Misurazioni divertenti con un termometro IR

Un termometro laser all’infrarosso, noto anche come termometro IR o “contactless”, è un sensore elettronico che vi permette di eseguire numerose esperienze divertenti in casa ed all’aperto. Infatti, misura la temperatura praticamente di qualsiasi cosa vi passi per la testa, in un ampio intervallo di temperature, ma a differenza di altri tipi di termometri lo fa in modo semplice e rapido, per cui si possono creare anche “mappe di temperatura”. Inoltre, non richiede di entrare in contatto con la fonte di calore o di freddo, per cui le misurazioni sono sicure e corrette, purché si seguano i consigli che daremo a riguardo.

Ogni oggetto emette energia a una lunghezza d’onda che è una funzione della temperatura dell’oggetto. Gli esseri umani di circa 37 °C, ad esempio, emettono radiazioni nella parte infrarossa (IR) dello spettro. Purtroppo, l’occhio umano non può vedere questa radiazione emessa, a meno che non si utilizzino speciali “occhiali” che consentono a questa radiazione di essere convertita in un raggio visibile dall’occhio. In realtà, questo principio è la base per i visori notturni usati, ad esempio, dai militari.

Un termometro a infrarossi è un termometro che stima la temperatura da una parte della radiazione termica, a volte chiamata “radiazione del corpo nero”, emessa dall’oggetto misurato. Conoscendo la quantità di energia infrarossa emessa dall’oggetto (in quanto misurata dal sensore IR) e la sua emissività (espressa da un coefficiente di emissività ϵ caratteristico), la temperatura dell’oggetto può essere spesso determinata entro un certo intervallo della sua temperatura effettiva.

I termometri infrarossi possono risultare molto utili anche in numerosi esperimenti di laboratorio, dove servono rilevazioni molto rapide (anche a temperature piuttosto alte o basse) e senza perturbare il sistema, in quanto non vi è la necessità di inserire sensori a contatto della superficie di cui si vuole misurare la temperatura. Oppure possono venire impiegati in aggiunta ai sensori di temperatura tradizionali per la loro versatilità e immediatezza di risposta, sebbene la loro accuratezza sia inferiore.

Come usare un termometro laser all’infrarosso

Un termometro all’infrarosso – come quelli che oggi si trovano in commercio a basso prezzo (ad esempio, qui) – consiste essenzialmente in una lente per focalizzare la radiazione termica a infrarossi su un rivelatore, che converte la potenza radiante in un segnale elettrico che può essere visualizzato in unità di temperatura dopo essere stato compensato per la temperatura ambiente. Ciò consente di misurare la temperatura da una certa distanza, senza che vi sia contatto con l’oggetto da misurare.

Un termometro infrarosso di ottimo livello, in grado di misurare fino a 700 °C e di permettere l’impostazione manuale del coefficiente di emissività. Ne trovi altri simili qui.

Un termometro a infrarossi senza contatto è utile per misurare la temperatura in circostanze in cui le termocoppie o altri sensori di tipo a sonda non possono essere utilizzati o non producono dati accurati per una serie di motivi. Alcune circostanze tipiche in cui è indicato sono dove l’oggetto da misurare si sta muovendo; dove l’oggetto è circondato da un campo elettromagnetico, come nel riscaldamento ad induzione; dove l’oggetto è contenuto in un vuoto o in un’altra atmosfera controllata.

Il termometro a infrarossi è utile anche in applicazioni in cui è richiesta una risposta rapida, si desidera una temperatura superficiale accurata o la temperatura dell’oggetto è superiore al punto di utilizzo consigliato per i sensori di contatto, oppure il contatto con un sensore potrebbe danneggiare l’oggetto o il sensore, oppure introdurre un gradiente di temperatura significativo sulla superficie dell’oggetto. Pertanto, questo tipo di termometro non può mancare nel laboratorio di uno scienziato dilettante.

I termometri a infrarossi sono caratterizzati da specifiche che includono l’intervallo di temperatura, la precisione e la copertura angolare. Un intervallo di temperatura comune fra gli apparecchi low-cost è di -50-380 °C, ma altri arrivano fino a 550 °C  o finanche a 750 °C. Gli strumenti più semplici ed economici possono presentare un errore di misurazione di circa ± 2 °C o di ± 2% sul valore della lettura. La risoluzione tipica è di 0,1 °C, mentre il tempo di risposta è di solito inferiore a 0,8 secondi.

Il “rapporto distanza-spot” (D:S, o Distance to Spot Ratio) è il rapporto tra la distanza dalla superficie di misurazione e il diametro dell’area di misurazione (spot) della temperatura. Ad esempio, se il rapporto D:S è 12: 1, il diametro dell’area di misurazione è pari a un dodicesimo della distanza dall’oggetto. Un termometro con un rapporto più elevato tra D e S è in grado di rilevare una superficie più specifica e più stretta a una distanza maggiore rispetto a uno strumento con un rapporto inferiore.

Illustrazione del rapporto distanza-area di misurazione (spot).

In pratica, un dispositivo classificato come “12: 1” può rilevare un cerchio da 2,5 cm ad una distanza di 30 cm, mentre un dispositivo con rapporto 10: 1 raggiunge lo stesso cerchio da 2,5 cm a soli 25 cm di distanza (e un cerchio più ampio, meno specifico, di 3 cm a un distanza di 30 cm). L’area di copertura ideale dovrebbe essere almeno il doppio della dimensione dello spot a quella distanza, mentre aree più piccole rispetto alla distanza producono una misurazione meno accurata.

Tenendo presente tutto ciò, l’uso di un termometro infrarosso con guida laser risulta in pratica piuttosto semplice. La prima cosa da fare quando si prende una misura di temperatura è accendere l’apparecchio e puntare il puntatore laser verso l’oggetto di cui vogliamo misurare la temperatura. L’oggetto in questione dovrebbe essere più largo delle dimensioni dello spot, che possono essere stimate grazie a quanto detto in precedenza. Se il rapporto D:S è ad es. 12:1, lo spot è grande 2,5 cm a 30 cm di distanza.

Come la distanza dall’oggetto di cui vogliamo misurare la temperatura cresce, l’area dello spot naturalmente aumenta di conseguenza. Pertanto, se l’oggetto di cui vogliamo misurare la temperatura (detto “bersaglio”) è piccolo, occorrerà tenere il termometro molto vicino. Quando l’accuratezza della misura è essenziale, assicurati che il bersaglio sia grande almeno due volte le dimensioni dello spot. Il laser permette di rendere il puntamento e la misurazione ancora più precisi.

Schema di funzionamento di un termometro infrarosso.

A volte, specialmente vicino alla temperatura ambiente, le letture fornite da un termometro IR possono essere soggette ad errori a causa del riflesso della radiazione da parte di un corpo più caldo – anche la persona che regge lo strumento – piuttosto che irradiata dall’oggetto misurato. L’errore di misurazione in questione generalmente diminuisce solo con una grande distanza, a causa degli effetti della riflettività e dell’inclusione di altre fonti di calore all’interno del campo visivo del sensore.

Le letture fornite da un termometro IR, tuttavia, possono essere poco accurate per certi materiali/ superfici soprattutto per un altro motivo , e cioè per un’errata emissività presunta. Infatti, di solito questi apparecchi hanno un’emissività fissa dichiarata dal costruttore (ad esempio 0,95, che vuol dire che il coefficiente di emissività ϵ è uguale a 0,95, mentre un “corpo nero” ha un’emissività pari a 1), mentre l’emissività degli oggetti reali varia con il materiale e le caratteristiche della superficie. Perciò per stime più accurate occorre introdurre un fattore correttivo.

Differenza della curva di emissione dell’energia nell’infrarosso (e dell’emissività) fra un corpo nero perfetto e un qualsiasi altro corpo reale (ad esempio, un “corpo grigio”). 

La maggior parte dei materiali organici, le superfici dipinte o ossidate hanno un’emissività all’incirca di 0,95 (ovvero quella solitamente fissata di default dal fabbricante nello strumento). Letture inaccurate possono derivare dal misurare superfici metalliche lucide o lucidate. Per compensare, copri la superficie da misurare con un nastro di mascheramento o con una superficie verniciata ed effettua la misura dopo un tempo sufficiente affinché questi raggiungano la stessa temperatura del materiale sottostante.

Idee per misurazioni di temperatura interessanti

Possiamo fare un esperimento scientifico semplice e veloce per testare la differenza delle temperature degli oggetti posti sotto il sole rispetto a quelli che sono all’ombra utilizzando un termometro a infrarossi. Potete mettere una tazza con acqua e diversi oggetti aventi una certa superficie (almeno 10 cmq) al sole e una tazza con l’acqua ed i medesimi oggetti all’ombra. Dopodiché fate passare un’ora e misurate la loro temperatura da vicino (prendendo il valore massimo) con il termometro IR.

Temperatura di una tazza piena d’acqua esposta per circa 2 ore al sole (a sinistra) e quella di una tazza piena d’acqua tenuta nel frattempo all’ombra (a destra). La differenza di temperatura è esattamente di 10 °C. Misurazione fatta a febbraio in Centro Italia.

Come potrai vedere dai risultati, c’è un’enorme differenza nella temperatura degli oggetti lasciati al sole rispetto a quelli posti all’ombra: può arrivare finanche a 20-30 °C in alcuni periodi dell’anno. Nessuno si stupisce che gli oggetti messi al sole sarebbero stati più caldi, ma nessuno si aspetta di solito di vedere una così grande differenza nelle temperature. Questo spiega perché è così importante prestare attenzione agli avvertimenti dei meteorologi di rimanere in casa durante le ondate di calore.

In particolare, è impressionante vedere la temperatura che si raggiunge sul cruscotto di un’auto quando l’abitacolo chiuso è sotto il sole. A causa del fatto che la luce del sole che colpisce la carrozzeria viene re-irradiata nell’infrarosso e dell’effetto serra che si instaura, anche se la temperatura esterna è di 21 °C quella all’interno di un automobile può superare i 37 °C,  il che spiega perché nelle calde giornate estive animali e neonati possono addirittura morire se abbandonati in questo ambiente.

Se siete d’inverno, potete divertirvi anche a misurare, la mattina, la temperatura di un’auto coperta di brina congelata. Il retro della macchina in una fredda mattina gelida può essere, ad esempio, di -9 °C. Non c’è da meravigliarsi, dunque, se sentiamo molto freddo quando ci entriamo dentro la mattina. Ed a questo punto avrete scoperto che un termometro infrarosso può misurare bene anche le temperature negative. Dunque perché non usarlo per misurare la temperatura interna del frigo e del congelatore?

Ancora più interessante è tracciare una mappa della temperatura nelle varie zone del frigo, ad esempio in quelle più alte rispetto a quelle più basse, ed in quelle interne rispetto a quelle più esterne. La mappatura della temperatura viene eseguita per determinare se un’area di stoccaggio può mantenere la temperatura entro i limiti definiti, ed a livello professionale viene compiuta ponendo vari termometri in diversi punti per 24-72 ore. Con il termometro IR, le misurazioni sono meno accurate ma più rapide.

Sempre d’inverno potete divertirvi a misurare la temperatura di ciò che usate per riscaldarvi, come ad esempio una stufa a legna. Le temperature nella sua parte superiore possono raggiungere i 457 °C (pertanto avete scoperto che i termometri IR possono misurare bene anche temperature assai elevate). Non è certamente un posto dove vorresti mettere la tua mano. Oppure potete misurare la temperatura dei termosifoni, o quella di una borsa di acqua calda o di uno scaldino elettrico.

D’inverno, un termometro infrarosso può sostituire una molto più costosa termocamera nella individuazione di punti di scarso isolamento termico dell’involucro edilizio, ed in particolare dei cosiddetti “ponti termici”, collocati spesso vicino alle finestre e alle porte di ingresso. Noi possiamo semplicemente divertirci a misurare la temperatura di una stanza partendo dal pavimento e poi passando al soffitto ed alle sue varie pareti. Possiamo anche calcolare un valor medio per le singole stanze.

Puoi misurare, naturalmente, anche la temperatura di un animale. Un gatto che ama il caldo della stufa e ha una pelliccia nera molto fine, ad esempio, può mostrare una temperatura della sua pelliccia di ben 60 °C. Ciò è dovuto al fatto che la pelliccia è un buon isolante, quindi il gatto non è neanche lontanamente caldo come indica questa lettura. È interessante notare che la pelliccia dello stesso animale sia più calda al sole (dove è di 66 °C) rispetto a quando si trova davanti alla stufa a legna.

Più comune è invece l’uso di un termometro infrarosso per misurare la temperatura corporea sulla fronte per vedere se si ha la febbre, cosa che però richiede un’opportuna conversione poiché la temperatura così misurata è diversa da quella misurata in altre zone del corpo con termometri di tipo tradizionale. Noi possiamo comunque divertirci molto di più a tracciare una mappa di temperatura del nostro corpo prima da vestiti e poi nudi, per scoprire le variazioni ed eventuali anomalie.

Potete anche misurare la temperatura del caffè bollente o quella in diverse zone del cibo cucinate con i vari sistemi presenti in cucina (fornello a gas, forno elettrico, forno a microonde, etc.), oltre che la temperatura massima raggiunta internamente da questi apparecchi. Potrete così scoprire, ad esempio, che un toast è piuttosto caldo (nella foto 123 °C) quando esce dal tostapane, e se non ci bruciamo quando lo prendiamo subito dopo che è saltato fuori è probabilmente per la sua consistenza porosa.

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