Resultados de incerteza de calibração para sensores infravermelho do tipo MEMS termopilha
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Renato Nunes Teixeira
Rafael Augusto Magalhães Ferreira
Pedro Bastos Costa
Rafael Augusto Magalhães Ferreira
Pedro Bastos Costa
Resumo
A calibração infravermelho ainda é um tópico em discussão na literatura científica. Os trabalhos publicados sobre calibração de termômetros de radiação e termovisores pecam na análise de incertezas, o que prejudica a comparação entre resultados e a confiabilidade nas medições de temperatura com estes equipamentos. Apesar disto, a utilização de dispositivos MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) termopilha para medições de temperatura quantitativa segue aumentando, o que reforça a necessidade de uma análise da exatidão deste tipo de termômetro infravermelho. Neste contexto, este trabalho apresenta os resultados de calibração para três termômetros MEMS termopilha do mesmo fabricante. Uma metodologia de calibração que envolve a combinação de modelos matemáticos e procedimentos experimentais é proposta, e pode ser dividida nas seguintes etapas: (1) Coleta de dados experimentais; (2) Desenvolvimento de um algorítimo de calibração que envolve modelos radiométricos de transferência de calor, modelos de regressão e modelos de correção de não-uniformidade; (3) Estimativa das incertezas expandidas associadas às fontes de incerteza consideradas. A estimativa de incertezas foi feita com base nas recomendações propostas pelo método GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement), sendo consideradas as incertezas do radiador corpo-negro, do modelo matemático usado para estimar temperatura de forma indireta a partir de radiação térmica, da integração dos modelos matemáticos, e dos termômetros IR. Os resultados mostram um desvio máximo de 0,46 °C para o modelo de regressão RBF e de 0,49 °C para o modelo de Sakuma-Hattori, para a faixa de medição de 30 °C a 80 °C. As incertezas relacionadas ao radiador corpo-negro, principalmente a uniformidade e a indicação de temperatura, foram dominantes no valor de incerteza expandida, seguidas pelas incertezas da integração do modelo matemático e do ruído temporal. Foi feita uma comparação entre os resultados de incerteza deste trabalho com trabalhos da literatura científica e dados de fabricantes. A máxima incerteza expandida obtida neste trabalho (± 1,9 °C) é menor que a reportada pelo fabricante (± 2,5 °C). Os resultados do trabalho também demonstraram a importância de uma análise de incerteza feita pixel-a-pixel para verificar a confiabilidade dos instrumentos.
Abstract
The calibration of IR sensors is still a subject of debate. The scientific literature
still strugles with the systematic evaluation of measurement uncertainties, which
hinders the comparison between calibration results and the reliability of temperature
measurements. Despite this, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) thermopile
arrays are primarily used for quantitative temperature measurements, then a study
that puts the accuracy of this type of sensor to the test is critical. Given this background, this work presents the calibration results of tree units of commercial MEMS
thermopile arrays provided by the same manufacturer. A calibration methodology
is proposed, based on the combination of mathematical models and experimental
procedures divided into the following parts: (1) Experimental data collection; (2) Application of algorithms (radiation heat transfer, regression models and Non-uniformity
Correction models; (3) Estimation of uncertainty sources and estimation of expanded
uncertainties. Uncertainty estimations are based on the GUM method (Guide to the
Expression of Uncertainty in Measurement) and took into account the uncertainty
sources of the blackbody radiator, radiation heat transfer model, mathematical models integration, and IR thermometers. The results led to a maximum deviation of 0,46
◦C, in the RBF model and 0,49 ◦C in the Sakuma-Hattori model for a measurement
range of 30 ◦C to 80 ◦C. Uncertainties related to the blackbody radiator, mainly
uniformity, and temperature, were dominant in the uncertainty budget, followed by
the mathematical model’s propagation of errors and temporal noise. The uncertainty
results were compared with the scientific literature and the manufacturer’s data.
The maximum calibration uncertainty provided by this work (± 1, 9
◦C) is lower
than the one provided by the manufacturer (± 2, 5
◦C). The results also indicates
the importance of a pixel-by-pixel uncertainty analysis to verify the instruments’
reliability.
Assunto
Engenharia mecânica, Termografia, Termômetro e termometria, Incerteza, Sensores
Palavras-chave
Termografia, Sensores térmicos, Calibração de termopilhas, Incertezas de medição