Utilizzo di materiali a basso costo per aumentare l'emissività dell'oggetto da misurare

Le superfici metalliche pulite, non ossidate e non rivestite hanno un'emissività piuttosto bassa, talmente bassa che spesso non risulta possibile misurarne la temperatura con una termocamera. In molte applicazioni di ricerca e sviluppo industriale sono tanti i materiali basso emissivi specialmente in campo elettrico e, per ottenere misure corrette, è necessario aumentarne l'emissività.

Una termocamera rileva l'intensità della radiazione nella porzione infrarossa dello spettro elettromagnetico e la converte in immagini visibili. L'energia infrarossa proveniente da un oggetto viene focalizzata attraverso le ottiche sul sensore a infrarosso. Il sensore invia i dati all'elettronica perché elabori l'immagine. L'elettronica traduce tali dati in un'immagine che può essere visualizzata nell'oculare, su un monitor standard o su schermo LCD. La termografia è l'arte di trasformare un'immagine termica in un'immagine radiometrica su cui è possibile leggere i valori di temperatura. Quindi, ogni pixel nell'immagine radiometrica è in effetti una misurazione di temperatura.

Per poter interpretare correttamente le immagini termiche è necessario conoscere il modo in cui diversi materiali e le condizioni di misura influiscono sulle misure di temperatura delle termocamere. L'emissività è l'efficienza con cui un oggetto emette radiazione infrarossa rispetto a un emettitore perfetto (il cosiddetto corpo nero, che ha un valore di emissività pari a 1). In realtà, i soggetti che generalmente misuriamo non sono emettitori perfetti, e hanno un valore di emissività inferiore a 1. Per questi oggetti la temperatura misurata è il risultato dell'interazione tra radiazione emessa, trasmessa e riflessa. È importante impostare il valore di emissività corretto nella termocamera, per evitare errori di misura. Nelle termocamere di FLIR Systems sono già preimpostati diversi valori di emissività per numerosi materiali. Ulteriori valori sono reperibili nella tabella delle emissività.

Un corpo nero ideale ha un'emissività pari a 1. In altre parole, 100% della radiazione dell'oggetto è emessa dalla sua superficie.

In realtà, i soggetti da osservare non sono corpi neri ideali. La temperatura misurata di un oggetto è il risultato dell'interazione tra radiazione emessa, trasmessa e riflessa.

I valori di emissività, riflettanza e conducibilità termica di un oggetto dipendono strettamente dalle proprietà del materiale. La maggior parte dei non-metalli hanno valori di emissività prossimi a 0,9, ovvero il 90% della radiazione misurata proviene dalla radiazione emessa dal soggetto. La maggior parte dei metalli lucidati hanno valori di emissività nell'intorno di 0,05–0,1. Metalli anneriti e ossidati, o comunque corrosi hanno valori di emissività variabili tra 0,3 e 0,9, a seconda della quantità di ossidazione o corrosione. I materiali con emissività inferiore a 0,7 sono difficilmente misurabili, i materiali con emissività inferiore a 0,2 non sono praticamente misurabili se non aumentando il valore di emissività in qualche modo. Fortunatamente, esistono metodi a basso costo per compensare la bassa emissività degli oggetti. Questi metodi riducono la riflettanza del target e migliorano l'accuratezza di misura.

Osservando quest'immagine termica si potrebbe pensare che le figure sulla tazza siano più fredde rispetto alla superficie della tazza stessa. In realtà hanno esattamente la stessa temperatura; la diversa intensità della radiazione infrarossa dipende dalla loro differente emissività.

Nastro isolante

La maggior parte dei nastri isolanti di alta qualità ha un'emissività di 0,95. È importante accertarsi, soprattutto con l'uso di termocamera per lunghezze d'onda medie (3-5 μm), che il nastro sia opaco. Alcuni nastri in vinile sono sufficientemente sottili da avere una parziale trasmittanza infrarossa e pertanto sono inaccettabili per l'uso come rivestimenti ad alta emissività. Si consiglia l'uso del nastro isolante in vinile professionale Scotch™ Super 88 che ha un'emissività di 0,96 nelle regioni delle lunghezze d'onda corte (3-5 μm) e lunghe (8-12 μm). 

Temperatura di un grosso ASIC con cappuccio in metallo lucido: senza alcun rivestimento, l'ASIC sembra avere circa la temperatura dell'ambiente. Dopo aver applicato uno strato di nastro Kapton ad alta emissività, è possibile rilevare la temperatura reale di 43,9 °C.

Questo esempio mostra due lattine con applicato del nastro adesivo. La lattina a sinistra è riempita con acqua calda; l'altra è a temperatura ambiente. Per la lattina calda, la temperatura letta sul nastro è 72,8 °C, mentre sulla lattina è di 23,5 °C. La seconda lettura è essenzialmente la temperatura ambiente, poiché l'emissività della lattina è piuttosto bassa. Questo è un classico esempio della necessità di utilizzare un'applicazione ad alta emissività su un soggetto a bassa emissività.

Vernici e rivestimenti

La maggior parte delle vernici ha un'emissività tra 0,9 e 0,95 circa. Le vernici metalliche hanno bassa emissività e sono sconsigliate. Il colore della vernice non ha una variabilità significativa nella emissività infrarossa. L'opacità della vernice è più importante del suo colore. Le vernici opache sono preferibili rispetto a quelle lucide. Il rivestimento deve anche essere sufficientemente spesso da essere opaco. In genere sono sufficienti due mani. Il nastro è indicato per coprire piccole aree. La vernice è indicata per aree più grandi, ma si tratta di un rivestimento permanente. Per applicare rivestimenti su aree estese da rimuovere successivamente, o qualora il nastro sia inadeguato, è possibile optare per polveri sospese in un mezzo liquido o sotto forma di spray. I liquidi penetranti e la polvere spray per piedi Dr. Scholl's™ sono due esempi. L'emissività di queste polveri è compresa tra 0,9 e 0,95, a patto che venga applicato uno spessore sufficiente a garantirne l'opacità.

A sinistra: PCB senza l'impiego di vernice per aumentare l'emissività. A destra: PCB con l'impiego di vernice per aumentare l'emissività. Lo svantaggio nell'utilizzo di vernici è la perdita di definizione.

Correttore liquido bianco

L'applicazione del bianchetto è un ottimo modo per aumentare l'emissività di una superficie. Questo metodo può essere applicato ai più piccoli componenti elettrici, al contrario del nastro che non rimane fissato su piccole superfici. Il bianchetto può essere rimosso con uno spazzolino e dell'alcol. L'emissività del bianchetto è circa 0,95 - 96 per una termocamera LW.

Ulteriori consigli

Poiché molti di questi dispositivi sono alimentati elettricamente è sempre necessario prestare attenzione usando rivestimenti approvati ed applicandoli a dispositivo spento per garantire il corretto funzionamento del componente quando viene alimentato. Occorre accertarsi che il rivestimento copra un'area di dimensioni sufficienti. E tenere presente il rapporto distanza/dimensione dello spot della termocamera prima di eseguire la misurazione e la distanza minima di lavoro. Ad esempio, una termocamera con un rapporto distanza/dimensione dello spot di 250:1 può misurare un soggetto di un centimetro a un massimo di 250 centimetri – o 2,5 metri. In presenza di temperature più elevate si può utilizzare una vernice ad alta temperatura, ad esempio per stufe o motori. L'uso del nastro o delle polveri è possibile solo in una certa gamma di temperatura. Nella verifica di guasti in impianti elettrici, se il nastro si dovesse sciogliere, saremmo in presenza di un serio problema elettrico. Pertanto, per questa applicazione non si ha bisogno di materiali ad alta temperatura.

Controllo dei valori di emissività su schede PCB

Durante le procedure di ricerca guasti, la misurazione della temperatura dei componenti su circuiti stampati (PCB) altamente popolati può rivelarsi una tecnica molto utile e conveniente, sebbene difficoltosa a causa dei diversi valori di emissività dei diversi componenti. Solitamente, le PCB vengono popolate con numerosi componenti metallici e in plastica, prodotti da diversi produttori che applicano specifiche finiture ai singoli componenti. Se la scheda viene trattata con un rivestimento noto, testato e caratterizzato, normalmente le operazioni di verifica guasto risultano semplificate. Dopo il rivestimento, le superfici dei componenti hanno gli stessi valori di emissività ed è possibile determinare le temperature relative tramite un termogramma.

Per controllare i valori di emissività, è possibile trattare una scheda PCB applicando un rivestimento.

Determinazione dell'emissività

Per valutare la reale temperatura a partire dalla radiazione misurata, è necessario conoscere il valore di emissività. Tuttavia, i valori della tabella di emissività devono essere impiegati con cautela. Spesso non è chiaro su quale lunghezza d'onda sia valido il valore di emissività. E le emissività cambiano con la lunghezza d'onda. Anche lo stato della superficie, la consistenza e la forma giocano un ruolo chiave nell'emissività di un materiale. Ecco un modo per comprendere gli effetti dell'incertezza di misura dell'emissività sull'accuratezza di misura: si ipotizzi che l'incertezza di misura dell'emissività del soggetto sia ±0,05. Per un'emissività di 0,95, questo valore rappresenta all'incirca un errore del 5% (0,05/0,95). Per un materiale come il rame lucido, con emissività 0,05, rappresenta un errore del 100% (0,05/0,05). Questi errori si propagano nel calcolo della temperatura, aumentando l'errore nella lettura della temperatura. A causa di questo effetto, suggeriamo di non eseguire la misurazione di temperatura per emissività inferiori a circa 0,5. Rivestite il soggetto con un materiale ad alta emissività.

Materiali di rivestimento ad alta emissività