Pistole termiche a confronto con la tecnologia termografica

• Un pirometro ottico restituisce semplicemente un numero mentre le termocamere generano un'immagine.
• Un pirometro ottico legge la temperatura di un singolo punto, una termocamera fornisce i valori di temperatura per ciascun pixel dell'intera immagine termica.
• Grazie all'ottica avanzata, le termocamere possono anche evidenziare le temperature da distanza maggiore. Questo permette di ispezionare rapidamente ampie zone.

Il pirometro ottico è anche noto come pistola termica o termometro a infrarossi. Poiché funziona secondo lo stesso principio fisico di una termocamera, un pirometro ottico può essere considerato una termocamera con un unico pixel. Lo strumento può essere molto utile per diverse attività, ma poiché misura solo la temperatura di un singolo punto, l'operatore può facilmente lasciarsi sfuggire informazioni essenziali. L'elevata temperatura di componenti critici situati nelle vicinanze dei guasti, e che necessitano di riparazione, potrebbe passare inosservata.

Una pistola termica misura la temperatura di un unico punto.

La termocamera FLIR E40sc misura la temperatura di 19.200 punti.

Utilizza migliaia di pirometri ottici simultaneamente

Una termocamera fornisce inoltre letture senza contatto della temperatura, proprio come un pirometro ottico. A differenza di quest'ultimo, le termocamere producono non una, ma migliaia di letture di temperatura simultaneamente, una per ciascun pixel dell'immagine termica. L'impiego di una termocamera corrisponde quindi a migliaia di misurazioni di un pirometro ottico. La termocamera FLIR E40sc offre una risoluzione immagine di 160 × 120 pixel, per un totale di 19.200 letture della temperatura. La FLIR T1030sc, uno dei modelli di punta per applicazioni industriali R&D e scientifiche, ha una risoluzione immagine di 1024 × 768 pixel, per un totale di 786.432 letture di temperatura contemporanee.

Cosa "vede" un pirometro ottico.

Cosa “vede” una termocamera.

Cosa "vede" un pirometro ottico.

Cosa “vede” una termocamera.

Risparmiare tempo e "visualizzare" il calore

Una termocamera non solo fornisce migliaia di letture di temperatura, ma traduce anche tali letture in un'immagine termica. La conversione in un'immagine fornisce una panoramica completa sull'apparecchiatura ispezionata e consente all'operatore di osservare immediatamente piccoli punti caldi che potrebbero facilmente non essere rilevati con un pirometro ottico. L'uso di una termocamera consente inoltre di risparmiare tempo. La scansione di ampie zone con svariati componenti mediante un pirometro ottico è un'attività che richiede molto tempo, perché è necessario eseguire una scansione separata di ciascun componente. È possibile utilizzare una termocamera per verificare la dissipazione del calore sui circuiti stampati, eseguire controlli di qualità, ispezionare gli impatti termici in campo automobilistico o eseguire l'analisi dei guasti in laboratorio.

Per misurare con accuratezza la temperatura di un target con un pirometro ottico, l'oggetto da osservare deve coprire interamente il punto di misurazione. Questo vincolo limita la distanza da cui è possibile misurare con accuratezza le temperature.

Un altro vantaggio delle termocamere rispetto alle pistole termiche è che le prime possono misurare con accuratezza la temperatura da distanze maggiori. La distanza alla quale un determinato pirometro ottico è in grado di misurare un target di una determinata dimensione viene spesso descritta con il "rapporto distanza/area misurata" (D:S) o "Rapporto dimensioni spot" (SSR). Ma da dove proviene questo valore e che cosa rappresenta? La "dimensione spot" di un pirometro ottico è l'area più piccola che può ancora essere misurata con accuratezza mediante il dispositivo. Significa che l'oggetto di cui si desidera misurare la temperatura, indicato anche come target, deve coprire l'intera dimensione dello spot. La radiazione infrarossa emessa dal target passa attraverso l'ottica del pirometro ottico e viene proiettata sul sensore. Se l'oggetto ha dimensioni inferiori rispetto a quelle dello spot, il sensore verrà colpito anche da parti di radiazioni provenienti dalle immediate vicinanze dell'oggetto. Quindi, il dispositivo non legge solo la temperatura dell'oggetto ma un mix delle temperature dell'oggetto e dei suoi dintorni.

Più lontano si tiene il pirometro ottico dall'oggetto che si desidera misurare, maggiore sarà la dimensione dello spot, a causa della natura dell'ottica. Di conseguenza, più piccolo è il target, più vicino è necessario tenere il pirometro ottico per misurarne con accuratezza la temperatura. È quindi molto importante tenere in considerazione le dimensioni dello spot e assicurarsi di restare abbastanza vicini in modo da coprire l'intera dimensione dello spot con il target, preferibilmente anche un po' più vicini, per mantenere un margine di sicurezza. Il Rapporto dimensioni spot (SSR) definisce le dimensioni dello spot di un pirometro ottico per ogni distanza dall'obiettivo.

Ad esempio, se l'SSR di un pirometro ottico è 1:30, significa che la temperatura di un punto con una dimensione di 1 cm di diametro può essere misurata con accuratezza a una distanza di 30 cm. La temperatura di un punto con una dimensione di 4 cm può essere misurata da una distanza di 120 cm (1,2 metri). La maggior parte dei pirometri ottici ha un SSR compreso tra 1:5 e 1:50. In pratica, la maggior parte dei pirometri ottici può misurare la temperatura di un target di 1 centimetro di diametro da una distanza di 5 - 50 cm. Le termocamere sono molto simili ai pirometri ottici, in quanto la radiazione infrarossa viene proiettata su una matrice di sensori, in cui ogni singolo pixel dell'immagine corrisponde a una misurazione di temperatura.

I produttori di termocamere solitamente non specificano i valori SSR per descrivere la risoluzione spaziale dei propri prodotti ma usano il campo di visione istantaneo (IFOV). L'IFOV è definito come il campo di visione di un singolo elemento sensore della matrice di sensori della termocamera.

Teoricamente, l'IFOV determina in modo diretto il rapporto distanza/dimensioni spot di una termocamera. Poiché la radiazione infrarossa emessa dal target passa attraverso l'ottica e viene proiettata sul sensore, la radiazione infrarossa proiettata deve coprire completamente almeno un elemento del sensore, corrispondente a un pixel nell'immagine termica. Quindi, in teoria, la copertura di un pixel dell'immagine termica dovrebbe essere sufficiente per garantire misurazioni corrette della temperatura. L'IFOV è solitamente espresso in milliradianti (un millesimo di radiante).

Le termocamere consentono di "vedere" il calore.

Il termine radiante descrive il rapporto tra la lunghezza di un arco e il suo raggio. Dal punto di vista matematico, un radiante è definito come l'angolo formato quando la lunghezza di un arco circolare è pari al raggio del cerchio. Poiché la circonferenza è uguale a 2 π volte il raggio, un radiante equivale a 1/(2 π) del cerchio, o a circa 57,296 gradi angolari e un mrad a 0,057 gradi angolari. Nei casi in cui viene utilizzata una termocamera per misurare la temperatura di un determinato soggetto, partiamo dal presupposto che la distanza dal soggetto sia uguale al raggio del cerchio e consideriamo inoltre che l'obiettivo sia piuttosto piatto. Poiché l'angolo di visuale di un singolo elemento sensore è ridotto, possiamo supporre che la tangente di tale angolo sia approssimativamente uguale al suo valore in radianti. Pertanto, la dimensione dello spot si calcola come IFOV (in mrad) diviso per 1000 e moltiplicato per la distanza dal soggetto.

In cui l'IFOV è espresso in mrad.

Ottica ideale e reale

Mediante la formula, è possibile calcolare che una termocamera con un IFOV di 1,4 mrad avrà un SSR teorico di 1:714, quindi in teoria si dovrebbe poter misurare un oggetto di 1 cm di diametro a una distanza di oltre 7 metri. Tuttavia, come spiegato in precedenza, questo valore teorico non corrisponde alla situazione reale, perché non tiene conto del fatto che le ottiche reali non sono mai del tutto perfette. L'obiettivo che proietta la radiazione infrarossa sul sensore può causare dispersione e altre forme di aberrazione ottica. Non si può dare per scontato che il proprio obiettivo si proietti esattamente su un singolo elemento del sensore. Le radiazioni infrarosse proiettate possono anche "straripare" da elementi adiacenti del sensore. In altre parole, la temperatura delle superfici che circondano il soggetto potrebbe influenzare la lettura.

Proprio come per un pirometro ottico, in cui il target dovrebbe non solo coprire interamente le dimensioni dello spot, ma coprire un margine di sicurezza intorno alle dimensioni dello spot, è consigliabile utilizzare un margine di sicurezza anche quando si utilizza una termocamera a microbolometro per misurare la temperatura. Tale margine di sicurezza viene descritto come Campo di visione di misurazione (MFOV). L'MFOV descrive la dimensione reale dello spot di misurazione di una termocamera, ossia la più piccola area misurabile per letture corrette di temperatura. Solitamente viene espresso come una moltitudine di IFOV, il campo di visione di un singolo pixel.

Un'indicazione comunemente utilizzata per le termocamere microbolometriche è che l'obiettivo deve coprire un'area pari ad almeno 3 volte l'IFOV per tenere conto delle aberrazioni ottiche. Questo significa che nell'immagine termica il soggetto non deve coprire un solo pixel, circostanza che in una situazione ideale sarebbe stata sufficiente per la misurazione, ma anche i pixel circostanti. Quando si rispetta questa indicazione, la formula per determinare il rapporto dimensioni spot può essere adattata per tenere conto del fattore dell'ottica reale. Invece di utilizzare 1xIFOV possiamo adottare l'indicazione 3xIFOV, che permette di derivare la formula seguente, più realistica:

In cui l'IFOV è espresso in mrad.

Sulla base di questa formula, una termocamera con un IFOV di 1,4 mrad avrà un SSR di 1:238; questo significa che si dovrebbe poter misurare un oggetto di 1 cm di diametro a una distanza appena inferiore a 2,4 metri. È probabile che tale valore teorico sia conservativo, a causa del margine di sicurezza rispettato. L'SSR reale potrebbe essere quindi più alto, ma impiegando questi valori conservativi per l'SSR viene salvaguardata l’accuratezza delle misurazioni di temperatura.

Nella situazione ideale il soggetto proiettato dovrebbe coprire almeno un pixel. Per garantire letture accurate è consigliabile coprire un'area più ampia per tenere conto della dispersione ottica della proiezione.

L'energia a infrarosso (A) proveniente da un oggetto viene messa a fuoco dalle ottiche (B) sul sensore a infrarosso (C). Il sensore invia le informazioni all'elettronica (D) perché elabori l'immagine. L'elettronica traduce i dati provenienti dal sensore, in un'immagine (E) che può essere visualizzata nel’oculare, sul monitor standard oppure su uno schermo LCD.

I pirometri ottici hanno un SSR che solitamente si colloca tra 1:5 e 1:50. La maggior parte dei modelli economici ha un SSR da 1:5 a 1:10, mentre i modelli più avanzati, e quindi più costosi, raggiungono valori SSR fino a 1:40 o anche 1:50. Tuttavia, si noti che dal punto di vista dell'ottica i pirometri ottici presentano lo stesso problema delle termocamere. Nel confrontare le specifiche dei pirometri ottici, è necessario sapere se il numero SSR si riferisce al valore teorico o a quello compensato per tener conto dell'imperfezione dell'ottica.

Rilevamento di temperature a distanza

Anche quando il fattore dell'ottica ideale rispetto a quella realistica viene preso in considerazione, la differenza tra le termocamere e i pirometri ottici nella misurazione della distanza è enorme. La maggior parte dei pirometri ottici non può essere tenuta a una distanza superiore a 10–50 cm, ipotizzando un target di 1 cm. La maggior parte delle termocamere può misurare con accuratezza la temperatura di un soggetto di queste dimensioni (1 cm) da diversi metri di distanza. Anche la termocamera FLIR E40, con un IFOV di 2,72 mrad, può misurare la temperatura di un punto di queste dimensioni (1 cm) da oltre 120 centimetri di distanza. La termocamera FLIR T1030sc, uno dei modelli FLIR più avanzati per le ispezioni industriali, può misurare la temperatura di un soggetto di queste dimensioni a una distanza di oltre sette metri con un'ottica standard da 28°. Tali valori sono calcolati assumendo che venga utilizzato l'obiettivo standard.

Molte delle termocamere più avanzate sono dotate di ottiche intercambiabili. L'utilizzo di una diversa ottica modifica l'IFOV, che a sua volta influisce sul rapporto delle dimensioni spot. Per la termocamera FLIR T1030sc, ad esempio, FLIR offre non solo l'ottica standard da 28°, ma anche un teleobiettivo da 12°. Con questa ottica, sviluppata appositamente per le osservazioni a lunga distanza, il rapporto delle dimensioni spot è significativamente superiore. Con il teleobiettivo da 12°, l'IFOV di una termocamera FLIR T1030sc è di 0,20 milliradianti. Con questa lente, la stessa termocamera può misurare con accuratezza la temperatura di un target delle stesse dimensioni da una distanza di quasi 17 metri.

Scopri se devi avvicinarti maggiormente

Le termocamere chiaramente superano in prestazioni i pirometri ottici quando si tratta di valori SSR, ma tali valori si riferiscono solo alla distanza da cui è possibile effettuare una misurazione accurata della temperatura. Nella realtà, la rilevazione di un punto caldo non richiede sempre una lettura accurata della temperatura. Il punto caldo può essere percepibile nella termografia anche quando il soggetto copre solo un pixel nell'immagine termica. La lettura della temperatura può non essere perfetta, ma il punto caldo viene rilevato e l'operatore può avvicinarsi per accertarsi che il target copra più pixel nell'immagine termica, verificando che la lettura della temperatura sia corretta.

I pirometri ottici presentano inoltre problemi con la misurazione di temperatura su piccoli oggetti. Questa capacità è sempre più importante per l'ispezione elettronica. Poiché i dispositivi continuano ad aumentare la propria velocità di elaborazione, ma devono potersi adattare a ingombri sempre più ridotti, è un vero problema trovare un modo per dissipare il calore e identificare i punti caldi. Una pistola termica può rilevare e misurare efficacemente la temperatura, ma la sua dimensione spot è semplicemente troppo ampia. Peraltro, le termocamere con ottica ravvicinata possono mettere a fuoco fino a meno di 5 μm (micrometri) per dimensione spot dei pixel. Questo consente a ingegneri e tecnici di effettuare misurazioni su scala molto ridotta.

Smetti di indovinare, inizia a osservare

Un pirometro ottico può solamente fornirti un numero. E quel numero potrebbe essere inaccurato, lasciandoti nel dubbio. Una termocamera ti permette di "vedere" il calore, fornendoti non solo misurazioni di temperatura, ma anche un'immagine istantanea della distribuzione del calore. Questa combinazione di informazioni visive e misurazioni precise di temperatura permette di individuare i guasti in modo rapido e accurato. Smetti di indovinare, passa ad una termocamera di FLIR Systems e inizia a trovare i problemi più velocemente e facilmente.

Gli obiettivi ravvicinati e microscopici offrono dettagli eccezionali e consentono di misurare piccoli punti. Questo risultato sarebbe estremamente difficile da ottenere con un pirometro ottico. L'immagine in alto è stata scattata con un'ottica ravvicinata 4×, l'immagine in basso con un'ottica da 15 micron.