La termometria ad irraggiamento. Richiami di scambio termico per irraggiamento. Cause di incertezza e problemi di misura

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1 Termografia all infrarosso Sez Misure e Tecniche Sperimentali Argomenti 2 La termometria ad irraggiamento Richiami di scambio termico per irraggiamento Cause di incertezza e problemi di misura Gli strumenti di misura 1

2 IRRAGGIAMENTO 3 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 IRRAGGIAMENTO 4 Sono inoltre utili per: - misure su oggetti in moto - misure su oggetti distanti - misure su oggetti delicati - misure di distribuzione di T su superfici 2

3 IRRAGGIAMENTO 5 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 Osservazione sperimentale I 6 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). 3

4 Osservazione sperimentale II 7 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. Scoperta dell IR: Herschel 8 4

5 Esperienza di Herschel 9 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. Spettro elettromagnetico 10 5

6 11 Corpo nero ideale 12 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. 6

7 CORPO NERO prime definizioni, vedi poi 13 assorbe il 100 % della radiazione emette il massimo della energia un corpo nero non necessariamente è di colore nero Emissioni del corpo nero 14 7

8 IL CORPO NERO 15 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 Legge di Planck 16 Descrive l emissione del corpo nero: C 1 C 2 W BB (,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/m 3 ]. c = velocità della luce nel vuoto [ km/s] h = costante di Plank [6,625*10-34 Js] = lunghezza d onda della radiazione [m] k = costante di Boltzman [1, *10-23 J/K] T = temperatura assoluta del corpo nero [K] C 1 e C 2 costanti di Planck 8

9 LEGGE DI PLANCK 17 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 Legge di Wien 18 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. 9

10 Legge di Stefan-Boltzman 19 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/(m 2 *K 4 )]. (T)=, Corpo nero reale 20 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. 10

11 IL CORPO NERO 21 IRRAGGIAMENTO 22 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: = W TOT.R / W TOT Per i corpi reali si ha sempre W TOT.R < W TOT 11

12 EMISSIVITA 23 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 Corpo grigio 24 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. 12

13 Grafico dell emissività 25 EMISSIVITA 26 Corpo nero Corpo grigio W T) Corpo reale (emettitore selettivo) 13

14 27 Poichè W TOT.R < W TOT e W T 4 termometro ad irraggiamento misura T M < 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 Emissività 28 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 14

15 Emissività e temperatura 29 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. ESEMPIO 30 Es: 2 corpi stessa T A =T B daranno T MA T MB ma A B STRUMENTO B STRUMENTO A 15

16 ESEMPIO 31 Es: un corpo visto dallo strumento ad angolo diverso darà misure T M diverse Legge di S.B. per i corpi grigi 32 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 16

17 Corpo verde 33 Viene messa in evidenza la differenza nello spettro di assorbimento tra un corpo grigio e uno verde. COME SI COMPORTA UN CORPO SU CUI INCIDE UNA RADIAZIONE IR? 34 Per la conservazione dell energia risulta: =1 17

18 La Legge di Kirckoff 35 Il coefficiente di assorbimento è uguale al fattore di emissione Ne consegue che, per un corpo nero, poiché La legge della conservazione dell energia nei corpi non trasparenti 36 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 18

19 Assorbimento trasmissione e riflessione 37 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 PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, 38 TRASMISSIONE E RIFLESSIONE Incertezza dovuta a radiazione assorbita nel percorso corpo sensore Ta Mezzo interposto: Aria atmosferica Finestre e ottica ricevente (lenti, specchi, etc) Eventuali gas 19

20 PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 39 Soluzioni: si misura in finestre dello spettro di assorbimento del mezzo interposto tra corpo e strumento PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 40 Soluzioni: scelta opportuna del materiale delle ottiche e finestre. Es. di coefficiente di trasmissione di materiali ottici 20

21 PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 41 Soluzioni: - pulizia ottiche e finestre - calcolo di emissività effettiva EFF = t PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 42 Incertezza da radiazione proveniente da altri oggetti nell ambiente T RT Es. di sorgenti di irraggiamento interferenti: - radiazione riflessa - radiazione trasmessa 21

22 PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 43 Es. di soluzioni contro interferenze ambientali T RT PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 44 Es. di soluzioni contro interferenze ambientali T RT 22

23 PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE 45 Esistono anche tubi di connessione rigidi o fibre ottiche trasparenti nell infrarosso per ridurre molti di questi problemi Strumenti di misura 46 Pirometro a irraggiamento in banda Pirometro a irraggiamento monocromatico Termocamere 23

24 Termometri a radiazione 47 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 Pirometro a radiazione totale 48 Principio fisico: la radiazione di messa a fuoco da lenti acromatiche o specchi scalda il sensore (termopila, termistori ) Con lenti 24

25 49 Con specchi All equilibrio termico: Q OUT = Q IN k ( T 2 -T 3 ) T 1 4 la termopila genera: E ( T 2 -T 3 ) T 1 4 In genere lo strumento è termostatato a T 3 =cost 50 Mediante otturatori si può periodicamente confrontare la lettura con un corpo nero interno di riferimento 25

26 Errore di corpo nero 51 Se il corpo fosse effettivamente nero: In realtà il corpo non è nero: La taratura è sul corpo nero Errore di corpo nero 52 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 26

27 PIROMETRO A RADIAZIONE TOTALE 53 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 Pirometri a banda 54 Usano fotodiodi, cioè sensori di flusso totale di fotoni sensibili in bande Flusso totale di fotoni: N f = K T 3 [fotoni/s m 2 ] Uscita fotodiodo: E 0 N f = K T 3 Da cui: T = ( E 0 / K ) 1/3 Incertezza dovuta ad : quindi pur se 15% T / T 5% 27

28 Pirometro monocromatico 55 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 56 L osservatore varia I varia T F varia W F L immagine del filo scompa se W F = W O F=filo, O=oggetto 28

29 57 Il filo è stato prima calibrato con un corpo nero, quindi T F è nota Per T<4000 C i termini ( e C/ T ) >> 1 quindi conoscendo,, T F, C 2 è possibile ricavare T O Pirometro monocromatico 58 Incertezza dovuta all emissività : dt O / T O = - ( T O / C 2 ) d / es: se T O = 1000 K, / = 10%, =0.65 m si ottiene T O /T O = 0.45 % quindi incertezza sulla T O modesta anche con grandi incertezze sull emissività 29

30 Pirometro monocromatico 59 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 Pirometro a due colori 60 Determina T O 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 T O 30

31 Pirometro a due colori 61 Vantaggi: la misura di rapporto W 1 / W 2 permette di superare problemi dei pirometri monocromatici: - si misura senza errore la T O di oggetti con immagine più piccola del sensore - non risente dell errore introdotto da assorbimento della radiazione (ostacoli, finestre, gas, sporcizia ecc.) Termografia 62 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. 31

32 Esempio di IR 63 L immagine ritrae un cartone su cui ho tracciato la scritta l IR con un dito. Caratteristiche fondamentali 64 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. 32

33 Caratteristiche fondamentali 65 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 Limitazioni all uso della termografia 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 33

34 Radiazione incidente sulla termocamera 67 (1- )W amb Per l atmosfera =0 => W amb =(1- )W amb Effetto Narciso 68 34

35 69 Trasmittanza dell atmosfera 70 Trasmittanza dell'atmosfera valutata alla distanza di un miglio marino e componenti dell'aria maggiori responsabili dell'assorbimento della radiazione nei punti indicati. 35

36 Il detector 71 L elemento sensibile alla radiazione infrarossa delle termocamere viene chiamato detector. 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. Detector fotonico 72 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. 36

37 Termocamera a sensore fotonico 73 Detector termico 74 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. 37

38 Termocamera FPA (focal plane array) 75 La frequenza di campionamento 76 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 volte più pronto. 38

39 77 Sviluppo termocamere 78 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. 39

40 Termocamere FPA (Focal Plane Array) 79 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 80 40

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42 Caratterizzazione in condizioni estreme 83 Corpo nero foro Camera climatica (-10 C =>+45 C) Termocamera all interno Traversing XY Risposta del sensore nei vari punti 84 42

43 Cross-talking fra i pixel 85 ROI Feritoia regolabile Irraggiamento Roi Corpo nero Cross-talking fra i pixel 86 43

44 Cross-talkimg e risoluzione 87 Risposta dinamica 88 44

45 Risposta dinamica 89 Termocamera low-cost basata su CCD 90 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) 45

46 Taratura della termocamera CCD 91 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. Esempio di curve di taratura 92 46

47 Esempio di legame shutter-grigi 93 Confronto termocamere/ccd 94 Termocamera Telecamera Risoluzione termica 0.1 K bolometrico 0.01 K- fotonico 1 K Risoluzione spaziale Da 160 x 120 A 640 x 480 Da 640 x 480 A 1600 x

48 Banco prova candelette diesel 95 Candeletta Filtro 1000 nm Telecamera Esempi di campi termici C 1020 C 48

49 Interfaccia del programma di controllo 97 49