Termoenergetica e condizionamento ambientale

MISURE DI TEMPERATURA SUPERFICIALECON METODI OTTICI: TERMOGRAFIA ADINFRAROSSO E A CRISTALLI LIQUIDIGiovanni TANDASiena, 9 settembre 2005

Perché misure non intrusive?Non interferiscono con il fenomeno fisicoConsentono di monitorare il fenomenoin un ampia zona di misura e in tempo realeSono affidabili e relativamente economiche

Termografia ad infrarossoE nλ = C 1 λ -5 / [exp(C 2 /λT) – 1], W/m 2 K 4λ * T = 2898, µm KE n = σ T 4 , W/m 20.4 0.8

Energia radiante emessa da uncorpo nero in un intervallo di λλ 2 ∫λ1F λ1- λ2 = ( C 1 λ -5 / [exp(C 2 /λT) – 1]) /σT 4= (1/ σT 4 ) [ E nλ dλ - E nλ dλ ] =λ2 T∫λ∫ 20=(1/ σ) [ E nλ /T 5 dλ - E nλ /T 5 dλ ]0λ∫ 10λ1 TPer T = 200 °C (473 K),il 50% dell’emissione è tra 1 e 10µm (o 5 µm )Per T = 27 °C (300 K),l’80% dell’emissione è tra 1 e 10µm (il 70% tra 1 e 5 µm )∫0

Scambio termico tra superfici nereQ r = (S A E nA F A-B – S B E nB F B-A )S A E nA F A-BS B T BE nB= σ S A F A-B (T A 4 - T B 4 )S B E nB F B-AS A T AE nA

Scambio termico tra superfici grigieS A J A F A-BS B J B F B-ABAQ r = (E nA – E nB ) / [ (1-ε A )/S A ε A + 1/S A F A-B + (1-ε B )/S B ε B ]

Fattore di trasmissione dell’atmosferaQ * λ2r = ( ∫λ1λ2−5C C1λdλ – ∫ 2 / λT Bdλ ) / [ (1-εCA )/S A ε A + 1/S A F A-B + (1-ε B )/S B ε B ]e −1−51λC / λT A2e −1λ1

Formazione dell’immaginetermograficafinestrasensoreT BT Aε AλQ * 2r = ( ∫λ1−5C1λC / λT A2e −1λ2dλ – ∫λ1−5C1λC / λT B2e −1dλ ) / [ (1-ε A )/S A ε A + 1/S A F A-B + (1-ε B )/S B ε B ]Q r*= f(ε A , T A )Nota l’emissività, misuro Q r*e ricavo T A

Caratteristiche di finestre e sensoriRivelatori:ad effetto fotoelettrico (Indio-Antimonio, tra 3 e5 µm, Mercurio-Cadmio-Tellurio tra 8 e 14 µm)semiconduttore CCDOccorre la refrigerazione per minimizzare i disturbi:raffreddamento con ciclo termodinamico (Stirling),per espansione di gas liquido (azoto, argon)per effetto termoelettrico ) Peltiermicrobolometri (occorre stabilizzarne la temperatura)Finestre: Silicio tra 3 e 5 µm, Germanio tra 8 e 14 µm,

Generazione dell’immagine(1) Singolo sensore: specchi oscillanti (sinistra), prisma rotante (destra)(2) FPA Focal Plane Array: sensori multipli organizzati in strutture a matrice,che non richiedono parti in movimento

Emissività dei materialiTanda, Misale, ASME J. of Heat Tr., 2006 (in press)

Misura (indiretta) dell’emissivitàT BT Aε AT A,tcSi imposta il valore di emissività che fa coincidere T A con T A,tc

PrestazioniRisoluzione spaziale(n.ro di pixel, ottica, etc.)Risoluzione temporale(n.ro immagini/sec)Risoluzione termica (minimo segnale discernibile dal rumore)

Alcuni esempi

Università di ModenaUniversità di AnconaUniversità di Napoli

Termografia a cristalli liquidi

Riconoscimento del colore e calibrazioneTx

Riconoscimento del colore e calibrazione1.0Filtri Ottici180Sistema RGBtransmittance0.80.60.40.2R, G, B16014012010080600.024 26 28 30 32 34 36T [°C]200Sistema HSI4024 26 28 30 32 34 36T [°C]160Hue1208040024 26 28 30 32 34 36T [°C]

Alcuni esempi

Confronti TERMOGRAFIA IR e CLTermografia IR Termografia CLEstensione campo di T +++ -Precisione ++ +Conoscenza di ε si noParatie trasparenti - (mat.costosi, ricalibr.) + (nessun problema)Praticità d’uso +++ +Preparazione superficie +++ +Instrusività +++ ++Costi -- ++