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Termografia all’infrarosso

Sez Misure e Tecniche Sperimentali

© Sez. Misure, Politecnico di Milano - Termografia

Argomenti

• La termometria ad irraggiamento

• Richiami di scambio termico per irraggiamento

• Cause di incertezza e problemi di misura

• Gli strumenti di misura

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IRRAGGIAMENTO

Con sensori di T a contatto fisico con il

misurando sensore ha la stessa T del

misurando

Problemi ad altissime T :

- sensore perde isolamento

- sensore può fondere

Resta sempre il problema dell’effetto di carico

Metodi di misura senza contatto sono pertanto utili

sopratutto ad alte T

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IRRAGGIAMENTO

Sono inoltre utili per:

- misure su oggetti in moto

- misure su oggetti distanti

- misure su oggetti delicati- misure di distribuzione di T su superfici

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IRRAGGIAMENTO

• Esistono pertanto numerosi strumenti che

misurano T senza contatto mediante

irraggiamento

• Essi sfruttano la radiazione emessa dal corpo di

cui voglio determinare T

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STRUMENTO CORPO


6Osservazione sperimentale I

Riscaldando una barretta di ferro, questa, superata una certa temperatura comincia ad emettere luce, di intensità crescente prima rossa, poi gialla e quindi bianca per cui posso ipotizzare che:

1. Pur di raggiungere una temperatura opportuna ogni oggetto è in grado di emettere luce;

2. All’aumentare della temperatura aumenta l’intensità della luce emessa;

3. All’aumentare della temperatura il colore vira dal rosso cupo al bianco brillante (elemento riscaldatore stufa elettrica 600°C, filamento lampadina 2000 °C).

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7Osservazione sperimentale II

Se metto una mano lateralmente ad un recipiente in cui bolle dell’acqua (100 °C) avverto una sensazione di calore, ma non vedo nessuna emissione luminosa perché la lunghezza d’onda della radiazione emesse è tanto lunga da non cadere nel visibile ma nell’infrarosso.

L’esistenza di tale radiazione fu provata da W. Herschel nel 1801 e successivamente studiata da M. Melloni che concluse che tutte le leggi che valevano per la radiazione visibile valevano anche per l’IR.


8Scoperta dell’IR: Herschel

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9Esperienza di Herschel

L’esperienza di Herschel fu quella di separare una lama di luce solare nelle sue componenti cromatiche tramite un prisma e di misurare con un termometro la temperatura corrispondente ai vari colori.

Scoprì che la temperatura massima si aveva sul rosso ma anche che spostandosi oltre il rosso la temperatura saliva ulteriormente il che gli permise di ipotizzare l’esistenza degli infrarossi.


10Spettro elettromagnetico

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12Corpo nero ideale

Qualsiasi corpo con una temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazioni, in quantità e modalità diverse in funzione della temperatura.

ENERGIA EMESSA ≡ RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

(prevalentemente infrarossa e visibile alle alte T)

Un corpo capace:

1. di assorbire completamente qualsiasi radiazione che lo investe;

2. di emettere la massima quantità possibile di radiazione per quella temperatura;

è detto corpo nero o blackbody.

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CORPO NERO prime definizioni, vedi poi

• assorbe il 100 % della radiazione

• emette il massimo della energia

• un corpo nero non necessariamente è di colore nero

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14Emissioni del corpo nero

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IL CORPO NERO

La legge che descrive le curve della pagina precedente ha un ruolo importante nella descrizione dell’irraggiamento del corpo nero. Si tratta della LEGGE DI PLANCK

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16Legge di Planck

Descrive l’emissione del corpo nero:

WBB(,T)= intensità della radiazione emessa da una superficie piana di un corpo nero in una semisfera per unità di area, alla lunghezza d’onda e temperatura T [W/m3].c = velocità della luce nel vuoto [300000 km/s]h = costante di Plank [6,625*10-34 Js] = lunghezza d’onda della radiazione [m]k = costante di Boltzman [1,3806505 *10-23 J/K]T = temperatura assoluta del corpo nero [K]

C1

C2

C1 e C2 costanti di Planck

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LEGGE DI PLANCK

• Ogni curva a temperatura T comprende completamente tutte le curve a T<.

• Per questo motivo posso legare l’irraggiamento alla temperatura secondo una scala monotona sia che si consideri l’irraggiamento secondo una sola ben precisa lunghezza d’onda, sia su una banda dello spettro.

• A T la radiazione si sposta verso il visibile

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18Legge di Wien

Questa legge stabilisce una corrispondenza semplice tra latemperatura del corpo nero e la lnghezza d’onda incorrispondenza al massimo di emissione:

Tale lunghezza d’onda diminuisce all’aumentare dellatemperatura.

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19Legge di Stefan-Boltzman

Questa legge integra quella di Plank nella lunghezza d’ondae ci dice quant’è l’energia totale irradiata da un corponero in funzione della temperatura:

è la costante di Stefan-Boltzman [5,67*10-8 W/(m2*K4)].

(T)= ,


20Corpo nero reale

Il corpo nero può anche non essere nero in quanto assumerà un colore funzione della sua temperatura (il sole è un ottimo corpo nero).

Anche la vernice nera antiriflesso usata all’interno delle macchine fotografiche ha una riflessione del 3%, non esistono corpi neri reali.

Il corpo nero reale è realizzato con un recipiente con un piccolo foro attraverso il quale le radiazioni elettro-magnetiche possono entrare ed uscire.

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IL CORPO NERO 21


IRRAGGIAMENTO

• In realtà i corpi che emettono non sono neri. Poiché il corpo nero è quello che, ad una certa T, emette di più, se faccio l’ipotesi (falsa) di puntare sempre un corpo nero, sottostimo la T, se misuro l’energia ricevuta per irraggiamento.

• Ad esempio si può pensare ad una emissività globale emisferica a proposito della legge di Stephan Boltzmann:

= WTOT.R / WTOT

Per i corpi reali si ha sempre WTOT.R < WTOT

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EMISSIVITA’

• Il discorso della correzione vale ovviamente anche per la radiazione “monocromatica”.

• I corpi reali emettono meno energia di quelli neri. Si def. l’ emissività

di un corpo reale

Emissività spettrale emisferica

(,T)= WR / W ≤ 1 R = corpo reale

In corpi reali varia con e T

In corpi grigi = cost per

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24Corpo grigio

Un corpo si definisce grigio quando il suo coefficiente di assorbimento è costante al variare della lunghezza d’onda e della temperatura.

In modo analogo anche il coefficiente emissivo sarà costante al variare della lunghezza d’onda e della temperatura.

Spesso le superfici reali non permettono di utilizzare questa importante semplificazione.

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25Grafico dell’emissività


EMISSIVITA’ 26

WT)

Corpo nero

Corpo grigio

Corpo reale (emettitore selettivo)

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Poichè WTOT.R < WTOT e W T4

termometro ad irraggiamento misura TM< T

se il corpo non è nero T

per correggere le misure occorre

conoscere la emissività .

Conoscere è necessario per utilizzare gli strumenti

tarati con corpo nero

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28Emissività

La emissività di un corpo dipende da più fattori quali:

•tipo di materiale

•angolo di vista (quindi la forma)

•rugosità superficiale (lavorazione)

•temperatura

•lunghezza d’onda

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29Emissività e temperatura

Il valore di va determinato sull’oggetto della misura, mediante confronto tra misura di T convenzionale e ad irraggiamento (eventualmente a T bassa).

L’incertezza su è la principale causa di incertezza nelle misure di T ad irraggiamento.

Spesso è conveniente ricoprire il corpo di cui si vuole conoscere la temperatura con qualcosa ad emissività nota.


ESEMPIO

Es: 2 corpi stessa TA=TB ma A≠B

daranno TMA ≠ TMB

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STRUMENTO A

STRUMENTO B

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ESEMPIO

Es: un corpo visto dallo strumento ad angolo diverso darà misure TM diverse

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È possibile correggere la legge di Boltzman adattandola al generico corpo:

= fattore di emissività del corpo

=1 per i corpi neri

0<<1 per un corpo generico

=0 per uno specchio all’infrarosso

Legge di S.B. per i corpi grigi

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33Corpo “verde”

Viene messa in evidenza la differenza nello spettro di assorbimento tra un corpo grigio e uno verde.


COME SI COMPORTA UN CORPO SU CUI INCIDE UNA RADIAZIONE IR?

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Per la conservazione dell’energia risulta:

=1

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La Legge di Kirckoff

Il coefficiente di assorbimento è uguale al fattore di emissione Ne consegue che, per un corpo nero,

poiché

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La legge della conservazione dell’energia nei corpi non trasparenti

Premesso che la maggior parte dei materiali che ci circondano non sono trasparenti alla radiazione IR, la legge della conservazione dell’energia nel caso in cui =0 si semplifica in:

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VALIDO PER L’INFRAROSSO

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Assorbimento trasmissione e riflessione 37

t = coeff. di trasmiss. r = coeff. rifless.a = coeff. di assorbimento

Vale: t + r + a = 1 ed a = Effetti tipici sul sensore:a) arriva meno energia dal corpob) arriva altra energia dall’ambiente Incertezza di misura


PROBLEMI DI ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE E RIFLESSIONE

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Incertezza dovuta a radiazione assorbita nel percorso corposensore Ta

Mezzo interposto:

• Aria atmosferica

• Finestre e ottica ricevente (lenti, specchi, etc)

• Eventuali gas

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Soluzioni: si misura in finestre dello spettro di assorbimento del mezzo interposto tra corpo e strumento

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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,

TRASMISSIONE E RIFLESSIONE

Soluzioni: scelta opportuna del materiale delle ottiche e finestre.

Es. di coefficiente di trasmissione di materiali ottici

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Soluzioni: - pulizia ottiche e finestre

- calcolo di emissività effettiva

EFF = t



Incertezza da radiazione proveniente da altri oggetti nell’ambiente TRT

Es. di sorgenti di irraggiamento interferenti:- radiazione riflessa- radiazione trasmessa

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PROBLEMI DI ASSORBIMENTO,

TRASMISSIONE E RIFLESSIONE

Es. di soluzioni contro interferenze ambientali TRT

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Es. di soluzioni contro interferenze ambientali TRT

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Esistono anche tubi di connessione rigidi o fibre ottiche trasparenti nell’infrarosso per ridurre molti di questi problemi

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Strumenti di misura

• Pirometro a irraggiamento in banda

• Pirometro a irraggiamento monocromatico

• Termocamere

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Termometri a radiazione

Esistono due tipologie di sensori:

- termici W calore Q uscita (TC, termopila,

termoresistenza ecc.) Sensibili in banda larga

- fotodiodi W uscita elettrica sensibilità, risposta

dinamica . Sensibili in banda stretta

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Pirometro a radiazione totale

Principio fisico: la radiazione di messa a fuoco da lenti acromatiche o specchi scalda il sensore (termopila, termistori )

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Con lenti

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Con specchi

All’equilibrio termico: QOUT = QIN

k ( T2 -T3 ) T14

la termopila genera: E ( T2 -T3 ) T14

In genere lo strumento è termostatato a T3=cost


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Mediante otturatori si può periodicamente confrontare la lettura con un corpo nero interno di riferimento

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Errore di corpo nero 51

Se il corpo fosse effettivamente nero:

In realtà il corpo non è nero:

La taratura è sul corpo nero


Errore di corpo nero

1) Se l’ambiente è sempre lo stesso posso fare investimenti per conoscere il valore di con prove ad hoc

2) Creo un corpo nero alla stessa T del corpo in misura

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PIROMETRO A RADIAZIONE TOTALE

La misura non è puntuale, ma è un integrale sulla superficie puntata

• superficie puntata troppo grande → diaframmi

• superficie puntata troppo piccola → cambio ottica o mi avvicino

CAMPO DI IMPIEGO: non esiste un limite teorico; basta che il corpo irraggi ed irraggia sempre sopra lo zero assoluto

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Pirometri a banda

Usano fotodiodi, cioè sensori di flusso totale di fotoni sensibili in bande

Flusso totale di fotoni:

Nf = K T3 [fotoni/s m2]

Uscita fotodiodo: E0 Nf = K T3

Da cui:

T = ( E0 / K )1/3

Incertezza dovuta ad :

quindi pur se 15% T / T 5%

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Pirometro monocromatico

Sistema ottico per confronto visivo tra la luminosità di un filamento di tungsteno incandescente e l’oggetto della misura

Lavora con filtro rosso a =0.65 m

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L’osservatore varia I varia TF varia WF

L’immagine del filo scompa se WF = WO F=filo, O=oggetto

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• Il filo è stato prima calibrato con un corpo nero, quindi TF è

nota

• Per T<4000 °C i termini ( eC / T) >> 1 quindi

• conoscendo , , TF, C2 è possibile ricavare TO

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Incertezza dovuta all’emissività :dTO / TO = - (TO / C2) d / es: se TO = 1000 K, / = 10%, =0.65m

si ottiene TO/TO= 0.45 %

quindi incertezza sulla TO modesta anche con

grandi incertezze sull’emissività

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La misura è puntuale: basta che il filamento scompaia anche in un solo punto

Limite inferiore: se lavora nel visibile, la prima lunghezza d’onda che appare è il rosso, comunque al di sopra dei 600°C.

Correzione di corpo nero. Analoga a pirometro totale: confronto tra energia reale e come se fosse irraggiata da corpo nero

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Pirometro a due colori

Determina TO dal rapporto tra emissioni monocrom.

emisferiche a due 1 e 2

Ad ogni i ho:

Dunque

se corpo grigio 1= 2 ; note 1 ed 2, misurando

W1/W2 si determina TO

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Pirometro a due colori

Vantaggi:

la misura di rapporto W1 / W2 permette di superare problemi dei pirometri monocromatici:

- si misura senza errore la TO di oggetti con immagine più piccola del sensore

- non risente dell’errore introdotto da assorbimento della radiazione (ostacoli, finestre, gas, sporcizia ecc.)

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62Termografia

Misuro la radiazione emessa in campo infrarosso da uncorpo e da essa risalgo alla temperatura del corpo.

LA TERMOGRAFIA

La termografia all’infrarosso permette di risalire alla mappa termica della scena inquadrata mediante l’interpretazione della radiazione percepita da un array bidimensionale di sensori: la termocamera.

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Esempio di IR

L’immagine ritrae un cartone su cui ho tracciato lascritta “l’IR” con un dito.


64Caratteristiche fondamentali

La misura avviene senza contatto

Assenza dell’effetto di carico

Studio in aree pericolose (alta tensione)

Monitoraggio corpi ad elevata temperatura (bagni di fusione)

Misura estesa ad una superficie: un singolo fotogramma contiene una mappa termica e non una misura puntuale.

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Possibilità di compiere misure senza l’interruzione del ciclo produttivo:

ispezioni (cuscinetti, motori, cabine di trasformazione per l’alta tensione..)

Si evita la manutenzione preventiva

Campo di misura molto esteso (una macchina standard da laboratorio raggiunge tipicamente un range di misura dai -20°C ai 1500°C)

Costante di tempo attorno ai 12ms (sensore microbolumetrico), risoluzione termica fino a 3 centesimi di grado

Caratteristiche fondamentali


66Limitazioni all’uso della termografia

1. Costo dell’apparecchiatura (??)

2. Necessità di un operatore qualificato

3. Grossi impedimenti nel caso di materiali con emissivitàbassa (si può arrivare anche all’impossibilità della misura)

4. Necessità di schermare la termocamera dalle emissioni ambientali

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Radiazione incidente sulla termocamera

Per l’atmosfera =0 => Wamb =(1-)Wamb

(1-)Wamb


68Effetto Narciso

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70Trasmittanza dell’atmosfera

Trasmittanza dell'atmosfera valutata alla distanza di un miglio marino e componenti dell'aria maggiori responsabili dell'assorbimento della radiazione nei punti indicati.

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71Il detector

L’elemento sensibile alla radiazione infrarossa delletermocamere viene chiamato detector.

I detector possono essere costituiti da un singolo elementosensibile oppure sono formati da una matricebidimensionale di sensori (come accade coi CCD delletelecamere).

Nel caso si utilizzi un sistema dotato di detector con ununico elemento sensibile la termocamera viene dotata di unsistema meccanico che permette di focalizzare in istantisuccessivi zone adiacenti dell’area inquadrata.


72Detector fotonico

I detector fotonici sono costruiti su materiale semiconduttore e sfruttano l’interazione fotonica con gli elettroni: a causa di questa interazione vengono generate cariche elettriche, verranno poi accelerate da un campo elettrico e misurate.

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Termocamera a sensore fotonico


74Detector termico

I detector termici sono costruiti di materiale in cui una o più caratteristiche fisiche sono legate alla temperatura cui si trova il corpo.

La radiazione infrarossa incidente il detector causa una alterazione delle caratteristiche elettriche dell’elemento sensibile.

Questa categoria di sensori sono insensibili alla lunghezza d’onda della radiazione incidente ma mostrano un tempo di risposta legato alla costante di tempo che caratterizza termicamente l’elemento sensibile.

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75Termocamera FPA (focal plane array)


76La frequenza di campionamento

I valori tipici che caratterizzano la frequenza di campionamento dei detector sono:

50 Hz per i detector microbolumetrici (il tempo di integrazione è quindi dell’ordine dei 20 ms);

1 MHz per i detector fotonici, il sensore è quindi 20.000 volte più pronto.

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Lo sviluppo tecnologico è volto all’aumento del numero di elementi sensibile del Focal Plane Array e all’integrazione dell’elettronica di analisi del segnale direttamente sull’elemento sensibile.

Sviluppo termocamere

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79Termocamere FPA (Focal Plane Array)

Oggigiorno sono disponibili termocamere diverse a seconda deltipo di utilizzo, dalla manutenzione preventiva industriale all'analisiavanzata del design termico.

Elevata risoluzioneElevata semplicitàdi utilizzo


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83Caratterizzazione in condizioni estreme

Camera climatica

(-10°C =>+45°C)

Corpo nero foro

Termocamera all’interno

Traversing XY


84Risposta del sensore nei vari punti

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85Cross-talking fra i pixel

Irra

ggia

men

to

Roi Corpo nero

Feritoia regolabile

ROI


86Cross-talking fra i pixel

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87Cross-talkimg e risoluzione


88Risposta dinamica

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89Risposta dinamica


90Termocamera low-cost basata su CCD

Idea sviluppata nel 2005

Alte temperature

Emissione non trascurabile nell’infrarosso vicino (1000 nm)

Buona sensibilità residua dei CCD a 1000 nm

Filtro per eliminare λ < 1000 nm (visibile)

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91Taratura della termocamera CCD

Riferimento: corpo nero.

Temperature da 750°C a 1500°C, passo 50°C.

Per ciascuna temperatura acquisisco immagini a tutti i valori di shutter.

Elimino le immagini saturate.

Interpolo i dati utili.


92Esempio di curve di taratura

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93Esempio di legame shutter-grigi


94Confronto termocamere/CCD

Termocamera Telecamera

Risoluzione termica

0.1 K – bolometrico

0.01 K- fotonico1 K

Risoluzione spaziale

Da 160 x 120

A 640 x 480

Da 640 x 480

A 1600 x 1200

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95Banco prova candelette diesel

Candeletta

Telecamera

Filtro 1000 nm


96Esempi di campi termici

980 °C

1020 °C

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97Interfaccia del programma di controllo

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