I termometri a infrarossi per la misurazione della temperatura senza contatto sono sensori altamente sviluppati che trovano ampia applicazione nella lavorazione industriale e nella ricerca. Questo documento descrive, in termini non matematici, la teoria su cui si basa la tecnologia di misura e come questa viene utilizzata per gestire la varietà di parametri applicativi che l'utente finale deve affrontare.
Introduzione
I progetti per un termometro a infrarossi (IRT) esistono almeno dalla fine del XIX secolo e vari concetti sono stati presentati da Charles A. Darling (1) nel suo libro "Pyrometry", pubblicato nel 1911. Tuttavia, solo negli anni '30 è stata sviluppata la tecnologia disponibile per trasformare questi concetti in strumenti di misurazione pratici. Da allora, il design ha subito una notevole evoluzione e sono state acquisite numerose competenze in materia di misurazione e applicazione. Attualmente, questa tecnica è ampiamente accettata e utilizzata nell'industria e nella ricerca.
Principi di misurazione
Come affermato in precedenza, l'energia IR viene emessa da tutti i materiali al di sopra di 0 °K. La radiazione infrarossa fa parte dello spettro elettromagnetico e occupa frequenze comprese tra la luce visibile e le onde radio. La parte IR dello spettro copre lunghezze d'onda da 0,7 micrometri a 1000 micrometri (micron). Figura 1. All'interno di questa banda di onde, solo le frequenze da 0,7 micron a 20 micron sono utilizzate per la misurazione pratica e quotidiana della temperatura. Questo perché i rilevatori IR attualmente disponibili nell'industria non sono abbastanza sensibili da rilevare le piccolissime quantità di energia disponibili a lunghezze d'onda superiori a 20 micron.
SPETTRO INFRAROSSO DA 0,7 A 1000 MICROMETRI (MICRON) Spettro elettromagnetico Sebbene le radiazioni IR non siano visibili all'occhio umano, è utile immaginarle come visibili quando si tratta dei principi di misurazione e quando si considerano le applicazioni, perché sotto molti aspetti si comportano allo stesso modo della luce visibile. L'energia IR viaggia in linea retta dalla fonte e può essere riflessa e assorbita dalle superfici dei materiali che incontra lungo il suo percorso. Nel caso della maggior parte degli oggetti solidi che sono opachi all'occhio umano, parte dell'energia IR che colpisce la superficie dell'oggetto verrà assorbita e parte verrà riflessa. Dell'energia assorbita dall'oggetto, una parte verrà riemessa e una parte verrà riflessa internamente. Ciò vale anche per i materiali trasparenti all'occhio, come il vetro, i gas e le plastiche sottili e trasparenti, ma in aggiunta, parte dell'energia IR passerà anche attraverso l'oggetto. Quanto sopra è illustrato nella Figura 2. Questi fenomeni contribuiscono collettivamente a ciò che viene definito emissività dell'oggetto o del materiale.
SCAMBIO TERMICO RADIANTE I materiali che non riflettono né trasmettono alcuna energia IR sono noti come corpi neri e non esistono in natura. Tuttavia, ai fini del calcolo teorico, a un vero corpo nero viene assegnato un valore pari a 1,0. L'approssimazione più vicina all'emissività di un corpo nero pari a 1,0, che può essere ottenuta nella realtà, è una cavità sferica opaca agli infrarossi con un piccolo ingresso tubolare, come mostrato nella Figura 3. La superficie interna di tale sfera avrà un'emissività pari a 0,998.
Emissività Materiali e gas diversi hanno emissività diverse e quindi emettono IR con intensità diverse a una data temperatura. L'emissività di un materiale o di un gas è una funzione della sua struttura molecolare e delle caratteristiche della superficie. Generalmente non è una funzione del colore, a meno che la fonte del colore non sia una sostanza radicalmente diversa dal corpo principale del materiale. Un esempio pratico di ciò sono le vernici metalliche che incorporano quantità significative di alluminio. La maggior parte delle vernici ha la stessa emissività indipendentemente dal colore, ma l'alluminio ha un'emissività molto diversa che pertanto modifica l'emissività delle vernici metallizzate.
Proprio come nel caso della luce visibile, più alcune superfici sono lucide, maggiore è l'energia IR che la superficie riflette. Le caratteristiche superficiali di un materiale influenzeranno pertanto anche la sua emissività. Nella misurazione della temperatura, questo è particolarmente significativo nel caso dei materiali opachi agli infrarossi che hanno un'emissività intrinsecamente bassa. Pertanto, un pezzo di acciaio inossidabile altamente lucidato avrà un'emissività molto più bassa rispetto allo stesso pezzo con una superficie ruvida e lavorata. Questo perché le scanalature create dalla lavorazione impediscono che gran parte dell'energia IR venga riflessa. Oltre alla struttura molecolare e alle condizioni della superficie, un terzo fattore che influenza l'emissività apparente di un materiale o di un gas è la sensibilità alla lunghezza d'onda del sensore, nota come risposta spettrale del sensore. Come affermato in precedenza, solo le lunghezze d'onda IR comprese tra 0,7 micron e 20 micron vengono utilizzate per la misurazione pratica della temperatura. All'interno di questa banda complessiva, i singoli sensori possono funzionare solo in una parte ristretta della banda, ad esempio da 0,78 a 1,06 o da 4,8 a 5,2 micron, per motivi che verranno spiegati in seguito.
Basi teoriche della misurazione della temperatura IR
Le formule su cui si basa la misurazione della temperatura a infrarossi sono vecchie, consolidate e ben collaudate. È improbabile che la maggior parte degli utenti IRT abbia bisogno di utilizzare queste formule, ma conoscerle permette di comprendere l'interdipendenza di alcune variabili e serve a chiarire il testo precedente. Le formule importanti sono le seguenti:
- Legge di Kirchoff In caso di equilibrio termico, la quantità di assorbimento sarà uguale alla quantità di emissione.
- Legge di Stephan Boltzmann Più un oggetto diventa caldo, più energia infrarossa emette.
- Legge di Wien sulla spostamento La lunghezza d'onda alla quale viene emessa la quantità massima di energia diventa più corta all'aumentare della temperatura.
- Equazione di Planck Descrive la relazione tra emissività spettrale, temperatura e energia radiante.
Progettazione e costruzione del termometro a infrarossi
Il tipo di sonda di base di un termometro a infrarossi (IRT) comprende una lente per raccogliere l'energia emessa dal bersaglio, un rilevatore per convertire l'energia in un segnale elettrico, una regolazione dell'emissività per adattare la calibrazione dell'IRT alle caratteristiche di emissione dell'oggetto misurato e un circuito di compensazione della temperatura ambiente per garantire che le variazioni di temperatura all'interno dell'IRT, dovute ai cambiamenti ambientali, non vengano trasferite all'uscita finale. Per molti anni, la maggior parte degli IRT disponibili in commercio ha seguito questo concetto. Erano estremamente limitati nelle applicazioni e, col senno di poi, non misuravano in modo soddisfacente nella maggior parte dei casi, sebbene fossero molto resistenti e adeguati agli standard dell'epoca. Tale concetto è illustrato nella Figura 4.
Misurazione della temperatura a infrarossi Il moderno IRT si basa su questo concetto, ma è tecnologicamente più sofisticato per ampliare il campo di applicazione. Le differenze principali riguardano l'uso di una maggiore varietà di rilevatori, il filtraggio selettivo del segnale IR, la linearizzazione e l'amplificazione dell'uscita del rilevatore e la fornitura di uscite finali standard come 4-20 mA, 0-10 Vcc, ecc. La figura 5 mostra una rappresentazione schematica di un tipico IRT contemporaneo. Probabilmente il progresso più importante nella termometria a infrarossi è stata l'introduzione del filtraggio selettivo del segnale IR in ingresso, reso possibile dalla disponibilità di rilevatori più sensibili e amplificatori di segnale più stabili. Mentre i primi IRT richiedevano un'ampia banda spettrale di IR per ottenere un'uscita del rilevatore utilizzabile, gli IRT moderni hanno normalmente risposte spettrali di solo 1 micron. La necessità di avere risposte spettrali selezionate e strette deriva dal fatto che spesso è necessario vedere attraverso qualche forma di interferenza atmosferica o di altro tipo nel percorso visivo, o di fatto ottenere una misurazione di un gas o di un'altra sostanza che è trasparente a una banda larga di energia IR.
MODERNO TERMOMETRO A INFRAROSSI Alcuni esempi comuni di risposte spettrali selettive sono 8-14 micron, che evitano l'interferenza dell'umidità atmosferica nelle misurazioni su lunghi percorsi; 7,9 micron, utilizzati per la misurazione di alcuni film plastici sottili; e 3,86 micron, che evitano l'interferenza del CO2 e del vapore H2O nelle fiamme e nei gas di combustione. La scelta tra una risposta spettrale a lunghezza d'onda più corta o più lunga è dettata anche dall'intervallo di temperatura perché, come mostra l'equazione di Planck, l'energia di picco si sposta verso lunghezze d'onda più corte all'aumentare della temperatura. Il grafico nella Figura 6 illustra questo fenomeno. Le applicazioni che non richiedono un filtraggio selettivo per i motivi sopra indicati possono spesso trarre vantaggio da una risposta spettrale stretta il più possibile vicina a 0,7 micron. Questo perché l'emissività effettiva di un materiale è massima alle lunghezze d'onda più corte e la precisione dei sensori con risposte spettrali strette è meno influenzata dalle variazioni dell'emissività della superficie del bersaglio.
Da quanto sopra esposto risulta evidente che l'emissività è un fattore molto importante nella misurazione della temperatura a infrarossi. A meno che l'emissività del materiale da misurare non sia nota e incorporata nella misurazione, è improbabile che si ottengano dati accurati. Esistono due metodi per ottenere l'emissività di un materiale:
a) facendo riferimento a tabelle pubblicate e b) confrontando la misurazione IRT con una misurazione simultanea ottenuta tramite termocoppia o termometro a resistenza e regolando l'impostazione dell'emissività fino a quando l'IRT non legge lo stesso valore. Fortunatamente, i dati pubblicati disponibili dai produttori di IRT e da alcune organizzazioni di ricerca sono molto completi, quindi raramente è necessario sperimentare. Come regola generale, la maggior parte dei materiali opachi e non metallici ha un'emissività alta e stabile compresa tra 0,85 e 9,0; mentre la maggior parte dei materiali metallici non ossidati ha un'emissività da bassa a media compresa tra 0,2 e 0,5, ad eccezione dell'oro, dell'argento e dell'alluminio che hanno emissività dell'ordine di 0,02-0,04 e sono, di conseguenza, molto difficili da misurare con un IRT. Sebbene sia quasi sempre possibile stabilire l'emissività del materiale di base misurato, sorgono complicazioni nel caso di materiali che hanno emissività che variano con la temperatura, come la maggior parte dei metalli e altri materiali quali il silicio e le ceramiche monocristalline ad alta purezza. Alcune applicazioni che presentano questo fenomeno possono essere risolte utilizzando il metodo del rapporto tra due colori.
Termometria a rapporto bicolore
Dato che l'emissività svolge un ruolo così importante nell'ottenere dati accurati sulla temperatura dai termometri a infrarossi, non sorprende che siano stati fatti tentativi per progettare sensori in grado di misurare indipendentemente da questa variabile. Il più noto e comunemente applicato di questi progetti è il termometro a rapporto bicolore. Questa tecnica non è dissimile dai termometri a infrarossi descritti finora, ma misura il rapporto tra l'energia infrarossa emessa dal materiale a due lunghezze d'onda, piuttosto che l'energia assoluta a una lunghezza d'onda o banda d'onda. L'uso della parola "colore" in questo contesto è in qualche modo obsoleto, ma non è stato comunque sostituito. Ha origine nella vecchia pratica di mettere in relazione il colore visibile con la temperatura, da cui il termine "temperatura di colore".
L'efficacia della termometria a due colori si basa sul fatto che qualsiasi variazione delle proprietà di emissione della superficie del materiale misurato o del percorso ottico tra il sensore e il materiale sarà "vista" in modo identico dai due rilevatori, quindi il rapporto e pertanto l'uscita del sensore non subiranno variazioni. La figura 7 mostra una rappresentazione schematica di una termocoppia a due colori semplificata.
TERMOMETRIA A DUE COLORI (Termometria a rapporto) Poiché il metodo del rapporto, in determinate circostanze, evita le imprecisioni derivanti da emissività variabile o sconosciuta, oscuramento del campo visivo e misurazione di oggetti che non riempiono il campo visivo, è molto utile per risolvere alcuni problemi applicativi difficili. Tra questi vi sono il riscaldamento rapido per induzione dei metalli, la temperatura della zona di combustione dei forni da cemento e le misurazioni attraverso finestre che diventano progressivamente oscurate, come la fusione sottovuoto dei metalli. Va notato, tuttavia, che questi cambiamenti dinamici devono essere "visti" in modo identico dal sensore alle due lunghezze d'onda utilizzate per il rapporto, e questo non è sempre il caso. L'emissività di tutti i materiali non cambia allo stesso modo a due diverse lunghezze d'onda. I materiali che lo fanno sono chiamati "corpi grigi". Quelli che non lo fanno sono chiamati "corpi non grigi". Non tutte le forme di oscuramento del percorso visivo attenuano le lunghezze d'onda del rapporto in modo uguale. La predominanza di particelle nel percorso visivo che hanno le stesse dimensioni in micron di una delle lunghezze d'onda utilizzate ovviamente squilibrerà il rapporto. I fenomeni di natura non dinamica, come i materiali "non grigi", possono essere affrontati modificando il rapporto, una regolazione denominata "pendenza". Tuttavia, l'impostazione appropriata della pendenza deve essere generalmente determinata sperimentalmente. Nonostante queste limitazioni, il metodo del rapporto funziona bene in una serie di applicazioni consolidate e in altre è la soluzione migliore, se non la più preferibile.
Riepilogo
La termometria a infrarossi è una tecnologia matura ma dinamica che ha guadagnato il rispetto di molte industrie e istituzioni. È una tecnica indispensabile per molte applicazioni di misurazione della temperatura e il metodo preferito per alcune altre. Quando la tecnologia è adeguatamente compresa dall'utente e tutti i parametri applicativi rilevanti sono correttamente considerati, si ottiene solitamente un'applicazione di successo, a condizione che l'apparecchiatura sia installata con cura. Un'installazione accurata significa garantire che il sensore funzioni entro i limiti ambientali specificati e che siano prese misure adeguate per mantenere le ottiche pulite e libere da ostruzioni. Un fattore da considerare nel processo di selezione, quando si sceglie un produttore, dovrebbe essere la disponibilità di accessori di protezione e installazione, nonché la misura in cui tali accessori consentono la rapida rimozione e sostituzione del sensore per la Manutenzione. Se queste linee guida vengono seguite, il moderno termometro a infrarossi funzionerà in molti casi in modo più affidabile rispetto alle Termocoppie o ai termometri a resistenza.
Riferimenti
Darling, Charles R.; "Pyrometry. A Practical Treatise on the Misurazione della Temperatura Elevata." Pubblicato da E.&F.N. Spon Ltd. Londra. 1911.
Autore e relatore: John Merchant, Direttore commerciale, Mikron Instrument Company Inc.
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