Risparmio energetico: analisi ottiche e termiche

P tecnica applicata
Risparmio energetico:
analisi ottiche e termiche
sui nuovi materiali
Alida Donizetti *
* Hellma Italia S.r.l.
Grazie a una nuova
generazione di sfere
integratrici di produzione
della Pike Technologies Inc.,
predisposte per alloggiamento
nel comparto campioni di
tutti i modelli di FT-IR sul
mercato, si eseguono analisi
quantitative su campioni
emissivi e diffusivi in modo
non distruttivo. Hellma Italia,
distributore accreditato sul
territorio italiano, ha realizzato
installazioni interessanti per
applicazioni innovative
G
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Gli accessori per misure di riflettanza
e la successiva. Questo fenomeno è chiamato
fibra stessa; un tale campione, posizionato su
in Spettroscopia IR sono basati sulla
“errore di inserzione” perché gli spettri ottenuti
un accessorio per riflettanza, produrrà risultati
focalizzazione del raggio incidente sul
risultano lievemente diversi ogni qualvolta il
diversi in funzione dell’angolo dal quale il
campione in analisi. Per ottenere il miglior
campione è riposizionato. Alcuni campioni
detector lo “ visualizzerà”. Quando la riflettanza
rapporto segnale rumore (SNR), il raggio
naturali o industriali sono disomogenei
totale deve essere misurata in modo
focalizzato deve produrre una immagine
perché costituiti da miscele di diverse
riproducibile, per esempio per quantificare
molto piccola sul campione, che può essere
sostanze oppure perché le dimensioni delle
la concentrazione di un ingrediente minore,
più facilmente rifocalizzata sul rivelatore. Per
particelle costituenti sono simili al diametro
solo sistemi ottici isotropici, insensibili alla
poter misurare la luce riflessa a un angolo
del raggio incidente. In tal caso se il diametro
direzionalità, possono essere utilizzati. In
maggiore, il set up ottico deve consentire
dello spot luminoso fosse maggiore e la luce
aggiunta, in alcuni casi, è richiesta non
di proiettare sul detector solo una piccola
riflessa potesse essere raccolta, si potrebbe
solo la riflettanza a un angolo solido ma
area del campione. Questo arrangiamento
ottenere uno spettro più rappresentativo.
quella prodotta in tutte le direzioni al fine di
ottico è molto efficace su un campione
Altri campioni producono uno scattering
caratterizzare correttamente il campione. La
microscopicamente omogeneo. Nel caso
multi direzionale. Per esempio, fibre avvolte
maggior parte degli accessori per riflettanza
in cui il campione sia temporaneamente
su un mandrino sono altamente orientate,
misurano a un angolo fisso oppure ad angoli
rimosso e, successivamente riposizionato, il
non solo macroscopicamente, come filamenti
variabili, più a meno ampi. Per rilevare la
raggio focalizzato ne illuminerà una porzione
unidirezionali, ma anche microscopicamente,
riflettanza totale prodotta dai campioni, è
diversa, producendo variazioni fra una misura
essendo le molecole orientate all’interno della
invece necessaria una sfera integratrice.
La sfera integratrice consente:
■
Misura efficiente di riflettanza diffusa e
speculare combinate.
■
Rilevazione uniforme della riflettanza anche
quando il campione è disomogeneo.
a una delle funzioni principali dell’accessorio,
essere a diretto contatto con la sfera o
quella cioè di integrare spazialmente il
separato dalla stessa da una sottile finestra
flusso luminoso proveniente dal campione
trasparente all’infrarosso. Il detector è
in analisi. A dispetto di una lunga storia
collocato vicino alla sfera in modo tale da
di sviluppo e ingegnerizzazione, nuove
poter visualizzare la sfera a un ampio angolo
Rilevazione isotropica della riflettanza anche
applicazioni e ulteriori sviluppi continuano
solido. Al fine di aumentare l’isotropia (non-
nel caso di campioni che riflettono in direzioni
tutt’oggi: i progressi teorici, nell’elettronica,
direzionalità) della luce rilevata, il detector
preferenziali.
nella qualità dei detector e soprattutto le
non è direttamente in linea con la vista del
nuove applicazioni guidano il progredire
campione. Un piccolo deflettore, altamente
integratrici dedicate).
degli studi.Il componente principale
riflettente e disperdente, è montato nella
Riflettometri basati su sfere integratrici sono
dell’accessorio è costituito da una sfera cava
sfera in modo da bloccare la prima riflessione
finalizzati a risolvere le necessità applicative
con superficie interna altamente riflettente.
proveniente dal campione ed evitare
che richiedono quanto sopra elencato.
La superficie deve approssimare quanto più
che raggiunga il detector. Una sfera ben
■
■
Misura della riflettanza assoluta (con sfere
possibile il dispersore Lambertiano ideale:
progettata prevede che il campione sia
Ottiche della sfera
integratrice
la luce che illumina la superficie della sfera
vicino al cuore ottico della sfera in modo da
deve essere dispersa uniformemente in tutte
raccogliere la riflettanza emisferica completa
Le sfere integratrici sono camere altamente
le direzioni e l’intensità della luce dispersa
(2π steradianti). Una finestra frapposta fra
riflettenti. Posizionate in prossimità del
è proporzionale al coseno dell’angolo di
sfera e campione, ancorché funzionale per
campione, ne raccolgono la luce riflessa/
osservazione. Il raggio infrarosso proveniente
molte applicazioni (quali l’analisi di campioni
emessa/trasmessa. La superficie interna
dall’interferometro è direzionato, attraverso
in polvere ), produce una maggiore distanza
riflettente favorisce riflessioni multiple della
un’ apertura di ingresso, sul campione in
sfera-campione, riducendo la riflettanza
luce raccolta, prima che sia visualizzata dal
analisi che è a sua volta collocato sopra
emisferica a largo angolo. La sfera integratrice
detector. Il nome “sfera integratrice” si riferisce
l’“apertura campione”. Il campione può
per Medio IR progettata e prodotta da Pike
Fig. 1 – Geometria Ottica di una “sfera integratrice”.
Fig. 2 – Schema Ottico della Sfera Integratrice PIKE per Medio IR con Detector MCT.
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dorato Lambertiano, garantendo le massime
tw
U
Ls = rAt
s 1 - tw (1 - f)
prestazioni possibili.
Dove Φi è il flusso luminoso in ingresso e
Technologies ha un rivestimento interno
As è l’area della superficie della sfera che è
Energia residua della sfera
funzione del diametro della stessa: la formula
È definita dal rapporto fra luce che colpisce
mostra quindi che una sfera più piccola è più
il detector e luce in ingresso. Più la superficie
luminosa di una a diametro superiore
della sfera è prossima alla riflettanza ideale,
maggiore sarà l’energia passante. Le aperture
per detector, raggio luminoso e campione
Fig. 3- Comparazione fra utilizzo di detector MCT e TGS con
Mid-IR IntegratIR.
Fig.4- Spettri di riflettanza diffusa di pannelli con
rivestimenti superficiali. Accessorio Up-IR di PIKE per
riflettanza diffusa a specchi ellissoidali – Informazioni
Spettrali.
Ls +
M
D2
costringono a rimuovere parte della parete
Il diametro della sfera non potrà comunque
della sfera con diminuzione dell’energia
essere diminuito eccessivamente poiché
residua: minori dimensioni delle aperture
anche le dimensioni del campione
per raggio in ingresso e uscita producono
dovrebbero esserlo proporzionalmente.
una maggiore energia residua. La sfera
Nelle applicazioni tipiche in Spettroscopia,
ottimale sarà quindi quella che garantirà un
il diametro ottimale della sfera è influenzato
equilibrio corretto fra design ottico funzionale
dalla dimensione del raggio proveniente dallo
e prestazioni. L’energia residua può essere
strumento FT-IR e dalle dimensioni tipiche
espressa dalla formula:
del campione (da 3 a 25mm ). Nella pratica, il
A tw
x = Ad \ t
w, avg
s
diametro ottimale della sfera adatta a essere
Dove Ad è l’area del detector, As quella
2” e 4”, in modo da equilibrare le influenze dei
della sfera, ρw è la riflettanza della parete
parametri sopra elencati. Le dimensioni delle
emisferica, ρwavg è la riflettanza media della
aperture devono essere mantenute entro il
parete della sfera. L’energia residua è tanto
5% per avere un’energia residua ottimale. La
più elevata quanto più la portata di luce
riflettanza della parete deve essere fra il 95%
che arriva al detector è incrementata dalle
e il 99%, producendo un valore di gain della
riflessioni multiple. In altre parole la sfera
sfera fra 10 e 13.
integrata in un accessorio per medio IR è fra
integratrice ha la funzione di aumentare il
se la superficie interna e sufficientemente
Sfere Integratrici
per il Medio IR
riflettente, favorendo riflessioni multiple fino
Come premesso, misure nel medio IR per
a illuminare il rivelatore. Il fattore utilizzato
mezzo di sfere integratrici consentono di
per esprimere questo “gain” è chiamato
risolvere problematiche applicative altrimenti
fattore moltiplicativo della sfera (M)ed è
inaffrontabili. Tuttavia, l’energia residua
funzione delle riflettanza della parete (ρw)
delle sfere per medio IR risulta più ridotta
e della proporzione fra l’area totale delle
se confrontata a sfere per le regioni del
aperture e la superficie della sfera (f ):
Vis e del NIR. Per ristabilire un buon valore
segnale del detector acquisendo la luce e,
M=
tw
1 - tw (1 - f)
di SNR e per non introdurre limitazioni
nell’estensione del campo spettrale, Pike
Technologies ha implementato il proprio
Fig.5- Spettri di riflettanza diffusa di pannelli con
rivestimenti superficiali. Accessorio Mid-IR IntergatIR, sfera
integratrice. Informazioni Spettrali e valori quantitativi di
riflettanza.
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La luminosità della sfera, a parità di flusso
accessorio “ Mid-IR IntegratIR ” con un detector
luminoso in ingresso, è dipendente dalla
MCT ad alta efficienza e a banda larga. Pike
riflettività della parete, dal rapporto fra le aree
Technologies produce anche un accessorio a
di aperture/sfera e dalla dimensione della
sfera integratrice per il NIR, accessorio che è
superficie della sfera:
compatibile con tutte le marche e i modelli di
spettrometri NIR sul mercato: la trattazione di
trasmissione diffusa. La perdita di energia
quest’ultimo esula dallo scopo del presente
residua, causata dalla geometria off – axis,
articolo ma informazioni e applicazioni sono
necessaria per garantire la rilevazione di
disponibili in letteratura e presso Hellma Italia.
riflettanza isotropa, è compensata dalla
La MidIR- IntegratIR è un accessorio con sfera
presenza del detector MCT che ristabilisce un
integratrice e detector integrato, predisposto
SNR eccellente.
per utilizzo nel comparto campioni di tutte
le marche e modelli di FT-IR sul mercato.
Applicazioni
Consente misure di riflettanza diffusa con
Le principali applicazioni per le quali Mid-IR
geometria di illuminazione a 8 gradi e
IntegratIR è strumento pressoché insostituibile
raccolta della riflettanza emisferica (180
sono le caratterizzazioni quantitative di
gradi ), cioè dell’intera riflessione diffusa del
molti materiali con i più diversi rivestimenti
campione in analisi. Il campione è posizionato
superficiali, per i quali le misure di riflettanza
orizzontalmente sulla sfera, senza alcuna
spettrale e/o emissività spettrale emisferica e
necessità di manipolazione o preparazione,
ancora quelle di trasmissione diffusa tramite
consentendo misure non invasive. I valori di
sfera, si traducono in definizione qualitativa
riflettanza sono ottenuti contro un riferimento
probante delle caratteristiche tecnologiche
dorato; se normalizzate contro uno standard
degli stessi. Esempio ne sono le misure su
certificato, tracciabile metrologicamente
materiali utilizzati nell’ambito aerospaziale,
a uno standard primario, possono essere
campioni altamente diffusivi non trattabili,
convertiti in letture di riflettanza assoluta.
nuovi materiali in studio nell’ambito della
La possibilità di eseguire misure secondo
ricerca dei sistemi di sostegno trasparenti
Taylor, cioè utilizzando un riferimento interno
per utilizzo in edilizia, selezionati secondo i
senza spostamento del campione in analisi,
nuovi criteri di risparmio energetico. Studi
consente inoltre la correzione degli errori
al riguardo sono ora in corso presso ENEA
introdotti con la metodologia di misura in
Casaccia, all’interno di un ampio progetto di
“substitution” (comunque possibile con
studio di substrati vetrosi. Per quanto attiene
l’accessorio) che prevede la rimozione del
alle misure di trasmittanza diffusa effettuate in
campione per posizionare al suo posto il
sfera, sono fondamentali per studi su materiali
reference dorato.La sfera ha infine una slitta
parzialmente trasmissivi e diffusivi: la carta ne
laterale che può alloggiare dei campioni
è un esempio perfetto. Da ultimo, la Mid-IR
monati su supporto 3” x 2”, per misure in
IntegratIR è da poco utilizzata da uno dei centri
Fig. 6- Overlay di uno spettro della carta ottenuto per mezzo
della trasmissione diretta e un secondo effettuato con sfera
integratrice, in trasmittanza diffusa: il secondo spettro è
in grado di fornire informazioni molto più dettagliate sul
campione.
Fig.7- Misure quantitative di emissione su un campione con
substrato metallico e rivestimento superficiale altamente
assorbente.
Mid-ir integratir - struttura e specifiche
Diametro sfera
3”
Superficie interna
Oro Lambertiano a elevate prestazioni
di ricerca ENI per lo studio delle caratteristiche
Angolo di illuminazione campione
8 gradi
termiche di materiali sperimentali per il solare
Apertura raggio in ingresso
Diametro 28.3 mm
termodinamico. Per quest’applicazione, la
Specchio illuminazione campione
Diametro 25.4 mm
sfera integratrice è stata equipaggiata con un
Apertura detector
Diametro 6.4 mm
sistema di riscaldamento e termostatazione del
Posizione apertura detector
25 gradi off axis dal raggio
Detector
MCT, mid band, 4 x 4 mm
LW Spectral range
550 cm-1
Blocker
Diametro 12.7 mm
la pressochè nulla emissività nella regione
Apertura campione
Diametro 18 mm
IR. Gli specialisti di Hellma Italia saranno lieti
Posizioni di campionamento
Riflettanza, trasmissione diffusa
di approfondire le applicazioni brevemente
Metodi di campionamento
“Substitution” e “Taylor”
illustrate a chi ne fosse interessato.
Dimensioni accessorio
175 mm L, 180 mm P, 157 mm H (escludendo base e supporto per lo strumento FT-IR )
campione in analisi, di cui si devono verificare
le alte capacità di assorbimento nel solare e
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