Calibração de termómetros: sondas de temperatura, termorresistências e termopares

O que a calibração de um termómetro verifica

Um termómetro de contacto só consegue indicar a temperatura do seu próprio sensor. A calibração determina a relação entre a temperatura do sensor e o que o termómetro mostra, pelo que quase todo o método serve para garantir que o sensor está mesmo à temperatura que julga (DKD-R 5-1, secção 2). Um termómetro de infravermelhos sem contacto lê radiação térmica e calibra-se com uma fonte de corpo negro.

Há dois métodos. No método de comparação, o termómetro e um termómetro de referência calibrado ficam lado a lado num banho, num forno de bloco seco ou num forno, e as suas indicações são comparadas. No método de pontos fixos, o termómetro é colocado numa célula que realiza uma temperatura de definição da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90). Para termómetros de trabalho, a comparação é o método prático, porque cobre qualquer temperatura que o banho ou o bloco atinja.

A DKD-R 5-1 calibra a pelo menos duas temperaturas (secção 5), e os pontos devem abranger a gama em que o termómetro é utilizado. Um resultado de calibração só é válido entre a temperatura mais baixa e a mais alta calibradas.

• Calibração de termómetros de infravermelhos

Sensor, indicador ou o sistema completo

Muitos termómetros 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. Pode calibrá-los em conjunto, como um único sistema, ou calibrar cada parte separadamente.

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

Com um termopar, o indicador faz também a compensação da junção fria, que acrescenta um erro próprio. As tabelas de referência dos termopares pressupõem a junção de referência a 0 °C. Quando está a 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 termómetros e sensores industriais de resistência de platina. 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 uma resistência de 100 Ω a 0 °C. Cada classe só se aplica numa gama de validade, que é mais estreita nos sensores de película fina do que nos de fio bobinado.

• |t| é a temperatura em °C sem sinal. Uma Pt100 da classe B pode errar ±0,3 °C a 0 °C e ±0,8 °C a 100 °C.
• A OIML R 84:2003 apresenta as mesmas fórmulas para as classes AA, A, B e C, com as gamas de validade da altura, e acrescenta uma classe D. 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 respetivas tolerâncias. As tolerâncias aplicam-se a termopares novos feitos de fio com diâmetro normalmente entre 0,13 mm e 3,2 mm, tal como são entregues, e não têm em conta a deriva em utilização.
• A ASTM E2877-12(2019) é um guia para termómetros digitais de contacto. Introduz nove classes de exatidão para o sensor e o instrumento em conjunto, de −200 °C a 500 °C ou na parte dessa gama que o termómetro cobre.

Banhos, fornos de bloco seco e o termómetro de referência

O termómetro de referência precisa de um certificado de calibração válido, rastreável a padrões nacionais, com uma incerteza suficientemente pequena para a tolerância que verifica. A DKD-R 5-1 recomenda recalibrar os termómetros de referência industriais de platina no máximo a cada 1 a 2 anos, consoante o seu histórico (secção 9, tabela 1).

Num banho líquido agitado, os sensores ficam dentro do líquido. O perfil de temperatura no volume de trabalho deve ser verificado com dois ou mais termómetros 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 mantém-nos longe do fundo e das paredes (7.4).

Um forno de bloco seco aquece um bloco metálico com furos para as sondas. 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 mostrador do bloco indica a temperatura do seu sensor de controlo. As recomendações da EURAMET aos utilizadores lembram que a calibração do bloco diz respeito ao bloco, e que um termómetro lá dentro 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 casquilho no máximo 0,5 mm mais largo do 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 elaborar um balanço de incerteza de medição

Profundidade de imersão

Uma imersão insuficiente pode causar erros grandes, porque o calor flui ao longo da haste e o sensor fica entre a temperatura do banho e a da sala (DKD-R 5-1, 8.3). A DKD-R 5-1 dá uma primeira estimativa: mergulhe pelo menos 10 vezes o diâmetro da sonda para um erro inferior a 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. Assim, uma sonda de 6 mm com um elemento de 30 mm precisa de pelo menos 90 mm dentro do banho.

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

Sempre que possível, a EURAMET calibra um termopar com a imersão que tem em utilização, desde que seja suficiente para que as perdas ou ganhos de calor não afetem a leitura (cg-8, 8.1). Para um termómetro de resistência, a DKD-R 5-1 procura a maior imersão que o banho ou o bloco permitam (8.3). Em ambos os casos, registe 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 diretamente na incerteza. A homogeneidade é quanto a temperatura varia de um local para outro na zona de trabalho: ao longo de um furo, entre furos e com o bloco carregado. A estabilidade é quanto oscila ao longo do tempo depois de estabilizada. A EURAMET cg-13 manda caracterizar o bloco nos dois aspetos, com a estabilidade observada durante pelo menos 30 minutos (3.5). Trata a maior diferença encontrada como a semiamplitude de uma distribuição retangular, pelo 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 termómetro a calibrar ao mesmo tempo, ou alterne-os numa 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 termómetros de referência e X os termómetros a calibrar (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 se forem 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 nula. Quando o autoaquecimento não é medido, considera 30 mK como contribuição retangular no balanço de incerteza (8.8).
• Histerese. Um termómetro industrial de resistência de platina pode indicar um valor ligeiramente diferente à mesma temperatura depois de aquecido do que depois de arrefecido, pelo que a DKD-R 5-1 pede que seja investigada ou estimada (3.1.2).
• Estabilidade. Uma pancada ou uma vibração pode deslocar um sensor de platina. Medir a sua resistência no ponto de gelo antes e depois do transporte mostra se se alterou (DKD-R 5-1, secções 5 e 6).

• Inclua estes termos num balanço de incerteza de temperatura

Termopares: porque se comportam de outra forma

Um termopar não mede na ponta. A sua tensão nasce do gradiente de temperatura ao longo dos fios, pelo que um troço de fio que se alterou com o uso só conta onde fica dentro de um gradiente. Se o gradiente no banho de calibração cair numa parte do fio diferente da que ocupa na instalação, a calibração não representa a utilização (EURAMET cg-8, 1.3 e 9.1).

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

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

Termómetros digitais e de líquido em vidro

Um termómetro digital é sensor e indicador num só aparelho, pelo que é calibrado como sistema, por comparação com uma referência. A DKD-R 5-1 aplica-se por analogia aos termómetros eletrónicos de leitura direta e aos registadores de dados com sensor de resistência. Se o termómetro for ajustado, o certificado indica os resultados antes e depois do ajuste (secção 10).

Um termómetro de líquido em vidro é feito para uma imersão definida. Um termómetro de imersão parcial é mergulhado até à sua linha de imersão. Um de imersão total é mergulhado com toda a coluna de líquido, exceto cerca de 1 cm no topo. Com a imersão errada pode indicar muito mal, porque o líquido da haste está à temperatura errada (NIST SP 1088, secção 2).

Em muitos termómetros de vidro usados abaixo de 200 °C, a alteração a longo prazo vem sobretudo do volume do bolbo, e uma leitura no ponto de gelo mostra-a (SP 1088, 7.2). O NIST recomenda verificar no ponto de gelo pelo menos uma vez por ano mesmo um termómetro usado de vez em quando perto da temperatura ambiente. Aceita uma recalibração num único ponto, no ponto de gelo, para termómetros de mercúrio usados a 200 °C ou menos (secção 4). Essa recalibração só atualiza as correções de uma calibração completa anterior. O NIST continua a aconselhar uma recalibração completa para termómetros com câmara de contração e divisões finas. Inspecione o termómetro com regularidade e antes de cada calibração para ver se a coluna de líquido se separou, o que causa erros grandes (secções 5 e 6).

A verificação no ponto de gelo

O ponto de gelo, 0 °C, é a referência mais simples que 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 desionizada em partículas de 2 mm a 5 mm, compacte-o num vaso Dewar com água destilada, retire com um sifão a água de fusão em excesso e deixe repousar 15 a 30 minutos. Mantenha pelo menos 3 cm da mistura abaixo do bolbo e prepare um ponto de gelo novo em 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 nota que o seu ponto de gelo pode situar-se entre −0,025 °C e 0 °C (cg-8, 4.1).

Uma verificação no ponto de gelo confirma uma única temperatura. Mostra um deslocamento, mas não uma alteração no declive da curva, que exige pelo menos duas temperaturas (DKD-R 5-1, secção 9). Em termómetros e sondas eletrónicos, trate-a como uma verificação intermédia e não como uma calibração: não adia o próximo vencimento. A exceção é o termómetro 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 num único ponto (secção 4). Essa recalibração só atualiza as correções de uma calibração completa anterior. O NIST continua a aconselhar uma recalibração completa para termómetros com câmara de contração e divisões finas.

Leituras antes do ajuste e um termómetro fora da tolerância

Registe as leituras antes de alguém ajustar o termómetro ou alterar as configurações do indicador. Se um erro antes do ajuste estiver fora do limite, o termómetro esteve fora da tolerância durante uma parte desconhecida do tempo decorrido desde a sua última calibração ou verificação conforme. A cláusula 7.1.5.2 da ISO 9001 pede que determine se resultados anteriores foram afetados negativamente e que atue conforme necessário. Num termómetro, veja o que as suas leituras controlavam, como a regulação de uma estufa ou de um banho, uma temperatura de processo num registo de lote ou uma condição de ensaio.

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

Com que frequência calibrar um termómetro

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

Alguns pontos de partida publicados:

• Termómetros de referência industriais de platina num laboratório de calibração: no máximo a cada 1 a 2 anos, consoante o histórico (DKD-R 5-1, tabela 1).
• Termómetros de líquido em vidro: uma verificação no ponto de gelo até uma vez por mês quando são novos ou usados acima de 200 °C, alargada para uma ou duas vezes por ano quando o histórico mostra um bolbo estável (NIST SP 1088, 7.6).
• Termopares de metal comum usados a temperaturas elevadas: planeie substituí-los em vez de os recalibrar (EURAMET cg-8, 1.5).

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

O que o certificado e o registo devem mostrar

Guarde pormenores suficientes para que outra pessoa possa repetir a calibração. A EURAMET cg-8 (14.2) e a DKD-R 5-1 (secção 10) enumeram estes elementos, além do conteúdo geral do certificado previsto na cláusula 7.8 da ISO/IEC 17025:2017.

• Cada elemento 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 num banho ou num bloco.
• A profundidade de imersão e as restantes condições da calibração.
• Numa termorresistência, a corrente de medição e o autoaquecimento. Num termopar, qualquer tratamento térmico anterior à calibração.
• A leitura da referência e a do termómetro 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 a próxima data de calibração.

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

Onde entra o Axiospec

O Axiospec é um software de gestão de calibrações. Guarda cada termómetro e cada sonda com o seu histórico de calibrações, os seus certificados e a próxima data de calibração, e cada calibração indica o padrão de referência usado. 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. Assim, uma classe cujo limite cresce com a temperatura encaixa ponto a ponto. 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 coloca o termómetro em quarentena, e o registo pergunta o que ele mediu desde o último Conforme. 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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