
• As temperaturas calibradas, com o valor da fonte, a leitura, o erro e a incerteza em cada ponto.
• A temperatura e a umidade da sala.
• As leituras antes e depois de qualquer ajuste, a data, quem fez o trabalho e o próximo vencimento.

• Requisitos do certificado de calibração
• Modelo de certificado de calibração (Excel)

E se um termômetro infravermelho estiver fora da tolerância?

Registre as leituras antes do ajuste antes que alguém mexa no instrumento. Se uma leitura estiver fora do limite, o termômetro pode ter ficado fora da tolerância durante uma parte desconhecida do tempo desde a última calibração ou verificação aprovada. O requisito 7.1.5.2 da ISO 9001 espera que você volte ao que ele mediu e resolva o que possa estar errado. Em um termômetro infravermelho, veja o que as leituras dele decidiram, como a temperatura de um forno, um limite de processo ou uma verificação de segurança.

• O que fazer quando um instrumento é reprovado na calibração
• Leituras antes do ajuste e após o ajuste

Onde o Axiospec entra

O Axiospec é um software de gestão de calibração. Ele guarda cada termômetro infravermelho e cada pirômetro com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e o próximo vencimento. Cada calibração indica o padrão de referência usado, como texto livre ou como link para um instrumento mestre, como a sua fonte de corpo negro. Um registro de calibração comporta até 100 pontos de teste, cada um com a sua temperatura nominal, a sua própria tolerância e as leituras antes do ajuste e após o ajuste, e o registro também guarda a temperatura e a umidade da sala.

Em uma calibração interna, uma leitura final fora da sua tolerância define o resultado como Reprovado, e registrar um Aprovado mesmo assim exige um motivo por escrito. Um Reprovado ou Danificado aceito coloca o termômetro Em quarentena. Todo registro aprovado com Reprovado, Danificado ou Aprovado com leituras antes do ajuste fora da tolerância precisa de um impacto por escrito, e os que não têm aparecem em Requer atenção. O Axiospec não faz a comparação nem escolhe os pontos, o limite ou o intervalo. Isso fica com você ou com o seu laboratório.

O plano gratuito cobre até 50 instrumentos ativos. Um espaço de trabalho novo começa com um teste de 45 dias do Professional, com espaço para 1.500 instrumentos ativos e sem cartão de crédito. Nós carregamos os seus registros existentes sem custo, em qualquer plano.

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