Termografia / Misura della temperatura a infrarossi: teoria e pratica

La misurazione della temperatura senza contatto utilizzando una termocamera è essenziale per molte applicazioni. Se segui alcune regole di base, ora puoi utilizzare la misurazione a infrarossi in modo più efficace. Scopri di più sulle basi teoriche più importanti della termografia. E goditi consigli utili per il tuo lavoro quotidiano con la termocamera.

Oggetto di misura

1. Materiale ed emissività

Una termocamera misura la radiazione infrarossa a lunga lunghezza d'onda emessa da un oggetto. L'intensità della radiazione infrarossa emessa (dall'oggetto stesso) dipende dalla superficie del materiale.

Nota: ogni superficie ha un'emissività specifica.

2. Colore

Il colore della superficie non ha un'influenza significativa sulla radiazione infrarossa a lunga lunghezza d'onda emessa dall'oggetto da misurare. È la temperatura che è decisiva. Un radiatore laccato nero emette, ad esempio, radiazione infrarossa di lunga lunghezza d'onda identica a un radiatore laccato bianco alla stessa temperatura.

Nota: il colore di una superficie difficilmente gioca un ruolo.

3. La superficie dell'oggetto da misurare

Le proprietà della superficie dell'oggetto misurato giocano un ruolo decisivo nella termografia. Questo perché l'emissività della superficie cambia a seconda della struttura della superficie, delle incrostazioni e del rivestimento.

• Struttura superficiale

Le superfici lisce, lucide, riflettenti e / o lucidate hanno generalmente un'emissività leggermente inferiore rispetto alle superfici opache, strutturate, grezze, alterate e / o graffiate dello stesso materiale.

Nota: prestare particolare attenzione alla presenza di possibili sorgenti di radiazioni nell'ambiente (es. Sole, termosifoni, ecc.) Quando si misura su superfici lisce.

• Umidità, neve, brina in superficie

Acqua, neve e gelo hanno un'emissività relativamente alta (circa 0,85

Nota: evitare, se possibile, di effettuare misurazioni su superfici bagnate o coperte di neve o gelo.

• Contaminazione e corpi estranei sulla superficie

Sporcizia o oggetti estranei, come polvere, fuliggine o olio lubrificante, sulla superficie dell'oggetto da misurare generalmente aumentano l'emissività della superficie. Pertanto, la misurazione di oggetti sporchi di solito non è un problema. Tuttavia, la termocamera misura ancora la temperatura della superficie, cioè quella dello sporco e non la temperatura precisa della superficie dell'oggetto misurata sotto di essa.

Nota: evitare di eseguire misurazioni su superfici con particelle sulla superficie (temperature distorte da sacche d'aria).

Ambiente di misurazione

1. Temperatura ambiente

Affinché la termocamera possa misurare correttamente la temperatura superficiale, la temperatura riflessa (RTC) deve essere considerata oltre all'impostazione dell'emissività (ε).

In molte applicazioni di misura, la temperatura riflessa corrisponde alla temperatura ambiente.

La regolazione fine dell'emissività è importante quando le differenze di temperatura tra l'oggetto misurato e l'ambiente di misurazione sono grandi.

2. Radiazioni e sorgenti parassitarie

Ogni oggetto la cui temperatura supera lo zero assoluto (0 Kelvin = 273,15 ° C) emette radiazioni infrarosse. Gli oggetti con una grande differenza di temperatura rispetto alla temperatura dell'oggetto misurato possono influenzare le misurazioni a infrarossi a causa della loro stessa radiazione. Tale interferenza dovrebbe, se possibile, essere evitata o interrotta.

Isolare le fonti di interferenza, ad esempio con tela o cartone.

È possibile misurare la radiazione riflessa, ad esempio, con un riflettore lambertiano in combinazione con la termocamera.

3. Condizioni meteorologiche

• Nuvole

Un cielo molto nuvoloso offre le condizioni ideali per misurazioni a infrarossi all'aperto. Motivo: l'oggetto di misura è protetto dalla radiazione solare e dalla "radiazione del cielo freddo".

• Precipitazione

Acqua, ghiaccio e neve hanno un'elevata emissività e sono impermeabili ai raggi infrarossi. La misurazione di oggetti umidi può anche causare errori di misurazione perché la superficie dell'oggetto misurato si raffredda con l'evaporazione.

Nota: forti precipitazioni (pioggia, neve) possono distorcere i risultati della misurazione.

4. Aria / Umidità dell'aria

Quando la lente (o il vetro protettivo) della termocamera si appanna a causa dell'elevata umidità relativa dell'aria, non è possibile ricevere tutta la radiazione infrarossa. L'acqua impedisce a tutte le radiazioni di raggiungere l'obiettivo della termocamera a infrarossi. Anche la nebbia molto densa può influenzare la misurazione; infatti le goccioline d'acqua nella linea di trasmissione lasciano passare meno raggi infrarossi.

Nota: prestare attenzione alla bassa umidità relativa dell'aria nell'ambiente di misurazione. Ciò impedirà la formazione di condensa nell'aria (nebbia), sull'oggetto da misurare, sul vetro protettivo o sulla lente della termocamera.

• Correnti d'aria

A causa dello scambio termico (convezione), l'aria vicino alla superficie ha la stessa temperatura dell'oggetto misurato. Il vento o le correnti d'aria "muovono" questo strato d'aria e in questo punto si trova un nuovo strato d'aria, non adattandosi alla temperatura dell'oggetto misurato. La convezione assorbe il calore dagli oggetti di misurazione caldi e fornisce calore agli oggetti di misurazione freddi finché la temperatura dell'aria e quella della superficie dell'oggetto di misurazione non si sono armonizzate. Questo effetto di scambio termico aumenta in funzione della differenza di temperatura tra la superficie dell'oggetto da misurare e la temperatura ambiente.

Nota: il vento o le correnti d'aria nella stanza possono influenzare la misurazione della temperatura utilizzando una termocamera.

• Inquinamento atmosferico

Alcune sostanze sospese come polvere, fuliggine, fumo e alcuni vapori hanno un'elevata emissività e una bassa trasmissività. Ciò significa che possono interferire con le misurazioni perché emettono essi stessi radiazione infrarossa, che viene percepita anche dalla termocamera. Inoltre, la radiazione infrarossa dell'oggetto misurato può penetrare solo parzialmente nella termocamera perché viene dispersa e assorbita dalla materia sospesa.

5. Luce

La luce o l'illuminazione non svolgono un ruolo significativo durante la misurazione con una termocamera. Le misurazioni possono essere eseguite anche al buio perché le termocamere misurano la radiazione infrarossa a lunga lunghezza d'onda. Tuttavia, alcune sorgenti luminose emettono esse stesse radiazioni termiche infrarosse e possono quindi influenzare la temperatura degli oggetti nel loro ambiente.

Pertanto, non eseguire misurazioni alla luce solare diretta o vicino a una lampadina calda.

Le sorgenti di luce fredda, come LED o tubi al neon, non sono critiche: convertono la maggior parte dell'energia utilizzata in luce visibile, non in radiazione infrarossa.

Particolarità delle misurazioni termografiche all'aperto

La radiazione infrarossa proveniente da un cielo sereno è, nel linguaggio comune, chiamata "radiazione del cielo freddo". Quando il cielo è sereno, la "radiazione del cielo freddo" (~ -50… -60 ° C) e la radiazione solare calda (~ 5500 ° C) vengono riflesse durante il giorno. La superficie del cielo è maggiore di quella del sole; la temperatura riflessa è quindi spesso inferiore a 0 ° C durante le misurazioni termografiche esterne, anche quando c'è il sole. Al sole, gli oggetti si riscaldano a causa dell'assorbimento della radiazione solare. Ciò influenza chiaramente la temperatura della superficie, fino a diverse ore dopo l'irraggiamento solare.

Suggerimenti e trucchi per misurazioni termografiche all'aperto

• Effettuare le misurazioni al mattino presto e / o quando il cielo è molto coperto. Tuttavia, evitare pioggia o neve. Anche la nebbia o il vento forte sono sfavorevoli.
• Modificare la posizione durante la misurazione per identificare i riflessi. I riflessi si muovono, le peculiarità termiche dell'oggetto di misurazione rimangono nello stesso posto, anche se l'angolo di visione cambia.
• Evitare misurazioni vicino a oggetti molto caldi o molto freddi o isolarli.
• Evitare la luce solare diretta, anche poche ore prima della misurazione. Osservare anche la copertura nuvolosa poche ore prima della misurazione.
• Non eseguire misurazioni se l'umidità nell'aria si condensa sulla termocamera.
• Non effettuare misurazioni quando l'aria è molto inquinata (es. Quando la polvere è appena stata sollevata).

Basi teoriche della termografia

Scopri di più sulle basi fisiche della termografia nel nostro tutorial compatto. Questa conoscenza vi darà un vantaggio, ad esempio nell'impostazione corretta dell'emissività per ciascuna superficie.

Ogni oggetto la cui temperatura supera lo zero assoluto (0 Kelvin = -273,15 ° C) emette radiazioni infrarosse (raggi IR). L'occhio umano non può vederlo, tuttavia, perché è quasi cieco a questo intervallo di lunghezze d'onda. Questo non è il caso di una termocamera. Il suo cuore, il rilevatore a infrarossi, è sensibile ai raggi IR. A seconda dell'intensità dei raggi IR, determina la temperatura alla superficie dell'oggetto e lo rende visibile all'occhio umano grazie ad un'immagine termica. Questo processo è chiamato termografia.

Per rendere visibili i raggi IR, il rilevatore li registra, li converte in segnali elettrici, quindi assegna un colore definito a ciascun segnale e lo visualizza sullo schermo della termocamera. Fondamentalmente, le termocamere traducono le lunghezze d'onda dello spettro infrarosso in lunghezze d'onda percepibili dall'occhio umano (colori).

Contrariamente a un malinteso relativamente diffuso, le termocamere non ci consentono di vedere all'interno degli oggetti, ma solo di identificare la loro temperatura superficiale.

Emissività, riflessività, trasmissività

È utile conoscere questi termini in modo da poter utilizzare una termocamera come strumento efficace.

La radiazione registrata da una termocamera consiste nell'emissione, trasmissione e riflessione della radiazione infrarossa emessa da oggetti all'interno del campo visivo della termocamera.

Trasmissività (t)

La trasmittanza descrive la capacità di un materiale di passare (trasmettere) i raggi IR. Un film plastico sottile, ad esempio, ha una trasmissività molto elevata. Se quindi vogliamo misurare la temperatura di un film plastico sottile appeso davanti a un muro con una termocamera, non misuriamo la temperatura del film, ma quella del muro. La maggior parte dei materiali non passa i raggi IR, quindi la trasmissività di un materiale è solitamente quasi 0 e può quindi essere trascurata.

Emissività (ε)

L'emissione è la capacità di un materiale di emettere raggi IR. Questa capacità è indicata dall'emissività. Ciò dipende, tra le altre cose, dal materiale stesso e dalle proprietà della sua superficie. Il sole, ad esempio, ha un'emissività di 100 %. Tuttavia, questo valore non viene mai trovato su base giornaliera. Il calcestruzzo ha ancora un'emissività di 93 %. Ciò significa che 93% della radiazione IR è emessa dal calcestruzzo stesso.

Riflessività (ρ)

Il 7 % che mancano sono i riflessi dall'ambiente del materiale / oggetto misurato, cioè la temperatura riflessa sull'oggetto. Sia l'emissività che la temperatura riflessa possono essere regolate nelle termocamere per ottenere l'immagine termica più accurata possibile.

Il rapporto tra emissione e riflessione

• Oggetti di misura con alta emissività (ε ≥ 0,8):

hanno una bassa riflettività (ρ): ρ = 1 - ε

consentono misurazioni molto affidabili della loro temperatura per mezzo di una termocamera

• Oggetti di misura con un'emissività media (0.6

hanno una riflettività media (ρ): ρ = 1 - ε

consentire misurazioni affidabili della loro temperatura per mezzo di una termocamera

• Oggetti di misura con bassa emissività (ε ≤ 0,6):

hanno un'elevata riflettività (ρ): ρ = 1 - ε

consentono misurazioni della temperatura utilizzando una termocamera, ma i loro risultati devono essere analizzati criticamente

richiedono una corretta regolazione della compensazione della temperatura riflessa, poiché ciò contribuisce in larga misura al calcolo della temperatura

Regolazione dell'emissività

Ogni materiale ha un'emissività diversa. Per ottenere immagini termiche ottimali, l'emissività deve essere regolata sulla telecamera.

Una corretta regolazione dell'emissività è particolarmente importante quando le differenze di temperatura tra l'oggetto misurato e l'ambiente di misurazione sono grandi.

• Se l'oggetto da misurare ha una temperatura superiore alla temperatura ambiente:

un'emissività impostata troppo alta comporterà la visualizzazione di temperature troppo basse nell'immagine termica.

un'emissività impostata su un valore troppo basso comporterà la visualizzazione di temperature troppo elevate nell'immagine termica.

• Se l'oggetto da misurare ha una temperatura inferiore alla temperatura ambiente:

un'emissività impostata su un valore troppo alto comporterà la visualizzazione di temperature troppo elevate nell'immagine termica.

un'emissività impostata su un valore troppo basso comporterà la visualizzazione di temperature troppo basse nell'immagine termica.

Consigli sull'emissività

• Maggiore è la differenza tra la temperatura dell'oggetto di misurazione e la temperatura ambiente e minore è l'emissività, maggiori sono gli errori di misurazione. Questi errori vengono amplificati quando l'emissività è regolata male.
• Molti materiali trasparenti all'occhio umano, come il vetro, non sono permeabili ai raggi infrarossi a lunga lunghezza d'onda.
• I materiali con bassa trasmissività includono, ad esempio, pellicole di plastica sottili e germanio, il materiale con cui sono realizzate le lenti e il vetro protettivo delle termocamere Testo.
• Se necessario, rimuovere eventuali coperture dall'oggetto di misurazione; altrimenti, la termocamera misurerà solo la temperatura sulla superficie del coperchio.
• Attenersi sempre alle istruzioni per l'uso dell'oggetto di misurazione.
• Quando gli elementi al di sotto della superficie influenzano la distribuzione della temperatura sulla superficie dell'oggetto da misurare per conduzione, è spesso possibile identificare le strutture interne dell'oggetto da misurare sull'immagine termica. Tuttavia, la termocamera misura solo la temperatura superficiale. Non è quindi possibile trarre conclusioni precise sui valori di temperatura degli elementi all'interno dell'oggetto di misura.

Campo visivo e punto di misurazione

Informazioni fondamentali per poter valutare le proprietà tecniche di una termocamera.

Il campo visivo (FOV)

Il campo visivo (chiamato anche "Campo visivo" o "FOV") descrive la superficie visibile con una termocamera. Dipende dall'obiettivo utilizzato. Un obiettivo grandangolare offre un ampio campo visivo, un teleobiettivo offre una buona risoluzione spaziale. Più ampio è il campo visivo, più ampia è l'area che puoi vedere. Un ampio campo visivo (> 30 °) è particolarmente interessante quando si utilizza la termocamera in interni; questo perché spesso i muri non consentono di spostarsi abbastanza lontano dall'oggetto di misurazione per vedere di più.

Il più piccolo oggetto misurabile / Il punto di misurazione (IFOVmeas)

L'oggetto più piccolo misurabile descrive l'oggetto più piccolo che non solo viene rilevato, ma la cui temperatura può essere misurata in modo affidabile. Quando la risoluzione spaziale dell'obiettivo è 3,5 mrad e la distanza di misurazione è 1 m, l'oggetto più piccolo rilevabile ha i lati di 3,5 mm e viene visualizzato come un pixel nella parte inferiore. 'schermo. Per ottenere misurazioni accurate, l'oggetto da misurare dovrebbe essere 2-3 volte la dimensione dell'oggetto più piccolo rilevabile. La seguente regola si applica quindi per l'oggetto più piccolo misurabile (IFOVmeas): IFOVmeas ≈ 3 x IFOVgeo

Oggetto più piccolo rilevabile (IFOVgeo)

L'oggetto più piccolo rilevabile è la dimensione più piccola che può essere identificata da un pixel. Un pixel è un elemento del rilevatore della termocamera che registra i raggi IR e li converte in segnali elettrici. Ogni pixel corrisponde a un valore di misurazione.

Le emissività dei materiali più comuni

La tabella seguente serve come riferimento per la regolazione dell'emissività in termografia. Indica l'emissività ε per alcuni materiali comuni. Poiché l'emissività varia in base alla temperatura e alle proprietà delle superfici, i valori qui riportati possono essere considerati solo come valori di riferimento. Per misurare il valore assoluto della temperatura, l'emissività del materiale deve essere determinata accuratamente.

Materiale e temperatura del materiale Emissività

Alluminio, laminato (170 ° C) 0,04

Alluminio, non ossidato (25 ° C) 0,02

Alluminio, non ossidato (100 ° C) 0,03

Alluminio, fortemente ossidato (93 ° C) 0.2

Alluminio, estremamente lucido (100 ° C) 0,09

Cotone (20 ° C) 0.77

Calcestruzzo (25 ° C) 0.93

Piombo (40 ° C) 0.43

Piombo, ossidato (40 ° C) 0.43

Piombo, ossidato grigio (40 ° C) 0.28

Cromo (40 ° C) 0,08

Cromato, lucido (150 ° C) 0,06

Ghiaccio, liscio (0 ° C) 0.97

Ferro, smerigliato (20 ° C) 0.24

Ferro con crosta di colata (100 ° C) 0.8

Ferro con crosta arrotolata (20 ° C) 0.77

Vetro (90 ° C) 0.9

Intonaco (20 ° C) 0.94

Granito (20 ° C) 0.45

Gomma, dura (23 ° C) 0.94

Gomma, flessibile, grigia (23 ° C) 0.89

Ghisa, ossidata (200 ° C) 0.64

Legno (70 ° C) 0.94

Sughero (20 ° C) 0.7

Dissipatore di calore, zincato nero (50 ° C) 0.98

Rame leggermente ossidato (20 ° C) 0,04

Rame ossidato (130 ° C) 0.76

Rame, lucido (40 ° C) 0,03

Rame, laminato (40 ° C) 0.64

Plastica: PE, PP, PVC (20 ° C) 0.94

Vernice, blu, su foglio di alluminio (40 ° C) 0.78

Vernice, nera, opaca (80 ° C) 0.97

Vernice, gialla, 2 mani, su foglio di alluminio (40 ° C) 0.79

Vernice, bianca (90 ° C) 0.95

Marmo, bianco (40 ° C) 0.95

Muratura (40 ° C) 0.93

Ottone ossidato (200 ° C) 0.61

Colori a olio (tutti i colori) (90 ° C) 0.92-0.96

Carta (20 ° C) 0.97

Porcellana (20 ° C) 0.92

Gres (40 ° C) 0.67

Acciaio, superficie trattata a caldo (200 ° C) 0,52

Acciaio ossidato (200 ° C) 0.79

Acciaio, laminato a freddo (93 ° C) 0.75-0.85

Argilla cotta (70 ° C) 0.91

Vernice trasformatore (70 ° C) 0.94

Mattone, malta, intonaco (20 ° C) 0.93

Zinco, ossidato 0.1