Il termine pirometro deriva dalla radice greca pyro, che significa fuoco. Il termine pirometro era originariamente utilizzato per indicare un dispositivo in grado di misurare la temperatura di oggetti incandescenti, ovvero oggetti luminosi all'occhio umano. I primi pirometri a infrarossi erano dispositivi ottici senza contatto che intercettavano e valutavano la radiazione visibile emessa dagli oggetti incandescenti.
Una definizione moderna e più corretta sarebbe quella di qualsiasi dispositivo senza contatto che intercetta e misura la radiazione termica emessa da un oggetto per determinarne la temperatura superficiale. Il termine termometro, anch'esso derivante dal greco thermos, che significa caldo, è usato per descrivere un'ampia gamma di dispositivi utilizzati per misurare la temperatura. Pertanto, un pirometro è un tipo di termometro a infrarossi. La designazione termometro a radiazione si è evoluta nell'ultimo decennio come alternativa al pirometro ottico. Pertanto, i termini pirometro a infrarossi e termometro a radiazione sono utilizzati in modo intercambiabile da molte fonti.
Un termometro a radiazione, in termini molto semplici, è costituito da un sistema ottico e da un rilevatore. Il sistema ottico focalizza l'energia emessa da un oggetto sul rilevatore, che è sensibile alla radiazione. L'output del rilevatore è proporzionale alla quantità di energia irradiata dall'oggetto bersaglio (meno la quantità assorbita dal sistema ottico) e alla risposta del rilevatore alle specifiche lunghezze d'onda della radiazione. Questo output può essere utilizzato per dedurre la temperatura dell'oggetto. L'emissività, o emittanza, dell'oggetto è una variabile importante nella conversione dell'output del rilevatore in un segnale di temperatura accurato.
I pirometri a infrarossi, misurando specificamente l'energia irradiata da un oggetto nella gamma di lunghezze d'onda da 0,7 a 20 micron, sono un sottoinsieme dei termometri a radiazione. Questi dispositivi possono misurare questa radiazione a distanza. Non è necessario il contatto diretto tra il termometro a radiazione e l'oggetto, come invece avviene con le termocoppie e i rilevatori di temperatura a resistenza (RTD). I pirometri a radiazione sono particolarmente adatti alla misurazione di oggetti in movimento o di qualsiasi superficie che non può essere raggiunta o toccata.
Ma i vantaggi della termometria a radiazione hanno un prezzo. Anche il dispositivo più semplice è più costoso di una termocoppia standard o di un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD), e il costo di installazione può superare quello di un pozzetto termometrico standard. I dispositivi sono robusti, ma richiedono una manutenzione regolare per mantenere libero il percorso di mira e puliti gli elementi ottici. I sistemi pirometrici utilizzati per applicazioni più difficili possono avere ottiche più complesse, parti rotanti o mobili ed elettronica basata su Microprocessori. Non esistono curve di calibrazione accettate dal settore per i termometri a radiazione, come invece esistono per le Termocoppie e gli RTD. Inoltre, l'utente potrebbe dover esaminare attentamente l'applicazione per selezionare la tecnologia ottimale, il metodo di installazione e la compensazione necessaria per il segnale misurato, al fine di ottenere le prestazioni desiderate.
Cosa sono l'emissività, l'emittanza e il fattore N?
In un capitolo precedente, l'emittanza è stata identificata come un parametro fondamentale per convertire con precisione l'output del rilevatore utilizzato in un termometro a radiazione in un valore che rappresenta la temperatura dell'oggetto. V (T) = e K TN
I termini emittanza ed emissività sono spesso usati in modo intercambiabile. Esiste tuttavia una distinzione tecnica. L'emissività si riferisce alle proprietà di un materiale, mentre l'emittanza alle proprietà di un oggetto specifico. In quest'ultimo senso, l'emissività è solo uno dei fattori che determinano l'emittanza. È necessario tenere conto anche di altri fattori, tra cui la forma dell'oggetto, l'ossidazione e la finitura superficiale.
L'emittanza apparente di un materiale dipende anche dalla temperatura alla quale viene determinata e dalla lunghezza d'onda alla quale viene effettuata la misurazione. Le condizioni della superficie influiscono sul valore dell'emittanza di un oggetto, con valori inferiori per le superfici lucide e valori superiori per le superfici ruvide o opache. Inoltre, con l'ossidazione dei materiali, l'emittanza tende ad aumentare e la dipendenza dalle condizioni della superficie diminuisce. I valori rappresentativi di emmissività per una serie di metalli e non metalli comuni a varie temperature sono riportati nelle tabelle a partire da pag. 72.
L'EQUAZIONE DI BASE UTILIZZATA PER DESCRIVERE L'USCITA DI UNA TERMOCOPPIA A RADIAZIONE È:
Dove:
Per ottenere la minima dipendenza dalle variazioni di emittanza del bersaglio, è necessario selezionare un termometro a radiazione con il valore più alto di N (lunghezza d'onda equivalente più breve possibile). I vantaggi di un dispositivo con un valore elevato di N si estendono a qualsiasi parametro che influisce sull'uscita V. Un sistema ottico sporco o l'assorbimento di energia da parte dei gas nel percorso di mira hanno un effetto minore sulla temperatura indicata se N ha un valore elevato.
I valori di emissività superficiale di quasi tutte le sostanze sono noti e pubblicati nella letteratura di riferimento.
Tuttavia, l'emissività determinata in condizioni di laboratorio raramente corrisponde all'emissività effettiva di un oggetto in condizioni operative reali. Per questo motivo, è probabile che si utilizzino i dati di emissività pubblicati quando i valori sono elevati. Come regola generale, la maggior parte dei materiali non metallici opachi ha un'emissività elevata e stabile (da 0,85 a 0,90). La maggior parte dei materiali metallici non ossidati ha un valore di emissività da basso a medio (da 0,2 a 0,5). L'oro, l'argento e l'alluminio sono eccezioni, con valori di emissività compresi tra 0,02 e 0,04. La temperatura di questi metalli è molto difficile da misurare con un termometro a radiazione.
Un modo per determinare sperimentalmente l'emissività superficiale consiste nel confrontare la misurazione del termometro a radiazione di un bersaglio con la misurazione simultanea ottenuta utilizzando una termocoppia o un RTD. La differenza nelle letture è dovuta all'emissività, che è, ovviamente, inferiore a uno. Per temperature fino a 500 °F (260 °C), i valori di emissività possono essere determinati sperimentalmente applicando un pezzo di nastro adesivo nero sulla superficie del bersaglio. Utilizzando un pirometro a radiazione impostato per un'emissività di 0,95, misurare la temperatura della superficie del nastro (lasciando il tempo necessario per raggiungere l'equilibrio termico). Quindi misurare la temperatura della superficie del bersaglio senza il nastro. La differenza tra le letture determina il valore effettivo dell'emissività del bersaglio.
Molti strumenti dispongono ora di regolazioni dell'emissività calibrate. La regolazione può essere impostata su un valore di emissività determinato da tabelle o sperimentalmente, come descritto nel paragrafo precedente. Per ottenere la massima precisione, può essere necessario determinare in modo indipendente l'emissività in laboratorio alla lunghezza d'onda misurata dal termometro e, se possibile, alla temperatura prevista del bersaglio.
I valori di emissività riportati nelle tabelle sono stati determinati da un pirometro puntato perpendicolarmente al bersaglio. Se l'angolo di puntamento effettivo è superiore a 30 o 40 gradi rispetto alla normale al bersaglio, potrebbe essere necessaria una misurazione di laboratorio dell'emissività.
Inoltre, se il pirometro a radiazione punta attraverso una finestra, è necessario correggere l'emissività per tenere conto dell'energia persa per riflessione dalle due superfici della finestra, nonché dell'assorbimento nella finestra. Ad esempio, circa il 4% della radiazione viene riflessa dalle superfici di vetro nelle gamme dell'infrarosso, quindi la trasmittanza effettiva è 0,92. La perdita attraverso altri materiali può essere determinata dall'indice di rifrazione del materiale alla lunghezza d'onda di misurazione.
Le incertezze relative all'emissività possono essere ridotte utilizzando termocoppie a radiazione a lunghezza d'onda corta o a rapporto. Le lunghezze d'onda corte, intorno a 0,7 micron, sono utili perché il guadagno del segnale è elevato in questa regione. La maggiore risposta in uscita alle lunghezze d'onda corte tende a sovrastare gli effetti delle variazioni di emissività. L'elevato guadagno dell'energia irradiata tende anche a sovrastare gli effetti di assorbimento del vapore, della polvere o del vapore acqueo nel percorso visivo verso il bersaglio. Ad esempio, impostando la lunghezza d'onda su tale banda, il sensore leggerà entro +/-5 e +/-10 gradi della temperatura assoluta quando il materiale ha un'emissività di 0,9 (+/-0,05). Ciò rappresenta una precisione compresa tra l'1% e il 2% circa.
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