Che cos'è una termocamera, a cosa serve, come funziona e le tipologie di termocamera sul mercato

Una termocamera è un dispositivo che cattura e crea un'immagine di un oggetto usando la radiazione infrarossa emessa dall'oggetto, in un processo chiamato imaging termico. L'immagine creata rappresenta la temperatura dell'oggetto. 

Breve storia della termografia dall'esperimento di Herschel in poi

Sia la radiazione infrarossa che la luce visibile fanno parte dello spettro elettromagnetico, ma a differenza della luce visibile, la radiazione infrarossa non può essere percepita direttamente con gli occhi umani. Il che spiega perché una termocamera non è influenzata dalla luce e può dare un'immagine chiara di un oggetto anche in un ambiente buio.

La tecnologia di base delle termocamere è stata inizialmente sviluppata per i militari. Tuttavia, l'invenzione della termocamera non sarebbe stata possibile senza la storia della termografia, che si può convenzionalmente far risalire al 1800, anno in cui l'astronomo Sir William Herschel scoprì la luce infrarossa, con un esperimento ingegnoso quanto semplice.

Fece infatti passare la luce solare attraverso un prisma, ottenendo così la luce divisa nelle varie bande dello spettro visibile. Passò poi un termometro al mercurio in ciascun colore, per misurare il contributo al calore di ciascun colore. Notò che la temperatura aumentava andando dal blu al rosso ma, aspetto ancora più sorprendente, la temperatura aumentava ancora di più ponendo il termometro oltre il rosso, dove non c'era luce visibile. Questo lasciava teorizzare l'esistenza di un'ulteriore contributo di luce non visibile che era in grado di trasportare ancora più energia, l'infrarosso appunto.

Nel 1860, l'astronomo americano Samuel Pierpont Langley inventò il bolometro che è un dispositivo che misura le radiazioni infrarosse o termiche. E nel 1929, Kálmán Tihanyi, fisico ungherese inventa una telecamera elettronica sensibile agli infrarossi in grado di catturare immagini termiche.

Come funziona una termocamera?

L'imaging termico consiste nel convertire la luce infrarossa in segnali elettrici e creare un'immagine usando tali informazioni. Questa tecnologia era rivoluzionaria qualche anno fa ma oggi è di uso comune in molteplici campi. Ma Come funzionano una termocamera?

Gli standard odierni permettono la misurazione della temperatura tramite la termocamera che mostra gli oggetti più caldi con una tonalità giallo-arancione che diventa più luminosa quando l'oggetto diventa più caldo. Gli oggetti più freddi vengono visualizzati con un colore blu o viola.

La luce infrarossa ha una lunghezza d'onda che inizia a circa 700 nanometri e si estende a circa 1 mm.  Le lunghezze d'onda più corte di questa iniziano ad essere visibili ad occhio nudo. Le termocamere utilizzano questa energia a infrarossi per creare immagini termiche. 

La telecamera focalizza l'energia a infrarossi su una serie di rivelatori che creano un modello dettagliato chiamato termogramma. Il termogramma viene quindi convertito in segnali elettrici per creare un'immagine termica che possiamo vedere e interpretare.

Le termocamere funzionano come normali fotocamere digitali: hanno un'area di avvistamento, il cosiddetto campo visivo ( FOV, Field Of View ), che in genere può variare tra 6° per un'ottica telescopica e 48° per un'ottica grandangolare. 

La maggior parte delle ottiche standard ha un FOV di 23°. Più lontano l'oggetto è lontano, più ampia sarà l'area osservata. Ma sta aumentando anche la parte dell'immagine che rappresenta un singolo pixel. 
Il vantaggio è che la densità di radiazione è indipendente dalla distanza pertanto le misurazioni della temperatura non sono influenzate dalla distanza dell'oggetto da misurare. 

Quali sono i componenti di una termocamera

L'ottica

La radiazione di calore può essere focalizzata solo con ottiche in germanio, leghe di germanio, sali di zinco o con specchi di superficie. Queste ottiche rivestite rappresentano ancora un fattore di costo significativo nelle termocamere rispetto alle normali ottiche prodotte in grandi volumi per la luce visibile.

Sono progettati come tre lenti sferiche o come disposizioni asferiche di due lenti. Soprattutto per le fotocamere con ottica intercambiabile, ogni ottica deve essere calibrata per ogni singolo pixel per ottenere misurazioni corrette.

Matrice di rilevatori - Focal Plane array (FPA)

In quasi tutti i sistemi termografici utilizzati in tutto il mondo, il cuore di queste telecamere è una matrice di rilevatori detta array sul piano focale (FPA), un sensore di immagine integrato con dimensioni da 20.000 a 1 milione di pixel.

Ogni pixel è un bolometro big micro da 17 x 17 μm 2 a 35 x 35 μm 2. Questi rivelatori termici spessi 150 mm sono riscaldati dalla radiazione termica entro 10 ms a circa un quinto della differenza di temperatura tra temperatura dell'oggetto e del chip.

Questa sensibilità estremamente elevata è ottenuta da una bassissima capacità termica in connessione con un superbo isolamento del circuito di silicio e dell'ambiente esterno. 

Come funziona l'imaging termico

La lente speciale focalizza la luce infrarossa emessa da tutti gli oggetti in vista. La luce focalizzata viene scansionata da una serie di elementi rivelatori a infrarossi.

Gli elementi del rivelatore creano un modello di temperatura molto dettagliato chiamato termogramma. Ci vuole circa un trentesimo di secondo affinché l'array di rivelatori ottenga le informazioni sulla temperatura per realizzare il termogramma. Questa informazione è ottenuta da diverse migliaia di punti nel campo visivo dell'array di rivelatori.

Il termogramma creato dagli elementi del rivelatore è tradotto in impulsi elettrici. Gli impulsi vengono inviati a un'unità di elaborazione del segnale, ovvero un circuito stampato con un chip dedicato che traduce le informazioni dagli elementi in dati per la visualizzazione.

L'unità di elaborazione del segnale invia le informazioni al display, dove appaiono come vari colori a seconda dell'intensità dell'emissione infrarossa. La combinazione di tutti gli impulsi di tutti gli elementi crea l'immagine.

Tipi di dispositivi di imaging termico

La maggior parte dei dispositivi di imaging termico esegue la scansione a una velocità di 30 volte al secondo. Sono in grado di rilevare temperature che variano da -4 gradi Fahrenheit (-20 gradi Celsius) a 3.600°F (2.000°C) e normalmente possono rilevare variazioni di temperatura di circa 0,4°F (0,2°C).

Esistono due tipi comuni di dispositivi di imaging termico nelle termocamere disponibili in commercio:

• Imaging termico non raffreddato: questo è il tipo più comune di dispositivo per imaging termico. Gli elementi del rivelatore a infrarossi sono contenuti in un'unità che funziona a temperatura ambiente. Questo tipo di sistema è completamente silenzioso, si attiva immediatamente e ha la batteria integrata.
• Imaging termico raffreddato: questi dispositivi sono più costosi e più suscettibili ai danni causati da un uso intenso, perché questi sistemi hanno gli elementi sigillati all'interno di un contenitore che li raffredda al di sotto di 32 F (zero °C). Il vantaggio di un tale sistema è l'incredibile risoluzione e sensibilità che derivano dal raffreddamento degli elementi. I sistemi con raffreddamento criogenico possono "vedere" una differenza minima di 0,2 F (0,1 C) da più di 300 m di distanza.

Quali sono le applicazioni delle termocamere

Come anticipato l'ambito di applicazione delle termocamere è davvero enorme. Questi dispositivi vengono utilizzati in tutti quei contesti dove il rilevamento della temperatura è fondamentale. Vediamo qualche esempio.

In ambito ambito industriale sono usate per :

• Riscaldamento di componenti elettrici difettosi;
• Attrito nei motori o nelle macchine elettriche;
• Oneri di squilibrio;
• Perdite o blocchi nei tubi;
• Collegamenti elettrici errati;
• Previsione di potenziali incendi o danni;
• Sovraccarico di circuiti elettrici;
• Livelli in depositi;
• Punti critici nei tubi;
• Reazioni chimiche pericolose.

In edilizia e nelle costruzioni le termocamere trovano impiego per:

• Efficienza energetica;
• Perdite di calore;
• Umidità;
• Scarso isolamento;
• Perdite d'acqua;
• Distribuzione della temperatura negli impianti di riscaldamento.

Nell'ambito della sicurezza, le termocamere sono usate ad esempio per:

• Rilevamento di esseri viventi in situazioni di emergenza (frana, terremoto …);
• Rilevazione di possibili incendi;
• Rilevamento di clandestini sui valichi di frontiera;
• Perimetro di sicurezza;
• Infestazioni di animali;
• Osservazione della fauna selvatica e attività all'aperto.