Definizione e influenza dell'emissività nella misurazione della temperatura senza contatto

Nella misurazione della temperatura senza contatto, la radiazione infrarossa o termica emessa dall'oggetto da misurare viene rilevata da un pirometro. Il pirometro calcola la temperatura dalla radiazione ricevuta secondo l'equazione di Planck. Il livello di radiazione dipende in larga misura dall'emissività dell'oggetto da misurare. Ma cosa significa effettivamente emissività e come influisce sulle misurazioni pratiche? Come si può determinare l'emissività e da cosa dipende? Quali errori possono verificarsi con un'emissività impostata in modo errato e come si possono ridurre al minimo gli errori di misura? Queste e altre domande sono discusse nel seguente articolo.

Il livello di radiazione infrarossa/calore dipende non solo dalla temperatura ma anche dall'oggetto di misura stesso. La capacità di un oggetto di misura di emettere la radiazione termica che ha assorbito è descritta dall'emissività. Un radiatore ideale o cosiddetto "corpo nero" emette tutta la radiazione che assorbe. Un radiatore reale emette meno radiazioni di un "radiatore di corpo nero" alla stessa temperatura. L'emissività ε è il rapporto tra la radiazione infrarossa di un oggetto di misura reale Φr e la radiazione di un "radiatore di corpo nero" Φs.

ε = Φr / Φs

L'emissività è quindi una quantità fisica adimensionale compresa tra 0 e 1 o 0 e 100 %.

La radiazione che colpisce un oggetto di misura dall'ambiente viene riflessa in misura maggiore o minore a seconda del grado di riflessione dell'oggetto di misura. La radiazione termica segue le stesse leggi di radiazione della luce visibile. Nel caso di oggetti trasparenti (vetro, fogli), la radiazione termica può provenire anche dall'interno dell'oggetto di misura e dallo sfondo. La trasmittanza indica la percentuale di radiazione che passa attraverso un oggetto. La radiazione totale ΦΣ rilevata da un pirometro è composta come segue.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = Emissività
ρ = Riflettanza
τ = Trasmittanza
ΦO = Radiazione dell'oggetto
ΦU = Radiazione ambientale
ΦH = Radiazione di fondo

I coefficienti di radiazione sono legati dalla formula:

1 = ε + ρ + τ

La componente di trasmissione viene omessa per gli oggetti non trasparenti.

1 = ε + ρ

L'emissività di un oggetto di misura dipende in larga misura dal materiale o dalla superficie del materiale. Gli oggetti non metallici e non trasparenti sono generalmente buoni emettitori di calore, con un'emissività > 80 %. Nel caso dei metalli, l'emissività può variare tra il 5 e il 90%. Più un metallo è lucido, più l'emissività è bassa.

Inoltre, l'emissività può variare a seconda della lunghezza d'onda. Questa proprietà è particolarmente accentuata nei metalli. Il potere radiante dei metalli aumenta con l'accorciarsi della lunghezza d'onda. Si consiglia pertanto di utilizzare un pirometro a onde corte quando si effettua una selezione.

Gli oggetti trasparenti come il vetro, la plastica o i gas hanno specifici intervalli di lunghezze d'onda in cui hanno buone proprietà di radiazione. Per misurare la temperatura di questi materiali, è necessario scegliere pirometri con sensori e filtri speciali sensibili a questa lunghezza d'onda.

Anche il comportamento radiativo dei metalli e del vetro cambia a seconda della temperatura. L'ossidazione della superficie dei metalli e il passaggio da solido a liquido fanno sì che l'emissività cambi notevolmente.

L'emissività dei metalli aumenta all'aumentare della temperatura. Nel caso del vetro, la profondità di visione del pirometro aumenta con la temperatura e quindi la percentuale di radiazione proveniente dall'area interna.

In pratica, possono verificarsi radiazioni esterne dall'ambiente. Un esempio classico è la misurazione di una lamiera fredda all'interno di un forno caldo. Oltre alla radiazione dell'oggetto, il pirometro rileva anche la radiazione della parete del forno riflessa sulla lamiera. Quanto più la temperatura dell'oggetto si avvicina alla temperatura del forno, tanto minore è l'errore di misurazione.

Per misurare la vera temperatura dell'oggetto si utilizzano tubi di puntamento raffreddati ad acqua. Vengono utilizzati per schermare le radiazioni di interferenza provenienti dalle pareti del forno. Il diametro del tubo deve essere almeno 6 volte la distanza di misurazione dall'oggetto per creare un'ombra sufficientemente ampia.

Le informazioni sull'emissività delle varie sostanze sono riportate nella documentazione o nelle istruzioni per l'uso. Tuttavia, queste informazioni devono essere trattate con cautela. È importante sapere per quale lunghezza d'onda e temperatura è valido il valore specificato. Inoltre, si tratta di valori validi in condizioni di misurazione ideali.

In condizioni reali, la radiazione rilevata dal pirometro può derivare anche dalla radiazione ambientale riflessa o trasmessa dall'oggetto. Se il pirometro fosse impostato sul valore ideale della letteratura, visualizzerebbe una temperatura troppo alta.

Per visualizzare la temperatura corretta, l'emissività del pirometro deve essere impostata su un valore più alto. Questo è noto come aumento artificiale dell'emissività. L'emissività effettiva da impostare può essere determinata mediante una misurazione comparativa con un termometro a contatto. Naturalmente, l'errore di misurazione dipende anche dall'accuratezza della misurazione a contatto.

In alternativa, è possibile applicare un adesivo con un'emissività definita sull'oggetto misurato a temperature fino a circa 250 °C.

In primo luogo, viene determinata la temperatura reale sull'adesivo (Fig. 2). Si esegue quindi una misura di confronto direttamente accanto all'adesivo e si imposta l'emissività sul pirometro in modo da visualizzare nuovamente il valore misurato in precedenza. Poiché l'influenza dell'emissività aumenta con la temperatura, questa misurazione di confronto dovrebbe essere effettuata a temperature più elevate.

Per le temperature elevate degli oggetti o per gli oggetti di misurazione inaccessibili, ad esempio in un forno a vuoto, si consiglia di effettuare una misurazione di confronto con un pirometro a onde molto corte, poiché per motivi fisici l'errore di misurazione diminuisce con una lunghezza d'onda più corta.

Un pirometro di confronto dell'intensità è ideale per questo scopo (Fig. 3). Il principio di misura di questi dispositivi si basa su un confronto ottico del colore a una lunghezza d'onda di 0,67 μm. Inoltre, il principio di misurazione funziona indipendentemente dalle dimensioni dell'oggetto da misurare.

Gli effetti di variazioni dell'emissività o di impostazioni errate del pirometro sono illustrati nel diagramma della Figura 4.

Alcuni anni fa sono stati introdotti sul mercato dei pirometri che misurano contemporaneamente le radiazioni a due lunghezze d'onda. Il quoziente di queste due radiazioni è proporzionale alla temperatura. Se la radiazione ricevuta dai due canali di misura cambia a causa di una variazione dell'emissività, il quoziente e quindi la temperatura rimane costante. Tuttavia, questo vale solo se la variazione di emissività è identica per entrambi i canali. In pratica, la variazione dei metalli non è costante. I pirometri a quoziente possono quindi produrre errori di misura notevolmente maggiori rispetto ai pirometri a canale singolo. Per questo motivo mettiamo in guardia dalla spesso citata misurazione "indipendente dall'emissività" con i pirometri a rapporto.

Un pirometro a rapporto presenta dei vantaggi metrologici se, ad esempio, l'energia radiante di entrambi i canali è indebolita nella stessa misura da vetri sporchi o polvere nel campo visivo. La temperatura viene comunque visualizzata correttamente.

In condizioni di misura critiche, si consiglia di analizzare in parallelo i due valori di temperatura spettrale e la temperatura quoziente. In base al risultato, il pirometro può essere impostato sul metodo di misurazione migliore.

Quando si sceglie un pirometro, si presta molta attenzione all'incertezza di misura specificata nella brochure. Tuttavia, nella misurazione della temperatura senza contatto, l'errore di misura che si verifica dipende essenzialmente dalle proprietà metrologiche dell'oggetto di misura e dalle condizioni ambientali. L'errore di misura specifico del dispositivo ha solo un effetto minore. Pertanto, le correlazioni sopra descritte devono essere prese in considerazione sia nella scelta del pirometro che nella determinazione del punto di misura.