COME CLASSIFICARE I TERMOCOPPIE SENZA CONTATTO?
- Termocoppie a radiazione a banda larga
- Termocoppie a radiazione a banda stretta pirometri
- Termocoppie/pirometri a radiazione di rapporto
- Pirometri ottici
- Termocoppie/pirometri a radiazione in fibra ottica
Queste classificazioni non sono rigide. Ad esempio, i pirometri ottici possono essere considerati un sottoinsieme dei dispositivi a banda stretta. I termocoppie a radiazione a fibra ottica, che saranno discussi in dettaglio in un'altra sezione, possono essere classificati come dispositivi a banda larga, a banda stretta o a rapporto. Allo stesso modo, i termometri a radiazione infrarossa possono essere considerati sottoinsiemi di diverse di queste classi. Storicamente, un termometro a radiazione senza contatto era costituito da un sistema ottico per raccogliere l'energia emessa dal bersaglio, un rilevatore per convertire questa energia in un segnale elettrico, una regolazione dell'emissività per adattare la calibrazione del termometro alle caratteristiche di emissione specifiche del bersaglio e un circuito di compensazione della temperatura ambiente, per garantire che le variazioni di temperatura all'interno del termometro dovute alle condizioni ambientali non influenzassero l'accuratezza.
Il termometro a infrarossi moderno si basa ancora su questo concetto. Tuttavia, la tecnologia è diventata più sofisticata per ampliare la gamma di applicazioni che possono essere gestite. Ad esempio, il numero di rilevatori IR disponibili è notevolmente aumentato e, grazie alle capacità di filtraggio selettivo, questi rilevatori possono essere adattati in modo più efficiente ad applicazioni specifiche, migliorando le prestazioni di misurazione.
La misurazione della temperatura senza contatto è la tecnica preferita per oggetti piccoli, in movimento o inaccessibili, processi dinamici che richiedono una risposta veloce e temperature di 1000 °C (1832 °F). Per selezionare il miglior dispositivo di misurazione della temperatura senza contatto per una particolare applicazione, è essenziale comprendere le basi della tecnologia di misurazione della temperatura, i parametri di misurazione della temperatura e le caratteristiche offerte dai vari sistemi di misurazione attualmente disponibili.
Sensori di temperatura a radiazione a banda larga I termometri a banda larga senza contatto sono in genere i dispositivi più semplici, hanno un costo inferiore e possono avere una risposta da una lunghezza d'onda di 0,3 micron a un limite superiore compreso tra 2,5 e 20 micron. I limiti inferiore e superiore del termometro a banda larga dipendono dal sistema ottico specifico utilizzato. Sono definiti a banda larga perché misurano una frazione significativa della radiazione termica emessa dall'oggetto, negli intervalli di temperatura di normale utilizzo.
I termometri a infrarossi a banda larga dipendono dall'emissività totale della superficie misurata. La figura 3-2 mostra l'errore di lettura per varie emissività e temperature quando un dispositivo a banda larga è sottoposto a calibrazione per un corpo nero. Un controllo dell'emissività consente all'utente di compensare questi errori, purché l'emissività non cambi.
Il percorso verso il bersaglio deve essere libero da ostacoli. Il vapore acqueo, la polvere, il fumo, il vapore e i gas che assorbono le radiazioni presenti nell'atmosfera possono attenuare la radiazione emessa dal bersaglio e causare una lettura bassa del termometro. 
Titolo della didascalia dell'immagine Il sistema ottico deve essere mantenuto pulito e la finestra di mira deve essere protetta da eventuali sostanze corrosive presenti nell'ambiente.
Gli intervalli standard vanno da 32 a 1832 °F (da 0 a 1000 °C) e da 932 a 1652 °F (da 500 a 900 °C). La precisione tipica è compresa tra lo 0,5 e l'1% del fondo scala.
Radiazione a banda stretta Come indica il nome, i termometri IR a radiazione a banda stretta funzionano su un intervallo ristretto di lunghezze d'onda. I dispositivi a banda stretta possono anche essere definiti pirometri a singolo colore. Il rilevatore specifico utilizzato determina la risposta spettrale del particolare dispositivo. Ad esempio, un termometro senza contatto che utilizza un rilevatore a cella di silicio avrà una risposta con un picco a circa 0,9 micron, con un limite massimo di utilità di circa 1,1 micron. Tale dispositivo è utile per misurare temperature superiori a 1102 °F (600 °C). I termometri a banda stretta hanno solitamente una risposta spettrale inferiore a 1 micron.
Narrow band non contact thermometers use filters to restrict response to a selected wavelength. Probably the most important advance in radiation thermometry has been the introduction of selective filtering of the incoming radiation, which allows an instrument to be matched to a particular application to achieve higher measurement accuracy. This was made possible by the availability of more sensitive detectors and advances in signal amplifiers.
I termometri senza contatto a banda stretta utilizzano filtri per limitare la risposta a una lunghezza d'onda selezionata. Probabilmente il progresso più importante nella termometria a radiazione è stata l'introduzione del filtraggio selettivo della radiazione in entrata, che consente di adattare uno strumento a una particolare applicazione per ottenere una maggiore accuratezza di misurazione. Ciò è stato reso possibile dalla disponibilità di rilevatori più sensibili e dai progressi negli amplificatori di segnale.
Esempi comuni di risposte spettrali selettive sono 8-14 micron, che evitano l'interferenza dell'umidità atmosferica su percorsi lunghi; 7,9 micron, utilizzati per la misurazione di alcuni plastici a film sottile; 5 micron, utilizzati per la misurazione di superfici in vetro; e 3,86 micron, che evitano l'interferenza dell'anidride carbonica e del vapore acqueo nelle fiamme e nei gas di combustione. 
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Gli intervalli di temperatura standard variano da un produttore all'altro, ma alcuni esempi includono: da -36 a 1112 °F (da -37,78 a 600 °C), da 32 a 1832 °F (da 0 a 1000 °C), da 1112 a 5432 °F (da 600 a 3000 °C) e da 932 a 3632 °F (da 500 a 2000 °C). L'accuratezza tipica è compresa tra lo 0,25% e il 2% del fondo scala.
Dispositivi IR a rapporto di radiazione Chiamati anche termometri a infrarossi senza contatto a due colori, questi dispositivi misurano l'energia irradiata da un oggetto tra due bande di lunghezza d'onda strette e calcolano il rapporto tra le due energie, che è una funzione della temperatura dell'oggetto. In origine, questi dispositivi erano chiamati pirometri a due colori, perché le due lunghezze d'onda corrispondevano a colori diversi nello spettro visibile (ad esempio, rosso e verde). Molte persone usano ancora oggi il termine pirometri a due colori, ampliando il significato del termine per includere le lunghezze d'onda nell'infrarosso.
I termometri senza contatto dipendono solo dal rapporto tra le due energie misurate e non dai loro valori assoluti, come mostrato nella Figura 3-4. Qualsiasi parametro, come la dimensione del bersaglio, che influisce sulla quantità di energia in ciascuna banda con una percentuale uguale, non ha alcun effetto sull'indicazione della temperatura. Ciò rende un termometro a rapporto intrinsecamente più preciso. (Tuttavia, si perde una certa accuratezza quando si misurano piccole differenze in segnali di grandi dimensioni).
La tecnica del rapporto può eliminare o ridurre gli errori nella misurazione della temperatura causati da variazioni dell'emissività, della finitura superficiale e dei materiali che assorbono energia, come il vapore acqueo, tra il termometro e il bersaglio. Queste variazioni dinamiche devono essere viste in modo identico dal rilevatore alle due lunghezze d'onda utilizzate.
L'emissività di tutti i materiali non varia in modo uguale a diverse lunghezze d'onda. I materiali per i quali l'emissività cambia in modo uguale a diverse lunghezze d'onda sono chiamati corpi grigi. I materiali per i quali ciò non è vero sono chiamati corpi non grigi. Inoltre, non tutte le forme di ostruzione del percorso visivo attenuano le lunghezze d'onda del rapporto in modo uguale. Ad esempio, se nel percorso visivo sono presenti particelle delle stesse dimensioni di una delle lunghezze d'onda, il rapporto può diventare sbilanciato.
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I termometri senza contatto a due colori dovrebbero essere presi seriamente in considerazione per applicazioni dove è fondamentale la precisione, e non solo la ripetibilità, o se l'oggetto target è soggetto a cambiamenti fisici o chimici.
I termometri a rapporto coprono ampi intervalli di temperatura. Gli intervalli tipici disponibili in commercio vanno da 1652 a 5432* F (da 900 a 3000 °C) e da 120 a 6692 °F (da 50 a 3700 °C). La precisione tipica è dello 0,5% della lettura su intervalli ristretti, fino al 2% del fondo scala.
Pirometri ottici I pirometri ottici misurano la radiazione proveniente dal bersaglio in una banda ristretta di lunghezze d'onda dello spettro termico. I dispositivi più vecchi utilizzano il principio della luminosità ottica nello spettro rosso visibile intorno a 0,65 micron. Questi strumenti sono anche chiamati pirometri monocromatici. I pirometri ottici sono ora disponibili per misurazioni senza contatto con lunghezze d'onda che si estendono nella regione dell'infrarosso. Il termine pirometri monocromatici è stato ampliato da alcuni autori per includere anche i termometri a radiazione a banda stretta.
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Alcuni modelli ottici sono azionati manualmente, come mostrato nella Figura 3-8. L'operatore punta il pirometro sul bersaglio. Allo stesso tempo, può vedere l'immagine del filamento di una lampada interna nell'oculare. In un modello, l'operatore regola la potenza del filamento, modificandone il colore, fino a quando non corrisponde al colore del bersaglio. La temperatura del bersaglio viene misurata in base alla potenza utilizzata dal filamento interno. Un altro tipo di sonda mantiene una corrente costante al filamento e modifica la luminosità del bersaglio tramite un cuneo ottico rotante che assorbe energia. La temperatura dell'oggetto è correlata alla quantità di energia assorbita dal cuneo, che è una funzione della sua posizione anulare.
Sono disponibili anche pirometri ottici automatici, sensibilizzati per misurare nella regione dell'infrarosso. Questi strumenti utilizzano un rilevatore di radiazioni elettriche, anziché l'occhio umano. Questo dispositivo funziona confrontando la quantità di radiazione emessa dal bersaglio con quella emessa da una sorgente di riferimento controllata internamente. L'uscita dello strumento è proporzionale alla differenza di radiazione tra il bersaglio e il riferimento.
Radiazione in fibra ottica
Sebbene non costituiscano una classe a sé stante, questi dispositivi utilizzano una guida di luce, come una fibra trasparente flessibile, per dirigere la radiazione verso il rilevatore, e sono descritti in modo più dettagliato nel capitolo che inizia a pagina 43. La risposta spettrale di queste fibre si estende fino a circa 2 micron e può essere utile per misurare temperature di oggetti fino a 210 °F (100 °C). Ovviamente, questi dispositivi sono particolarmente utili quando è difficile o impossibile ottenere una linea di mira chiara verso il bersaglio, come in una camera a pressione.
Definizione dei termini
Glossario generale per termocoppie senza contatto Radiazione IR. L'infrarosso è quella porzione dello spettro elettromagnetico oltre la risposta visibile (dal Blu al Rosso, 0,4-0,75 µm) dell'occhio umano. Le lunghezze d'onda IR vanno da 0,75 µm a 1000 µm, dove iniziano le microonde più corte (radar). Poiché la radiazione IR è generata prevalentemente dal calore, viene chiamata radiazione termica.
Per i termometri senza contatto, solo alcune porzioni dello spettro IR sono importanti. Lo spettro è spesso suddiviso in "finestre atmosferiche" che garantiscono la massima trasmissione senza perdite attraverso il vapore acqueo presente nell'aria: 0,7-1,3 µm; 1,4-1,8 µm; 2,0-2,5 µm; 3,2-4,3 µm; 4,8-5,3 µm; 8 - 14 µm
Emissività. Questa qualità definisce la frazione di radiazione emessa da un oggetto rispetto a quella emessa da un radiatore perfetto (corpo nero) alla stessa temperatura. L'emissività è determinata in parte dal tipo di materiale e dalle condizioni della sua superficie e può variare da un valore vicino allo zero (per uno specchio altamente riflettente) a quasi 1 (per un simulatore di corpo nero). L'emissività viene utilizzata per calcolare la temperatura reale di un oggetto dalla luminosità misurata o dalla radianza spettrale. Poiché l'emissività di un oggetto può variare anche con la lunghezza d'onda, per un'applicazione specifica è necessario selezionare un termometro a radiazione con una risposta spettrale corrispondente alle regioni ad alta emissività. I valori di emissività sono riportati in letteratura per una varietà di materiali e bande spettrali, oppure possono essere determinati empiricamente.
Pirometro a luminosità/monocolore. Questi dispositivi misurano e valutano l'intensità, o luminosità, della radiazione termica intercettata. L'intensità, o più in generale la radianza spettrale, viene misurata in una banda di lunghezza d'onda stretta dello spettro termico. La selezione della banda è dettata dall'intervallo di temperatura e dal tipo di materiale da misurare.
Pirometro a rapporto/bicolore. Questo termometro senza contatto misura le temperature sulla base di due (o più) lunghezze d'onda discrete. Il rapporto tra le luminosità nelle diverse lunghezze d'onda corrisponde al colore nello spettro visibile. L'uso di due colori distinti e visibili, tipicamente il rosso e il verde, è da tempo molto diffuso per dedurre le temperature di colore.
Rilevamento delle radiazioni
Regolazione dell'emissività. La precisione della lettura della temperatura dipende dalla corretta regolazione dello strumento in base all'emissività del bersaglio. I valori di emissività preimpostati possono essere utilizzati per i sensori online per monitorare bersagli con emissività costante. Le misurazioni su materiali con emissività variabile richiedono una regolazione accurata e riproducibile dell'emissività.
Temperatura dell'area circostante. La radiazione termica del bersaglio contiene sempre radiazioni disperse emesse dall'ambiente circostante l'area del bersaglio e riflesse dalla superficie del bersaglio. In pratica, la temperatura ambiente è spesso considerata uguale alla temperatura del sensore. Se il bersaglio è esposto a un ambiente termico diverso, ad esempio all'interno di un forno riscaldato, all'interno di una camera raffreddata o all'aperto sotto il cielo, sono necessarie regolazioni per ottenere misurazioni accurate. È possibile utilizzare sensori separati per l'area circostante il bersaglio per il calcolo automatico della temperatura.
Titolo della breve-descrizione-immagine Oscuramento del percorso ottico. Gas, vapore acqueo, polvere e altri aerosol presenti nel percorso ottico di un sensore possono influire sulla lettura della temperatura. L'utilizzo di una delle "finestre atmosferiche" nella regione IR riduce notevolmente gli errori di misurazione. Poiché entrambi i canali ottici sono attenuati in modo uguale, i pirometri a rapporto sono generalmente immuni all'oscuramento del percorso ottico e il rapporto cromatico del segnale rimane inalterato.
Deriva della temperatura ambiente. Per la loro natura, i termometri senza contatto sono fortemente influenzati dalle variazioni della temperatura ambiente. Per mantenere un'elevata precisione di misurazione, è necessaria una compensazione accurata di questa deriva di temperatura. La deriva di temperatura è specificata in errore/°C o errore/°F di variazione della temperatura ambiente. Sistemi ottici Ottica. Nei termometri senza contatto vengono utilizzate ottiche riflettenti (specchi) e rifrangenti (lenti) per l'isolamento e la definizione della radiazione proveniente dal bersaglio misurato.
Campo visivo (FOV). Il campo visivo (FOV) è espresso in gradi angolari solidi o in radianti. Il FOV consente di calcolare facilmente la dimensione minima del bersaglio per ciascuna distanza di lavoro. Una misura conveniente è il rapporto distanza-bersaglio, ad esempio 20:1, che indica un bersaglio minimo di 1 pollice a una distanza di misurazione di 20 pollici.
Messa a fuoco sul bersaglio. Le ottiche nei sensori di temperatura senza contatto sono generalmente di tipo a fuoco fisso. La messa a fuoco a distanze di misurazione maggiori non è necessaria se l'area del bersaglio è più piccola dell'apertura di ingresso (diametro della lente) dello strumento.
Fibra ottica. La fibra ottica consente la separazione fisica del gruppo ottico dal rilevatore e dall'elettronica di elaborazione segnale in spazi ristretti o ambienti ostili. Il campo di misura utile della fibra ottica inizia a 400 °C (750 °F). Le aree target minime sono quelle definite sopra.
Puntamento sul target. Con le termocoppie senza contatto vengono utilizzate diverse tecniche di puntamento ottico:
- Semplici mirini a perla e scanalatura
- Mirini ottici integrati o rimovibili
- Mirino attraverso l'obiettivo
- Indicatori di raggio luminoso integrati o rimovibili
Titolo didascalia immagine Elaborazione segnale Uscita diretta. Le termocoppie senza contatto convertono la radiazione termica intercettata in un segnale elettrico proporzionale alla radianza spettrale emessa dalla superficie del bersaglio.
Uscita linearizzata. Una rete elettronica converte il segnale di radianza termica in una corrente/tensione elettrica proporzionale alla temperatura.
Campionamento e mantenimento. La lettura momentanea della temperatura, selezionata da un trigger esterno, viene mantenuta (congelata) fino a quando non viene sostituita da un nuovo valore nel ciclo di campionamento successivo.
Valore massimo o mantenimento del picco. Viene visualizzata la lettura della temperatura più alta durante il periodo di misurazione specifico. Il reset viene attivato da un segnale esterno.
Valore minimo o mantenimento del minimo. Viene visualizzata la lettura della temperatura più bassa durante un periodo di misurazione specifico. Il riposo viene attivato da un segnale esterno.
Picco a picco. Viene visualizzata la differenza tra le letture della temperatura massima e minima durante un periodo di misurazione specifico.
Velocità di risposta. È necessario un tempo di risposta breve per seguire i processi dinamici di temperatura in rapida evoluzione. Un tempo di risposta lungo integra tutte le variazioni di segnale durante un periodo di misurazione specifico e migliora la risoluzione della temperatura al fine di calcolare la media dei valori variabili o migliorare la precisione della misurazione.
Attivazione automatica (funzione d'onda). Viene rilevata e visualizzata la lettura della temperatura più alta. Il Reset viene attivato automaticamente quando il segnale raggiunge una soglia regolabile, ma l'ultimo valore di picco rimane visualizzato fino a quando non viene sostituito dal valore di picco successivo. Questa tecnica è adatta per il campionamento rapido e l'analisi di valori target intermittenti, senza l'uso di segnali di trigger esterni.
Allarmi. Un segnale di uscita (relè) viene attivato quando il segnale raggiunge un valore di temperatura preimpostato. In genere sono disponibili due setpoint indipendenti: HI/LO.
Accessori per termometri senza contatto Camicie raffreddabili ad acqua. Il raffreddamento ad acqua estende il range della temperatura ambiente del sensore fino a 400 °C (752 °F) o oltre.
Raccordi di spurgo dell'aria. I barilotti portaobiettivo o gli accessori con raccordi per aria compressa sono progettati per dirigere un flusso d'aria pulita sulla superficie dell'obiettivo. Mantengono i percorsi ottici liberi da vapori, fumi e polvere.
Calibratori per termometri senza contatto Cavità profonde controllate a una temperatura distribuita in modo omogeneo fungono da simulatori di corpo nero per la calibrazione dei termometri a radiazione. Per adattarsi alla varietà di strumenti, forniscono un'apertura effettiva di ~ 1 pollice (25 mm) e sono ottimizzati per il loro intervallo di temperatura di esercizio:
- Bagno termostatico con agitazione: 30-100 °C (86-212 °F)
- Nucleo in alluminio: 50-400 °C (122-752 °F)
- Nucleo in Acciaio inox: 350-1000 °C (662-1832 °F )
- Calibratore da campo portatile, alimentato a batteria: temperature fisse selezionabili da 40 °C a 100 °C (da 104 °F a 212 °F)
Strumenti on-line. Questi dispositivi sono generalmente utilizzati per il monitoraggio e il controllo continuo dei processi. Sono disponibili in modelli per basse e alte temperature, ciascuno con le proprie specifiche operative (vedere Tabella 1).
Strumenti portatili. I dispositivi portatili sono generalmente preferiti per i controlli di processo, la manutenzione preventiva/predittiva, le indagini termiche, la ricerca e sviluppo e il monitoraggio temporaneo della temperatura. Le versioni per basse e alte temperature differiscono in termini di prestazioni, come mostrato nella Tabella 2.
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