Operação do termômetro de radiação ambiente NIST, que tem aproximadamente 60 cm (24 pol. de comprimento (1) luz infravermelha (IR) de uma fonte calibrada de temperatura fixa (à direita, não mostrado) entra no invólucro do termômetro através desta lente, que concentra a radiação em uma "parada de campo, ”Análogo à abertura f-stop em fotografia. (2) Um cortador de metal circular corta o feixe de infravermelho em uma sequência de pulsos. (3) A primeira lente dentro do cilindro central converte a luz do stop de campo em um feixe paralelo. (4) A luz passa através deste cilindro isolado com cerca de 30 cm (12 pol.) De comprimento, que é controlado por temperatura por um sistema de feedback. A radiação dispersa é bloqueada por outra parada. (5) Uma segunda lente focaliza a luz em um detector piroelétrico. (6) A saída do detector é roteada para um amplificador que aumenta o sinal para níveis prontamente legíveis. Crédito:NIST
Normalmente, você não encontrará um termômetro de radiação até que alguém coloque um em seu ouvido no consultório médico ou você aponte um para sua testa quando estiver com febre. Mas mais sofisticado e altamente calibrado, termômetros de pesquisa "sem contato" - que medem a radiação infravermelha (calor) emitida por objetos sem tocá-los - são extremamente importantes para muitos empreendimentos além da saúde.
Contudo, mesmo termômetros de radiação convencionais de última geração produziram leituras com incertezas preocupantemente grandes. Mas agora os pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) inventaram um portátil, termômetro de radiação de qualidade padrão notavelmente estável com cerca de 60 cm (24 pol.) de comprimento que é capaz de medir temperaturas com uma precisão de alguns milésimos de grau Celsius.
O NIST tem uma longa história de estudo de termômetros de radiação. O novo instrumento protótipo, que se baseia nesse trabalho, pode medir temperaturas entre -50 ˚C (-58 ˚F) a 150 ˚C (302 ˚F). Os comprimentos de onda infravermelhos correspondentes são de 8 a 14 micrômetros (milionésimos de um metro), que é uma espécie de ponto ideal termodinâmico.
"Todas as temperaturas são iguais, mas alguns são mais iguais do que outros, "disse o físico do NIST Howard Yoon, que criou o design do termômetro e dirigiu o projeto, descrito no jornal Optics Express . "Esse intervalo de 200 graus cobre quase todas as temperaturas que ocorrem naturalmente na Terra. Se você causar um grande impacto na medição de objetos nessa faixa, realmente importa. "
Além da medicina clínica, temperaturas naquela região são de importância urgente em aplicações onde o contato não é apropriado ou viável. Por exemplo, os cirurgiões precisam medir a temperatura dos órgãos antes do transplante. Os agricultores modernos precisam de temperaturas precisas ao manusear, armazenamento, e processamento de alimentos. Os satélites requerem termômetros sem contato para medir as temperaturas na terra e na superfície do mar.
Os termômetros de radiação convencionais geralmente contêm pouco mais do que uma lente para focar a radiação infravermelha e um sensor piroelétrico, um dispositivo que converte energia térmica em um sinal elétrico. Suas medições podem ser afetadas por diferenças de temperatura ao longo do termômetro e pela temperatura externa ao instrumento.
Lâmpada infravermelha. Crédito:Bernd Marczak de Berlin da Pixabay
O design do NIST, denominado Ambient-Radiation Thermometer (ART), é equipado com um conjunto de termômetros internos que medem constantemente as temperaturas em diferentes pontos do instrumento. Essas leituras são enviadas para um sistema de loop de feedback que mantém o cilindro de 30 cm (12 polegadas) que contém o conjunto do detector a uma temperatura constante de 23 ˚C (72 ˚F).
Ele também apresenta outras melhorias de design, incluindo um método para reduzir erros do que é chamado de efeito do tamanho da fonte, que ocorre quando a radiação entra no instrumento de áreas fora do campo de visão especificado.
A principal vantagem do ART é sua estabilidade sem precedentes. Depois de ter sido calibrado com termômetros de contato de grau padrão, o instrumento pode permanecer estável dentro de alguns milésimos de grau por meses sob operação contínua. Isso torna o sistema muito promissor para aplicações que envolvem sensoriamento remoto por longos períodos.
"Imagine ser capaz de levar o projeto do NIST para o campo como termômetros de radiação móvel para medir com precisão variáveis, como temperaturas da superfície da terra e do mar, "Yoon disse." Poderia servir como um método confiável de calibração de sensores infravermelhos de satélite e validar os enormes programas de ciência do clima que são usados para prever, por exemplo, os caminhos e forças dos furacões. "Sua faixa inferior de -50 ˚C (-58 ˚F) o torna adequado para monitorar a temperatura do gelo nas regiões polares, normalmente na faixa de -40 ˚C (-40 ˚F) a -10 ˚C (14 ˚F).
Existem vários métodos para fazer medições de temperatura de alta precisão, mas poucos são adequados para o trabalho de campo. Os termômetros de resistência de platina são frágeis e precisam ser recalibrados com frequência. A fonte de temperatura padrão para transferir essa calibração para o ART envolve uma cavidade de fonte de calor dentro de cerca de 42 litros (11 galões) de líquido.
"Essas são as melhores fontes que temos, "Disse Yoon." Mas é impraticável medir a temperatura da água colocando um termômetro no oceano em intervalos, e você não quer calibrar constantemente seu termômetro de radiação usando uma fonte de calibração como aquela a bordo de um navio. "
Gerald Fraser, chefe da Divisão de Ciência de Sensores do NIST, disse que "a inovação da Yoon torna a termometria sem contato competitiva com os melhores termômetros de contato comerciais em precisão e estabilidade em uma faixa de temperatura que os humanos experimentam diariamente. Isso permite muitas novas oportunidades em inspeção de produto e controle de qualidade e em defesa e segurança onde os métodos de contato convencionais são pouco práticos ou muito caros. "
Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.
