Aula 02 - Medidas de Temperatura Sem Contato (1)

7/21/2019 Aula 02 - Medidas de Temperatura Sem Contato (1)

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Helder Anibal Hermini

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Método da Radiação I

•O sensor de temperatura deve ler a mesmatemperatura do corpo que está sendo medido.

•Um grande problema é a aplicação determmetros de contato na medição detemperaturas de corpos em movimento.

•Ao dese!armos determinar as variaç"es detemperatura na super#$cie de um ob!eto% umaparel&o não conectado pode rapidamente passarpor toda a super#$cie.

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Método da Radiação II

•'ara resolver(se este tipo de problema% #oramdesenvolvidos os )ensores de Radiação% maiscomumente denominados *'IR+M,-RO).

'rincipais #am$lias de 'irmetros/

•

'irmetro de Radiação•'irmetro 0ptico

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'rinc$pio 1ásico de Operação dos

'irmetrosOs sensores de temperatura de

radiação operam com radiaçãoeletromagnética cu!o comprimento deonda este!a na #ai2a vis$vel e no

in#ravermel&o que vai de 3%4 a 3%56 .

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A radiação do 7orpo 8egro I

•Um corpo negro ideal é aquele que absorve 9emtodas temperaturas: toda a radiação que incidenele e sua pot;ncia absortiva será <%independentemente da direção da radiação.

•8a prática% a maioria dos corpos não secomporta dessa maneira e possuem%

conseq=;ntemente% uma pot;ncia absortivamenor do que < . 

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A radiação do 7orpo 8egro II

•Um corpo negro ideal também secomporta como um irradiador ideal.

Assim% um corpo negro ideal emitemais energia do que um corpo comum.,ssa *'ot;ncia ,missiva pode ser

c&amada *,missividade e no caso docorpo negro% vale <. 

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A radiação do 7orpo 8egro I@

•A emissividade das super#$cies não é a mesmapara todos os comprimentos de onda em geral% aemissividade é maior em comprimentos de ondamenores e a emissividade de B2idos e outrosmateriais re#ratários é maior para comprimentosde onda maiores. 

•Um irradiador que se comporte como um corponegro pode ser obtido através de um dispositivocom uma cavidade% como um #orno% por e2emplo9#igura <:% tendo uma pequena abertura% por onde

a radiação pode ser emitida. 

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A radiação do 7orpo 8egro @I

A radiação sofre múltiplas reflexões nas paredes internas do forno,

antes de escapar pela superfície. omo as paredes internas do

forno não refletem perfeitamente a radiação, em cada reflexão uma

parte da radiação ! a"sor#ida. onse$uentemente, ap%s muitasreflexões, a $uantidade de radiação $ue consegue escapar pela

a"ertura ! muito pe$uena. & material excitado irradia energia de

uma forma constante, $ue mina da 'anela, podendo ser aplicado em

processos de cali"ração de pir(metros.

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Contes de ,rro de leitura deDetetores de Radiação

• ,mitEncia

• 'erda de energia na propagação da onda

eletromagnética/Ao propagar(se por um meio material% a

onda elétromagnética perde energia% &avendoredução de intensidade do sinal quando estec&ega ao detector de radiação. Feralmente ocamin&o Bptico consiste de algum gás e várias

 !anelas% lentes ou espel&os para #ocali>ar a

radiação ou proteger elementos sens$veis.

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Detetores de Radiação

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Detetores de Radiação I

• ,m todos os termmetros de radiação% aradiação do corpo a ser medido é

#ocali>ada no detetor de radiação queprodu> um sinal elétrico% podendo osensoriamento ser #eito por/

•

Detetor -érmico•Detetor de CBtons

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Detetores -érmicos

• Os Detetores -érmicos são elementosenegrecidos pro!etados para absorver omá2imo de radiação incidente. A radiação

absorvida provoca o aumento de temperaturado detetor até que se atin!a o equil$brio comperdas de calor para o meio vi>in&o.

• Os detetores térmicos medem estatemperatura% usando um termmetro deresist;ncia ou o princ$pio dos termopares.

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Detetores Cotoelétricos I

• 8os detetores de #Btons% a radiação incidente9#Btons: libera elétrons na estrutura do detetore produ> um e#eito elétrico mensurável.

• ,ste tipo de detecção tem uma resposta alta%porém% a sensibilidade dos detetores de #Btonsvaria com o comprimento de onda.

• Os detetores de #Btons em geral operam nosmodos #otocondutivos% #otovoltaicos e#otoeletromagnéticos.

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Detetores Cotoelétricos II

• Detetores Cotocondutivos ( ,2ibem uma resist;nciaelétrica que muda o n$vel de radiação incidente.

• Detetores Cotovoltaicos ( empregam uma barreira#otosensitiva de alta resist;ncia% depositada entre duascamadas de material condutor. Ocorre uma d.d.p.entre essas duas camadas quando a célula é e2posta aradiação.

• Detetores Cotoeletromagnéticos ( Utili>a(se o e#eitoHall% sendo que um cristal #ica su!eito a um intensocampo magnético que gera uma ddp através dase2tremidades do cristal.

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'irmetros 0pticos

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'irmetros 0pticos I

Aspectos FeraisOs pirmetros Bticos medem temperatura porcomparação/ eles selecionam uma #ai2a espec$#ica daradiação vis$vel 9geralmente o vermel&o: e comparacom a radiação de uma #onte calibrada. A lenteob!etiva é #ocali>ada de modo a #ormar uma imagemdo ob!eto no plano do #ilamento da lEmpada a ocular

é #ocali>ada sobre o #ilamento. Ambas as lentes estãosimultaneamente em #oco% com o #ilamento dopirmetro atravessando a imagem da #onte deradiação. 

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'irmetros 0pticos IIAspectos Ferais

• A energia radiante é medida por comparação#otométrica da claridade relativa de um ob!eto detemperatura descon&ecida com uma #onte de

bril&o padrão% como um #ilamento de tungst;nio.

• A comparação da claridade é #eita pelo observador

e é dependente da e2trema sensibilidade do ol&o&umano e a di#erença de claridade entre duassuper#$cies da mesma cor.

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'irmetros 0pticos III

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'irmetros 0pticos I@

8os pirmetros Bpticos modernos% acomparação de claridade é #eita por doismétodos/

•@ariando(se a corrente através do #ilamento da#onte padrão até que sua claridade se iguale ?quelado ob!eto medido

•@ariando(se opticamente a claridade observada daimagem do ob!eto% até que se iguale ? do #ilamentoda lEmpada padrão% enquanto se mantém constante

a corrente através da lEmpada

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'irmetros 0pticos @Aplicaç"es

• )ão aplicados em laboratBrios e indGstrias paramedir temperaturas acima de 53o 7

• Industrialmente são usados para medidasinacess$veis como #usão de metais% interiores de#ornos% temperaturas de super#$cies e#ilamentos incandescentes

• 'rocessos de calibração para pirmetros deradiação e termopares com tubos protegidos. 

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-ipos de 'irmetros 0pticos

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-ipos de 'irmetros 0pticos I

-r;s tipos básicos de pirmetros0pticos são geralmente utili>ados/

•'irmetro 0ptico de eeds e 8ort&rup

•'irmetro 0ptico de -elescBpico

•'irmetro 0ptico de a!ustamento de claridade

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-ipos de 'irmetros 0pticos II

'irmetro 0ptico de eeds e 8ort&rup• A lente ob!etiva #orma uma imagem da #onte quente no

plano do #ilamento de uma lEmpada incandescente.

•

O usuário observa a imagem e o #ilamento através de umdispositivo que contém um #ilamento de vidro vermel&o ecom um a a!uda de um reostato a!usta(se a corrente no#ilamento da lEmpada até que a claridade se iguale aclaridade da imagem da #onte.

• A corrente no #ilamento é então a temperaturacorrespondente e é obtida com a re#er;ncia de uma curvade calibração.

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-ipos de 'irmetros 0pticos III

'irmetro 0ptico -elescBpico

8o 'irmetro 0ptico -elescBpico% #a>(se aleitura direta da temperatura de um corpo negro. O

princ$pio de operação é o mesmo que o 'irmetrode eeds% porém% o sistema Bptico é pro!etado para#ornecer uma imagem mel&orada da #onte% altaampliação do #ilamento 96 ve>es:% eliminação dedi#ração e e#eitos de re#le2ão nas bordas do #ilamentoe um campo de observação n$tido. 

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-ipos de 'irmetros 0pticos @

'irmetro 0ptico de a!ustamento de claridade

,ste pirmetro é baseado no

princ$pio de a!ustamento da claridadeobservada da imagem do ob!eto até queesta se iguale ? intensidade do #ilamento

da lEmpada padrão sendo que este Gltimoé mantido em um valor constante.

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'irmetros de Radiação

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'irmetros de Radiação IAspectos Ferais

• A 'irometria de Radiação relaciona atemperatura de um corpo negro com a

sua radiosidade ou pot;ncia emissiva.• A emissividade de uma substEncia é

#unção de sua temperatura e direção do

Engulo de observação da radiaçãoemitida.

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-ipos de 'irmetros de Radiação I

-r;s tipos básicos de pirmetros deradiação são geralmente utili>ados/

•'irmetros de #ai2a arga

•'irmetro de passagem de #ai2a Gnica

•'irmetro de relação de duas cores

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-ipos de 'irmetros de Radiação II

'irmetros de #ai2a arga'rocuram medir a maior quantidade

poss$vel de energia radiante emitida pelocorpo quente% sendo por isso c&amado'IR+M,-RO D, RADIAJKO -O-A. 

)ão utili>ados geralmente para indicaç"es econtrole automático industrial% cobrindotodas as #ai2as de temperatura.

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-ipos de 'irmetros de Radiação III

'irmetro de passagem de #ai2a Gnica

Cuncionam numa #ai2a estreita%escol&ida% do espectro de energia comcentro num ponto dese!ável.

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-ipos de 'irmetros de Radiação I@

'irmetro de relação de duas cores

Mede a energia recebida de duas

#ai2as estreitas e divide uma pela outra.)e as duas #ai2as escol&idas de modo a&aver muito pouca mudança da

emissividade de uma para a outra9#ai2as prB2imas:% o #ator deemissividade praticamente se anula.

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'irmetros Cotoelétricos

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'irmetros Cotoelétricos

Tanto o pirômetro de radiação total como

o óptico dificilmente se prestam para

medições dinâmicas; além disso, nocaso do pirômetro óptico, a acuidade

visual do operador pesa no resultado

final, o que não é interessante.

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'irmetros Cotoelétricos

• Os pirômetros fotoelétricosnormalmente empream sensores que

atual na fai!a do infravermel"o;•  #$ranem uma fai!a de temperatura

maior do que os pirômetros de radiaçãototal e óptico;

• %ão mais r&pidos, respondendo nacasa dos miliseundos.

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'irmetros Cotoelétricos

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'irmetros Cotoelétricos

•%ensores de infravermel"o não só

operam em altas temperaturas, mas

tam$ém podem ser usados nosc"amados processos industriais a frio

'for(amento, e!trusão, trefilação,etc..).

%ua fai!a de uso pode ser descrita de *a +.** °-.

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'irmetros Cotoelétricos

Os pirômetros fotoelétricos possuem

$asicamente a mesma estrutura de um

pirômetro de radiação total, só que osensoriamento da temperatura é feito por

um fotodiodo, e, conseqentemente o

circuito de leitura/processamento do sinalé diferente dos processos anteriores.

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'irmetros Cotoelétricos&s fotodiodos são 'unções )-* +i ou e, onde a

radiação incidente atinge a região da 'unção/ esses

diodos são operados com tensão re#ersa. *essas

condições, os el!trons não possuem energiasuficiente para cru0ar a "arreira de potencial.

ntretanto, com a radiação incidente, a colisão dos

f%tons com os el!trons far2 com $ue os el!trons

gan3em energia e cru0em a 'unção. A energiatransportada pelos f%tons depende de seu

comprimento de onda.

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7alibração de 'irmetros

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7alibração de 'irmetros I

Uma curva de calibração de corrente

versus temperatura pode ser obtidaigualando(se o bril&o do #ilamento do'irmetro com o bril&o do #orno de corponegro% mantido a várias temperaturaspadrão% como por e2emplo o ponto de #usãode metais puros.

<o Método

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7alibração de 'irmetros II

Utili>a(se uma #onte de corpo negro a umaGnica temperatura% precisamente con&ecida. A

claridade aparente desta #onte é redu>idaquantitativamente pela interposição de anteparosde vidros absorventes ou setores rotatBrios entre a#onte e o pirmetro. 'ode(se desta #orma% obtervários pontos de calibração.

Observação: Este método é muito aplicado a

 Pirômetros ópticos.

6o Método

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O ,C,I-O HA

-em(se uma #ita condutora com seção reta A 9Ld: através daqual circula um #ei2e de elétrons com velocidade v.

Aplicando(se um campo magnético na direção &ori>ontal% con#ormeindicado na #igura% resulta numa #orça magnética na direçãoperpendicular ao movimento eletrnico% no sentido de cima parabai2o. ,sta #orça #ará com que o movimento dos elétrons se!a desviadopara bai2o. 7om o tempo% cargas negativas acumulam(se na #acein#erior% e cargas positivas na #ace superior. O e2cesso de cargaspositivas e negativas% #unciona como um capacitor de placas paralelas%