Termografia - Misure e Tecniche Sperimentali

Termografia all’infrarosso
Sez Misure e Tecniche Sperimentali
Argomenti
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• La termometria ad irraggiamento
• Richiami di scambio termico per irraggiamento
• Cause di incertezza e problemi di misura
• Gli strumenti di misura
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IRRAGGIAMENTO
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Con sensori di T a contatto fisico con il
misurando sensore ha la stessa T del
misurando
Problemi ad altissime T :
- sensore perde isolamento
- sensore può fondere
Resta sempre il problema dell’effetto di carico
Metodi di misura senza contatto sono pertanto utili
sopratutto ad alte T
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IRRAGGIAMENTO
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Sono inoltre utili per:
- misure su oggetti in moto
- misure su oggetti distanti
- misure su oggetti delicati
- misure di distribuzione di T su
superfici
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IRRAGGIAMENTO
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• Esistono pertanto numerosi strumenti che
misurano T senza contatto mediante
irraggiamento
• Essi sfruttano la radiazione emessa dal corpo di
cui voglio determinare T
STRUMENTO
CORPO
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Osservazione sperimentale I
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Riscaldando una barretta di ferro, questa, superata una certa
temperatura comincia ad emettere luce, di intensità
crescente prima rossa, poi gialla e quindi bianca per cui
posso ipotizzare che:
1. Pur di raggiungere una temperatura opportuna ogni oggetto
è in grado di emettere luce;
2. All’aumentare della temperatura aumenta l’intensità della
luce emessa;
3. All’aumentare della temperatura il colore vira dal rosso cupo
al bianco brillante (elemento riscaldatore stufa elettrica
600°C, filamento lampadina 2000 °C).
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Osservazione sperimentale II
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Se metto una mano lateralmente ad un recipiente in cui bolle
dell’acqua (100 °C) avverto una sensazione di calore, ma non
vedo nessuna emissione luminosa perché la lunghezza
d’onda della radiazione emesse è tanto lunga da non cadere
nel visibile ma nell’infrarosso.
L’esistenza di tale radiazione fu provata da W. Herschel nel
1801 e successivamente studiata da M. Melloni che concluse
che tutte le leggi che valevano per la radiazione visibile
valevano anche per l’IR.
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Scoperta dell’IR: Herschel
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Esperienza di Herschel
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L’esperienza di Herschel fu quella di separare una lama di
luce solare nelle sue componenti cromatiche tramite un
prisma e di misurare con un termometro la temperatura
corrispondente ai vari colori.
Scoprì che la temperatura massima si aveva sul rosso ma
anche che spostandosi oltre il rosso la temperatura saliva
ulteriormente il che gli permise di ipotizzare l’esistenza degli
infrarossi.
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Spettro elettromagnetico
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Corpo nero ideale
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Qualsiasi corpo con una temperatura superiore allo zero
assoluto emette radiazioni, in quantità e modalità diverse in
funzione della temperatura.
ENERGIA EMESSA ≡ RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
(prevalentemente infrarossa e visibile alle alte T)
Un corpo capace:
1. di assorbire completamente qualsiasi radiazione che lo
investe;
2. di emettere la massima quantità possibile di radiazione
per quella temperatura;
è detto corpo nero o blackbody.
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CORPO NERO prime definizioni, vedi poi
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• assorbe il 100 % della radiazione
• emette il massimo della energia
• un corpo nero non necessariamente è di colore nero
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Emissioni del corpo nero
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IL CORPO NERO
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La legge che descrive le curve della pagina
precedente ha un ruolo importante nella
descrizione dell’irraggiamento del corpo nero. Si
tratta della LEGGE DI PLANCK
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Legge di Planck
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Descrive l’emissione del corpo nero:
C1
C2
C1 e C2 costanti di Planck
WBB(,T)= intensità della radiazione emessa da una superficie piana di un
corpo nero in una semisfera per unità di area, alla lunghezza d’onda e
temperatura T [W/m3].
c = velocità della luce nel vuoto [300000 km/s]
h = costante di Plank [6,625*10-34 Js]
 = lunghezza d’onda della radiazione [m]
k = costante di Boltzman [1,3806505 *10-23 J/K]
T = temperatura assoluta del corpo nero [K]
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LEGGE DI PLANCK
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• Ogni curva a temperatura T comprende
completamente tutte le curve a T<.
• Per questo motivo posso legare l’irraggiamento
alla temperatura secondo una scala monotona
sia che si consideri l’irraggiamento secondo una
sola ben precisa lunghezza d’onda, sia su una
banda dello spettro.
• A T  la radiazione si sposta verso il visibile
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Legge di Wien
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Questa legge stabilisce una corrispondenza semplice tra la
temperatura del corpo nero e la lnghezza d’onda in
corrispondenza al massimo di emissione:
Tale lunghezza d’onda diminuisce all’aumentare della
temperatura.
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Legge di Stefan-Boltzman
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Questa legge integra quella di Plank nella lunghezza d’onda
e ci dice quant’è l’energia totale irradiata da un corpo
nero in funzione della temperatura:
 è la costante di Stefan-Boltzman [5,67*10-8 W/(m2*K4)].
(T)=
,
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Corpo nero reale
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Il corpo nero può anche non essere nero in quanto assumerà
un colore funzione della sua temperatura (il sole è un ottimo
corpo nero).
Anche la vernice nera antiriflesso usata all’interno delle
macchine fotografiche ha una riflessione del 3%, non
esistono corpi neri reali.
Il corpo nero reale è realizzato con un
recipiente con un piccolo foro attraverso
il quale le radiazioni elettro-magnetiche
possono entrare ed uscire.
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IL CORPO NERO
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IRRAGGIAMENTO
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• In realtà i corpi che emettono non sono neri. Poiché il
corpo nero è quello che, ad una certa T, emette di più, se
faccio l’ipotesi (falsa) di puntare sempre un corpo nero,
sottostimo la T, se misuro l’energia ricevuta per
irraggiamento.
• Ad esempio si può pensare ad una emissività globale
emisferica a proposito della legge di Stephan Boltzmann:
 = WTOT.R / WTOT
Per i corpi reali si ha sempre WTOT.R < WTOT
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EMISSIVITA’
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• Il discorso della correzione vale ovviamente anche per la radiazione
“monocromatica”.
• I corpi reali emettono meno energia di quelli neri. Si def. l’ emissività
di un corpo reale
Emissività spettrale emisferica
 (,T)= WR / W ≤ 1
R = corpo reale
In corpi reali varia con  e T
In corpi grigi  = cost per 
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Corpo grigio
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Un corpo si definisce grigio quando il suo coefficiente di
assorbimento è costante al variare della lunghezza d’onda e
della temperatura.
In modo analogo anche il coefficiente emissivo sarà costante
al variare della lunghezza d’onda e della temperatura.
Spesso le superfici reali non permettono di utilizzare questa
importante semplificazione.
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Grafico dell’emissività
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EMISSIVITA’

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Corpo nero
Corpo grigio
WT)

Corpo reale
(emettitore
selettivo)
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Poichè WTOT.R < WTOT
e
W  T4
 termometro ad irraggiamento misura TM< T
se il corpo non è nero T
per correggere le misure occorre
conoscere la emissività .
Conoscere  è necessario per utilizzare gli strumenti
tarati con corpo nero
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Emissività
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La emissività di un corpo dipende da più fattori quali:
•tipo di materiale
•angolo di vista (quindi la forma)
•rugosità superficiale (lavorazione)
•temperatura
•lunghezza d’onda
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Emissività e temperatura
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Il valore di  va determinato sull’oggetto della misura,
mediante confronto tra misura di T convenzionale e ad
irraggiamento (eventualmente a T bassa).
L’incertezza su  è la principale causa di incertezza
nelle misure di T ad irraggiamento.
Spesso è conveniente ricoprire il corpo di cui si vuole
conoscere la temperatura con qualcosa ad emissività
nota.
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ESEMPIO
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ma A≠B
Es: 2 corpi stessa TA=TB
daranno TMA ≠ TMB
STRUMENTO
B
STRUMENTO
A
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ESEMPIO
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Es: un corpo visto dallo strumento ad angolo
diverso darà misure TM diverse
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Legge di S.B. per i corpi grigi
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È possibile correggere la legge di Boltzman adattandola al
generico corpo:
= fattore di emissività del corpo
=1 per i corpi neri
0<<1 per un corpo generico
=0 per uno specchio all’infrarosso
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Corpo “verde”
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Viene messa in evidenza la differenza nello spettro di
assorbimento tra un corpo grigio e uno verde.
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COME SI COMPORTA UN CORPO SU CUI
INCIDE UNA RADIAZIONE IR?
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Per la conservazione dell’energia risulta:
=1
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La Legge di Kirckoff
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Il coefficiente di assorbimento  è uguale al fattore
di emissione 
Ne consegue che, per un corpo nero,


poiché 


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La legge della conservazione
dell’energia nei corpi non trasparenti
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Premesso che la maggior parte dei materiali
che ci circondano non sono trasparenti alla
radiazione IR, la legge della conservazione
dell’energia nel caso in cui =0 si semplifica
in:

VALIDO PER L’INFRAROSSO
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Assorbimento trasmissione e riflessione
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t = coeff. di trasmiss. r = coeff. rifless.
a = coeff. di assorbimento
Vale: t + r + a = 1
ed a = 
Effetti tipici sul sensore:
a) arriva meno energia dal corpo
b) arriva altra energia dall’ambiente
 Incertezza di misura
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
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Incertezza dovuta a radiazione assorbita nel percorso corpo
sensore Ta
Mezzo interposto:
• Aria atmosferica
• Finestre e ottica ricevente (lenti, specchi, etc)
• Eventuali gas
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
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Soluzioni: si misura in finestre  dello spettro di assorbimento del
mezzo interposto tra corpo e strumento
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
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TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
Soluzioni: scelta opportuna del materiale delle ottiche e finestre.
Es. di coefficiente di trasmissione di materiali ottici
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
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Soluzioni: - pulizia ottiche e finestre
- calcolo di emissività effettiva
EFF =  t
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
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Incertezza da radiazione proveniente da altri oggetti
nell’ambiente TRT
Es. di sorgenti di irraggiamento interferenti:
- radiazione riflessa
- radiazione trasmessa
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
43
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
Es. di soluzioni contro interferenze ambientali TRT
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
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Es. di soluzioni contro interferenze ambientali TRT
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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,
TRASMISSIONE E RIFLESSIONE
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Esistono anche tubi di connessione rigidi o fibre ottiche trasparenti
nell’infrarosso per ridurre molti di questi problemi
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Strumenti di misura
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• Pirometro a irraggiamento in banda
• Pirometro a irraggiamento monocromatico
• Termocamere
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Termometri a radiazione
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Esistono due tipologie di sensori:
- termici
W calore Q uscita (TC, termopila,
termoresistenza ecc.) Sensibili in banda larga 
- fotodiodi W 
uscita elettrica sensibilità, risposta
dinamica . Sensibili in banda stretta 
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Pirometro a radiazione totale
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Principio fisico: la radiazione di  messa a fuoco da lenti acromatiche
o specchi scalda il sensore (termopila, termistori )
Con lenti
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Con specchi
All’equilibrio termico: QOUT = QIN
k ( T2 -T3 )  T14
la termopila genera: E ( T2 -T3 ) T14
In genere lo strumento è termostatato a T3=cost
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Mediante otturatori si può periodicamente confrontare la
lettura con un corpo nero interno di riferimento
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Errore di corpo nero
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Se il corpo fosse effettivamente nero:
In realtà il corpo non è nero:
La taratura è sul corpo nero
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Errore di corpo nero
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1) Se l’ambiente è sempre lo stesso posso fare investimenti per
conoscere il valore di  con prove ad hoc
2) Creo un corpo nero alla stessa T del corpo in misura
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PIROMETRO A RADIAZIONE TOTALE
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La misura non è puntuale, ma è un integrale sulla
superficie puntata
• superficie puntata troppo grande → diaframmi
• superficie puntata troppo piccola → cambio ottica
o mi avvicino
CAMPO DI IMPIEGO: non esiste un limite teorico;
basta che il corpo irraggi ed irraggia sempre
sopra lo zero assoluto
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Pirometri a banda
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Usano fotodiodi, cioè sensori di flusso totale di fotoni
sensibili in bande 
Flusso totale di fotoni:
Nf = K T3 [fotoni/s m2]
Uscita fotodiodo:
Da cui:
E0 Nf = K T3
T = ( E0 / K  )1/3
Incertezza dovuta ad :
quindi pur se 15% T / T  5%
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Pirometro monocromatico
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Sistema ottico per confronto visivo tra la luminosità di un filamento di
tungsteno incandescente e l’oggetto della misura
Lavora con filtro rosso a =0.65 m
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L’osservatore varia I  varia TF  varia WF
L’immagine del filo scompa se WF = WO F=filo, O=oggetto
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• Il filo è stato prima calibrato con un corpo nero, quindi TF è
nota
• Per T<4000 °C i termini ( eC /  T) >> 1 quindi
• conoscendo , , TF, C2 è possibile ricavare TO
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Pirometro monocromatico
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Incertezza dovuta all’emissività :
dTO / TO = - (TO / C2) d / 
es:
se TO = 1000 K,  /  = 10%,
si ottiene
=0.65m
TO/TO= 0.45 %
quindi incertezza sulla TO modesta anche con
grandi incertezze sull’emissività
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Pirometro monocromatico
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La misura è puntuale: basta che il filamento scompaia anche in un solo
punto
Limite inferiore: se lavora nel visibile, la prima lunghezza d’onda che
appare è il rosso, comunque al di sopra dei 600°C.
Correzione di corpo nero. Analoga a pirometro totale: confronto tra
energia reale e come se fosse irraggiata da corpo nero
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Pirometro a due colori
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Determina TO dal rapporto tra emissioni monocrom.
emisferiche a due 1 e 2
Ad ogni i ho:
Dunque
se corpo grigio 1= 2 ; note 1 ed 2, misurando
W1/W2 si determina TO
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Pirometro a due colori
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Vantaggi:
la misura di rapporto W1 / W2 permette di superare problemi dei
pirometri monocromatici:
- si misura senza errore la TO di oggetti con immagine più piccola del
sensore
- non risente dell’errore introdotto da assorbimento della radiazione
(ostacoli, finestre, gas, sporcizia ecc.)
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Termografia
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Misuro la radiazione emessa in campo infrarosso da un
corpo e da essa risalgo alla temperatura del corpo.
LA TERMOGRAFIA
La termografia all’infrarosso permette di risalire alla mappa
termica della scena inquadrata mediante l’interpretazione
della radiazione percepita da un array bidimensionale di
sensori: la termocamera.
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Esempio di IR
L’immagine ritrae un cartone su cui ho tracciato la
scritta “l’IR” con un dito.
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Caratteristiche fondamentali
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La misura avviene senza contatto
 Assenza dell’effetto di carico
 Studio in aree pericolose (alta tensione)
 Monitoraggio corpi ad elevata temperatura (bagni di
fusione)
Misura estesa ad una superficie: un singolo fotogramma
contiene una mappa termica e non una misura
puntuale.
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Caratteristiche fondamentali
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Possibilità di compiere misure senza l’interruzione del ciclo
produttivo:
 ispezioni (cuscinetti, motori, cabine di trasformazione
per l’alta tensione..)
 Si evita la manutenzione preventiva
Campo di misura molto esteso (una macchina standard da
laboratorio raggiunge tipicamente un range di misura dai 20°C ai 1500°C)
Costante di tempo attorno ai 12ms (sensore
microbolumetrico), risoluzione termica fino a 3 centesimi
di grado
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Limitazioni all’uso della termografia
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1. Costo dell’apparecchiatura (??)
2. Necessità di un operatore qualificato
3. Grossi impedimenti nel caso di materiali con emissività
bassa (si può arrivare anche all’impossibilità della misura)
4. Necessità di schermare la termocamera dalle emissioni
ambientali
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Radiazione incidente sulla termocamera
(1-)Wamb
Per l’atmosfera =0 =>  Wamb =(1-)Wamb
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Effetto Narciso
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Trasmittanza dell’atmosfera
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Trasmittanza dell'atmosfera valutata alla distanza di un
miglio marino e componenti dell'aria maggiori responsabili
dell'assorbimento della radiazione nei punti indicati.
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Il detector
L’elemento sensibile alla radiazione
termocamere viene chiamato detector.
71
infrarossa
delle
I detector possono essere costituiti da un singolo elemento
sensibile oppure sono formati da una matrice
bidimensionale di sensori (come accade coi CCD delle
telecamere).
Nel caso si utilizzi un sistema dotato di detector con un
unico elemento sensibile la termocamera viene dotata di un
sistema meccanico che permette di focalizzare in istanti
successivi zone adiacenti dell’area inquadrata.
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Detector fotonico
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I detector fotonici sono costruiti su materiale
semiconduttore e sfruttano l’interazione fotonica con gli
elettroni: a causa di questa interazione vengono
generate cariche elettriche, verranno poi accelerate da
un campo elettrico e misurate.
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Termocamera a sensore fotonico
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Detector termico
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I detector termici sono costruiti di materiale in cui una o
più caratteristiche fisiche sono legate alla temperatura
cui si trova il corpo.
La radiazione infrarossa incidente il detector causa una
alterazione delle caratteristiche elettriche dell’elemento
sensibile.
Questa categoria di sensori sono insensibili alla
lunghezza d’onda della radiazione incidente ma
mostrano un tempo di risposta legato alla costante di
tempo che caratterizza termicamente l’elemento
sensibile.
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Termocamera FPA (focal plane array)
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La frequenza di campionamento
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I valori tipici che caratterizzano la frequenza di
campionamento dei detector sono:
50 Hz per i detector microbolumetrici (il tempo di
integrazione è quindi dell’ordine dei 20 ms);
1 MHz per i detector fotonici, il sensore è quindi 20.000
volte più pronto.
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Sviluppo termocamere
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Lo sviluppo tecnologico è volto all’aumento del numero di
elementi sensibile del Focal Plane Array e all’integrazione
dell’elettronica di analisi del segnale direttamente
sull’elemento sensibile.
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Termocamere FPA (Focal Plane Array)
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Oggigiorno sono disponibili termocamere diverse a seconda del
tipo di utilizzo, dalla manutenzione preventiva industriale all'analisi
avanzata del design termico.
Elevata risoluzione
Elevata semplicità
di utilizzo
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40
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Caratterizzazione in condizioni estreme
Corpo nero
foro
Camera climatica
(-10°C =>+45°C)
Termocamera
all’interno
Traversing XY
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Risposta del sensore nei vari punti
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Cross-talking fra i pixel
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Feritoia
regolabile
Irraggiamento
ROI
Roi
Corpo nero
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Cross-talking fra i pixel
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Cross-talkimg e risoluzione
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Risposta dinamica
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Risposta dinamica
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Termocamera low-cost basata su CCD
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Idea sviluppata nel 2005
Alte temperature
Emissione non trascurabile nell’infrarosso vicino (1000 nm)
Buona sensibilità residua dei CCD a 1000 nm
Filtro per eliminare λ < 1000 nm (visibile)
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Taratura della termocamera CCD
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Riferimento: corpo nero.
Temperature da 750°C a 1500°C, passo 50°C.
Per ciascuna temperatura acquisisco immagini a tutti i valori
di shutter.
Elimino le immagini saturate.
Interpolo i dati utili.
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Esempio di curve di taratura
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Esempio di legame shutter-grigi
93
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Confronto termocamere/CCD
94
Termocamera
Telecamera
Risoluzione
termica
0.1 K – bolometrico
0.01 K- fotonico
1K
Risoluzione
spaziale
Da 160 x 120
A 640 x 480
Da 640 x 480
A 1600 x 1200
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47
Banco prova candelette diesel
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Candeletta
Filtro 1000 nm
Telecamera
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Esempi di campi termici
96
980 °C
1020 °C
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Interfaccia del programma di controllo
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© Sez. Misure, Politecnico di Milano - Termografia
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