30  Informazioni sulla calibrazione

La calibrazione di una termocamera è un prerequisito per la misurazione della temperatura. In particolare, la calibrazione fornisce il rapporto tra il segnale di ingresso e la quantità fisica che l'utente desidera misurare. Tuttavia, nonostante il suo frequente e diffuso utilizzo, il termine "calibrazione" è spesso mal interpretato e viene utilizzato in maniera errata. Le differenze locali e nazionali, nonché i problemi di traduzione creano un'ulteriore confusione.

Una terminologia poco chiara può portare a difficoltà di comunicazione e a traduzioni erronee, quindi anche a misurazioni incorrette dovute ad incomprensioni e, nel peggiore dei casi, ad azioni legali.

L'International Bureau of Weights and Measures (Ufficio internazionale dei pesi e delle misure) 7 definisce la calibrazione 8 nel modo seguente:

an operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to establish a relation for obtaining a measurement result from an indication.

La calibrazione stessa può essere espressa in diversi formati: può essere un'istruzione, una funzione di calibrazione, un diagramma di calibrazione, 9 una curva di calibrazione 10 o una tabella di calibrazione.

Spesso, inoltre, il solo primo passo della definizione sopra riportata è percepito ed indicato come "calibrazione". Tuttavia, ciò non è (sempre) sufficiente.

Prendendo in considerazione la procedura di calibrazione di una termocamera, il primo passo stabilisce un rapporto tra la radiazione emessa (il valore della quantità) ed il segnale di uscita elettrico (l'indicazione). Questo primo passo della procedura di calibrazione consiste nell'ottenere una risposta omogenea (o uniforme) quando la termocamera viene posta di fronte ad una fonte di radiazione estesa.

Una volta conosciuta la temperatura della fonte di riferimento che emette la radiazione, nel secondo passaggio il segnale di uscita ottenuto (l'indicazione) può essere rapportato alla temperatura della fonte di riferimento (il risultato della misurazione). Il secondo passaggio include misurazione e compensazione della deriva.

Per essere corretti, la calibrazione di una termocamera non viene strettamente espressa attraverso la temperatura. Le termocamere sono infatti sensibili alla radiazione ad infrarosso: pertanto, in primo luogo si ottiene una corrispondenza di radianza, quindi una relazione tra la radianza e la temperatura. Nel caso delle camere bolometriche non utilizzate per Ricerca e Sviluppo, la radianza non viene espressa, ma viene fornita solo la temperatura.

Senza calibrazione, una termocamera non sarebbe in grado di misurare né la radianza né la temperatura. Da FLIR Systems, la calibrazione delle termocamere microbolometriche non raffreddate con funzione di misurazione viene eseguita sia in fase di produzione sia di assistenza. Le termocamere raffreddate con rilevatori di fotoni sono spesso calibrate dall'utente utilizzando un software specifico. Con questo tipo di software, in teoria, le comuni termocamere portatili non raffreddate potrebbero essere calibrate anche dall'utente. Tuttavia, poiché questo software non è adatto per le finalità di reportistica, la maggior parte degli utenti non lo possiede. I dispositivi d'immagine termica non finalizzati alla misurazione non richiedono la calibrazione della temperatura. Talvolta ciò si riflette anche nella terminologia relativa alle termocamere quando si parla di termocamere a infrarossi o per imaging termico mettendole a confronto con le camere per termografia, dove queste ultime costituiscono dei dispositivi di misurazione.

Le informazioni di calibrazione, indipendentemente dal fatto che la calibrazione sia effettuata da FLIR Systems o dall'utente, vengono memorizzate in curve di calibrazione, a loro volta espresse tramite funzioni matematiche. Poiché l'intensità della radiazione varia con la temperatura e la distanza tra l'oggetto e la camera, vengono generate curve diverse per i diversi campi di temperatura ed obiettivi intercambiabili.

Innanzitutto, le fonti di riferimento utilizzate da FLIR Systems sono calibrate e risultano tracciabili. Ciò significa che, presso ogni sito FLIR Systems in cui viene eseguita la calibrazione, le fonti vengono controllate da un'autorità nazionale indipendente. Il certificato di calibrazione della termocamera ne è la conferma. Questo documento non solo è la prova che la calibrazione sia stata eseguita da FLIR Systems, ma anche mediante riferimenti calibrati. Alcuni utenti possiedono o hanno accesso a fonti di riferimento accreditate, ma sono davvero pochi.

In secondo luogo, è presente una differenza tecnica. Quando la calibrazione viene eseguita dall'utente, spesso (ma non sempre) non viene applicata la compensazione della deriva. Ciò significa che i valori non tengono conto di una possibile variazione dell'uscita della termocamera al variare della sua temperatura interna. Ciò produce una maggiore incertezza. La compensazione della deriva utilizza i dati ottenuti in camere con controllo climatico. Tutte le termocamere FLIR Systems vengono sottoposte alla compensazione della deriva prima di essere consegnate al cliente e quando vengono nuovamente calibrate dai centri di assistenza clienti FLIR Systems.

La calibrazione viene spesso confusa con la verifica o la regolazione. Di fatto, la calibrazione è un prerequisito per la verifica, l'operazione che conferma che i requisiti specificati siano stati soddisfatti. La verifica offre prove oggettive che un dato elemento soddisfi i requisiti specificati. Per completare una verifica, vengono misurate le temperature definite (radiazione emessa) di sorgenti di riferimento calibrate e tracciabili. I risultati della misurazione, che includono la deviazione, vengono annotati in una tabella. Il certificato della verifica attesta quindi che i risultati della misurazione soddisfino i requisiti specificati. Alle volte, le aziende o le organizzazioni offrono e commercializzano questo certificato di verifica come se si trattasse di un "certificato di calibrazione".

Una corretta verifica (e per estensione, una corretta calibrazione e/o ricalibrazione) può essere ottenuta solo quando si rispetta un protocollo convalidato. Il processo prevede molto più che il semplice posizionamento della termocamera di fronte ad un corpo nero (sorgente di riferimento) ed il controllo della corrispondenza tra l'uscita della termocamera (come ad esempio, la temperatura) e la tabella di calibrazione originale. Spesso si dimentica infatti che una termocamera non è sensibile alla temperatura, ma alla radiazione. Inoltre, una termocamera è un sistema di imaging non un unico sensore. Di conseguenza, se la configurazione ottica che consente alla termocamera la "raccolta" della radiazione è di scarsa qualità o non allineata correttamente, la verifica (o la calibrazione/ricalibrazione) è del tutto inutile.

In particolare, è opportuno assicurarsi che la distanza tra il corpo nero e termocamera ed il diametro della cavità del corpo nero vengano selezionati in modo da ridurre la radiazione diffusa e l'effetto "dimensioni sorgente".

Per riassumere: un protocollo convalidato deve soddisfare le leggi fisiche relative alla radianza e non solo quelle relative alla temperatura.

La calibrazione rappresenta un prerequisito anche per la regolazione, che è l'insieme delle operazioni effettuate su un sistema di misurazione affinché questo fornisca le indicazioni previste corrispondenti a determinati valori di quantità da misurare, che vengono tipicamente ricavati da standard di misurazione. In parole semplici, la regolazione è una manipolazione che conduce la strumentazione a misurare correttamente entro le specifiche tecniche. Nel linguaggio di tutti i giorni, il termine "calibrazione" è ampiamente utilizzato al posto di "regolazione" per i dispositivi di misura.

Quando sulla termocamera viene visualizzato il messaggio "Calibrating..." ("Calibrazione in corso..."), di fatto sta eseguendo la regolazione della deviazione in risposta di ogni singolo elemento rilevatore (pixel). In termografia, questa operazione viene chiamata "correzione di non uniformità" (NUC). Si tratta di un aggiornamento di offset, ed il guadagno rimane invariato.

Lo standard europeo EN 16714-3, Non-destructive Testing—Thermographic Testing—Part 3: Terms and Definitions, definisce una NUC come una "correzione dell'immagine effettuata dal software della termocamera per compensare eventuali differenze di sensibilità degli elementi del rilevatore ed altri disturbi ottici e geometrici".

Durante un'operazione NUC (aggiornamento offset), un otturatore (paletta interna) viene posizionata nel percorso ottico e tutti gli elementi del rilevatore vengono esposti alla stessa quantità di radiazione originata dall'otturatore. Pertanto, in una situazione ideale, tutti gli elementi dovrebbero produrre lo stesso segnale di uscita. Tuttavia, ogni elemento ha una propria risposta e quindi l'uscita non è uniforme. Questa deviazione rispetto al risultato ideale è calcolata ed utilizzata per eseguire matematicamente una correzione dell'immagine, che è fondamentalmente una correzione del segnale di radiazione visualizzato. Alcune termocamere non dispongono di paletta interna. In questi casi, l'aggiornamento dell'offset deve essere eseguito manualmente utilizzando un software speciale ed una fonte di radiazione uniforme esterna.

Una NUC può essere eseguita, ad esempio, all'avvio, quando si modifica un campo di misurazione o quando la temperatura ambientale cambia. Alcune termocamere consentono inoltre all'utente di attivarla manualmente. Ciò è particolarmente utile quando si deve eseguire una misurazione critica con il minimo disturbo dell'immagine possibile.

Alcuni utilizzano impropriamente il termine "calibrazione dell'immagine" per riferirsi alla regolazione del contrasto termico e della luminosità dell'immagine finalizzata all'ottimizzazione di dettagli specifici. Durante questa operazione, l'intervallo di temperatura è impostato in modo che tutti i colori disponibili siano utilizzati per mostrare solo (o principalmente) le temperature nell'area di interesse. Il termine corretto per questo tipo di manipolazione è "regolazione termica dell'immagine" o "sintonizzazione termica" (in alcuni paesi, si utilizza anche il termine "ottimizzazione termica dell'immagine"). Per eseguire questa operazione, è necessario essere in modalità manuale; in caso contrario, la termocamera imposta automaticamente il limite inferiore e superiore dell'intervallo di temperatura visualizzato alle temperature più basse ed alte nella scena.