Termocamere ad alta velocità: quando serve rapidità

La misurazione del calore con termocoppie o pirometri ottici può fornire un'immagine incompleta delle proprietà termiche di un dispositivo. Questi metodi tradizionali non offrono la risoluzione o la velocità necessaria in applicazioni di rilevamento del calore ad alta velocità. Le termocamere, al contrario, acquisiscono migliaia di punti di misurazioni termiche ad alta velocità, mostrando esattamente in quali zone e con che velocità il calore aumenta. Con la giusta termocamera, è possibile raccogliere misurazioni affidabili e produrre dati convincenti per la propria ricerca.

Tipi di termocamere

In generale, oggi vengono utilizzate due tipologie di termocamere. Si tratta di termocamere raffreddate di elevate prestazioni a conteggio di fotoni e termocamere economiche non raffreddate basate su microbolometri. 

La maggior parte delle termocamere raffreddate attualmente sul mercato utilizza un sensore realizzato in antimoniuro di indio (InSb). Le termocamere raffreddate funzionano contando i fotoni di energia in una banda di frequenza specifica, tipicamente la banda infrarossa a onde medie di circa 3-5 μm. I fotoni che colpiscono i pixel sono convertiti in elettroni che vengono accumulati in un condensatore di integrazione. L'apertura o chiusura del condensatore opera come otturatore del pixel. I tempi di integrazione tipici per oggetti da -20 °C a 350 °C con una termocamera FLIR InSb variano da circa 6 ms a 50 μs a seconda del modello. Questi tempi di integrazione estremamente brevi consentono di "fermare il movimento" e di misurare con precisione transienti molto rapidi.

Immagine stop motion del caccia Hornet FA-18 ripresa con una termocamera raffreddata InSb FLIR

Immagine termica di una termocoppia convenzionale

Le termocamere non raffreddate sono più economiche, più piccole, più leggere e hanno un consumo energetico inferiore rispetto alle controparti raffreddate descritte in precedenza. I pixel di una termocamera non raffreddata sono realizzati in un materiale la cui resistenza cambia significativamente con la temperatura. I materiali più comuni per questa applicazione sono l'ossido di vanadio o il silicio amorfo. L'energia termica viene focalizzata sul pixel e il pixel fisicamente si riscalda o si raffredda. Dato che la resistenza del pixel varia con la temperatura, il suo valore può essere misurato e rimappato sulla temperatura del soggetto attraverso un processo di calibrazione. Dal momento che i pixel hanno una massa finita, hanno una costante di tempo termica. Le costanti di tempo per le moderne termocamere basate su microbolometri sono generalmente comprese tra 8-12 ms. Tuttavia, questo non significa che il pixel possa essere letto ogni 8-12 ms e fornire una risposta accurata. La regola empirica per un sistema del primo ordine che risponde a un ingresso a gradino è che sono necessari cinque costanti di tempo per raggiungere lo stato stazionario.

Costanti di tempo e un esperimento concettuale

Un modo curioso di immaginare la risposta temporale di un microbolometro è ipotizzare di avere due secchi d'acqua. Un secchio è pieno di acqua ghiacciata ben mescolata a 0 °C e l'altro di acqua in rapida ebollizione a 100 °C. Si lascia che il microbolometro fissi l'acqua ghiacciata e quindi lo si passa istantaneamente a fissare all'acqua bollente (un ingresso a gradino di 100 °C) e si mappa la temperatura risultante. Convertendo la costante di tempo termica di 10 ms in un tempo di dimezzamento per semplificare i conti, otteniamo un valore attorno ai 7 ms.

Figura 1 - Risposta di sistema di una transizione da 0 °C a 100 °C, tau = 10 ms, tempo di dimezzamento = 7ms

Figura 3 - Confronto di transienti termici con termocamera InSb e a microbolometro

Figura 2 - Immagine termica di carta che fuoriesce da rulli riscaldati 

Qui si nota che il microbolometro segnala 50 °C a 7 ms, ossia a un tempo di dimezzamento, 75 °C a due tempi di dimezzamento, 87,5 °C a tre tempi di dimezzamento, ecc. Cosa accadrebbe se si provasse a leggere il microbolometro all'equivalente di 100 fotogrammi/sec o 10 ms? La termocamera dovrebbe riportare 63 °C e avere un errore di 37 °C, ossia riporterebbe accuratamente la temperatura del pixel, ma il pixel non avrebbe raggiunto la temperatura della scena che stava osservando. In generale, non ha senso far funzionare i microbolometri a velocità superiori a circa 30 fotogrammi/sec.

Dati del mondo reale

Si esamini un processo di stampa cui sia richiesto di riscaldare un foglio di carta fino a 60 °C. La carta fuoriesce dai rulli a 50 pollici/secondo e deve avere una temperatura uniforme sia in larghezza che in lunghezza.

Sono state utilizzate una termocamera raffreddata a conteggio di fotoni e una termocamera microbolometrica per poterne comparare i dati acquisiti. La figura 3 evidenzia una notevole discrepanza tra i dati provenienti dai due tipi di termocamera. I dati acquisiti dal microbolometro presentano un solo ampio incremento di temperatura, che rimane sempre relativamente costante. I dati provenienti dalla termocamera a conteggio di fotoni mostrano invece significative variazioni di temperatura nel tempo. La termocamera raffreddata mostra che il gruppo del rullo riscaldato si è raffreddato al contatto con la carta nel corso della prima rotazione. Il controller bang-bang rileva il calo di temperatura e in risposta riaccende il controller del riscaldatore. Di conseguenza, il rullo si riscalda fino al raggiungimento della temperatura obiettivo, poi si raffredda in maniera ripetitiva. Quest'unico grafico è stato sufficiente per convincere l'ingegnere del reparto R&D di due cose: che occorre una termocamera a conteggio di fotoni per testare il prodotto e che deve essere implementato un sistema di controllo PID sul rullo riscaldato per rispettare le specifiche di progetto. 

Termocamera con sensore a conteggio di fotoni (tempo di integrazione di 66 μs)

Termocamera con sensore microbolometrico (costante di tempo di 8 ms)

Registrazione a 60 Hz con tempo di integrazione di 1 ms

Registrazione a 60 Hz con tempo di integrazione di 12 ms

Per il secondo esempio, si osservano le pale di una ventola in rapida rotazione e si tenta di analizzarle in stop motion per misurarne accuratamente la temperatura. Come ci si aspetterebbe, se non si utilizzano tempi di esposizione sufficientemente rapidi, le immagini saranno sfocate e non sarà possibile fermare il movimento per ottenere letture di temperatura reali. (vedere la figura 4).

Si noti come il rapido tempo di integrazione offerto dalla termocamera raffreddata abbia congelato il movimento della pala, consentendo la misurazione accurata della sua superficie, nonché degli avvolgimenti di riscaldamento. Viceversa, le pale si muovono troppo velocemente per essere rilevate dalla termocamera non raffreddata. Qualsiasi misurazione della temperatura in corrispondenza degli avvolgimenti sarebbe troppo bassa, perché le pale in movimento bloccano effettivamente gli avvolgimenti.

Un ultimo esempio di questo stesso problema può essere evidenziato misurando gli effetti termici delle pale rotanti di un elicottero. L'attrito del vento crea un gradiente di calore lungo la pala che aumenta man mano che ci si sposta verso le punte delle pale. Con i sensori microbolometrici, non è possibile fermare efficacemente il movimento sull'oggetto per descrivere e misurare con precisione le temperature reali. (Vedere le Figure 5 e 6).

Scegliere lo strumento giusto per il proprio lavoro

Chiaramente, è importante utilizzare il sensore termico corretto per il lavoro da svolgere. Se si sceglie un sensore con una risposta intrinsecamente lenta e lo si usa a una frame rate elevata, è probabile ottenere risultati inaffidabili. In generale, i microbolometri possono essere utilizzati con frame rate fino a 50 fps. Per i test con transienti termici rapidi o frame rate elevata, è solitamente preferibile optare per una termocamera raffreddata a conteggio di fotoni con prestazioni superiori. Tuttavia, se non sono richieste frame rate elevate, una termocamera non raffreddata a microbolometro consente di risparmiare.