Relazione di laboratorio misure meccaniche e termiche: Termocamera

ELABORATO

Saranno utilizzati durante l'esperimento i seguenti strumenti:

 Una termocamera FLIR B335 (datasheet allegato) e software di acquisizione dati Flir

Tools+.

 Due riscaldatori a differenti temperature rivestiti di scotch Kapton e scotch di carta.

 Un termometro a resistenza di platino SPRT (datasheet allegato) e un multimetro.

Prima di procedere devono essere fatte le seguenti ipotesi

 La trasmissibilitá dell'aria sará ipotizzata ideale uguale a 1.

 I misurandi verranno modelizzati come corpi grigi a emissivitá costante.

 La temperatura ambiente sará considerata omogenea e costante.

 L’emissività dei corpi sarà ipotizzata come nulla.

Trartura della termocamera:

Si procede con la rilevazione della temperatura sul riscaldatore usando il termometro a resistenza al

platino. In uscita otteniamo una variazione di resistenza pari a 120,7 Ω. Tramite la sensibilità nota

del termometro risaliamo al valore della temperatura del riscaldatore e alla sua incertezza:

53,4 ± 0,2 °C.

Inizialmente viene imposta un’emissività pari a 1 sulla termocamera e attraverso la tessa è stata

scattata un’immagine termica del riscaldatore. La foto viene poi processata sul software di

acquisizione ricavando la temperatura media di 10 punti campione sullo scotch di Kapton (tabella 1)

e la temperatura media di 10 punti del background (tabella 2 ). 2

Effettuiamo ora il bilancio delle potenze attraverso la legge di Boltzmann:

L’ambiente incide sull’emissione del corpo preso in considerazione, quindi abbiamo inserito il

termine di correzione legato alla temperatura di background. "ε termocamera 1" è l’emissività

impostata sulla termocamera che per la calibrazione viene impostata pari a 1. Note le temperature,

espresse tutte in Kelvin, si può ricavare l’emissività del materiale con la seguente formula:

La nostra termocamera applica ad ogni immagine una correzione automatica sull’ambiente

circostante con una temperatura ambiente che misura con un suo termometro interno, di

conseguenza è necessaria una correzione sulla temperatura di background. La temperatura ambiente

che misura la termocamera è chiamata “Temperatura Rifl", che nel nostro caso vale 24.8°C. La

correzione fatta dalla termocamera è descritta dalla relazione:

I termini che compaiono nella formula sono:

 "T indicata parete": lettura riportata in tabella 2 fatta dalla termocamera sull’immagine della

parete

 "ε termocamera 2" :emissività impostata alla termocamera perl’immagine in questo caso

pari a 0,94

 "T oggettiva parete" è la temperatura di background da inserire nella (2).

La correzione è necessaria solo sulla misurazione della parete poiché l'emissivitá impostata sulla

termocamera é stata impostata diversa da 1 per difficoltá tecniche.

Il valore della "T oggettiva parete" risulta 21,3 °C. Adesso si può ricavare ε dell'oggetto, pari a 0,94

per lo scotch di Kapton. L’emissività dello scotch di Kapton senza questa correzione fatta alla

temperatura di background è 0,93.

Inserendo il valore dell’emissività ricavato nella formula (1), possiamo risalire al valore della

3

temperatura dell’oggetto isolando Togg:

Il risultato deve coincidere con il valore dato dal termometro di platino. Inserendo i nostri dati si ha

un risultato coincidente di 53,4 °C. Con i dati dell'emissivitá non corretta (0,93) si otterrebbe

una temperatura calcolata pari a 53,6 °C.

il medesimo procedimento viene effettuato con lo scotch di carta. Le temperature dello scotch di

carta applicato sul riscaldatore campione sono riportate in Tabella 3 mentre le temperature della

parete rimangono invariate (tabella 2) .

Facendo le stesse operazioni anche con lo scotch ti carta si ottiene

un’emissività pari a 0.93. Senza la correzione fatta sulla temperatura di

background abbiamo invece un'emissivitá di 0.92. Con la prima emissività

ricaviamo una temperatura di 53.4 °C, mentre con l’emissività non corretta risulta

essere 53.7 °C.

Effettuata la taratura della termocamera la possiamo utilizzare per ricavare la temperatura di un

secondo riscaldatore. Scattiamo un’immagine termica del secondo riscaldatore rivestito di scotch di

carta e Kapton. Possiamo quindi misurare la sua temperatura tramite la (4) senza mai entrare

in contatto con esso. I dati ottenuti dalla termocamera sono riportati in tabella. 4

Inserendo nella formula 4 la media dei dati riportata in tabella e tenendo conto che l’immagine 2 è

stata ottenuta con un'emissivitá pari a 0,94 si ottengono i valori della temperatura:

 Scotch di Kapton 49,89 °C.

 Scotch di carta rispettivamente 49.39 °C.

Con gli ε non corretti si ottengono:

 Scotch di Kapton 50,9 °C.

 Scotch di carta 49.60 °C.

RISULTATI

Si passa ora al calcolo delle incertezze strumentali:

Nel datasheet della termocamera utilizzata si legge una accuratezza di 2 °C di conseguenza

l’incertezza tipo sarà: 2/√3 = 1,15 °C

L’incertezza tipo della misura fatta dal termometro di platino è di ±0,2 °C per la misurazione

effettuata. Per la misurazione della temperatura riflessa la risoluzione è pari a 0,1 °C, calcoliamo

pertanto un'incertezza di tipo B : 0.1/2√3 = 0,029 °C

Per capire gli errori che si commettono usando questo procedimento procediamo con il calcolo delle

incertezze. Calcoliamo prima l’incertezza della temperatura di background:

Troviamo un ordine di grandezza tra le incertezze assolute della temperatura riflessa (0.058), e della

termocamera, il loro peso nella temperatura di background le porta ad una differenza di tre ordini di

grandezza. Infatti poiché il valore di ε nel nostro caso è prossimo a 1, il fattore tende a 0 e

l’incertezza legata al contributo della riflettività del muro è quindi molto bassa e trascurabile.

Calcoliamo ora l’incertezza sull'emissivitá calcolata dell'oggetto: 5

L’ordine di grandezza più grande è quello delle incertezze delle misurazioni legate alla

termocamera. Le incertezze della temperatura dell'oggetto e del background hanno lo stesso ordine

di grandezza che però è inferiore a quello della termocamera. A differenza della misurazione

dell’incertezza del background, nella misurazione dell’incertezza dell'emissivitá, il contributo della

temperatura assoluta letta dalla termocamera incide di una quantità meno che lineare.

L’incertezza assoluta risultante della ε dell'oggetto è un valore migliore rispetto alle

incertezze sulle ε: l’incertezza relativa è del 4,2% nel caso dei due scotch usati. Tuttavia questa

considerazione è valida per emissivitá alte come nel nostro caso, infatti se il valore dell’incertezza

relativa salisse (per un valore ad esempio di 0,2, l’incertezza sarebbe stata del 20%).

Si può ora analizzare l’incertezza sulla misura di Temperatura del secondo riscaldatore:

I fattori che influenzano maggiormente l’incertezza sulla temperatura dell’oggetto sono quelli

relativi all'emissivitá dell'oggetto e alla temperatura rilevata dalla termocamera, i quali dipendono

entrambi dall’accuratezza della termocamera stessa. Si nota dai risultati ottenuti che la correzione

effettua sulla temperatura di background è ininfluente. Ricordando infatti che le temperature sul

secondo riscaldatore per lo scotch Kapton e di carta risultavano rispettivamente 49.89 °C e 49.39 °C

(50,9 °C e 49,6 °C non corretti), da ciò si nota che le misure corrette e non corrette sono compatibili

secondo la normativa UNI 4546. Confrontiamo su un grafico qualitativo le fasce di valori: 6

Vediamo che le fasce di misura hanno dei punti in comune, di conseguenza le misure sono

compatibili.

CONCLUSIONI

Lo scopo dell'esperimento era riuscire ricavare e una misura della temperatura di un oggetto senza

entrare in contatto diretto con esso. Analizzando l’immagine termica con il software Flir si ottiene

una misura poco accurata. Siamo passati quindi al calcolo delle emissività dei diversi materiali ed

elaborato i dati ottenuti dalla termocamera minimizzando l’errore.

Il peso piú influente sull’incertezza della misurazione è quello relativo alla termocamera, di

conseguenza è un aspetto fondamentale da tenere in considerazione quando si sceglie lo strumento.

Le misure corrette dai fattori di disturbo ambientali sono compatibili con quelle non corrette, di

conseguenza la correzione sulla temperatura di background é poco influente. La correzione

sull'emissivitá impostata invece risulta fondamentale, infatti nonostante l'emissivitá in oggetto sia

risultata molto alta, la misura rilevata dalla termocamera e quella corretta non sono compatibili. 7