Calibração de termómetros de infravermelhos: corpo negro, emissividade e área de medição

O que mede realmente um termómetro de infravermelhos?

Um termómetro de infravermelhos, também chamado termómetro de radiação ou pirómetro, funciona como uma câmara. Uma lente e um filtro passa-banda focam a radiação térmica num detetor, e o instrumento converte o sinal em temperatura (NPL Good Practice Guide No. 125, capítulo III). Como lê radiação e não a temperatura de um sensor em contacto com o objeto, tem de ser calibrado com uma fonte conhecida de radiação térmica.

A banda de comprimentos de onda depende da temperatura para que foi feito. Os instrumentos para temperatura ambiente trabalham normalmente entre 8 µm e 14 µm, outros entre 3 µm e 5 µm, e os instrumentos para altas temperaturas, acima de cerca de 700 °C, entre 0,65 µm e 1,0 µm (NPL GPG 125).

Que normas cobrem a calibração de termómetros de infravermelhos?

A ASTM E2847 não cobre instrumentos acima de 1000 °C nem instrumentos de banda estreita, e não trata do projeto dos termómetros de infravermelhos. Pode também ser aplicada a outros termómetros de radiação e a câmaras termográficas.

Cavidade de corpo negro ou fonte de placa plana?

O NPL Good Practice Guide No. 125 chama ao corpo negro a condição de referência: uma calibração usa uma fonte de temperatura conhecida com emissividade igual ou próxima de 1, e as calibrações noutras emissividades podem então ser calculadas. Uma cavidade bem concebida fica muito perto disso. As fontes de temperatura variável do NPL têm em geral pelo menos 0,999, e o NPL refere que uma cavidade bem construída pode ultrapassar 0,9999. A temperatura vem de um sensor de contacto calibrado, como um termómetro de resistência de platina ou um termopar, que dá rastreabilidade à EIT-90. Muitas vezes a cavidade e o sensor são calibrados em conjunto por comparação com um corpo negro de referência.

As cavidades podem ser grandes e lentas, por isso são comuns placas enegrecidas, normalmente ranhuradas. Uma placa é aquecida por trás e tem um sensor perto da superfície. Como a superfície fica exposta, a sua emissividade fica provavelmente 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 tem de ser calibrada por comparação com um corpo negro de referência.

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• Como elaborar um balanço de incerteza de medição

Como deve regular-se a emissividade durante a calibração?

Regule o termómetro para coincidir com a fonte quando a regulação puder ser alterada. A IEC TS 62492-1:2008, secção 4.1.1, indica os valores da folha de características com uma regulação de emissividade de 1, salvo indicação em contrário, e para um instrumento com regulação fixa diferente de 1 exige que esse valor seja indicado com a especificação.

Uma superfície real também reflete a radiação do seu ambiente. O NPL Good Practice Guide No. 125 escreve a radiância que chega ao termómetro 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 uma regulação de 1, o segundo termo fica perto de zero. Com uma placa plana, ou um termómetro com regulação fixa diferente da fonte, use essa relação para calcular o que o termómetro deveria ler a partir da emissividade da fonte e da radiância de fundo. A ASTM E2847 indica 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 mal estimada, por isso a utilização em serviço precisa de um controlo próprio: um valor conhecido para esse material, ou um revestimento de alta emissividade onde for permitido (NPL GPG 125).

Distância, área de medição 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, secção 3.1.6). Um termómetro de 12:1 a 300 mm vê uma área de medição de 25 mm de diâmetro. A especificação deve indicar a partir de que parte do instrumento se mede a distância (secção 4.1.1.4.2), e a calibração deve usar esse ponto.

O campo de visão não tem um limite nítido. Por isso a IEC TS 62492-1:2008, secção 4.1.1.5, define-o como o diâmetro que contém uma fração declarada do sinal, pelo menos 90% e tipicamente 90%, 95% ou 99%. Alguma radiação de fora desse círculo continua a chegar ao detetor, pelo que a leitura muda com o tamanho da área radiante. Este é o efeito do tamanho da fonte (secção 3.1.7). O guia de termometria de radiação do BIPM atribui-o à dispersão e às reflexões na ótica e refere que o pó na objetiva o pode alterar.

Daqui resultam duas regras práticas. Use uma fonte bem maior do que a área de medição declarada, como aconselha o guia do NPL para qualquer superfície medida. E teste o efeito: altere a abertura da fonte ou a distância e veja se a leitura muda. A IEC TS 62492-1:2008, secção 4.1.1.7, compara o campo de visão nominal com o dobro da sua área.

Que condições ambientais importam?

• Aquecimento. Deixe primeiro o termómetro estabilizar na sala. A IEC TS 62492-1:2008 considera as especificações válidas após o tempo de aquecimento e em condições ambientais estáveis, e define uma incerteza adicional quando a temperatura do próprio instrumento se afasta delas (secção 3.1.10).
• Reflexões. Luzes, aquecedores e até pessoas somam-se ao sinal a baixas temperaturas (NPL GPG 125). Uma placa plana reflete parte do que a rodeia, por isso mantenha o ambiente em volta estável.
• Linha de visão. Pó, vapor de água e dióxido de carbono podem absorver ou dispersar a radiação (NPL GPG 125). Mantenha o trajeto curto e desimpedido.
• Lente. O pó na objetiva pode alterar o efeito do tamanho da fonte (guia de termometria de radiação do BIPM). Limpe-a como o fabricante indicar.
• Registe a temperatura e a humidade da sala, pois também pode ser declarado um efeito da humidade (IEC TS 62492-1:2008, secção 3.1.11).

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

O título da ASTM E2847 abrange tanto a calibração como a verificação de exatidão. Uma calibração compara o termómetro com uma fonte rastreável em condições declaradas e indica o erro e a sua incerteza em cada ponto. Uma verificação confirma que o termómetro continua a comportar-se bem, num ou em poucos pontos, e não substitui uma calibração nem reinicia a data de calibração.

Uma verificação só diz alguma coisa quando é repetida nas mesmas condições: a mesma fonte estável, a mesma distância e a mesma regulação de emissividade, comparando com resultados anteriores. A ISO/IEC 17025:2017, secção 6.4.10, exige um procedimento para as verificações intermédias quando são necessárias para manter a confiança no equipamento.

• Calibração vs verificação
• Verificações intermédias entre calibrações

Pirómetros, instrumentos de banda estreita e temperaturas muito altas

A ASTM E2847 vai até 1000 °C e exclui os instrumentos de banda estreita. A ASTM E1256 indica os métodos de ensaio para termómetros de radiação de banda única. Os instrumentos para altas temperaturas usam comprimentos de onda curtos, em que o erro de temperatura pode ser 10 a 20 vezes menor do 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 EIT-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 EIT-90, termometria de radiação). Os pirómetros nessa gama são rastreados a corpos negros de ponto fixo ou de alta temperatura através de um laboratório de calibração.

Os pirómetros 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 anula se for a mesma nos dois comprimentos de onda (NPL GPG 125).

Com que frequência calibrar um termómetro de infravermelhos?

Nenhuma norma fixa o intervalo, e o NIST não recomenda um intervalo de recalibração fixo. A ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 enumera os fatores a ponderar, entre eles a tendência para a deriva e a severidade da utilização. Parta da recomendação do fabricante e ajuste com o seu historial de leituras antes do ajuste e os resultados das suas verificações. Encurte-o depois de uma queda, de um dano na lente ou de utilização perto dos limites da gama, e registe o motivo de cada alteração.

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

O que devem mostrar o certificado e o registo?

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

• O termómetro e a sua regulação 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 termómetro a partir do qual foi medida.
• As temperaturas calibradas, com o valor da fonte, a leitura, o erro e a incerteza em cada ponto.
• A temperatura e a humidade da sala.
• As leituras antes e depois de qualquer ajuste, a data, quem fez o trabalho e a próxima data de calibração.

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

E se um termómetro de infravermelhos estiver fora da tolerância?

Registe as leituras antes do ajuste antes de alguém mexer no instrumento. Se uma leitura estiver fora do limite, o termómetro pode ter estado fora da tolerância durante uma parte desconhecida do tempo decorrido desde a última calibração ou verificação conforme. A cláusula 7.1.5.2 da ISO 9001 espera que volte ao que ele mediu e resolva o que possa estar errado. Num termómetro de infravermelhos, veja o que as suas leituras decidiram, como a temperatura de um forno, um limite de processo ou uma verificação de segurança.

• O que fazer quando um instrumento falha a calibração
• Leituras antes do ajuste e após o ajuste

Onde entra o Axiospec

O Axiospec é um software de gestão de calibrações. Guarda cada termómetro de infravermelhos e cada pirómetro com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e a próxima data de calibração. Cada calibração indica o padrão de referência usado, como texto livre ou como ligação a um instrumento mestre, como a sua fonte de corpo negro. Um registo de calibração comporta até 100 pontos de ensaio, cada um com a sua temperatura nominal, a sua própria tolerância e as leituras antes do ajuste e após o ajuste, e o registo guarda também a temperatura e a humidade da sala.

Numa calibração interna, uma leitura final fora da sua tolerância define o resultado como Não conforme, e registar um Conforme mesmo assim exige um motivo escrito. Um Não conforme ou Danificado aceite coloca o termómetro Em quarentena. Qualquer registo aprovado com Não conforme, Danificado ou Conforme com leituras antes do ajuste fora da tolerância precisa de um impacto escrito, e os que não o têm aparecem em Requer atenção. O Axiospec não faz a comparação nem escolhe os pontos, o limite ou o intervalo. Isso fica consigo ou com o seu laboratório.

O plano gratuito cobre até 50 instrumentos ativos. Um espaço de trabalho novo começa com um período experimental de 45 dias do Professional, com espaço para 1500 instrumentos ativos e sem cartão de crédito. Carregamos os seus registos existentes sem custos, em qualquer plano.

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