Variáveis ópticas que influenciam

A medição da temperatura sem contacto baseia-se num método de medição ótico. As propriedades ópticas de um pirómetro têm uma grande e frequentemente subestimada influência na exatidão da medição. Em muitos casos, apenas os parâmetros especificados na folha de dados são comparados ao testar a incerteza da medição. No entanto, uma ótica simples, incorretamente selecionada ou incorretamente ajustada pode resultar em erros de medição muito graves. O relatório que se segue explica os princípios e os efeitos dos erros de imagem ótica e a especificação dos parâmetros ópticos dos pirómetros. Apresenta uma forma de o próprio utilizador poder controlar a qualidade da ótica do pirómetro.

Aberração esférica (erro de abertura)
Os raios de luz que entram perto da extremidade de uma lente são focados a uma distância diferente dos raios de luz que entram a partir do centro. O resultado é uma imagem ligeiramente desfocada. A aberração esférica pode ser reduzida em sistemas ópticos compostos por várias lentes, combinando várias superfícies de lentes de forma adequada.

Aberração cromática (aberração cromática longitudinal)
A distância focal das lentes depende do comprimento de onda. A luz ou radiação de diferentes comprimentos de onda é focada em diferentes pontos. A imagem de um objeto aparece então com margens coloridas à volta da imagem. A aberração cromática pode ser grandemente reduzida utilizando ópticas que são corrigidas para dois (acromáticas) ou três (apocromáticas) comprimentos de onda (Fig. 2). Os materiais das lentes são selecionados de modo a que as aberrações das lentes se compensem mutuamente para dois ou três comprimentos de onda.

Para especificar a ótica, é especificado o tamanho do ponto de medição para uma determinada distância ou o rácio de distância, ou seja, o rácio entre a distância de medição e o diâmetro do campo de medição.

O tamanho do ponto de medição dos pirómetros está relacionado com uma percentagem fixa da energia máxima que pode ser recebida num meio espaço. 100 % corresponde a um objeto de medição infinitamente grande. A dimensão do ponto de medição está tipicamente relacionada com 90, 95 ou 98 % da energia máxima que pode ser recebida (Fig. 3).

Se a componente de radiação estiver relacionada com 95 % em vez de 90 %, isso resulta num campo de medição maior. Por conseguinte, as informações sobre a dimensão do campo de medição só são comparáveis se se referirem à mesma percentagem. Alguns fabricantes não especificam a percentagem de radiação ou definem-na como uma percentagem baixa. Como resultado, estes fabricantes fingem um campo de medição muito pequeno nas folhas de dados, sabendo muito bem que teriam de declarar um valor significativamente maior se o tivessem definido de forma diferente. Além disso, alguns fabricantes especificam o tamanho do campo de medição sem ter em conta as tolerâncias das lentes.

Nos pirómetros, é feita uma distinção entre dispositivos com ótica focável e ótica de focagem fixa. O campo de medição só está focado na distância focal. Se o pirómetro for operado fora da gama focal, a distribuição uniforme da radiação infravermelha no sensor deixa de estar garantida (Fig. 4).

A radiação recebida através da superfície de medição é então detectada em diferentes graus. As alterações de temperatura no centro têm um efeito maior do que na zona periférica do campo de medição.

Este facto tem um impacto particular na calibração do pirómetro em frente a um "corpo negro". A abertura do forno deve ser várias vezes maior do que o campo de medição do pirómetro. Para os dispositivos com ótica simples e um grande campo de medição, devem ser utilizados radiadores extremamente grandes como fonte de calibração, a fim de reduzir os erros de medição que podem ocorrer durante a calibração. Esta é uma das principais fontes de erro para a elevada incerteza de medição dos dispositivos de baixo custo.

Particularmente com pequenos objectos de medição que são apenas ligeiramente maiores do que a área de medição do pirómetro, um ajuste incorreto da focagem pode levar a erros de medição significativos. Contudo, mesmo que o pirómetro esteja a olhar para o objeto de medição através de aberturas, visores, paredes do forno ou tubos de visão, uma ótica mal ajustada ou uma focagem incorrecta podem, rapidamente, conduzir a uma constrição do cone de visão e, assim, a medições incorrectas. Se as medições forem feitas em objectos que são significativamente maiores do que o campo de medição do pirómetro, a temperatura exibida mudará com uma ótica simples se o tamanho do objeto de medição ou a distância de medição mudar. A Fig. 5 mostra uma comparação da visualização reduzida do valor medido para uma ótica de alta qualidade e uma ótica simples em relação ao diâmetro do objeto de medição. No caso das ópticas simples, o valor medido diminui consideravelmente quando o tamanho do alvo se altera. Uma alteração da distância de medição tem o mesmo efeito com um tamanho de objeto constante. Isto significa que os aparelhos com ótica simples apresentam valores de medição diferentes a distâncias de medição diferentes. Esta fonte de erro deve ser tida em conta, especialmente quando se utilizam dispositivos portáteis simples, que são certamente utilizados a diferentes distâncias. Este efeito é designado por efeito de tamanho da fonte (SSE) e é uma fonte de erro mais ou menos significativa em todos os pirómetros. As causas são erros de imagem na ótica, luz dispersa e reflexão de componentes ópticos e partes da caixa, bem como difração devido à natureza ondulatória da luz. O efeito do tamanho da fonte diminui à medida que o comprimento de onda de medição se torna mais curto. Esta influência pode ser minimizada corrigindo cuidadosamente os erros de imagem ótica, utilizando componentes ópticos antirreflexo e evitando a luz difusa e os reflexos no dispositivo. O utilizador pode minimizar este erro na prática, concentrando-se precisamente na distância de medição.

Dependendo da temperatura, a radiação infravermelha emitida por um objeto de medição encontra-se na gama de comprimentos de onda entre 0,6 - 20 µm, ou seja, normalmente acima da luz visível. Em primeiro lugar, isto significa que a ótica deve ser corrigida para a gama de comprimentos de onda utilizada pelo pirómetro. Se o utilizador pretender focar visualmente ou se os dispositivos estiverem equipados com uma câmara de vídeo como auxiliar de observação, o sistema ótico deve ser concebido de modo a que os erros de imagem ótica sejam corrigidos de forma igual para a gama de comprimentos de onda do visível e do infravermelho. Nos dispositivos simples, utilizam-se lentes que não têm correção de cor ou que só têm correção para um comprimento de onda. Neste caso, os pontos focais da radiação infravermelha e visível não coincidem (Fig. 2). Se o pirómetro for focado através do dispositivo de mira, não é focado de forma óptima para a radiação infravermelha.

Especialmente quando se utilizam lasers para indicar o ponto de medição, o ponto laser não corresponde à distância de medição com lentes simples.

Estes erros só podem ser eliminados, na medida do possível, com sistemas opticamente complexos de duas lentes ou sistemas de três lentes. Os pirómetros da série CellaTemp PA, por exemplo, têm uma ótica de precisão de alta qualidade com um sistema de lentes antirreflexo de banda larga.

Isto significa que mesmo os fios com um diâmetro de 0,3 mm podem ser medidos corretamente em termos de temperatura.

As propriedades de imagem de um pirómetro podem ser facilmente verificadas pelo utilizador. Para o efeito, o pirómetro é alinhado com uma fonte de radiação definida.

O tamanho da área de radiação deve ser várias vezes maior do que o campo de medição do pirómetro. Posiciona-se agora um diafragma de íris aberta à distância focal (a) do pirómetro em frente da fonte de radiação e utiliza-se o pirómetro para determinar a temperatura com uma emissividade de ε = 1 (Fig. 6). É aconselhável efetuar a medição no final da gama de medição do pirómetro, uma vez que os erros ópticos de medição se tornam mais visíveis a temperaturas mais elevadas. A emissividade do pirómetro deve então ser ajustada para 0,98, o que leva a um aumento da indicação da temperatura.

O diâmetro do diafragma da íris deve então ser reduzido até que a temperatura exibida corresponda novamente ao valor original. O diâmetro da abertura da membrana da íris corresponde então ao tamanho do campo de medição em relação a 98 % da energia de radiação. A relação com a distância de medição a resulta na relação de distância D = . Esta medição deve então ser repetida para um tamanho de campo de medição de 95 % e 90 % e o resultado deve ser comparado com as especificações da brochura do fabricante.

Desta forma, é muito fácil verificar e comparar as propriedades ópticas reais da imagem, incluindo os efeitos dos erros das lentes, de diferentes dispositivos.

A figura 7, por exemplo, mostra os diâmetros dos objectos de medição para 90 % e 95 % da energia radiante. Em relação a 90 %, as diferenças nas dimensões dos campos de medição são ainda relativamente pequenas, com Ø 14 mm para a ótica simples e Ø 10,2 mm para a ótica de alta qualidade. No entanto, a 95 % (Ø 24 mm para a ótica simples e Ø 11,5 mm para a ótica de alta qualidade), os valores são já muito diferentes. Para poder especificar um valor melhor (mais pequeno) para o diâmetro do campo de medição, alguns fabricantes preferem portanto especificar o valor para um valor de referência mais pequeno da radiação (por exemplo, 90 %). Isto faz com que um sistema ótico simples pareça ser significativamente melhor do que é na realidade.

Para pirómetros com luz piloto, câmara de vídeo ou visão através da lente, o ensaio pode também ser utilizado para determinar se a distância do ponto focal ao campo de medição e ao campo de visão é idêntica e se a marcação do campo de medição corresponde efetivamente à posição e dimensão da superfície de medição do pirómetro.

Ao selecionar pirómetros, para além de comparar os parâmetros metrológicos, as propriedades ópticas também devem ser cuidadosamente comparadas. Como, infelizmente, a informação fornecida por alguns fabricantes nas suas brochuras é frequentemente inadequada, deve perguntar-se em pormenor como foi determinado o campo de medição especificado e se os erros das lentes e as tolerâncias de alinhamento foram tidos em conta na especificação. A comparação de diferentes pirómetros só é possível se as especificações ópticas e os valores de referência forem idênticos. Em casos críticos, deve verificar a qualidade e a especificação da informação na brochura, como descrito acima, para estar do lado seguro. Afinal, de que serve um pirómetro que é especificado com uma incerteza de medição eléctrica significativamente inferior a 1 %, mas que, por outro lado, a utilização de lentes simples e de configurações ópticas resulta em erros de medição significativamente maiores?