Calibração de termómetros a temperaturas extremamente baixas (-80 °C a -180 °C)

Medições precisas de temperatura são cruciais em muitos setores industriais, especialmente farmacêuticos, criogênicos e pesquisa científica.

A calibração de termómetros a temperaturas extremamente baixas, entre -80 °C e -180 °C, representa um desafio técnico significativo. Este artigo descreve as possibilidades técnicas para calibrar termómetros a estas temperaturas extremamente baixas.

Métodos de calibração a baixas temperaturas

Banhos de Calibração

O método clássico de calibração de termómetros a baixas temperaturas utiliza banhos de calibração. Estas consistem tipicamente em duas câmaras de trabalho:

1. Câmara do meio de calibração: Nesta câmara, o meio de calibração é temperado e circulado.
2. Câmara de calibração: Nesta câmara, o termómetro é calibrado.

O meio de calibração mais comum é o óleo de silicone, que é usado para temperaturas de até 250 °C. Para temperaturas mais baixas, até cerca de -80 °C, o etanol é usado. Alguns banhos de calibração podem atingir temperaturas ainda mais baixas, mas o esforço é muitas vezes desproporcional aos benefícios. Os banhos de calibração são arrefecidos por meio de um compressor. Este compressor funciona sempre a 100% de potência, e um aquecedor elétrico tempera contra esta capacidade total de refrigeração. Por conseguinte, a temperatura de calibração não é obtida por arrefecimento, mas por aquecimento contra arrefecimento. Isso tem a vantagem de que uma precisão e estabilidade de controle significativamente maiores podem ser alcançadas. A desvantagem desta técnica é o grande esforço que tem de ser feito para atingir uma temperatura estável.

A incerteza de medição alcançável destes banhos de calibração é tipicamente de 10 mK a 15 mK.

Calibradores de bloco de temperatura

Os calibradores de bloco de temperatura são amplamente utilizados na indústria devido à sua facilidade de uso. Eles trabalham com elementos Peltier e podem atingir temperaturas até cerca de -70 °C abaixo da temperatura ambiente. Como resultado, a faixa de temperatura na faixa negativa é limitada a cerca de -45 °C quando usada em ambientes de laboratório. Sua incerteza de medição é de cerca de 50 mK a 100 mK, o que é suficiente para muitas aplicações industriais. Esta incerteza de medição não é suficientemente precisa para ser utilizada no laboratório de calibração.

Calibradores de baixa temperatura

Os calibradores de baixa temperatura são semelhantes em design aos calibradores de bloco de temperatura convencionais. No entanto, eles não funcionam com elementos Peltier, mas usam motores Stirling para resfriar o volume de calibração. Podem atingir temperaturas tão baixas quanto -100 °C. Estes dispositivos têm a vantagem de não serem utilizados líquidos como meio de calibração. No entanto, eles são relativamente caros e têm uma alta incerteza de medição de cerca de 150 mK.

Calibração à temperatura secundária de azoto no ponto fixo

Além dos métodos clássicos de calibração, existe a possibilidade de calibrar termómetros à temperatura secundária do ponto fixo de azoto. O ponto de ebulição do azoto é de -196 °C e representa um ponto fixo secundário bem definido que pode ser tecnicamente utilizado para calibração. No entanto, este procedimento também tem algumas desvantagens.

Embora a calibração no ponto de ebulição do azoto seja tecnicamente viável e muito rentável, este ponto não está definido na Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90 ). Isso significa que a calibração não alcança a mesma precisão e reconhecimento internacional que a calibração de ponto fixo de temperatura ITS-90.

Outro problema é o número limitado de pontos de calibração. Ao utilizar o ponto de ebulição do azoto, existem poucos pontos de calibração disponíveis. A distância de temperatura de aprox. -80 °C ou -100 °C, por exemplo, um banho de calibração até ao ponto de ebulição do azoto até -196 °C é demasiado grande para poder calcular uma curva característica precisa do termómetro. Portanto, não é possível uma calibração precisa e contínua em toda a faixa de temperatura.

Por conseguinte, não se recomenda a calibração no ponto de ebulição do azoto, embora seja tecnicamente viável.

Calibração do ponto fixo de temperatura de acordo com o ITS-90

O método mais preciso para calibrar termómetros é a calibração de ponto fixo de acordo com a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Este método inclui os seguintes pontos fixos de temperatura na gama de temperaturas negativas:

• Ponto triplo água: 0.01 °C
• Ponto triplo de mercúrio: -38,8344 °C
• Ponto triplo de árgon: -189.3442 °C

Além disso, o ponto de ebulição do azoto a -196 °C pode ser utilizado como ponto fixo de temperatura secundária. Com a diretriz EURAMET TG 01:2017, a curva característica do termômetro ITS-90 (função de desvio) pode então ser extrapolada para -196 °C.

Um grande problema com a calibração a temperaturas extremamente baixas em pontos fixos de temperatura é o manuseio dos termômetros. São necessárias pegas especiais à prova de gás e enchimentos de gás de proteção para garantir medições precisas.

Este método abrange toda a gama de temperaturas, mas tem a desvantagem de nem todos os termómetros serem adequados para a calibração de pontos fixos. Isso resulta em uma lacuna na capacidade de calibrar para determinadas faixas de temperatura e tipos de termômetros. Os termómetros devem poder ser calibrados em pontos fixos de temperatura, ou seja, devem ter um comprimento mínimo e um diâmetro adequado no tubo de proteção.

Além disso, há a grande limitação que os termômetros têm de ser expostos à temperatura extremamente baixa de cerca de -189 °C no ponto triplo de argônio. Para que tal seja possível, são necessários alguns requisitos relacionados com a conceção do termómetro. Por exemplo, não deve haver ar no canal de medição do termómetro, uma vez que a transição de fase do oxigénio impossibilitaria a calibração. Este facto limita muitos termómetros. Um termómetro que só pode ser utilizado até -150 °C, por exemplo, não é, portanto, calibravel em pontos fixos de temperatura na faixa negativa.

Desafio: A transição de fase do ar

Um problema central na calibração a temperaturas extremamente baixas é a transição de fase do ar. A temperaturas inferiores a -180 °C, os componentes do ar (principalmente azoto e oxigénio) começam a condensar-se e, eventualmente, a liquefazer-se. Isto conduz a problemas de medição consideráveis, uma vez que a mistura de gases está em fases diferentes.

Transição de fase do ar:

1. Ponto de orvalho: Quando o ar arrefece, formam-se inicialmente gotículas de oxigénio líquido e azoto, embora o ponto de orvalho não seja uniforme por se tratar de uma mistura de gases.
2. Ponto de ebulição: O resfriamento adicional leva à liquefação completa dos componentes do ar, mas com composições diferentes.
3. Condensação: Finalmente, o ar condensa-se completamente numa mistura líquida de 80% de azoto e 20% de oxigénio.

Esta transição de fase pode fazer com que os termómetros que passam por esta faixa forneçam medições não fiáveis porque estão sujeitos a transições de fase diferentes.

Solução: Gás inerte e pegas estanques ao gás

A transição de fase do ar deve ser evitada no termómetro, uma vez que um termómetro cheio de ar não funciona a temperaturas extremamente baixas. Uma forma de resolver este problema é encher os termómetros com gás inerte:

1. Enchimento de gás inerte: Usamos um gás de proteção (por exemplo, hélio ou argônio) no termômetro para evitar a transição de fase. O hélio e o argônio têm pontos de ebulição muito baixos e permanecem gasosos nas temperaturas de calibração, o que garante a estabilidade das medições.
2. Pegas estanques ao gás: Os nossos termómetros estão equipados com pegas estanques ao gás. Estas pegas foram concebidas para serem completamente seladas e manterem o gás de proteção no seu interior. Isso evita que a umidade ambiente ou o ar entrem no termômetro e desencadeiem a transição de fase.

O criostato de azoto

Para preencher a lacuna entre os métodos clássicos de calibração de termômetros e calibração de ponto fixo de temperatura, criostatos de nitrogênio podem ser usados.

Este sistema utiliza azoto líquido e um aquecedor elétrico para alcançar temperaturas de calibração estáveis, fornecendo uma solução flexível e precisa para calibração a temperaturas ultrabaixas.

Estrutura e funcionalidade

O criostato de azoto é constituído pelos seguintes componentes:

• Recipiente de aço inoxidável: Estanque ao gás soldado e colocado sobre uma base para que possa ser cercado por nitrogênio líquido.
• Inserção de calibração de cobre: Contém duas mangas de termômetro de aço inoxidável que são soldadas à prova de gás.
• Aquecimento elétrico: Para aquecer o azoto de forma direcionada e alcançar temperaturas de calibração estáveis.
• Sistema de vácuo ou gás inerte: Para evitar a transição de fase do ar e garantir uma temperatura de calibração estável.

Criar um vácuo ou enchê-lo com gás de proteção, como argônio ou hélio, impede que a transição de fase do ar afete a calibração. O criostato pode atingir temperaturas de -80 °C a -180 °C com uma incerteza de medição de 30 mK.

Evacuação do criostato:

A transição de fase do ar deve ser evitada não só nos termómetros, mas também nos criostatos. Portanto, o criostato também deve ser preenchido com gás protetor.

1. Evacuação: O recipiente de aço inoxidável do criostato é primeiro evacuado para remover o ar.
2. Enchimento com gás inerte: O recipiente é então preenchido com gás inerte (por exemplo, hélio).
3. Selagem: Os termómetros são inseridos nas mangas estanques ao gás e selados com vedantes especiais de Teflon para evitar a entrada de humidade.
4. Calibração: O termómetro é levado à temperatura de calibração desejada no criostato de azoto e calibrado.

Aplicação prática e integração

Os criostatos de nitrogênio podem ser integrados em instalações de calibração existentes. Em combinação com criostatos e banhos de calibração, um termômetro que não atenda aos requisitos de calibração em pontos de temperatura fixa pode ser completamente calibrado na faixa de temperatura negativa.

O consumo de nitrogênio para uma calibração completa é de cerca de 60 litros, o que é suficiente para uma semana de operação. O tempo de resfriamento inicial do criostato é de cerca de seis horas, e as mudanças de temperatura levam até quatro horas, dependendo da diferença de temperatura.

Exemplo de calibração

Um processo de calibração típico envolve várias etapas:

1. Arrefecimento inicial: O criostato é preenchido com azoto líquido e arrefecido a -196 °C.
2. Estabilização da temperatura: A temperatura de calibração desejada é alcançada pelo aquecimento direcionado contra o ponto de ebulição do nitrogênio.
3. Calibração: O termómetro a calibrar é inserido nas mangas do termómetro e a temperatura é medida e comparada. Detetam-se diferenças de temperatura ou pares de valores e calibra-se o termómetro a ensaiar.