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Che cos’è una termocamera e come funziona?

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Una termocamera è un dispositivo di imaging che rileva la radiazione infrarossa proveniente da una scena e la converte in un'immagine termica visibile, ovvero un termogramma. A differenza di una normale fotocamera, non necessita della luce visibile riflessa per formare l'immagine.

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Una termocamera è un dispositivo di imaging che rileva la radiazione infrarossa proveniente da una scena e la converte in un'immagine termica visibile, ovvero un termogramma. A differenza di una normale fotocamera, non necessita della luce visibile riflessa per formare l'immagine.

L'ottica a infrarossi focalizza la radiazione su un array di sensori. Il sensore converte l'energia ricevuta in segnali elettrici, e l'elettronica della termocamera elabora tali segnali trasformandoli in un'immagine in scala di grigi o a colori. Una termocamera radiometrica è inoltre in grado di stimare le temperature superficiali apparenti utilizzando dati di calibrazione e valori di misurazione.

In breve, una termocamera rende visibili le differenze di radiazione infrarossa.

Termocamere portatili o fisse: una guida per gli ambienti industriali
Termini della termografia che i principianti dovrebbero conoscere
Diversi termini descrivono concetti correlati ma non identici:

Una termocamera o termovisore è il dispositivo che forma un’immagine a partire dalla radiazione infrarossa.
La termografia è il processo di creazione e interpretazione di tale immagine.
Un termogramma è l’immagine termica visualizzata o registrata.
La termografia è l’uso strutturato della termografia per l’osservazione o la misurazione, spesso con procedure e interpretazioni definite.
Una telecamera a infrarossi può indicare una termocamera, ma l’espressione può anche descrivere una telecamera a infrarossi vicini che dipende comunque dall’illuminazione infrarossa riflessa.
La distinzione è importante perché sia una telecamera notturna a infrarossi vicini che una termica possono produrre immagini in scala di grigi pur rilevando parti diverse dello spettro. Le telecamere termiche rispondono principalmente alla radiazione emessa e riflessa dalle superfici nella loro banda operativa; i sistemi a infrarossi vicini di solito necessitano di una fonte di illuminazione esterna o ambientale.

Telecamera termica vs telecamera tradizionale
Caratteristica Telecamera termica Telecamera tradizionale a luce visibile
Input principale Radiazione infrarossa nella propria banda operativa Luce visibile riflessa
Luce visibile Non richiesta Richiesta dall’ambiente o da una fonte luminosa
Immagine Modello termico o termogramma Colori, texture e forme visibili
Ottica tipica Materiali delle lenti che trasmettono l’infrarosso Vetro ottico o polimeri trasparenti
Dati di temperatura Disponibili solo nei sistemi radiometrici Normalmente non disponibili
Entrambi i sistemi utilizzano ottica, un rilevatore, componenti elettronici ed elaborazione delle immagini, ma sono progettati per gamme di lunghezze d’onda diverse. Il vetro comune, trasparente alla luce visibile, blocca gran parte della radiazione infrarossa a onde lunghe utilizzata dalle comuni termocamere. I sistemi termici richiedono quindi lenti e finestre protettive selezionate in base alla loro banda spettrale.

Una termocamera è in grado di formare un’immagine nel buio più totale, basandosi sulle differenze di temperatura presenti nella scena. Una termocamera a luce visibile fornisce il colore della superficie e dettagli visivi familiari che un’immagine termica non offre.

Dove si colloca l’infrarosso termico nello spettro
La luce visibile è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. La radiazione infrarossa ha lunghezze d’onda maggiori rispetto alla luce visibile ed è comunemente suddivisa in regioni a onde vicine, corte, medie e lunghe. I confini esatti variano a seconda del campo di applicazione, pertanto la banda spettrale documentata di una termocamera è più utile di una generica etichetta “infrarosso”.

L’imaging nel vicino infrarosso è simile alla fotografia ordinaria: un sensore registra la luce infrarossa riflessa dalla scena, spesso con l’ausilio di un illuminatore. La termografia utilizza bande in cui gli oggetti a temperatura normale o elevata emettono radiazioni rilevabili. Molte termocamere non raffreddate operano nella regione dell’infrarosso a onde lunghe, mentre altri sistemi di rilevamento utilizzano bande diverse per particolari esigenze di imaging o misurazione.

Non è necessario che gli oggetti siano caldi per emettere radiazioni infrarosse. Qualsiasi oggetto al di sopra dello zero assoluto emette energia elettromagnetica. La sua temperatura, l’emissività superficiale, l’ambiente circostante e le proprietà spettrali influenzano la radiazione che raggiunge la termocamera.

Come funziona una termocamera?
Principio di funzionamento di una termocamera
1. La radiazione infrarossa raggiunge l’obiettivo
Gli oggetti con temperatura superiore allo zero assoluto emettono radiazione elettromagnetica. A temperature terrestri normali, parte di tale energia rientra nelle bande infrarosse utilizzate dalle termocamere. La quantità che raggiunge la termocamera dipende anche dall’emissività superficiale, dai riflessi, dalla trasmissione e dall’atmosfera presente tra il bersaglio e l’obiettivo.

2. Il sistema ottico forma un’immagine sul rilevatore
L’obiettivo raccoglie la radiazione proveniente dalla scena e la proietta su un array di rilevatori. La lunghezza focale determina il campo visivo: un obiettivo più ampio copre una porzione maggiore della scena, mentre uno più stretto concentra un maggior numero di pixel del rilevatore su un bersaglio distante. La messa a fuoco e la trasmissione dell’obiettivo influenzano la qualità del segnale trasmesso al rilevatore.

3. Il rivelatore genera risposte elettriche
Molte termocamere non raffreddate utilizzano un array microbolometrico sul piano focale. Ciascun elemento del rivelatore assorbe la radiazione infrarossa, subisce una leggera variazione di temperatura e produce una risposta elettrica misurabile. L’array crea una mappa spaziale della radiazione ricevuta dalla scena.

Altri rilevatori termici utilizzano meccanismi fisici diversi e possono richiedere il raffreddamento. La tecnologia del rilevatore influisce su sensibilità, velocità, risposta spettrale, dimensioni, potenza e costo, ma la catena di imaging di base rimane la stessa: l’ottica forma un’immagine della scena su un array e l’array converte la radiazione in segnali.

4. L’elettronica trasforma i segnali del rilevatore in un termogramma
La termocamera legge l’array di sensori, corregge ed elabora i segnali, quindi assegna valori visibili in scala di grigi o a colori. La tavolozza visualizzata è una scelta di visualizzazione. Le tavolozze “white-hot”, “black-hot” o multicolori possono rendere più facilmente interpretabili diversi modelli, ma la modifica della tavolozza non altera la temperatura del bersaglio.

Il ridimensionamento automatico dell’immagine può regolare il contrasto visualizzato al variare della scena. Una superficie può quindi apparire più chiara o più scura in due immagini senza che vi sia una corrispondente variazione di temperatura. Per i confronti temporali, è necessario fissare l’intervallo di temperatura e le impostazioni di livello; in caso contrario, la visualizzazione potrebbe variare indipendentemente dalla temperatura effettiva del bersaglio.

5. I sistemi radiometrici stimano la temperatura
Non tutte le termocamere riportano valori di temperatura calibrati. Una termocamera dedicata esclusivamente all’imaging mostra il contrasto infrarosso relativo. Una termocamera radiometrica utilizza dati di calibrazione e un modello di misurazione per stimare la temperatura superficiale apparente per pixel o aree qualificati.

Tale modello può tenere conto dell’emissività, della temperatura apparente riflessa, della distanza, della trasmissione atmosferica e della trasmissione attraverso ottiche esterne. Il risultato è più affidabile quando il bersaglio riempie l’area di misurazione, la messa a fuoco è nitida, le proprietà della superficie sono note e gli effetti ambientali sono controllati.

La termocamera, quindi, non misura la temperatura per contatto, ma la stima in base alla radiazione che raggiunge il rivelatore. Il termogramma e il calcolo della temperatura sono risultati correlati, ma non sono la stessa cosa.

Rivelatori termici raffreddati e non raffreddati
Modulo a infrarossi a onde medie raffreddato Photon M615L
Modulo a infrarossi non raffreddato Turing A640 (imaging), modulo termico non raffreddato
Un rilevatore non raffreddato opera a una temperatura vicina a quella dell’ambiente circostante e non richiede un sistema di raffreddamento criogenico. In questa categoria sono comuni gli array a piano focale microbolometrici. Essi rispondono quando la radiazione infrarossa assorbita modifica la temperatura e la resistenza elettrica di ciascun elemento del rilevatore.

Un rilevatore raffreddato viene mantenuto a una temperatura di funzionamento molto più bassa per ridurre il rumore generato dal rilevatore stesso. A seconda del suo design, può garantire una maggiore sensibilità, una risposta più rapida o il funzionamento in una banda infrarossa diversa. Il sistema di raffreddamento comporta inoltre un aumento delle dimensioni, del fabbisogno energetico, della complessità meccanica, dei tempi di avvio e dei requisiti di manutenzione.

Questa distinzione non dà luogo a una semplice classifica di qualità. Il rilevatore appropriato dipende dall’attività di imaging e dal progetto del sistema. Per un principiante, il punto essenziale è che entrambi gli approcci svolgono la stessa funzione di alto livello: convertono una scena a infrarossi formata dall’ottica in segnali elettrici che possono essere elaborati in un’immagine.

Termocamere solo di imaging e termocamere radiometriche
Una termocamera solo di imaging è progettata per mostrare il contrasto relativo nell’infrarosso. È in grado di rivelare che un’area differisce da un’altra senza assegnare valori di temperatura calibrati ai pixel. Ciò è sufficiente per compiti in cui il rilevamento, l’osservazione o il cambiamento di pattern sono più importanti della misurazione della temperatura.

Una termocamera radiometrica aggiunge dati di calibrazione e un modello di misurazione. Stima la temperatura apparente della superficie utilizzando la radiazione ricevuta e dati di correzione quali l’emissività, la temperatura apparente riflessa, la distanza, le condizioni atmosferiche e la trasmissione attraverso ottiche esterne qualificate. I dati disponibili e le funzioni di misurazione dipendono dal sistema.

Il termine “radiometrico” non implica che ogni valore visualizzato sia ugualmente affidabile. La messa a fuoco, le dimensioni del bersaglio, le proprietà della superficie, i riflessi, le condizioni ambientali, l’intervallo di calibrazione e la configurazione di misurazione influenzano comunque il risultato. La distinzione riguarda quindi la capacità e il metodo, non una dichiarazione automatica di accuratezza della misurazione.

Cosa mostra un’immagine termica?
Un termogramma rappresenta le differenze nella radiazione infrarossa che raggiunge il rilevatore. Per molte superfici opache, il segnale comprende sia la radiazione emessa dalla superficie stessa sia quella proveniente dall’ambiente circostante e da essa riflessa. Anche l’atmosfera e le ottiche possono influenzare il segnale ricevuto.

Ecco perché una regione luminosa non è automaticamente un oggetto caldo. Una superficie levigata e a bassa emissività può riflettere una fonte più calda situata al di fuori dell’immagine. Una superficie ad alta emissività di solito offre una relazione più diretta tra la radiazione emessa e la temperatura superficiale.

Le termocamere rivelano i modelli superficiali piuttosto che le strutture interne. Un tubo nascosto può riscaldare la superficie visibile della parete e creare un modello indiretto, ma la termocamera non vede attraverso la parete. Il vetro comune appare solitamente come una superficie riflettente o come un riflesso infrarosso nei comuni sistemi a onde lunghe, piuttosto che come una finestra trasparente.

L’interpretazione dovrebbe combinare il termogramma con le proprietà dei materiali, le condizioni operative, i componenti comparabili e un metodo di verifica separato quando la decisione è importante.

Allo stesso modo, la tavolozza dei colori non viene utilizzata per la misurazione della temperatura. Le tavolozze «white-hot», «black-hot» e multicolore assegnano tonalità visibili al segnale elaborato in modo che una persona possa interpretare i modelli. Il livello e l’intervallo automatici possono rimappare tali tonalità al variare della scena. Due immagini possono quindi utilizzare colori diversi per la stessa temperatura apparente, oppure colori simili per temperature diverse, a meno che la scala e le impostazioni non siano fisse per tutte le immagini.

Il dettaglio dell’immagine deriva dall’intera catena di acquisizione. L’obiettivo deve mettere a fuoco il bersaglio su un numero sufficiente di elementi del rilevatore, il rilevatore deve conservare un segnale adeguato e l’elaborazione deve visualizzare il contrasto rilevato senza creare aspettative fuorvianti. Un display di grandi dimensioni o un’immagine ingrandita non recuperano i dettagli della scena che l’ottica e il rilevatore non hanno catturato.

A cosa servono le termocamere?
Le termocamere vengono utilizzate ovunque i modelli di temperatura o il contrasto a infrarossi forniscano informazioni che le immagini visibili non possono mostrare direttamente.

Tra le applicazioni più comuni figurano:

Ispezione di collegamenti elettrici e apparecchiature per individuare un surriscaldamento anomalo
Osservazione dei modelli di temperatura meccanici e delle superfici di processo
Individuazione di dispersioni termiche nell’involucro edilizio, isolamento mancante o modelli legati all’umidità
Registrazione del comportamento termico per la ricerca e lo sviluppo dei prodotti
Monitoraggio di aree definite al buio o in condizioni di scarsa illuminazione visibile
Questi utilizzi non richiedono tutti la stessa termocamera. Alcuni necessitano di misurazioni di temperatura calibrate, mentre altri richiedono solo immagini affidabili. Le dimensioni del bersaglio, la distanza, l’intervallo di temperatura, il livello di dettaglio richiesto e il flusso di lavoro dei dati determinano la configurazione appropriata.

Misurazione della temperatura senza contatto per ispezioni rapide degli interruttori automatici
Misurazione della temperatura senza contatto per ispezioni rapide degli interruttori automatici
La panoramica di Raythink sulle applicazioni della termografia fornisce ulteriori esempi in contesti industriali e di monitoraggio. Per qualsiasi applicazione, l’immagine termica deve essere considerata come un elemento di prova da interpretare, non come una diagnosi automatica della causa principale.

Limiti fondamentali e idee errate comuni
Le termocamere mostrano principalmente la radiazione associata alle superfici visibili. Non rivelano direttamente le strutture interne. Un componente nascosto può creare un modello di temperatura su una superficie esposta, ma la termocamera rileva quel modello superficiale anziché vedere attraverso il materiale.

Il vetro comune è un’altra fonte frequente di confusione. Il vetro, trasparente alla luce visibile, blocca gran parte della radiazione infrarossa a onde lunghe utilizzata da molte termocamere. La termocamera potrebbe mostrare la temperatura della superficie del vetro o la radiazione infrarossa riflessa anziché l’oggetto che si trova dietro di esso.

I materiali riflettenti a bassa emissività possono agire come specchi per gli infrarossi. Una zona che appare luminosa o fredda potrebbe essere un riflesso dell’ambiente circostante piuttosto che la temperatura superficiale prevista dall’osservatore. Anche la messa a fuoco e le dimensioni del bersaglio sono importanti: se il bersaglio non occupa un numero sufficiente di elementi del rilevatore, il suo modello e la stima della temperatura possono confondersi con lo sfondo.

Infine, un termogramma non costituisce una diagnosi. Mostra un modello a infrarossi che deve essere interpretato tenendo conto del materiale, del carico, delle condizioni di processo, del punto di riferimento e del metodo di ispezione. Le decisioni importanti dovrebbero essere supportate da informazioni corroboranti.

Conclusione
Una termocamera utilizza ottiche a infrarossi per formare un’immagine su un array di rilevatori. Il rilevatore converte la radiazione in segnali elettrici, che vengono poi elaborati dall’elettronica per generare un termogramma. I sistemi radiometrici integrano un modello calibrato per stimare la temperatura superficiale.

L’immagine rappresenta la radiazione che raggiunge il rilevatore, pertanto la messa a fuoco, le proprietà della superficie, i riflessi, l’atmosfera e le dimensioni del bersaglio influenzano l’interpretazione. Comprendere questa catena di eventi è fondamentale per utilizzare correttamente le immagini termiche.

Se state valutando le termocamere industriali di Raythink, verificate innanzitutto se il lavoro richiede l’acquisizione di immagini, la misurazione radiometrica o entrambe, poiché ciò determina il rilevatore, l’ottica, la calibrazione e il flusso di lavoro software appropriati.

Domande frequenti
Tutte le termocamere misurano la temperatura?
No. Le termocamere dedicate esclusivamente all’imaging visualizzano il contrasto relativo nell’infrarosso. Le termocamere radiometriche utilizzano dati di calibrazione e input di misurazione per stimare la temperatura superficiale apparente.

Una termocamera può funzionare nel buio più totale?
Sì. Non richiede luce visibile. La scena deve presentare un contrasto nell’infrarosso affinché il bersaglio risalti dallo sfondo.

I colori delle immagini termiche mostrano il colore effettivo di un oggetto?
No. La termocamera assegna valori in scala di grigi o pseudocolori al segnale a infrarossi elaborato. La tavolozza aiuta l’osservatore a interpretare i modelli, ma non rappresenta il colore visibile dell’oggetto.

Una termocamera può vedere attraverso i muri?
No. Come spiegato più dettagliatamente nell’articolo «Le termocamere possono vedere attraverso i muri?», una termocamera rileva normalmente la radiazione proveniente dalla superficie del muro. Il trasferimento di calore da un oggetto nascosto può creare un modello superficiale indiretto, ma la termocamera non riprende l’oggetto attraverso il muro.

La termografia è la stessa cosa della visione notturna?
Non necessariamente. I sistemi di visione notturna nel vicino infrarosso registrano la luce riflessa nel vicino infrarosso. La termografia rileva la radiazione nelle bande dell’infrarosso termico ed è in grado di formare un’immagine senza illuminazione visibile o nel vicino infrarosso.