Calibração de termômetros: sondas de temperatura, termorresistências e termopares

O que a calibração de um termômetro verifica

Um termômetro de contato só consegue indicar a temperatura do seu próprio sensor. A calibração determina a relação entre a temperatura do sensor e o que o termômetro mostra, então quase todo o método serve para garantir que o sensor está mesmo na temperatura que você imagina (DKD-R 5-1, item 2). Um termômetro infravermelho sem contato lê radiação térmica e é calibrado com uma fonte de corpo negro.

Há dois métodos. No método de comparação, o termômetro e um termômetro de referência calibrado ficam lado a lado em um banho, um forno de bloco seco ou um forno, e as suas indicações são comparadas. No método de pontos fixos, o termômetro vai para uma célula que realiza uma temperatura definidora da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Para termômetros de trabalho, a comparação é o método prático, porque cobre qualquer temperatura que o banho ou o bloco alcance.

A DKD-R 5-1 calibra em pelo menos duas temperaturas (item 5), e os pontos devem abranger a faixa em que o termômetro é usado. Um resultado de calibração só vale entre a menor e a maior temperatura calibradas.

• Calibração de termômetros infravermelhos

Sensor, indicador ou o sistema completo

Muitos termômetros têm duas partes: uma sonda, como uma termorresistência Pt100 (RTD) ou um termopar, e um indicador ou transmissor que converte o seu sinal em temperatura. Você pode calibrá-los juntos, como um único sistema, ou calibrar cada parte separadamente.

Calibrar o sistema em um banho dá o erro da leitura que você realmente usa, mas o resultado pertence àquela sonda naquele indicador. Troque qualquer uma das partes e a calibração deixa de valer. Calibrar só a sonda dá a sua resistência ou tensão em cada temperatura, e o indicador é calibrado depois eletricamente em toda a sua faixa. O guia da EURAMET para termopares pede que o certificado identifique cada item que faz parte do sistema medido, incluindo cabos de extensão e indicadores digitais (cg-8, 14.2).

Com um termopar, o indicador também faz a compensação de junta fria, que soma um erro próprio. As tabelas de referência dos termopares supõem a junção de referência a 0 °C. Quando ela está em outra temperatura, soma-se à tensão medida a tensão correspondente a essa temperatura, e não a própria temperatura (cg-8, 4.1 e 4.6).

Classes de tolerância: IEC 60751, IEC 60584 e ASTM E2877

A IEC 60751:2022 é a norma para termômetros e sensores industriais de resistência de platina. Ela define a curva de resistência, com um coeficiente de temperatura de 0,003851 por °C, e classes de tolerância que crescem com a temperatura t. Uma Pt100 tem resistência de 100 Ω a 0 °C. Cada classe só vale em uma faixa de validade, que é mais estreita para sensores de filme fino do que para os de fio enrolado.

• |t| é a temperatura em °C sem sinal. Uma Pt100 classe B pode errar ±0,3 °C a 0 °C e ±0,8 °C a 100 °C.
• A OIML R 84:2003 traz as mesmas fórmulas para as classes AA, A, B e C, com as faixas de validade da época, e acrescenta uma classe D. Ela está disponível gratuitamente na OIML.
• A IEC 60584-1:2013 define as curvas de referência dos tipos de termopar designados por letra (R, S, B, J, T, E, K, N, C e A) e as suas tolerâncias. As tolerâncias valem para termopares novos feitos de fio com diâmetro normalmente de 0,13 mm a 3,2 mm, como entregues, e não consideram a deriva em uso.
• A ASTM E2877-12(2019) é um guia para termômetros digitais de contato. Ela introduz nove classes de exatidão para o sensor e o instrumento em conjunto, de −200 °C a 500 °C ou na parte dessa faixa que o termômetro cobre.

Banhos, fornos de bloco seco e o termômetro de referência

O termômetro de referência precisa de um certificado de calibração válido, rastreável a padrões nacionais, com incerteza pequena o bastante para a tolerância que você verifica. A DKD-R 5-1 recomenda recalibrar termômetros de referência industriais de platina no máximo a cada 1 a 2 anos, conforme o histórico (item 9, tabela 1).

Em um banho líquido agitado, os sensores ficam dentro do líquido. O perfil de temperatura no volume de trabalho deve ser verificado com dois ou mais termômetros antes de o banho ser usado para calibrar (EURAMET cg-8, 7.2). O guia de termopares afasta os sensores cerca de 1 cm entre si e os mantém longe do fundo e das paredes (7.4).

Um forno de bloco seco aquece um bloco metálico com furos para as sondas. Ele é portátil e limpo, mas o calor flui ao longo das sondas, e a EURAMET aponta essa condução de calor como, em geral, uma das maiores fontes de incerteza (cg-13, 2.2). O display do bloco mostra a temperatura do seu sensor de controle. As recomendações da EURAMET aos usuários lembram que a calibração do bloco se refere ao bloco, e um termômetro dentro dele pode ser diferente (cg-13, anexo C). Uma sonda de referência calibrada no furo ao lado mede a temperatura onde ela importa.

Use um furo ou um inserto no máximo 0,5 mm mais largo que a sonda entre −100 °C e +660 °C, e no máximo 1,0 mm mais largo acima disso (cg-13, 2.2).

• Calculadora de incerteza para termopares e termorresistências
• Como montar um balanço de incerteza de medição

Profundidade de imersão

Imersão insuficiente pode causar erros grandes, porque o calor flui ao longo da haste e o sensor se acomoda entre a temperatura do banho e a da sala (DKD-R 5-1, 8.3). A DKD-R 5-1 dá uma primeira estimativa: imerja pelo menos 10 vezes o diâmetro da sonda para um erro abaixo de 1% da diferença entre a temperatura do banho e a da sala, e cada 10 diâmetros a mais divide o erro por 10. Conte a profundidade a partir do topo do elemento sensor, e não da ponta da bainha. Por isso, uma sonda de 6 mm com um elemento de 30 mm precisa de pelo menos 90 mm dentro do banho.

Confira. A DKD-R 5-1 reduz a profundidade em 10% e aceita o resultado quando a leitura muda no máximo 10% da incerteza buscada. A EURAMET levanta uma sonda 20 mm em um bloco seco (cg-13, anexo C) e retira um termopar em até 5 cm (cg-8, 8.2). Uma leitura que muda denuncia condução de calor.

Quando possível, a EURAMET calibra um termopar na imersão que ele tem em uso, desde que ela seja profunda o bastante para que perdas ou ganhos de calor não afetem a leitura (cg-8, 8.1). Para um termômetro de resistência, a DKD-R 5-1 busca a maior imersão que o banho ou o bloco permitir (8.3). Em ambos os casos, registre a profundidade no certificado (DKD-R 5-1, 8.3; cg-8, 14.2).

Estabilidade e homogeneidade

Duas propriedades do banho ou do bloco entram direto na incerteza. A homogeneidade é o quanto a temperatura varia de um lugar para outro na zona de trabalho: ao longo de um furo, entre furos e com o bloco carregado. A estabilidade é o quanto ela oscila no tempo depois de estabilizada. A EURAMET cg-13 manda caracterizar o bloco nos dois aspectos, com a estabilidade observada por pelo menos 30 minutos (3.5). Ela trata a maior diferença encontrada como a meia-largura de uma distribuição retangular, de modo que a incerteza-padrão é essa diferença dividida por √3 (4.2.2).

Deixe tudo estabilizar antes de ler. Depois leia a referência e o termômetro em calibração ao mesmo tempo, ou alterne-os em uma ordem simétrica para que a deriva se compense. A EURAMET cg-8 dá ordens como S1, X1 ... Xn, S2, S2, Xn ... X1, S1, em que S são os termômetros de referência e X os termômetros em calibração (10.3).

Termorresistências e sondas Pt100: ligação, autoaquecimento e histerese

• Ligação. Uma sonda a 2 fios soma a resistência dos fios à leitura. No exemplo da DKD-R 5-1, uma Pt100 com 2,5 m de cabo de cobre de 410 mΩ à temperatura ambiente tem 492 mΩ quando o cabo está a 70 °C, o que dá uma leitura 0,2 K mais alta (8.5.1). Uma ligação a 3 fios compensa os fios quando eles são iguais. A ligação a 4 fios evita o problema e é a preferida (8.5.2 e 8.5.3).
• Autoaquecimento. A corrente de medição aquece o sensor. A DKD-R 5-1 mede com duas correntes e extrapola para corrente zero. Quando o autoaquecimento não é medido, ela considera 30 mK como contribuição retangular no balanço de incerteza (8.8).
• Histerese. Um termômetro industrial de resistência de platina pode indicar um valor um pouco diferente na mesma temperatura depois de aquecido do que depois de resfriado, por isso a DKD-R 5-1 pede que ela seja investigada ou estimada (3.1.2).
• Estabilidade. Uma batida ou uma vibração pode deslocar um sensor de platina. Medir a sua resistência no ponto de gelo antes e depois do transporte mostra se ele mudou (DKD-R 5-1, itens 5 e 6).

• Coloque esses termos em um balanço de incerteza de temperatura

Termopares: por que se comportam de outro jeito

Um termopar não mede na ponta. A sua tensão nasce do gradiente de temperatura ao longo dos fios, então um trecho de fio que mudou com o uso só pesa onde fica dentro de um gradiente. Se o gradiente no banho de calibração cair em uma parte do fio diferente daquela da instalação, a calibração não representa o uso (EURAMET cg-8, 1.3 e 9.1).

Por isso a EURAMET recomenda substituir termopares de metal base usados em temperaturas altas em vez de recalibrá-los, ou verificá-los no local (cg-8, 1.5 e 13.4).

Percorra os pontos na ordem certa. A EURAMET calibra da temperatura mais alta para baixo, exceto o tipo K, que muda quando é ciclado a 500 °C ou mais. O tipo K é calibrado com temperaturas crescentes, e o primeiro ponto é repetido no final como verificação (cg-8, 10.1).

Termômetros digitais e de líquido em vidro

Um termômetro digital é sensor e indicador em um só aparelho, então é calibrado como sistema, por comparação com uma referência. A DKD-R 5-1 se aplica por analogia a termômetros eletrônicos de leitura direta e a registradores de dados com sensor de resistência. Se o termômetro for ajustado, o certificado traz os resultados antes e depois do ajuste (item 10).

Um termômetro de líquido em vidro é feito para uma imersão definida. Um termômetro de imersão parcial é imerso até a sua linha de imersão. Um de imersão total é imerso com toda a coluna de líquido, exceto cerca de 1 cm no topo. Na imersão errada ele pode indicar muito errado, porque o líquido da haste está na temperatura errada (NIST SP 1088, seção 2).

Em muitos termômetros de vidro usados abaixo de 200 °C, a mudança de longo prazo vem principalmente do volume do bulbo, e uma leitura no ponto de gelo a mostra (SP 1088, 7.2). O NIST recomenda verificar no ponto de gelo pelo menos uma vez por ano até um termômetro usado de vez em quando perto da temperatura ambiente. Ele aceita uma recalibração em um único ponto, no ponto de gelo, para termômetros de mercúrio usados a 200 °C ou menos (seção 4). Essa recalibração só atualiza as correções de uma calibração completa anterior. O NIST ainda recomenda uma recalibração completa para termômetros com câmara de contração e divisões finas. Inspecione o termômetro com regularidade e antes de cada calibração para ver se a coluna de líquido se separou, o que causa erros grandes (seções 5 e 6).

A verificação no ponto de gelo

O ponto de gelo, 0 °C, é a referência mais simples que você pode preparar, e a ASTM E563-22 é a prática normalizada para ele. O NIST descreve o método na SP 1088 (7.7 e 7.8). Raspe gelo transparente feito de água destilada ou deionizada em partículas de 2 mm a 5 mm, compacte-o em um frasco Dewar com água destilada, retire com um sifão o excesso de água de degelo e deixe descansar de 15 a 30 minutos. Mantenha pelo menos 3 cm da mistura abaixo do bulbo e prepare um ponto de gelo novo a cada dia em que precisar dele.

Seguindo o método do NIST, um ponto de gelo pode ser reproduzido com uma incerteza expandida (k = 2) de cerca de 0,002 °C (SP 1088, 7.2). Um banho rápido de água da torneira com gelo é menos exato: a EURAMET observa que o seu ponto de gelo pode ficar entre −0,025 °C e 0 °C (cg-8, 4.1).

Uma verificação no ponto de gelo confirma uma única temperatura. Ela mostra um deslocamento, mas não uma mudança na inclinação da curva, que exige pelo menos duas temperaturas (DKD-R 5-1, item 9). Em termômetros e sondas eletrônicos, trate-a como uma verificação intermediária, e não como uma calibração: ela não reinicia o vencimento. A exceção é o termômetro de mercúrio em vidro usado a 200 °C ou menos, para o qual o NIST SP 1088 aceita uma leitura no ponto de gelo como recalibração em um único ponto (seção 4). Essa recalibração só atualiza as correções de uma calibração completa anterior. O NIST ainda recomenda uma recalibração completa para termômetros com câmara de contração e divisões finas.

Leituras antes do ajuste e um termômetro fora da tolerância

Registre as leituras antes que alguém ajuste o termômetro ou mude as configurações do indicador. Se um erro antes do ajuste estiver fora do limite, o termômetro ficou fora da tolerância durante uma parte desconhecida do tempo desde a sua última calibração ou verificação aprovada. O requisito 7.1.5.2 da ISO 9001 pede que você determine se resultados anteriores foram afetados adversamente e tome as ações necessárias. Em um termômetro, veja o que as suas leituras controlavam, como o ajuste de uma estufa ou de um banho, uma temperatura de processo em um registro de lote ou uma condição de ensaio.

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

Com que frequência calibrar um termômetro

Nenhuma norma fixa o intervalo. O NIST não recomenda um intervalo de recalibração fixo, e o guia da EURAMET para termopares diz que não há frequências formalmente especificadas, porque os termopares e os seus usos variam demais (cg-8, 13.1). A ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 lista os fatores a considerar, entre eles a tendência à deriva, a severidade do uso e o efeito da própria temperatura medida, com o exemplo das temperaturas altas nos termopares (5.1).

Alguns pontos de partida publicados:

• Termômetros de referência industriais de platina em um laboratório de calibração: no máximo a cada 1 a 2 anos, conforme o histórico (DKD-R 5-1, tabela 1).
• Termômetros de líquido em vidro: uma verificação no ponto de gelo até uma vez por mês quando são novos ou usados acima de 200 °C, estendida para uma ou duas vezes por ano quando o histórico mostra um bulbo estável (NIST SP 1088, 7.6).
• Termopares de metal base usados em temperaturas altas: planeje substituí-los em vez de recalibrá-los (EURAMET cg-8, 1.5).

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

O que o certificado e o registro devem mostrar

Guarde detalhes suficientes para que outra pessoa possa repetir a calibração. A EURAMET cg-8 (14.2) e a DKD-R 5-1 (item 10) listam estes dados, além do conteúdo geral do certificado previsto no requisito 7.8 da ISO/IEC 17025:2017.

• Cada item calibrado: a sonda, qualquer cabo de extensão e o indicador ou transmissor que forma o sistema.
• As temperaturas calibradas e o método, como a comparação em um banho ou em um bloco.
• A profundidade de imersão e as demais condições da calibração.
• Em uma termorresistência, a corrente de medição e o autoaquecimento. Em um termopar, qualquer tratamento térmico anterior à calibração.
• A leitura da referência e a do termômetro em cada ponto, o erro e a incerteza de medição.
• Os resultados antes e depois de qualquer ajuste, a data, quem fez o trabalho e o próximo vencimento.

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

Onde o Axiospec entra

O Axiospec é um software de gestão de calibração. Ele guarda cada termômetro e cada sonda com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e o próximo vencimento, e cada calibração indica o padrão de referência usado. 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. Assim, uma classe cujo limite cresce com a temperatura se encaixa ponto a ponto. 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 coloca o termômetro em quarentena, e o registro pergunta o que ele mediu desde o último Aprovado. O Axiospec não faz a comparação nem escolhe os pontos, o limite ou o intervalo. Isso fica com você ou com o seu laboratório.

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