Termografia a infrarossi

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1 Termografia a infrarossi Nella radiometria a microonde si verifica che hν << kt e quindi è valida la Legge di Radiazione di Rayleigh-Jeans. Come conseguenza, la potenza P, ricevuta da un antenna il cui fascio intercetta una superficie emittente che si trova alla temperatura T, è direttamente proporzionale a quest ultima, secondo la relazione di Nyquist: P = ktδν (Δν è la larghezza di banda del ricevitore). 1

2 Legge di Stefan-Boltzmann Alle frequenze della radiazione infrarossa, invece, la condizione hν << kt non è più verificata: occorrerà quindi utilizzare, in questa zona dello spettro elettromagnetico, un altra legge. Integrando l espressione della Legge di Radiazione di Planck su tutte le frequenze, si ottiene la brillanza totale L per un radiatore di corpo nero: 2h L 2 c Risolvendo l integrale, si ottiene la Legge di Stefan-Boltzmann: 0 e ν hν kt L σ T che corrisponde, nella figura precedente, all area sottesa dalla curva della Legge di Radiazione di Planck alla temperatura T (area verde più area rossa). 3 1 dν σ = 5, W m 2 K è la costante di Stefan-Boltzmann, che congloba c, h, k ed una costante che risulta dal calcolo dell integrale. 2

3 Emissività Se il radiatore non è un corpo nero perfetto, occorre inserire nella espressione della Legge di Stefan-Boltzmann un parametro ε, detto emissività, che è definito come l energia irradiata (non riflessa) dal materiale considerato rispetto a quella irradiata da un corpo nero che si venga a trovare alla stessa temperatura: Wmateriale W corponero Quindi ε può variare fra 0 (corpo bianco) e 1 (corpo nero). La forma più generale della Legge di Stefan-Boltzmann sarà allora: L σ T Si osserva che: - la relazione fra temperatura della superficie emittente e radianza non è lineare; - come indicato nella figura precedente, le apparecchiature che lavorano alle frequenze della radiazione infrarossa coprono soltanto una parte (zona rossa) dell intero spettro di emissione di un radiatore termico, spettro considerato nella deduzione della Legge di Stefan-Boltzmann. 3

4 Termocamera Apparecchio che permette di visualizzare l immagine, alle lunghezze d onda dell infrarosso, dell oggetto o dell ambiente verso cui è puntata e di misurarne le temperature. Può essere: - a scansione, con un solo sensore; - a matrice di sensori. L immagine ottenuta è detta immagine termografica o termografia. Può essere: - in bianco e nero (alle parti più calde del corpo emittente sono associate zone più chiare sulla termografia); - a falsi colori (alla scala di temperatura è associata una scala di colori, per esempio le parti a temperatura più elevata sono rappresentate in giallo; si passa poi al rosso per zone a temperatura inferiori, fino al blu per le zone più fredde). In questo caso quindi i colori presenti nella termografia non corrispondono, come nel caso della fotografia, a differenti lunghezze d onda della radiazione ricevuta ma a differenti intensità della stessa. Le considerazioni precedenti hanno mostrato come la risposta del sensore alla temperatura che sta misurando non può essere lineare. Questa non linearità deve quindi essere compensata dall elettronica della termocamera.

5 Termocamera I corpi sui quali viene puntata la termocamera hanno ε < 1, ovvero, oltre ad emettere radiazione propria, riflettono radiazione proveniente dagli oggetti circostanti. L apparecchio riceve quindi la somma della energia emessa e di quella riflessa. Affinché la termocamera fornisca in uscita le reali temperature dell area su cui punta, occorre sottrarre all energia ricevuta la parte dovuta alla riflessione. A questa operazione provvede la termocamera, impostando sulla stessa il valore di emissività (che, quindi, occorre conoscere) del corpo che si sta puntando. Radiazione IR Ottica di ingresso Matrice di sensori Amplificazione e conversione A/D Formazione e correzione immagine Display 5