Técnicas de Calibração de Instrumentos de Medição: Método Absoluto

Técnicas Calibração Medição Absoluto

As calibrações de sensores térmicos como termopares, termoresistências, termistores, termômetros de líquido em vidro, etc., podem ser feitas por dois métodos:

Métodos Absolutos
Métodos Comparativos

Em ambos os casos devem ser seguidas as determinações da ITS-90.

-Métodos Absolutos: Os métodos absolutos são aqueles em que o dispositivo a calibrar é imerso em um meio com temperatura intrinsecamente conhecida. Este meio, via de regra, é um ponto fixo de transformação de fase de substâncias puras. (Ex.: ponto tríplice da água, ponto de gelo, ponto de solidificação do zinco, etc.).

CALIBRAÇÃO E TESTE DE TERMOPARES

Em termopares, o conceito de aferição é um pouco diferente. Não se executa uma regulagem ou qualquer tipo de modificação no sensor, mas sim se processa uma “checagem” ou “aferição” na curva deste, verificando‑se, assim, se está ou não dentro das especificações e tolerâncias admitidas por normas. Uma vez constatada a sua “descalibragem” o mesmo deve ser substituído por outro, dentro das normas.

O objetivo de calibrar qualquer termopar ou fio termopar é comparar a relação f.em. x temperatura com a tabela ou curva de calibração. Todos os termopares em serviço estão sujeitos a desvios de calibração, particularmente sob condições de alta temperatura e contaminação atmosférica.

A precisão da medida de temperatura por termopares depende, sobretudo, do cuidado da seleção do material do termopar, de sua construção apropriada e instalação e do uso de equipamento de medição apro­priado. Para manter esta precisão deve existir manutenção, incluindo um programa de verificação do termo­par.

Razões específicas regem a importância da verificação do termopar, que variam de acordo com a apli­cação e o grau de precisão requerido, mas a maioria tem por objetivo maior precisão, maior segurança, au­mento da eficiência, redução da rejeição, menor custo e, em geral, melhores resultados.

Em centrais de força, por exemplo, ótima eficiência é um requisito de extrema importância; caldeiras de alta pressão necessitam de estreitos controles de temperatura e, consequentemente, é obrigatório o conhe­cimento da precisão dos termopares.

Na indústria aeronáutica a medição de temperatura é um fator crítico em muitos estágios da produção e de testes. As altas tensões internas e externas produzidas nas estruturas das aeronaves e na superfície de revestimento em velocidades supersônicas, requerem materiais adequados para suportarem condições am­bientais severas. Para produzir tais materiais, devemos recorrer a medições precisas de temperatura.

Na indústria petroquímica, o controle rígido de temperatura permite a obtenção de produtos de elevada qualidade, dentro de normas e especificações.

O uso de controle por computador, a necessidade de produtos mais apurados e a competição acirrada por qualidade e preço requerem o máximo em garantia do termopar.

Outros setores dependem da medição precisa de temperatura e da verificação constante dos termopa­res, tais como: Indústria Têxtil, Indústria Metalúrgica, Indústria Alimentícia, Indústria Cerâmica, Área de Pes­quisa e Testes, e  das condições de aplicação e da natureza do processo envolvido.

3.19.1. TERMOPAR PADRÃO

O conceito de termopar padrão é importante na aferição dos termopares colocados à disposição do mercado.

‑ Padrão Absoluto: termopar tipo S, guardado sob segurança na National Bureaus Standard (NBS).

‑ Padrão Primário: termopar tipo S, obtido a partir da comparação com o padrão absoluto, adquirido por grandes instituições.

‑ Padrão Secundário: termopar tipo S, obtido a partir de comparação com o termopar primário, adqui­rido por empresas especializadas em medições de temperatura.

‑ Padrão Industrial: obtidos a partir do padrão secundário. Destinados às indústrias de grande porte, que necessitam de precisão em medidas.

‑ Padrão Prático: obtido a partir do padrão industrial. São usados para aferições periódicas de áreas.

3.19.2 TÉCNICAS DE CALIBRAÇÃO

No capítulo 1, vimos algo do desenvolvimento do conceito de temperatura termodinâmica e sua relação com uma escala prática baseada em pontos fixos e equações empíricas para formar a “Escala Prática Internacional de Temperatura”, cuja versão atual é a IPTS 68.

Calibrações de termopares são requisitadas com vários graus de precisão, que vão desde 0,1 até 5 ou 10°C. Para uma precisão de 0,1°C, de acordo com a IPTS 68 e métodos de interpolação entre os pontos de calibração, tomaram‑se problemas de suma importância, mas para uma precisão de aproximadamente 3°C métodos de comparação são suficientes.

Entre os métodos de aferição de termopares podemos destacar:

a) Método dos pontos fixos

Baseia‑se na verificação da milivoltagem gerada por um termopar em vários pontos fixos de temperatura; fusão ou volatilização de certas substâncias puras (padronizadas pela IPTS 68). Esse método é muito preciso, porém de extrema dificuldade de realização, necessitando de laboratório sofisticado.

Podemos considerar algo em torno de 15 pontos fixos primários ou secundários, cada um relacionado a um valor de temperatura na IPTS 68 variando do ponto de ebulição do nitrogênio ‑195,802°C, ao ponto de solidificação da platina pura a 1769°C. Os pontos fixos na faixa criogênica de ‑260,15°C até ‑189,15°C, envolvem equipamentos muito sofisticados para serem considerados como meios aptos para a calibração. O usuário é obrigado a recorrer a laboratórios especializados para calibração nesta faixa. Para o restante da escala, calibrações podem ser realizadas, em alguns casos, com equipamentos extremamente simples.

Os pontos fixos da “IPTS” são de três tipos, chamados de “Pontos de Ebulição”, “Pontos de Solidificação” e “Pontos Triplo”.

Pontos de ebulição

O ponto de ebulição de um líquido é a temperatura de equilíbrio entre o líquido e o seu vapor a uma ¡pressão atmosférica padrão. O ponto de ebulição do oxigênio líquido (‑182,969°C) pode ser conseguido rapidamente num laboratório. Alternativamente, oxigênio ou nitrogénio líquidos podem ser usados para gerar temperaturas estáveis nas quais os termopares podem ser comparados com padrões com uma precisão de 0,003°C.

Um dos mais convenientes pontos de ebulição para fins de calibração é o da água (100,000°C).

Pontos de solidificação

Os pontos de solidificação dos metais oferecem vantagens consideráveis sobre os pontos de ebulição, quando usados como temperaturas de referência termométrica, especialmente porque eles pouco dependem da pressão. Por outro lado, eles são mais suscetíveis aos efeitos de impurezas, apesar de que, hoje em dia, os metais podem ser comprados com 99,9999% de pureza. Como resultado, o ponto de solidificação do zinco (419,580°C) foi adotado na IPTS 68 no lugar do ponto de ebulição do enxofre (444,674°C) e o ponto de solidificação do estanho (231,988°C) foi incluído como alternativa ao ponto de ebulição da água.

A técnica do ponto de solidificação requer o aquecimento do metal uns 10°C acima da temperatura de liquefação, inserção do termopar de teste e um resfriamento lento do lingote com o termopar sendo lido em intervalos regulares. O patamar da curva de esfriamento dá a calibração do termopar no ponto de solidifica­ção. Quando são necessários os mais altos índices de precisão, a confiabilidade está em se obter e manter metais da mais alta pureza, apesar de que qualquer degradação do metal se manifestaria como uma “pertur­bação” do patamar de solidificação. Em aplicações menos exigentes ou situações industriais onde muitos termopares devem ser calibrados é preciso verificar a validade do ponto de solidificação, através de sua me­dição periódica com um termômetro padrão.

Pontos triplos

Células de ponto triplo estão se tornando cada vez mais utilizadas no trabalho de calibração, porque oferecem fontes de temperatura muito precisas, completamente livres de equipamentos auxiliares problemáticos.

A temperatura do ponto triplo de uma substância pura é única, dependendo somente da coexistência em equilíbrio das fases sólida, líquida e gasosa da substância pura.

b) Método da comparação

É o método mais utilizado. Baseia‑se na comparação da f.e.m. gerada por um termopar padrão com a f.e.m. gerada pelo termopar que se deseja aferir.

Banhos de água apropriados permitem fazer comparações na faixa de 2°C até próximo do ponto de ebulição. Os aspectos essenciais devem certificar que a água seja agitada, forçada a seguir uma circulação definida e aquecida antes de alcançar a câmara onde estão os termômetros, evitando‑se, assim, erros originados na má distribuição de temperatura e efeitos de radiação. Banhos de óleo são usados cobrindo a faixa de 100°C a 500°C.

Banhos de “leito fluidizado” tornaram‑se utilizados nos últimos anos. Areia ou aluminas finalmente pulverizadas são fluidizadas pela difusão de uma corrente de ar comprimido. O aquecimento é feito por aquecedores imersos. Este tipo de banho oferece vantagens na segurança e numa faixa bastante extensa de utilização, atingindo até 1000°C.

Banhos de líquido em agitação podem criar zonas de temperatura bastante uniformes. Isso é uma vantagem especial para a calibração dos termopares porque permite a monitoração na f.e.m. do termopar que resultam da não uniformidade dos fios. A temperatura do banho pode ser estabilizada e a f.e.m. medida, enquanto é mantida a imersão em vários níveis, “varrendo” a extensão de uso pretendido.

Esses tipos de testes dão uma indicação da uniformidade dos fios e a reprodutibilidade da calibração pode ser estimada pela qualidade de repetição da medição da f.e.m. com o aprofundamento da imersão.

Comparações em fornos também são realizadas. Uma consideração importante quando da calibração de termopares relaciona‑se aos gradientes de temperatura que eles experimentam. Numa comparação em forno colocam‑se as juntas do termopar perto umas das outras ou mesmo em contato. Este método requer um laboratório que disponha de termopares padrões com suas curvas de aferição, forno especial com tempe­ratura controlada, caixa de junta fria, chave seletora e um milivoltímetro de precisão.

O objetivo é produ­zir uma, zona na qual a temperatura seja tão uniforme quanto possível. Para isso um bloco equalizador é estrategicamente furado para receber os termopares de teste e padrão.

Procedimento:

1) Coloca‑se o set‑point do controlador do forno na temperatura que se deseja aferir o termopar.

2) Espera‑se a temperatura do fomo es­tabilizar completamente na temperatura desejada.

3) Faz‑se a leitura da f.em. gerada pelo termopar padrão. Transforma‑se esta em temperatura com a devida correção através da curva de erro deste.

4) Faz‑se a leitura da f.em. gerada pelo termopar que se quer aferir. Transforma‑se esta em temperatura e compara‑se com a tem­peratura corrigida, indicada pelo termopar pa­drão.

Esse procedimento é repetido em diversas temperaturas, para levantamento da curva de erro do termopar.

c) Método do fio intermediário

Os fios termopares são unidos através de um fio de metal puro, cujo ponto de fusão é bem conhecido (ouro, paládio, platina, alumínio). Aquecendo‑se vagarosamente o termopar até temperatura próxima ao ponto de fusão do fio intermediário. Quando este se romper, faz‑se a leitura da f.e.m. gerada.

É de fácil realização, porém de baixa precisão.

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Termopares são fios metálicos de materiais diferentes que quando soldados e aquecidos neste ponto, observa-se uma carga em milivolts que se apresenta de modo proporcional a temperatura, e assim são elementos que se assemelham a termo pilhas.

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