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Che cos'è l'emissività nella termografia?

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Che cos'è l'emissività nella termografia?

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La temperatura di un oggetto determina direttamente l'intensità della sua radiazione infrarossa: temperature più alte significano radiazioni più forti, mentre temperature più basse significano radiazioni più deboli. In teoria, potrebbe sembrare che la semplice misurazione dell'energia infrarossa emessa da un oggetto sia sufficiente per calcolarne la temperatura. Tuttavia, la realtà della misurazione della temperatura è molto più complessa. Oltre alla temperatura in sé, la capacità di un oggetto di irradiare energia infrarossa, nota come "emissività", è un fattore cruciale che influisce sull'accuratezza delle letture della temperatura.
L'emissività è influenzata da vari fattori, tra cui il tipo di materiale, la rugosità della superficie e la finitura. Anche se oggetti diversi hanno la stessa temperatura, la loro intensità di radiazione infrarossa può variare in modo significativo, influenzando di conseguenza i risultati di temperatura ottenuti da una termocamera. Pertanto, la comprensione accurata dell'emissività e la corretta impostazione dei parametri della termocamera sono fondamentali per garantire l'affidabilità delle misure di temperatura a infrarossi.
Che cos'è l'emissività?
Definizione
L'emissività è il rapporto tra l'energia irradiata da un oggetto a una determinata temperatura e l'energia irradiata da un corpo nero alla stessa temperatura. Si usa per misurare la capacità di un oggetto di emettere energia infrarossa ed è un parametro cruciale nella termografia a infrarossi (imaging termico).
Gamma di valori
L'emissività è compresa tra 0 e 1. Un valore più alto indica una maggiore capacità dell'oggetto di irradiare energia infrarossa. In uno scenario ideale, un corpo nero ha un'emissività pari a 1, il che significa che irradia tutta l'energia possibile. In realtà, l'emissività degli altri oggetti è tipicamente inferiore a 1.
Cosa influenza l'emissività di un materiale?
Per utilizzare in modo più efficace le termocamere per effettuare misurazioni precise, oltre a comprendere il concetto di base dell'emissività dei materiali, dobbiamo anche sapere cosa determina l'emissività di un oggetto. Di seguito analizzeremo i fattori che influenzano l'emissività dei materiali.
1. Diverse proprietà dei materiali
Il termine "diverse proprietà dei materiali" si riferisce non solo alle variazioni nella composizione chimica e nelle proprietà chimiche di un materiale, ma anche alle differenze nelle proprietà fisiche e nella struttura interna, come la struttura dello strato superficiale e lo stato cristallino.
Ad esempio, l'emissività della maggior parte delle superfici metalliche pure è molto bassa, mentre l'emissività della maggior parte dei materiali non metallici (in particolare gli ossidi metallici) nella regione spettrale dell'infrarosso è molto alta. Quando la temperatura è inferiore a 300 K, l'emissività degli ossidi metallici è generalmente superiore a 0,8.
2. Condizione della superficie
Per i materiali non metallici, l'emissività è minimamente influenzata o non influenzata dalla rugosità della superficie. Tuttavia, per i materiali metallici, la rugosità della superficie ha un impatto significativo sull'emissività. Ad esempio, il ferro battuto con una superficie ruvida a 300K ha un'emissività di 0,94, mentre lo stesso materiale con una superficie lucida a 310K ha un'emissività di soli 0,28.
3. Temperatura della superficie
In molte formule, l'emissività viene trattata come una variabile dipendente dalla temperatura, ma il modo specifico in cui l'emissività cambia con la temperatura spesso non viene indicato esplicitamente. Ciò è dovuto al fatto che la relazione varia per i diversi materiali a seconda delle lunghezze d'onda e degli intervalli di temperatura, rendendo difficile una sintesi quantitativa con un'espressione analitica unificata. Esperimenti generali mostrano che l'emissività della maggior parte dei materiali non metallici diminuisce all'aumentare della temperatura. Al contrario, l'emissività della maggior parte dei metalli puri aumenta in modo approssimativamente proporzionale alla temperatura Kelvin e la costante di proporzionalità è legata alla resistività del metallo.
4. Banda d'onda di misurazione
L'emissività spettrale della superficie di un oggetto cambia con la lunghezza d'onda. Nella regione dell'infrarosso, l'emissività spettrale della maggior parte degli oggetti diminuisce all'aumentare della lunghezza d'onda. L'emissività utilizzata durante la misurazione della temperatura è l'emissività media sulla banda d'onda di risposta del rilevatore e il suo valore dipende da questa banda d'onda.
Le termocamere a infrarossi hanno bande d'onda di risposta diverse. Pertanto, quando si misura l'emissività di uno stesso oggetto con termocamere diverse, i risultati ottenuti possono variare. Tuttavia, se le rispettive emissività misurate vengono utilizzate per correggere la temperatura reale dell'oggetto, i risultati dovrebbero essere gli stessi. Questo è il motivo per cui ogni termocamera a infrarossi viene sottoposta a una calibrazione precisa prima di lasciare la fabbrica; sebbene le costanti di calibrazione possano differire, tutte ottengono risultati di misurazione accurati.
Inoltre, l'emissività di un oggetto misurata con un tipo di termocamera non dovrebbe essere utilizzata su altre termocamere senza un'attenta considerazione, poiché ciò può portare a errori significativi nella misurazione della temperatura o addirittura a risultati errati.
Come determinare l'emissività della superficie di un oggetto?
Metodo 1: Consultare le tabelle di riferimento dell'emissività
Scenario applicabile: Questo è il metodo più semplice quando il materiale dell'oggetto da misurare è chiaramente identificato.
Innanzitutto, identificare il materiale specifico dell'oggetto e consultare tabelle di riferimento dell'emissività affidabili. In base al valore di emissività trovato per il materiale corrispondente, inserire questo valore nelle impostazioni della termocamera.
Tabella di emissività per materiali comuni
(1) Metallo
Materiale Temperatura (°C) Emissività
Alluminio
Alluminio lucidato 100 0,09
Foglio di alluminio commerciale 100 0,09
Ossido di alluminio dolce 25～600 0,10～0,20
Ossido di alluminio forte 25～600 0,30～0,40
Ottone
Ottone a specchio (altamente lucido) 28 0,03
Ossido di ottone 200～600 0,59～0,61
Cromo
Cromo lucidato 40～1090 0,08～0,36
Rame
Rame a specchio 100 0,05
Ossido di rame forte 25 0,078
Ossido rameoso 800～1100 0,66～0,54
Rame fuso 1080～1280 0,16～0,13
Oro
Specchio d'oro 230～630 0,02
Ferro
Ghisa lucidata 200 0,21
Ghisa lavorata 20 44
Superficie completamente arrugginita 20 0,69
Ghisa (ossidata a 600°C) 19～600 0,64～0,78
Ossido di ferro elettrolitico 125～520 0,78～0,82
Ossido di ferro 500～1200 0,85～0,89
Piastra di ferro 925～1120 0,87～0,95
Ghisa, ossido di ferro pesante 25 0,8
Superficie fusa 22 0,94
Ghisa fusa 1300～1400 0,29
Ferro fuso puro 1515～1680 0,42～0,45
Acciaio
Acciaio (ossidato a 600°C)
Ossido di acciaio 100 0,74
Acciaio dolce fuso 1600～1800 0,28
Acciaio fuso 1500～1650 0,42～0,53
Piombo
Piombo puro (non ossidato) 125～225 0,06～0,08
Leggermente ossidato 25～300 0,20～0,45
Magnesio
Ossido di magnesio 275～825 0,55～0,20
Mercurio
Mercurio 0～100 0,09～0,12
Nichel
Elettrodeposizione e lucidatura 25 0,05
Elettrodeposizione senza lucidatura 20 0,01
Filo di nichel 185～1010 0,09～0,19
Piastra di nichel (ossidata) 198～600 0,37～0,48
Ossido di nichel 650～1255 0,59～0,86
Lega di nichel
Filo in lega di nichel-cromo (resistente al calore) (lucido) 50～1000 0,65～0,79
Lega di nichel-cromo 50～1040 0,64～0,76
Nichel-cromo (resistente al calore) 50～500 0,95～0,98
Argento
Argento lucido 100 0,05
Acciaio inossidabile
acciaio inossidabile 18/8 25 0,16
304 (8Cr, 18Ni) 215～490 0,44～0,36
310 (25Cr, 20Ni) 215～520 0,90～0,97
Stagno
Lamiera di stagno commerciale 100 0,07
Zinco
Ossidazione a 400°C 400 0,01
Piastra di ferro zincato lucido 28 0,23
Ossido di zinco grigio 25 0,28

(2) Non metallo
Materiale Temperatura (°C) Emissività
Mattone 1100 0,75
Mattone da ardere 1100 0,75
Grafite (nero lampada) 96～225 0,95
Smalto (bianco) 18 0,9
Asfalto 0～200 0,85
Vetro (superficie) 23 0,94
Vetro resistente al calore 200～540 0,85～0,95
Intonaco per pareti 20 0,9
Rovere 20 0,9
Lastra di carbonio - 0,85
Lastra isolante - 0,91～0,94
Lamiera metallica - 0,88～0,90
Tubo di vetro - 0,9
Tipo di bobina - 0,87
Prodotto smaltato - 0,9
Modello di smalto - 0,83～0,95
Condensatore
Tipo rotante - 0,30～0,34
Ceramica (tipo bottiglia) - 0,9
Film - 0,90～0,93
Mica - 0,94～0,95
Mica di tipo Flume - 0,90～0,93
Vetro - 0,91～0,92
Semiconduttore
Transistor (confezione in plastica) - 0,80～0,90
Transistor (metallo) - 0,30～0,40
Diodo - 0,89～0,90
Bobina di trasmissione
Trasmissione di impulsi - 0,91～0,92
Strato di gesso piatto - 0,88～0,93
Anello superiore - 0,91～0,92
Materiali elettronici
Piastra di vetro epossidico - 0,86
Lastra di fenolo epossidico - 0,8
Lastra di rame placcata in oro - 0,3
Rame saldato - 0,35
Filo di piombo rivestito di stagno - 0,28
Filo di rame - 0,87～0,88

Nota bene: i valori di emissività sono molto sensibili allo stato superficiale di un materiale (ad esempio, lucido, ruvido o ossidato). Pertanto, è essenziale selezionare un valore di emissività che rappresenti al meglio le reali condizioni superficiali dell'oggetto da misurare. A titolo di esempio, l'emissività del rame ossidato differisce notevolmente da quella del rame lucidato.
Metodo 2: Utilizzo di un materiale ausiliario con emissività nota (metodo del nastro)
Scenario applicabile: Adatto a situazioni che coinvolgono materiali con bassa emissività, bersagli relativamente grandi e temperature moderate (in genere inferiori a 100°C), in cui non è auspicabile alterare la superficie del bersaglio, come nel caso delle superfici metalliche.
Applicare un pezzo di nastro isolante (con emissività nota) sulla superficie dell'oggetto da misurare. Quindi, mantenendo costanti la distanza e l'angolo della termocamera, regolare l'impostazione dell'emissività della termocamera a infrarossi fino a quando la lettura della temperatura della superficie del materiale nudo corrisponde o si avvicina alla lettura della temperatura della superficie del nastro. Il valore di emissività a questo punto è l'emissività corretta del materiale da misurare.
Nota: assicurarsi che il nastro abbia un buon contatto con la superficie di destinazione, senza bolle d'aria o grinze.
Metodo 3: Utilizzo di un rivestimento con emissività nota (metodo della vernice spray)
Scenario applicabile: Adatto a bersagli con bassa emissività e temperature elevate, o quando si ha a che fare con oggetti di piccole dimensioni, come tubi e dissipatori di calore irregolari.
Spruzzare uniformemente uno strato di vernice (con emissività nota) sulla superficie dell'oggetto da misurare. Quindi, mantenendo costanti la distanza e l'angolo della termocamera, regolare l'impostazione dell'emissività della termocamera fino a quando la lettura della temperatura della superficie non verniciata corrisponde o si avvicina alla lettura della temperatura della superficie verniciata. Il valore di emissività a questo punto è l'emissività corretta dell'oggetto target.
Metodo 4: confronto con un termometro a contatto (metodo di confronto)
Scenario applicabile: Adatto a situazioni in cui la superficie dell'oggetto da misurare è accessibile per il contatto.
Utilizzare un termometro a contatto, come una termocoppia o un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD), per misurare la temperatura superficiale dell'oggetto. Quindi, regolare l'impostazione dell'emissività della termocamera a infrarossi finché la temperatura superficiale misurata dalla termocamera non corrisponde o si avvicina alla temperatura superficiale misurata dal termometro a contatto. Il valore di emissività a questo punto è l'emissività corretta dell'oggetto target.
L'impatto dell'emissività sui risultati di misurazione della temperatura della termocamera
Come abbiamo detto in precedenza, oggetti diversi hanno emissività diverse, il che significa che irradiano energia infrarossa a intensità diverse anche quando hanno la stessa temperatura. Le termocamere calcolano la temperatura di un oggetto rilevando l'energia infrarossa irradiata dalla sua superficie. Per ottenere letture accurate della temperatura, la termocamera deve correlare correttamente l'intensità dell'energia infrarossa ricevuta con la temperatura reale dell'oggetto. La correzione dell'emissività è il passo cruciale per raggiungere questo obiettivo.
Le termocamere sono in genere preimpostate in fabbrica con un valore di emissività comunemente utilizzato. Tuttavia, il mondo reale contiene un'ampia varietà di materiali con emissività che possono essere significativamente più alte o più basse di questo valore predefinito. Se il riproduttore d'immagini non viene regolato in base all'emissività effettiva dell'oggetto da misurare, le letture della temperatura ottenute si discosteranno dalla temperatura reale.
Emissivity impostato troppo alto: se l'emissività effettiva dell'oggetto è inferiore al valore impostato sulla termocamera, quest'ultima interpreterà la minore energia irradiata come se provenisse da un oggetto più caldo, indicando quindi erroneamente una temperatura troppo alta.
Emissivity impostato su un valore troppo basso: se l'emissività effettiva dell'oggetto è superiore al valore impostato sulla termocamera, quest'ultima interpreterà l'energia irradiata come proveniente da un oggetto più freddo, indicando così erroneamente una temperatura troppo bassa.
Pertanto, per ottenere risultati accurati di misurazione della temperatura, soprattutto nelle applicazioni che richiedono analisi quantitative o diagnostica critica, è essenziale impostare correttamente l'emissività sulla termocamera.
Come impostare l'emissività in una termocamera?
La maggior parte delle moderne termocamere consente agli utenti di regolare manualmente l'emissività. L'operazione specifica può variare a seconda della marca e del modello, ma in genere comprende i seguenti metodi:
1. Regolazione del valore di emissività: Gli utenti possono regolare direttamente l'emissività nel menu delle impostazioni del riproduttore d'immagini al valore corrispondente (di solito compreso tra 0,01 e 1,00) in base al valore di emissività consultato.
2. Selezione di un materiale preimpostato: Alcune termocamere hanno un elenco integrato di valori di emissività per i materiali più comuni. Gli utenti possono selezionare l'opzione nel menu che più si avvicina al materiale dell'oggetto da misurare e la termocamera applicherà automaticamente il valore di emissività corrispondente.
Oltre all'emissività, che è un parametro di compensazione cruciale per i risultati delle misure di temperatura, anche la temperatura riflessa dalla superficie dell'oggetto influisce sulle misure. Questo impatto diventa più significativo quando l'emissività dell'oggetto è bassa o quando c'è una grande differenza tra la temperatura dell'oggetto e la temperatura riflessa, rendendo necessaria una compensazione per eliminare l'effetto della temperatura superficiale riflessa.
Tuttavia, la temperatura riflessa di un oggetto è spesso difficile da misurare direttamente. Nelle misurazioni pratiche, la temperatura ambiente può essere utilizzata come approssimazione per la temperatura riflessa. Gli utenti possono regolare la temperatura ambiente nell'interfaccia delle impostazioni. Impostando contemporaneamente l'emissività corretta ed eseguendo la compensazione ambientale, è possibile ottenere letture della temperatura più vicine alla temperatura reale.
Conclusione
L'emissività è un concetto cruciale per la comprensione e l'applicazione delle termocamere a infrarossi per la misurazione accurata della temperatura. Per ottenere immagini termiche affidabili e dati precisi sulla temperatura, è necessario padroneggiare metodi pratici per determinare o stimare l'emissività di un oggetto ed eseguire una corretta correzione dell'emissività nella termocamera. Solo così potremo massimizzare il valore delle termocamere nei vari campi.
Se nelle vostre applicazioni di termografia incontrate domande relative all'emissività o desiderate saperne di più su come scegliere e utilizzare la termocamera a infrarossi più adatta alle vostre esigenze, non esitate a contattarci in qualsiasi momento. Il nostro team si impegnerà a fornirvi assistenza tecnica e soluzioni per aiutarvi a ottenere risultati di ispezione termografica più accurati e affidabili.