La misurazione della temperatura attraverso termocamere è uno strumento indispensabile per il monitoraggio di impianti e macchinari elettrici e industriali, per la prevenzione degli incendi e per la ricerca della dispersione termica. Su quali principi fisici si basa? Quali prestazioni offre? Come valutare le specifiche tecniche per scegliere il dispositivo più adatto alle proprie esigenze? Le risposte in questo articolo.
Il metodo termografico applicato alla sicurezza di impianti, oggetti e persone offre tutta una serie di benefici impossibili da ottenere con altre tecnologie. Il principio di funzionamento della termografia garantisce infatti un’elevata immunità dei dati rispetto alle condizioni ambientali più critiche (per esempio, quando si verificano repentini cambi di luminosità naturale e artificiale) e alla rilevazione di cose, persone e manifestazioni fisiche non visibili dall’occhio umano.
L’utilizzo delle termocamere risulta poi indispensabile per rilevare le dispersioni termiche in edilizia e idraulica, per le procedure di contenimento delle emergenze sanitarie (per esempio, Covid-19) e in altri ambiti. Prima di affrontare l’argomento termografia, è necessario fissare un semplice concetto di fisica che serve a comprendere il funzionamento delle termocamere a prescindere dal loro ambito applicativo.
Differenza tra spettro visibile e radiazioni infrarosse
La retina umana ha la capacità di rilevare la luce visibile, ovvero solo una piccola parte dell’intero spettro elettromagnetico delle frequenze esistenti nell’universo. Non è invece sensibile nei confronti di forme di radiazione come la luce ultravioletta (UV) e gli infrarossi (IR). Le radiazioni all’infrarosso emesse da un qualsiasi oggetto a una temperatura superiore allo zero assoluto (0 K equivalente a -273,15° C) - come per esempio un corpo umano, un macchinario industriale, un potenziale focolaio di incendio ma anche un cubetto di ghiaccio - sono quindi rilevabili solo da speciali sensori che vengono tarati su questa lunghezza d’onda.
Questi sensori non possono garantire la stessa risoluzione video dei sensori che operano nello spettro visibile, ma permettono di convertire il “calore” emesso dagli oggetti in immagini colorate perfettamente visibili dall’occhio umano o dai sistemi di intelligenza artificiale, che analizzano la situazione e attivano le necessarie contromisure in caso si verifichino eventi significativi. A ogni temperatura all’interno di un’immagine termica, corrisponde un colore: i toni dal giallo al rosso indicano temperature calde, mentre le sfumature di verde e blu quelle fredde.
Microbolometro, il sensore delle termocamere
del funzionamento delle termocamere:
trasforma i raggi IR in energia termica,
poi in stati di cambiamento di temperatura e, infine, in segnali elettrici visualizzati come immagini colorate
Il sensore che rileva con precisione l’emissione dei raggi infrarossi si chiama microbolometro ed è costituito da una griglia di punti sensibili (detti pixel), a loro volta composti da diversi strati e materiali assorbenti differenti. La maggior parte dei microbolometri impiegati nelle termocamere utilizza come materiale assorbente l’ossido di vanadio, per via del migliore contrasto termico che assicura immagini più precise e definite.
La risoluzione dei microbolometri può variare a seconda delle tecnologie di produzione e del loro contesto di impiego. Tenuto conto che la sensibilità dei pixel è inversamente proporzionale alla loro dimensione, per alcune applicazioni come quelle sanitarie ed edilizie vengono impiegati microbolometri a bassa risoluzione (ma spesso più sensibili) invece di quelli ad alta risoluzione, che, per via della minore sensibilità, generano talvolta immagini più rumorose seppur più definite.
Differenze tra tecnologia termica e termometrica
Mentre la tecnologia termica si limita semplicemente a rilevare il calore, quella termometrica è capace di affinare ulteriormente l’analisi, arrivando a svolgere le stesse funzioni di un termometro anche a grandi distanze e senza bisogno di contatto. Le termocamere più sofisticate dotate di sensori termometrici sono addirittura capaci di registrare fino a 10-20 livelli di temperatura differenti all’interno della stessa inquadratura, con la possibilità di generare segnalazioni e notifiche di allarme differenziate (allarme antincendio, blocco del passaggio, segnale di emergenza al superamento della soglia di temperatura impostata).
L’adozione di sensori ad altissima precisione, abbinati a ottiche ottimizzate per i singoli campi di applicazione, permette addirittura di ottenere misure con un bassissimo margine di errore (indicativamente tra 0,05° C e 0,5° C).
Monitoraggio termico di edifici, oggetti e persone
Le termocamere ad alta precisione vengono ormai largamente impiegate nell’edilizia per le analisi e le certificazioni energetiche, per rilevare l’emissione del calore da muri esterni e solette, le perdite lungo gli impianti di riscaldamento e raffreddamento, le anomalie nel funzionamento di macchinari e impianti elettrici industriali.
Sono utili anche in caso di emergenze sanitarie ed epidemie virali (Covid-19 e non solo) per controllare la temperatura corporea delle persone (sia attraverso sistemi automatizzati con supervisione umana, sia attraverso dispositivi di tipo portatile) nelle aree di transito molto affollate, come aeroporti e stazioni ferroviarie.
Rilevamento precoce degli incendi
Le termocamere fisse possono affiancarsi a sistemi ad hoc (come i sensori di fumo o fiamma) per rilevare e prevenire gli incendi con maggiore precisione e tempestività. Si rivelano quindi particolarmente utili nei siti di stoccaggio di rifiuti e combustibili perché rilevano automaticamente e rapidamente i cambiamenti di temperatura senza un contatto diretto, così come nei magazzini e nelle aree di produzione per identificare i punti caldi prima che generino una combustione.
Le specifiche da valutare prima dell’acquisto
La gran quantità di specifiche può confondere i potenziali acquirenti delle termocamere alla ricerca di un modello portatile adatto alle loro esigenze. Non è sufficiente valutare ogni specifica tecnica singolarmente, perché le reali potenzialità delle termocamere dipendono da vari fattori legati tra loro.
Per esempio, per rilevare fughe di calore in ambienti interni o esterni è bene utilizzare telecamere ad alta risoluzione, ma anche con un’elevata sensibilità termica. In caso contrario, il vantaggio dato dalla presenza di una specifica tecnica può essere vanificato dalla mancanza di un altro requisito. Ecco quali sono le specifiche principali da considerare prima dell’acquisto.
Intervallo
L’intervallo è l’intero arco di temperature su cui la termocamera è calibrata ed è in grado di misurare. Alcuni modelli supportano più gamme, per misurare con maggiore precisione un intervallo di temperature più ampio: si tratta di un fattore di particolare importanza per le applicazioni industriali, come l’analisi di apparecchiature ad alta temperatura (caldaie, forni, fornaci ecc.).
Campo visivo (FOV)
Il campo visivo è determinato dall’obiettivo della telecamera e rappresenta l’estensione della scena che il dispositivo vede in un dato momento. Per le rilevazioni da vicino, serve un obiettivo con un FOV grandangolare (45 gradi o superiore) mentre per quelle a lunga distanza è preferibile un teleobiettivo da 6 gradi o 12 gradi. Alcune termocamere possono supportare obiettivi multipli per diverse applicazioni.
Risoluzione IR
La risoluzione della termocamera rappresenta il numero di pixel che compongono l’immagine rilevata. Una risoluzione più elevata significa che ogni immagine contiene più informazioni: più pixel, più dettagli e una maggiore probabilità di ottenere una misurazione accurata. A seconda dell’applicazione, specialmente quando è possibile avvicinarsi all’obiettivo, può bastare una telecamera a basso costo e a bassa risoluzione; la misurazione di elementi più piccoli da lontano richiede invece una risoluzione più elevata.
Sensibilità termica (NETD)
La sensibilità termica (Noise Equivalent Temperature Difference - NETD) indica la minima differenza di temperatura rilevabile dalla termocamera: più basso è il valore, migliore è la sensibilità termica del sistema di rilevamento a infrarossi. Se gli obiettivi da misurare presentano in genere ampie differenze di temperatura, probabilmente non è necessaria una telecamera con un NETD basso. Tuttavia, per applicazioni più delicate come il rilevamento delle fughe di calore (che creano condizioni di umidità e condensa nei luoghi interni) è necessaria una maggiore sensibilità. È importante sottolineare che alcune telecamere low-cost nascondono una scarsa sensibilità utilizzando come riferimento il NETD a 50° C invece dello standard industriale a 30° C.
Messa a fuoco
Le termocamere possono essere a “fuoco fisso” (per mantenere l’immagine dettagliata a qualunque distanza, pur con qualche compromesso), a “fuoco manuale” (regolazione a mano della messa a fuoco per immagini “precise”) oppure ad “auto-focus” (regolazione automatica della messa a fuoco in base alla distanza dalla scena). In tutti i casi, un’immagine a fuoco rende più accurata la misurazione della temperatura. Di norma, le termocamere di fascia bassa e media sono a fuoco fisso mentre quelle ad alte prestazioni sono dotate di regolazioni manuali o automatiche. Il vantaggio della messa a fuoco manuale rispetto a quella automatica dipende dalle esigenze del singolo utente e dall’ambito applicativo.
Banda spettrale
La banda spettrale è l’intervallo di lunghezze d’onda (misurato in micrometri - μm) rilevato dal sensore della termocamera. La maggior parte delle termocamere per il rilevamento di gas (come i rilevatori di propano, metano e butano) sono a onde medie, ovvero con campo spettrale compreso tra 3 e 5 μm. Quasi tutte le altre termocamere (a onde lunghe) hanno una banda spettrale compresa tra 8 μm e 14 μm, che le rende adatte per la maggior parte delle applicazioni come le ispezioni elettriche e antincendio.
Praticità e compattezza
Non bisogna dimenticare che esistono in commercio moduli termografici che si possono abbinare allo smartphone per esigenze quotidiane e di base senza particolari criticità. Si tratta di soluzioni pratiche, compatte ed economiche per artigiani e professionisti (elettricisti, termoidraulici ecc.) che non vogliono sobbarcarsi il costo di una termocamera “stand-alone”, ma nemmeno rinunciare a rilevazioni e misurazioni accurate e affidabili.
