Relazione Laboratorio - Misure di Temperatura con Termocamera

Laboratorio 8: Misura dell'emissività di un materiale attraverso l'utilizzo di una termocamera

Sommario

Lo scopo del laboratorio è stato quello di determinare l'emissività di due pezzi di scotch (uno di scotch giallo e uno di scotch carta) attraverso l'utilizzo di una termocamera TH7102. Successivamente, calcolare la temperatura dello stesso scotch posizionato in un riscaldatore differente.

Innanzitutto, l'esperienza si svolge sotto le seguenti ipotesi:

• L'ambiente circostante a temperatura uniforme
• La superficie analizzata è lambertiana
• La superficie è completamente opaca
• L'aria non è perfettamente trasparente

La procedura di calcolo dell'emissività si basa sull'uguaglianza delle potenze (la potenza rilevata dalla termocamera deve essere uguale a quella emessa dallo scotch più quella riflessa dallo scotch ad effetto della temperatura dell'ambiente circostante).

L'esperienza prevedeva l'utilizzo di un riscaldatore su cui erano applicati due pezzi di scotch differenti (uno giallo e uno di carta). Quindi si misurava la temperatura degli scotch attraverso una termoresistenza al platino (Pt100). Successivamente si effettua una fotografica degli scotch con la termocamera TH7102, per poi analizzarla con il software INFRARED e determinare la temperatura dello scotch avendo supposto (nel settaggio della termocamera) un'emissività unitaria. Infine, si calcola l'emissività reale degli scotch.

La seconda parte dell'esperienza prevedeva il calcolo della temperatura degli stessi scotch, ma posizionati su un riscaldatore differente. In particolare, occorreva sfruttare l'emissività misurata nella parte precedente.

Introduzione

Teoria minima

La parte dell'esperienza relativa alla termografia (quindi esclusa la parte di misura della temperatura attraverso la termoresistenza) si basa sul principio fisico dell'irraggiamento. La relazione fondamentale è quella di Stefan-Boltzmann che lega la potenza emessa da un corpo alla sua temperatura:

σ = ε × A × T⁴

Dove σ è la potenza, ε è l'emissività globale, A è l'area osservata, σ è la costante di Stefan-Boltzmann e T è la temperatura.

Determinare la potenza alla termocamera

Per determinare quanta potenza arriva alla termocamera occorre tenere conto di due aspetti pratici:

• La potenza riflessa dalla superficie ad effetto della temperatura di background (ovvero la potenza dovuta alla riflessione della radiazione dell'ambiente circostante).
• La schermatura dell'aria (ovvero l'aria assorbirà parte della potenza emessa e parte della potenza riflessa).

Analisi del primo punto

Dalla conservazione dell'energia si ha che ε + ρ + τ = 1 (ovvero la radiazione di un corpo si divide nella parte emessa, riflessa e trasmessa). Dove ε è l'emissività, ρ è la riflessività e τ è la trasmissibilità.

Dato che si sta lavorando sotto l'ipotesi di superficie opaca, si ha che τ = 0, quindi tutta la potenza che deriva dalla superficie è o riflessa o emessa, ovvero ε + ρ = 1.

La potenza riflessa è quindi:

σ_riflessa = (σ × ρ) × T_BK⁴

Dove T_BK è la temperatura dell'ambiente circostante.

Analisi del secondo punto

L'aria non è un mezzo perfettamente trasparente, quindi τ_aria ≠ 1. Usando l'ipotesi che la riflessività dell'aria è praticamente nulla, ρ_aria ≈ 0, si ha che τ_aria = 1 - ε_aria. Quindi la parte di potenza trasmessa è:

σ_trasmessa = [ τ_aria × (ε × T⁴) ]

Mentre la parte emessa dall'aria è:

σ_emessa = ε_aria × T_aria⁴

In conclusione, la potenza rilevata dalla termocamera è:

σ_termocamera = [τ_aria × (ε × T⁴)] + σ_emessa

In genere, se si opera in condizioni normali e a distanze di 1 o 2 metri, si può trascurare l'effetto dell'aria in quanto:

• Essendo la distanza limitata, l'effetto schermante dell'aria è limitato.
• Dato che gli strumenti lavorano nel campo di lunghezze d'onda che vanno da 8 a 14 μm, non vengono considerate le lunghezze d'onda della CO₂ (3.3 μm) e del vapore acqueo (2.7 μm) che sono le cause principali.