Guida alla Sensibilità termica

Tutti gli oggetti che hanno una temperatura superiore allo zero assoluto emettono calore. Le lunghezze d'onda dell'infrarosso sono troppo lunghe per essere rilevate dall'occhio umano; fanno invece parte dello spettro elettromagnetico che l’uomo percepisce come calore.

La termografia a infrarossi è una tecnologia senza contatto che misura e "rende visibili" le lunghezze d'onda dello spettro infrarosso emesse dagli oggetti. In poche parole, converte le informazioni sulla temperatura in un'immagine. L'immagine appare come una tavolozza di colori, ciascuno dei quali rappresenta un intervallo di temperatura specifico dell'immagine visualizzata. I punti caldi, o un aumento di temperatura, spesso indicano problemi o potenziali guasti.

Le termocamere sono strumenti che si basano completamente sulla termografia poiché misurano e memorizzano le temperature in ogni punto dell'immagine. Il sistema di imaging termico è un metodo di misurazione molto efficiente e sicuro ed i vantaggi della termografia hanno un impatto in vari ambiti applicativi, da quello industriale a quello scientifico e medicale.

L'integrazione della termografia in un programma di manutenzione predittiva può far risparmiare sui costi, individuando potenziali guasti e punti caldi che potrebbero causare dispendiosi tempi di fermo della produzione, interruzioni di corrente e incendi. La termografia fornisce inoltre misurazioni rapide e accurate di oggetti difficili da raggiungere, in movimento, molto caldi e pericolosi al contatto.

Esiste tuttavia una specifica tecnica critica per la termografia, fondamentale per la selezione di una termocamera: la sensibilità termica (NETD).

La sensibilità termica, nota anche con la sigla inglese NETD (noise equivalent temperature difference), misura la più piccola differenza di temperatura che una termocamera può rilevare in presenza di rumore del circuito elettronico. In altre parole, grazie ad una sensibilità termica adeguata, una fotocamera può distinguere gli oggetti in una scena che hanno una differenza di temperatura minima tra loro.

La sensibilità termica è misurata in milliKelvin (mK), dove mK significa millesimi di grado Kelvin (80 mK = 0,080 K).

Le termocamere con un valore NETD basso, rileveranno differenze di temperatura minori e forniranno immagini a risoluzione più elevata e con maggiore precisione. Le fotocamere termiche più sensibili sono quelle con i valori all'estremità inferiore della scala. Ad esempio, i dispositivi con sensibilità termica pari a 50 mK sono circa 4 volte più sensibili rispetto a quelle con NETD di 200 mK. Le termocamere più sensibili (50 mK) sono in grado di fornire una differenza di temperatura più ampia, con il risultato che vengono visualizzati più colori a display. L’immagine termica sarà quindi una mappatura con diverse aree di calore e rappresenterà una preziosa fonte di informazioni per l’utente.

La sensibilità termica indica la capacità di un rilevatore di immagini termiche di distinguere tra differenze molto piccole presenti nella radiazione termica. Questo parametro generalmente viene anche indicato come NETD o come “contrasto termico”. Quando il rumore è equivalente alla minima differenza di temperatura misurabile, il rivelatore ha raggiunto il limite della sua capacità di risolvere un segnale termico utile. Maggiore è il rumore, maggiore è il valore NETD del rilevatore.

I valori tipici per le termocamere con rivelatore microbolometrico non raffreddate sono dell'ordine di 45 mK. Le telecamere scientifiche con rivelatori a base di fotoni e raffreddati criogenicamente possono raggiungere valori NETD di circa 18 mK. Il valore di misurazione del rumore deve essere specificato a una particolare temperatura dell'oggetto, poiché ciò influisce sulla misurazione. Una tipica dicitura è ad esempio: NETD @ 30C: 60 mK o anche NETD a 30 °C: 80 mK

Se si registra una stessa scena con due diverse telecamere, una con un NETD di 60 mK e l’altra con un valore di 80 mK, le aree dell'immagine con temperatura molto bassa mostrano molto più rumore rispetto all'immagine scattata con fotocamera da 80 mK. Una differenza di 20 mK non sembra molto, ma ha un impatto potenzialmente enorme sulla qualità dell'immagine e sulla precisione della misurazione.

Le termocamere utilizzate nell’ambito dell’edilizia aiutano i periti a rilevare problemi nel rivestimento di un edificio dovuti ad esempio all’umidità, al cattivo isolamento termico o energetico, alla ventilazione. Questi apparecchi sono ideali per dare informazioni su potenziali danni all'interno di un edificio. Ma per scegliere la termocamera per edilizia più adatta, è importante prestare attenzione al valore di sensibilità termica in mK, così come viene specificato nelle caratteristiche tecniche del produttore. NETD più elevati permettono di poter rilevare anche piccole differenze di temperatura, come richiedono le misure effettuate sulle facciate degli edifici.

Ci sono diversi fattori che possono influenzare il parametro NETD. Le termocamere a volte vengono fornite calibrate con più di un intervallo di misurazione della temperatura. La lettura del rumore può variare in base all'intervallo selezionato e anche alla temperatura dell'oggetto. Finché c'è un contrasto termico significativo nell'immagine e la temperatura di interesse è molto più alta della temperatura di sfondo, ciò non influirà molto sulla precisione della misura.

Il livello di rumore può anche essere influenzato dalla temperatura del rilevatore e/o della telecamera. Se la fotocamera è esposta a una temperatura ambiente elevata, il rumore del sistema potrebbe aumentare. Dipende da quanto bene la fotocamera è stabilizzata internamente.

Un'altra variabile che può influenzare il valore NETD è il f-stop dell'obiettivo. Il parametro f-stop, o apertura dell'obiettivo, determina come la radiazione termica raggiunga il rilevatore. Generalmente, un f-stop basso porterà a un miglior valore di rumore.

In generale è possibile riconoscere il rumore temporale di un'immagine come un effetto neve, meglio visibile quando l'intervallo di temperatura è impostato su un valore molto piccolo.

Ecco un esempio di rumore temporale:

Una videocamera mostra il rumore a bassi livelli di luce proprio come una termocamera a infrarossi lo visualizza a bassi livelli di temperatura.

Le termocamere con rilevatore raffreddato offrono alcuni vantaggi rispetto alle termocamere con rilevatore non raffreddato anche se sono più costose. Una moderna termocamera raffreddata dispone di un sensore di imaging integrato con un crio-raffreddatore, che abbassa la temperatura del sensore a temperature criogeniche. Questa riduzione della temperatura del sensore è necessaria per ridurre dalla scena che viene ripresa il rumore indotto termicamente a un livello inferiore a quello del segnale.

I criorefrigeratori hanno parti mobili realizzate con tolleranze meccaniche estremamente sottili, che si consumano nel tempo per cui è necessaria una ricostruzione del sistema raffreddante dopo 10.000-13.000 ore di funzionamento.

Quando è meglio usare termocamere raffreddate per applicazioni di ricerca e sviluppo? Dipende dall'applicazione.

Per vedere le minime differenze di temperatura, per avere la migliore qualità d’immagine o applicazioni veloci / ad alta velocità, se è richiesto di misurare la temperatura di un target molto piccolo, se si desidera sincronizzare la termocamera con altri dispositivi di misurazione, sono tutti esempi di applicazioni in cui una termocamera raffreddata è lo strumento ideale da utilizzare.

Le termocamere raffreddate hanno dunque una maggior sensibilità termica.

Ma come si fa a percepire effettivamente la differenza di resa di una termocamera non raffreddata con sensibilità di 50 mK rispetto a una termocamera con sensibilità di 20 mK? Per tali dimostrazioni è possibile eseguire dei test di sensibilità, ad esempio mettendo una mano su un muro per alcuni secondi per creare un'impronta termica.

Se si confrontano le immagini dell'impronta immediatamente dopo la rimozione dal muro e quella relativa ai due minuti seguenti, ci si accorge che la fotocamera raffreddata può ancora vedere la maggior parte della firma termica dell'impronta della mano (striscia viola in figura in basso), mentre la telecamera non raffreddata mostra solo i resti parziali dell'impronta (striscia verde in figura in basso). La telecamera raffreddata è chiaramente in grado di rilevare differenze di temperatura minori e per periodi più lunghi rispetto alla telecamera non raffreddata. Ciò significa che la fotocamera raffreddata fornisce dettagli migliori e aiuta a rilevare anche le più deboli anomalie termiche.

Photo credits: Flir

Oltre alla risoluzione ottica di una termocamera a infrarossi, anche la sua risoluzione termica o sensibilità termica gioca un ruolo importante nella misurazione della temperatura. In inglese, il livello di sensibilità termica è denominato Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) e rappresenta un parametro importante di cui tener conto per la scelta della propria termocamera. Un numero NETD basso significa:

• avere una buona immagine, facile da capire
• mettere a fuoco meglio la fotocamera
• identificare meglio gli oggetti nell'immagine IR
• realizzazione di rapporti dall'aspetto più professionale con immagini migliori

Il valore NETD, che di solito è indicato in mK, è il risultato del rumore del rivelatore a infrarossi, come suggerisce il termine inglese, e cambia con la temperatura target: all'aumentare della temperatura dell'oggetto, il parametro diminuisce (migliore sensibilità) mentre maggiore è l'intervallo di temperatura e maggiore è il valore NETD. Minore è il rumore (e quindi il valore NETD) del rilevatore, minori saranno le differenze di temperatura che possono essere rilevate dalla termocamera.

Lo standard per le specifiche NETD è per una temperatura dell'oggetto pari a 30 °C. Nell'industria, una risoluzione termica di 100 mK è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. Non esistono linee guida industriali per quanto riguarda i valori minimi. La misura del valore NETD è specificata nello standard VDI 5585.

In ogni caso, la sensibilità termica può essere verificata consultando le specifiche tecniche del costruttore della termocamera.