La termografia viene impiegata non solo per innalzare il livello di sicurezza e l’affidabilità degli impianti di videosorveglianza ma anche per il monitoraggio degli impianti industriali, la prevenzione degli incendi e la rilevazione della temperatura corporea a distanza. Su quali principi fisici si basa? Quali prestazioni offre? Dove si dimostra efficace se non addirittura indispensabile? Le risposte in questo articolo.
Applicato alla sicurezza di cose e persone, il metodo termografico offre tutta una serie di benefici impossibili da ottenere con altre tecnologie. Il principio di funzionamento, che spiegheremo in dettaglio in questo articolo insieme alle sue molteplici applicazioni, garantisce infatti un’elevata immunità dalle condizioni ambientali più critiche, quando per esempio si verificano repentini cambi di luminosità naturale e artificiale, quando si tratta di rilevare cose, persone e manifestazioni fisiche non visibili dall’occhio umano. Risultano poi indispensabili nel rilevare automaticamente la temperatura corporea delle persone in stazioni ferroviarie, aeroporti, aziende e aree commerciali nelle procedure di contenimento delle emergenze sanitarie come l’attuale epidemia Covid-19.
Prima di affrontare l’argomento è necessario fissare un semplice concetto di fisica che serve a comprendere il funzionamento delle termocamere indipendentemente dal loro campo di applicazione.
Spettro visibile e radiazioni infrarossi
La nostra retina ha la capacità di rilevare la luce visibile, ovvero solo una piccola parte dell’intero spettro elettromagnetico. Non è invece sensibile nei confronti delle forme di radiazione come la luce ultravioletta (UV) e gli infrarossi (IR). Qualsiasi oggetto a una temperatura superiore allo zero assoluto (0 K equivalente a -273,15° C), come per esempio un corpo umano, un macchinario industriale, un potenziale focolaio di incendio ma anche un cubetto di ghiaccio, emette radiazioni all'infrarosso rilevabili da speciali sensori che vengono tarati su questa lunghezza d’onda. Questi sensori non possono garantire la stessa risoluzione video dei sensori che operano nello spettro visibile ma permettono di convertire il calore in immagini colorate perfettamente visibili dall’occhio umano o dai sistemi di intelligenza artificiale che analizzano la situazione e attivano le necessarie contromisure. A ogni temperatura all’interno di un’immagine corrisponde un colore: i toni dal giallo al rosso indicano temperature calde mentre verde e blu quelle fredde.
Microbolometro, il “cuore” delle termocamere
Il sensore che rileva con precisione l’emissione dei raggi infrarossi si chiama “Microbolometro” ed è costituito da una griglia di punti sensibili (detti “pixel”) a loro volta composti da diversi strati e materiali assorbenti differenti come il silicio amorfo e l’ossido di vanadio. Un riflettore che si trova sotto il materiale assorbente e a contatto con il substrato in silicio reindirizza la luce spuria passante per ottimizzare il segnale. Il materiale assorbente risulta “sospeso” dal substrato in silicone per consentire l’isolamento termico mentre la griglia di pixel così composta viene incapsulata sottovuoto per migliorarne la durata e l’affidabilità. La maggior parte dei microbolometri impiegati nelle termocamere utilizzano come materiale assorbente l’ossido di vanadio per via del migliore contrasto termico che assicura immagini più precise e definite.
La risoluzione dei microbolometri può variare a seconda delle tecnologie di produzione e del loro impiego. Nei moduli standard si parte dai 20-80 mila pixel (160x120, 320x240, 320x120, ecc.) per arrivare fino a 300-800 mila pixel (640x480/1024x768) mantenendo lo stesso ingombro del sensore grazie alla riduzione delle dimensioni del singolo pixel che comporta una maggiore densità.
Tenuto conto che la sensibilità dei pixel è inversamente proporzionale alla loro dimensione, per alcune applicazioni come quelle sanitarie ed edilizie vengono impiegati microbolometri a bassa risoluzione (ma più sensibili) invece di quelli ad alta risoluzione che, per via della minore sensibilità, generano talvolta immagini più rumorose seppur più definite. Per ovviare a questi limiti intrinseci, i produttori di termocamere hanno messo a punto soluzioni software che permettono di ridurre il rumore e incrementare la gamma dinamica anche durante le inquadrature “fredde” e a basso contrasto termico, migliorare la definizione delle immagini grazie agli stabilizzatori elettronici e ai sistemi dinamici che ottimizzano sia il contrasto che la nitidezza.
Differenze tra tecnologia termica e termometrica
Mentre la tecnologia termica si limita semplicemente a rilevare il calore, quella termometrica è capace di affinare ulteriormente l’analisi arrivando a svolgere le stesse funzioni di un termometro ma senza bisogno di contatto e anche a grandi distanze. Le termocamere più sofisticate dotate di sensori termometrici sono addirittura capaci di registrare fino a 10-20 livelli di temperatura differenti all’interno della stessa inquadratura, con la possibilità di generare eventi differenziati come l’allarme antincendio, il blocco del passaggio oppure una notifica di emergenza quando viene superata la soglia di temperatura impostata.
L’adozione di sensori ad altissima precisione abbinati a ottiche ottimizzate per i singoli campi di applicazioni permette addirittura di ottenere misure con un margine di errore trascurabile, indicativamente compreso tra 0,5° e 0,05°.
Monitoraggio sanitario dei flussi di persone
Le termocamere dotate di sensori termometrici ad alta precisione vengono ormai largamente impiegate ma sono recentemente salite alla ribalta delle cronache con l’esplosione dell’epidemia Covid-19 che ha costretto la Cina e gli altri Paesi ad attuare controlli più stringenti agli accessi alle reti di trasporto terrestri e aeree, alle aziende e agli ospedali.
Queste termocamere possono essere di tipo fisso, installate nei pressi dei varchi e gestite da un sistema automatizzato con supervisione umana oppure di tipo portatile, impiegate da operatori di sicurezza e sanitari.
A seconda delle prestazioni, della qualità e della risoluzione del sensore IR, possono misurare la temperatura corporea (viso/fronte) di gruppi di persone più o meno numerosi (da poche unità a diverse decine) in modo simultaneo, richiedendo solo 1-2 secondi per un’analisi completa e affidabile di eventuali stati febbrili, con margine di errore di 0,5-0,3° e ad una distanza di oltre 3-4 metri. La protezione della privacy viene garantita perché l’immagine termografica, diversamente da quella ottica, non identifica i lineamenti del volto.
Per una rilevazione affidabile e puntuale è però necessario rispettare alcuni requisiti di base: i volti delle persone analizzate non devono indossare maschere mentre un trucco “pesante” oppure una sudorazione eccessiva (che facilita lo smaltimento del calore falsando la lettura della temperatura corporea reale) possono portare a errori di misurazione più o meno importanti. Anche l’angolo di puntamento delle telecamere e la presenza di correnti d’aria, queste ultime non sempre “azzerabili” attraverso la funzione di Compensazione Automatica della Temperatura (ATC) presente in tutte le termocamere, possono ampliare il margine di errore. Anche in condizioni limite, tuttavia, le termocamere svolgono un efficace opera di filtraggio e permettono di discriminare i casi potenzialmente critici da approfondire poi con i tradizionali sistemi di rilevazione della temperatura corporea (termometro IR clinico da fronte o auricolare).
Monitoraggio delle aree industriali a rischio incendio
Le termocamere possono affiancarsi a sistemi ad hoc, come i sensori di fumo o fiamma, per rilevare e prevenire gli incendi con maggiore precisione e tempestività. Si rivelano quindi particolarmente utili nei siti di stoccaggio di rifiuti e combustibili perché rilevano automaticamente e rapidamente i cambiamenti di temperatura senza un contatto diretto così come nei magazzini e nelle aree di produzione per identificare i punti caldi prima che generino una combustione.
La misurazione della temperatura a distanza può inoltre rivelarsi decisivo per monitorare macchinari e altri dispositivi termici ed elettrici, interrompendo il loro funzionamento in caso di anomalie che potrebbero danneggiarli oltre che generare incendi ed esplosioni potenzialmente mortali per gli operatori in loco.
Le telecamere termiche concepite per queste applicazioni hanno un range di misurazione che spazia da -20° a +150°C e una precisione di ± 8°C (fino a + 550°C e ± 2°C per quelle più avanzate).
Efficaci contro le intrusioni anche in combinazione con i sensori ottici
Sempre più complessi industriali e commerciali, ma anche aeroporti e parchi fotovoltaici, hanno ormai adottato la termografia per verificare la presenza di intrusi lungo i recinti, le piste di decollo e atterraggio. L’utilizzo di ottiche differenziate per lunghezza focale (indicativamente da 7,5 a 100 mm corrispondenti a un campo visivo compreso tra 90°x70° e 6°x5°) permettono di coprire superfici molto ampie oppure distanze superiori al chilometro (ma con campi molti ristretti) quando si tratta di controllare recinzioni perimetrali particolarmente lunghe, spesso a costi inferiori rispetto ad altri sistemi di rilevazione come le barriere a microonde, i cavi ottici o “sensibili” come quelli magnetofonici. Le telecamere termiche non devono necessariamente sostituire quelle di un sistema di videosorveglianza tradizionale oppure i sensori di un impianto antintrusione ma li possono affiancare potenziandoli. Sul mercato esistono anche telecamere “ibride” che adottano due sensori, il primo a luce visibile e il secondo termico per una soluzione di sicurezza integrata. Il costo di una termocamera stand-alone oppure ibrida è senza dubbio superiore a quello di una ottica, anche di ultima generazione con sistemi multi-obiettivo e sensori ad altissima definizione (Full HD, Ultra HD). Tuttavia può comportare un risparmio di tempi e costi sia in fase di installazione che di manutenzione.
