Termometri laser a infrarossi... Pirometri... Come funzionano e cosa non possono misurare

Li chiamano in tanti modi: termometri laser, termometri ad infrarossi, termometri a distanza, pirometri. Tanti modi diversi per indicare uno strumento per misurare la temperatura di un oggetto senza doverlo necessariamente "toccare". Tutto bellissimo vero? Per chi già utilizza questa tipologia di strumenti, forse sarà già capitato di misurare la temperatura con un termometro a infrarossi e rilevare con stupore che la stessa misura fatta con un termometro tradizionale a contatto da un valore diverso... Niente panico e non preoccupatevi. Non c’è nulla di strano, bisogna solo osservare alcune regole di base particolari rispetto la classiche misure a contatto, per evitare clamorosi errori di misura.

In questo articolo vedremo insieme quali regole seguire e le applicheremo a degli esempi di misurazione ma prima di tutto… un po’ di teoria!

Cos'è una radiazione termica?

Il calore, o più precisamente la radiazione termica è una radiazione elettromagnetica emessa dalla superficie di un oggetto ed è causata dalla sua temperatura. Durante la dispersione è possibile misurare l’energia portata da queste onde elettromagnetiche permettendoci quindi misurare la temperatura senza toccare il corpo interessato.

Ogni oggetto emette una radiazione elettromagnetica e l’intensità di questa radiazione dipende dalla emissività del materiale (più avanti vedremo qualche esempio). Quando si va ad effettuare una misurazione con lo strumento, oltre che a rilevare la radiazione emessa dall'oggetto, si rileverà anche la radiazione riflessa e trasmessa dal corpo. Ogni materiale ha una propria capacità di riflettere le radiazioni o di farle passare attraverso alterando così la misurazione dello strumento. La somma di queste 3 caratteristiche formano il 100% delle radiazioni elettromagnetiche in uscita dall'oggetto.

Un oggetto nero è l'elemento ideale da misurare perchè assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterla e re-irradia tutta l'energia assorbita.

Come fa lo strumento a misurare la temperatura corretta?

Ogni strumento di misurazione ha incorporato un processore che ha il compito di analizzare radiazioni in uscita dal corpo e calcolare la temperatura reale.

Per farlo utilizzano una formula simile a questa:

  • Sw è il segnale effettivo misurato dallo strumento  
  • Sm è il segnale ricevuto dal sensore dello strumento
  • Su è la temperatura dell’ambiente dello  strumento   
  • ε è l’emissività del materiale
  • L’emissività è un valore costante, varia in base al tipo di materiale e il valore è sempre compreso tra 0 e 1.

    Il segnale effettivo (Sw) misurato dallo strumento verrà poi elaborato secondo una funzione in modo da fornire la temperatura del corpo misurato.

    Come si può intuire dalla formula l’emissività recita un ruolo importante sul calcolo finale della temperatura e se non si è a conoscenza di questo valore c’è la possibilità di effettuare misurazioni errate.

    Vediamo insieme qualche esempio:

    Esempio 1:

    Oggetto di misura (pizza, surgelata T= -22 °C), Emissività = 0,92.

    • Misura a infrarossi alla temperatura ambiente di 22 °C
    • Emissività impostata in modo permanente di 0,95
    • Display dello strumento di misura a infrarossi: -21 °C

    Ciò significa che il display dello strumento di misura non è corretto di circa 1 °C ed è un errore tollerabile.

    Esempio 2:

    Oggetto di misura (piastra di ottone ossidato, T= +200 °C), Emissività = 0,62

    • Misura a infrarossi alla temperatura ambiente di +22 °C
    • Emissività impostata di 0,70
    • Display dello strumento di misura a infrarossi: +188 °C

    Ciò significa che il display dello strumento di misura non è corretto di circa 12 °C ed è un errore non tollerabile.

    Ci sono altri possibili errori di misurazione?

    La risposta è sì e di seguito vedremo i principali errori che portano a misurare una temperatura sbagliata.

    Il primo (ed il più importante) lo abbiamo visto in precedenza e riguarda l’emissività. Se impostata non correttamente può portare ad errori di lettura considerevoli.

    Un altro errore che incide nella lettura è composto dalle variabili di disturbo che si inseriscono tra lo strumento e il corpo da misurare. Si pensi ad esempio alla polvere, essendo la misurazione a infrarossi una misurazione di superficie, se il corpo da misurare è coperto di polvere o di sporco, lo strumento tenderà a rilevare il segnale proveniente dalla polvere piuttosto che dal corpo. Alla stessa maniera anche la pioggia, il vapore ed eventuali gas possono incidere sulla rilevazione. È importante quindi assicurarsi che il luogo dove si effettua la misurazione sia privo di questi disturbi altrimenti bisogna tenere in considerazione che potrebbero esserci delle differenze tra la temperature reale dell’oggetto e la temperatura mostrata dallo strumento. Oltre che l’ambiente è consigliato controllare che la lente dello strumento e il corpo da misurare siano pulite.

    Come abbiamo visto in precedenza, lo strumento per calcolare il segnale effettivo misurato prende come riferimento la temperatura dell’ambiente. Per farlo lo strumento è dotato di sensori di temperatura a contatto e se la temperatura dell’ambiente dove si effettua la misura è differente dalla temperatura dell’ambiente dove era riposto lo strumento, ci vorrà del tempo prima che i sensori aggiustino la temperatura di riferimento per il calcolo del segnale effettivo. Anche se non di molto questo aspetto incide sulla misurazione finale.

    Vediamo infine l’ultimo tra i più importanti errori che incidono sulla temperatura misurata. Come abbiamo visto in precedenza ogni oggetto ha un valore di emissività, di trasmissione e di riflessione delle radiazioni. Essendo le radiazioni invisibili all’occhio umano, a volte è possibile che il corpo che misuriamo stia riflettendo (o trasmettendo) delle radiazioni provenienti da una fonte esterna senza che ce ne accorgiamo. Queste fonti spesso sono elementi termici, unità di raffreddamento o luci, sono tutte quelle fonti che emettono caldo o freddo. Per fare un esempio pratico se si misura la temperatura del pavimento sotto una grossa luce con del materiale riflettente (ad esempio una plafoniera in metallo) si rileverà una temperatura più elevata rispetto a una misurazione dello stesso pavimento dove non c’è la luce sopra. Questo succede perché il pavimento tenderà a riflettere le radiazioni della luce.

    Ma quando vale la pena usare questo tipo di misurazione?

    I termometri infrarossi (anche detti pirometri) permettono di misurare la temperatura senza che ci sia un contatto tra il termometro e l’oggetto da misurare e quindi sono fondamentali in tutte quelle applicazione dove i termometri convenzionali non possono essere usati. Per fare degli esempi i pirometri sono molto utili nel caso di oggetti in movimento come rulli o nastri trasportatori, oppure nel caso la temperatura da misurare sia superiore a quella che un sensore normale può tollerare, o in tutte quelle situazione dove la rilevazione della temperatura senza contatto è necessaria per evitare delle contaminazioni o possibili pericoli come l’alta tensione.

    Posso usare un termometro a infrarossi per uso generico per misurare la febbre?

    Secondo il parere di esperti e operatori nel settore medicale, la modalità più affidabile per misurare la febbre è quella di misurarla con un termometro a contatto (vetro o digitale) sotto le ascelle, in bocca sotto la lingua e per via rettale.

    Altre modalità di misura della febbre effettuata con termometri ad infrarossi senza contatto in altre parti del corpo, come quella nell’orecchio (temperatura timpanica) o sulla fronte, danno risultati diversi dalle aree precedenti (mediamente più bassi di 0,8-1,0°C) perché sono maggiormente influenzabili da fattori ambientali esterni che possono inficiare l’attendibilità e la ripetibilità delle misure. Inoltre, come avrete già capito, più scuri sono gli oggetti più accurata sarà la misura. I normali termometri ad infrarossi sono calibrati per un'emissività dell'85% circa. In altre parole, per oggetti più scuri, più vicini al nero. I termometri ad infrarossi medici sono invece tarati su un "colore medio" della pelle più chiaro. Si tratta sempre di misurazioni aprossimative.

    Attenzione: questo non significa che i termometri ad infrarosso siano poco precisi, ma se l'intento è quello di discriminare velocemente persone sane da quelle con la febbre a distanza, dobbiamo utilizzare una modalità e un approccio diverso perchè la soluzione ottimale è quella del confronto.

    Ecco alcuni suggerimenti per un utilizzo corretto:

    • Effettuate le misure in condizioni più omogenee possibile. Per esempio, nel caso di visitatori esterni, cercate di misurarli nelle stesse condizioni ambientali.
    • Misurate sempre la stessa parte del corpo. Meglio con una superfice più ampia come la fronte.
    • Misurate ad una distanza minima adeguata al valore del D:S (Distance to Spot) del vostro termometro ad infrarossi. Più basso è il valore del rapporto D:S più vicini dovrete essere alla superfice da misurare.
      • Con un termometro con rapporto 10:1, può essere sufficiente una distanza di 25 centimetri
      • Con un termometro con rapporto 50:1, può essere sufficiente una distanza minima di 1 metro.

    Se abbiamo fatto tutto bene la temperatura misurata con termometro ad infrarossi della fronte di una persona sana, varierà mediamente dai 33°C ai 34°C. Questo dato potrà variare a seconda delle condizioni ambientali e della sudorazione. Se un individuo è stato in ambiente freddo (inverno) è ovvio che la temperatura misurata potrà risultare più bassa. In ogni caso a parità di condizioni, tra una persona sana e una persona febbricitante sarà possibile notare una differenza di temperatura di almeno 1,5 - 2°C.

    Coronavirus: Termografia per rilevare temperature corporee elevate

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