Misurazione della temperatura senza contatto e diagnostica termica

L'enorme progresso nel campo della termometria e della termografia, ha fatto sì che sul mercato sia apparso un elevato numero di termometri senza contatto e sistemi termovisivi. I termometri a infrarossi sono anche noti con il nome di pirometri. La loro caratteristica più importante è la natura non invasiva della misura.

Caratteristiche della misura a infrarossi

• non ha luogo nessuno scambio di calore tra l'oggetto misurato ed il sensore di temperatura,
• non ha luogo una temporanea variazione della temperatura nel punto di contatto tra il sensore e l'oggetto misurato,
• non è necessario attendere che la temperatura si stabilizzi, ossia attendere che il sensore di temperatura raggiunga la temperatura dell'oggetto misurato.

Utilizzo dei pirometri per la diagnostica termica

La misura con i termometri a infrarossi, il monitoraggio e la registrazione dei risultati ampliano significativamente le possibilità di diagnostica termica e misurazioni dinamiche. La diagnostica termica include anche l'esame delle variazioni temporanee di temperatura e della distribuzione spaziale della temperatura. Mediante un monitoraggio continuo o ispezioni periodiche è possibile eseguire una valutazione delle condizioni tecniche di molti dispositivi e componenti, condurre una gestione delle misurazioni della temperatura nell'ambito di processi produttivi, di funzionamento (fisici e chimici), logistici e di magazzino.

Esempi di aree di applicazione della misurazione della temperatura senza contatto

• ispezioni del funzionamento di cuscinetti e rulli,
• diagnostica di circuiti elettronici e componenti PCB,
• controllo della temperatura di componenti e dispositivi sotto tensione,
• misurazioni della temperatura in aree pericolose,
• misurazioni della temperatura di componenti di piccole dimensioni,
• controllo della temperatura nei locali destinati a magazzino e produzione.

Come la temperatura influisce sui cuscinetti delle macchine

Durante il funzionamento delle macchine con assiemi rotanti ed altri elementi in movimento, l'eccessivo riscaldamento può essere causato da un maggiore attrito, dall'errato allineamento delle parti in movimento o dal cambiamento della distribuzione delle forze. I componenti più esposti a questo fenomeno sono i cuscinetti. Nel loro caso, l'aumento della temperatura indica chiaramente:

• episodi di usura,
• cambiamenti della geometria, della distribuzione delle forze o del centro di gravità del sistema rotante (mancata equilibratura),
• presenza di troppo o troppo poco grasso,
• utilizzo di grasso dai parametri tecnici inappropriati. L'ispezione periodica della temperatura dei cuscinetti o delle loro sedi, con l'utilizzo di un pirometro è importante, poiché consente la valutazione delle condizioni tecniche e la pianificazione di eventuali interventi di manutenzione.

Temperatura dei rulli guida

Gli effetti del riscaldamento sono visibili anche negli assiemi in movimento, in cui vengono utilizzati dei rulli guida. Il controllo della temperatura dei sistemi di rulli consente una facile esecuzione della diagnostica o l'individuazione dei singoli rulli, le cui proprietà cinetiche differiscono significativamente dagli altri rulli.

Diagnostica di componenti elettronici e schede PCB

Un'altra importante area di applicazione della diagnostica termica sono i componenti elettronici e le schede PCB. Per via delle ridotte dimensioni dei componenti SMD e THT, il termometro senza contatto ad elevata risoluzione ottica è la soluzione ottimale, e spesso l'unico modo per effettuare la diagnostica termica di schede PCB. Ciò è dovuto alle limitazioni di spazio del luogo di misurazione e del rischio di potenziali corto circuiti elettrici dovuti al contatto della sonda di temperatura con gli elementi eccitati.

Controllo dei circuiti

Misurando la temperatura di circuiti integrati, semiconduttori, condensatori, dissipatori di calore e involucri, è possibile valutare le condizioni tecniche o diagnosticare eventuali comportamenti anomali del circuito, dovuti a temperature anomale dei singoli componenti. Il controllo e la misurazione della temperatura dei dispositivi di potenza a semiconduttore e dei sistemi di raffreddamento a radiatori sono relativamente facili. Parte dei circuiti di potenza a semiconduttori opera a temperature elevate. Queste temperature sono vicine alla temperatura massima ammissibile, ciò per via degli elevati valori delle correnti condotte o delle perdite causate dalla resistenza dei collegamenti. Attraverso la misurazione locale (spot) della temperatura è possibile individuare eventuali collegamenti difettosi, caratterizzati da una maggiore resistenza e da cortocircuiti locali negli elementi isolanti. Inoltre, utilizzando un pirometro, è possibile determinare facilmente la distribuzione della temperatura sulla superficie di radiatori ed involucri, che nei moduli elettronici integrati spesso vengono utilizzati come sistemi di dissipazione del calore.

Valutazione della temperatura di trasformatori, bobine e resistori

Il termometro senza contatto è indispensabile per la stima della temperatura di trasformatori, bobine, resistori ed altri componenti elettronici di forma irregolare, privi di superfici piane e rivestiti con vernici elettroisolanti caratterizzate da un'elevata resistenza al calore, su cui non è possibile eseguire la misurazione utilizzando i classici termometri elettronici. Inoltre l'impiego dei classici termometri dotati di sonde resistive o termoelementi è spesso impossibile durante la misurazione della temperatura di componenti conduttivi che si trovano sotto tensione.

Il pirometro, un modo naturale per assicurare l'isolamento galvanico

La misurazione della temperatura con il pirometro assicura un naturale ed ottimale isolamento galvanico dell'oggetto misurato sotto tensione. Nel corso di tale ispezione può avere luogo il danneggiamento del termometro o episodi di elettrocuzione, dovuti al contatto galvanico del termometro con il circuito elettrico. La misurazione della temperatura senza contatto consente di eliminare questo pericolo e consente di diagnosticare in modo sicuro la temperatura di componenti e sottoassiemi elettrici in condizioni operative, anche in presenza di tensioni molto elevate.

Misurazioni su sostanze chimiche ed in impianti di processo

L'impiego della misurazione della temperatura senza contatto aumenta la sicurezza e riduce il rischio in caso di misurazioni effettuate su sostanze chimiche pericolose e serbatoi, ed impianti di processo in cui tali sostanze vengono trasformate o stoccate. Grazie ai pirometri è possibile limitare l'accesso alle zone pericolose, limitare i dispositivi di protezione diretta ed eliminare costose soluzioni speciali nel campo dei sensori e dei termometri. Ad esempio questo tipo di dispositivi possono essere utilizzati nell'industria petrolchimica, nonché nella produzione e nel confezionamento di sostanze chimiche facilmente infiammabili.

Esame di oggetti di piccole dimensioni

Un'altra area di applicazione dei termometri pirometrici è costituita dalle misurazioni di oggetti di piccole dimensioni e di oggetti in cui il volume e la capacità termica dell'oggetto misurato sono paragonabili alle dimensioni e alla capacità del sensore di temperatura. In questi casi al momento del contatto, a causa della differenza di temperatura tra l'oggetto esaminato ed il sensore, ha luogo un intenso scambio di calore, associato ad una considerevole variazione di temperatura dell'oggetto misurato. Ciò significa che il sensore per contatto (PT100, termocoppia, NTC, a semiconduttore) durante la misurazione raffredda o riscalda molto intensivamente l'oggetto misurato, o modifica la distribuzione locale della temperatura. Tale processo di lunga durata di stabilizzazione della temperatura riduce l'affidabilità e la precisione della misurazione.

Tempo di misurazione in condizioni stabilite

Conoscendo la costante di tempo termica del sensore di temperatura per contatto è possibile determinare il tempo necessario per l'esecuzione della misurazione in condizioni stabilite. Questo intervallo di tempo in pratica corrisponde a 3 o 5 volte la costante di tempo termica. La costante di tempo termica τ del termometro esprime il tempo necessario a raggiungere il 63% del valore totale della variazione. In caso di misurazione con il pirometro, il problema della stabilizzazione del sensore di temperatura non è presente e la misurazione può essere effettuata molto più velocemente, senza tenere conto della costante di tempo termica. L'unico ritardo legato alla misurazione è dovuto al tempo di misurazione del dispositivo, nettamente inferiore rispetto alla costante di tempo termica, che di norma non supera alcune decine di millisecondi.

Misurazione ad infrarossi negli ambienti destinati a magazzino

Un'ampia area di impiego dei termometri ad infrarossi è costituita dalle aree di stoccaggio e di produzione, in cui vigono rigorosi requisiti di temperatura (ambientali). Durante i processi di produzione, di stoccaggio e di trasporto di alimenti e prodotti farmaceutici vigono specifiche raccomandazioni inerenti la temperatura. Queste raccomandazioni inerenti il controllo continuativo, periodico o saltuario della temperatura sono dovute:

• alle norme applicabili (internazionali, nazionali, settoriali, di stabilimento),
• alle "buone prassi" generalmente accettate, come ad es. le buone prassi di fabbricazione, dall'acronimo inglese GMP, o le buone prassi di distribuzione, dall'acronimo inglese GDP,
• agli standard di settore, ad esempio il sistema HACCP per il sistema alimentare, e FARMACOPEA per i prodotti farmaceutici.

I pirometri e l'industria alimentare e farmaceutica

Di norma i termometri senza contatto non sono destinati all'impiego nei sistemi di monitoraggio e registrazione della temperatura utilizzati nell'industria alimentare e farmaceutica. Tuttavia, per via delle caratteristiche di misurazione senza contatto e immediata, vengono utilizzati nelle seguenti situazioni:

• là dove possono verificarsi cambiamenti locali della temperatura, nonché là dove non sono stati installati direttamente termometri convenzionali, ad es.: ampi locali logistici destinati a magazzini, capannoni di produzione,
• in caso di dubbi e necessità di confrontare le misurazioni di diversi termometri,
• nel corso di ispezioni periodiche o occasionali,
• in caso di guasti del sistema di raffreddamento o di monitoraggio della temperatura.

Influsso del coefficiente di emissività sulle misurazioni

Durante le misurazioni condotte con termometri a infrarossi è necessario tener presente che i risultati delle misurazioni saranno tanto accurati, quanto sarà noto il coefficiente di emissività dell'oggetto esaminato. La temperatura effettiva all'interno dell'oggetto e la temperatura media dell'intero oggetto possono essere diverse dalla temperatura dello strato sotto la superficie, e direttamente della superficie, sulla quale viene effettuata la misurazione senza contatto.

Coefficiente di emissività

Taratura dei pirometri

Il controllo e la taratura della misurazione del termometro a infrarossi può essere effettuato confrontando le sue indicazioni con quelle di un termometro di riferimento (il più delle volte un termometro convenzionale con sensore PT100, RTD o termocoppia), e successivamente impostando il valore appropriato del coefficiente di emissività. Un altro modo per migliorare la precisione delle indicazioni è l'impostazione diretta del coefficiente di emissività, se questo è determinabile in modo accurato o è noto. La maggior parte dei pirometri disponibili in commercio consente l'esecuzione di misurazioni nella gamma di valori del coefficiente di emissività da 0,1 a 1. Inoltre gli strumenti di misura sono dotati di funzione di regolazione continua del valore del coefficiente.

Determinazione del valore del coefficiente di emissività

Vale la pena di ricordare che i valori tipici assunti dal coefficiente di emissività per i materiali più comuni sono riportati in tavole e sono ampiamente disponibili. Tuttavia il coefficiente di emissività non dipende solo dal materiale. Molto spesso lo stato di fisico-chimico della superficie dell'oggetto esaminato determina l'efficacia di questo parametro. Ad esempio una superficie in rame lucidato presenterà un coefficiente di emissività inferiore a 0,1, una superficie di rame ossidato presenterà un coefficiente a livello di 0,6 ÷ 0,7, mentre nel caso di una superficie di rame ossidato e ricoperto con una patina, il coefficiente potrà aumentare fino ad assumere il valore di 0,9.

Differenze del valore del coefficiente di emissività

L'ampia gamma di valori assunti dal coefficiente di emissività interessa praticamente tutte le superfici metalliche sottoposte a processi di ossidazione e corrosione, ed all'azione di fenomeni fisici. Le materie plastiche ed i materiali di origine naturale di composizione simile, possono presentare variazioni del coefficiente nell'ordine di alcuni punti percentuale.

Superficie attiva di misura

Il secondo fattore essenziale che si dovrebbe tenere in considerazione durante la misurazione della temperatura con un termometro senza contatto, è la determinazione della superficie attiva di misura, questa è legata alla risoluzione ottica dello strumento di misura. La risoluzione ottica esprime il rapporto tra D (distanza del termometro dall'oggetto esaminato) ed S (diametro del punto di misurazione). Se la risoluzione ottica è pari a 10:1, in tal caso per una misurazione effettuata ad una distanza di 100 mm, il diametro della circonferenza in cui viene effettuata la misurazione è di 10 mm.

Risoluzione ottica

Un'elevata risoluzione ottica aumenta significativamente la capacità di misurazione del termometro, poiché la misurazione è molto selettiva ed avviene su una superficie più piccola. In tal caso non ha luogo il calcolo della media del risultato a seguito della misurazione della temperatura su una superficie vasta. Per misurazioni spot, su superfici molto piccole, vengono utilizzati termometri senza contatto ad alta risoluzione, in cui il rapporto di risoluzione ottica può raggiungere il valore di 100:1.

Riassumendo

Bisogna sottolineare che nel caso dei termometri ad infrarossi è di fondamentale importanza l'alta velocità e la facilità di misura, nonché la natura senza contatto della misurazione. Queste caratteristiche sicuramente contribuiscono a determinare la praticità d'uso dei pirometri.