1. INGEGNERIA INTEGRATAINGEGNERIA INTEGRATAINGEGNERIA INTEGRATAINGEGNERIA INTEGRATA
DI ING. DIEGO DELL’ERBA
INGEGNERIA INTEGRATAINGEGNERIA INTEGRATAINGEGNERIA INTEGRATAINGEGNERIA INTEGRATA
DI ING. DIEGO DELL’ERBA
L’APPLICAZIONE DELLA TERMOGRAFIA
NEL RESTAURO DEGLI EDIFICI DI CULTO
00172 ROMA (ITALY) - Via delle Ciliegie 141/B
Tel. +39-6-23236446 r.a. Fax. +39-6-23236300
www. Ingegneriaintegrata.ir ingdiego@ingegneriaintegrata.it
2. Gli ultimi sviluppi tecnologici nell’ambito della TERMOGRAFIA ir,in
particolare l’introduzione sul mercato del focal plane array,hanno consentito
di ottenere,da una parte,elevate sensibilità termiche accompagnate da
aumentate risoluzioni spaziali-temporali dell’immagine e da sistemi di
interfaccia uomo/macchina user friendly,dall’altra,sistemi di peso e
dimensioni ridotte.nel contempo è aumentato l’interesse all’uso della
Termografia in diversi settori,essendo evidenti i vantaggi da questa apportati
in termini di capacità di effettuare misure accurate senza necessità di
contatto fisico con l’oggetto in esame e di tempi di risposta immediati.
3. L’irraggiamento termico
Un corpo posto in una cavità,le cui pareti sono ad una temperatura
inferiore,si raffredda anche,se nella cavità si è fatto un vuoto
spinto.Si realizza dunque un trasferimento di energia tra superfici a
temperatura diversa anche in assenza di materia interposta tra le
stesse.questo meccanismo è detto irraggiamento Termico.Da un
punto di vista teorico lo si puo’ descrivere sia con riferimento al
propagarsi di onde elettromagnetiche secondo le leggi di
Maxwell,sia come il propagarsi di corpuscoli discreti,fotoni,secondo
l’ipotesi di Planck.Tralasciando la descrizione della teoria che esula
dal presente contesto,nel seguito saranno introdotti i principi alla
base della Termografia in forma descrittiva.
4. C
TA
17.27saperne di pi17.27saperne di pi17.27saperne di pi17.27saperne di più…ù…ù…ù… Breve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione alla
CT
A
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICOLO SPETTRO ELETTROMAGNETICOLO SPETTRO ELETTROMAGNETICOLO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Nei mezzi opachi (sono così definiti quelli che non si lasciano attraversare dalla radiazione) che qui si tratteranno, i fenomeni radiativi sono
limitati ad un piccolo spessore superficiale. Ciò spiega perché si suole parlare, e qui non faremo eccezione, di caratteristiche radiative della
superficie e non del corpo nella sua estensione. Ogni corpo opaco emette energia nel campo dell’infrarosso in virtù dei movimenti atomici
degli strati superficiali. L’emissione varia in dipendenza del livello di temperatura, della natura della superficie ed è caratterizzata da
frequenze (ovvero da lunghezze d’onda) diverse risalenti alle accelerazioni e decelerazioni atomiche. Il tipo di emissione descritto è detto
radiazione termica e, come può apprezzarsi dalla figura 1, contempla un campo di lunghezze d’onda che vanno all’incirca da 0.1µm a
1mm, fino al confine con le microonde,comprendendo il campo del visibile ( uno spicchio tra 0,4 e 7µm) dell’infrarosso IR (oltre il rosso)
fino a lambire l’ultravioletto UV.
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Frequenza (Hz)
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102
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10-4
10
-6
10-8
Lunghezza d’onda (µm)(
LW
broadcasting
SW
broadcasting
MW, Radar, televisione
e radio
radiazione
termica IR
(≈0.4 ÷0.7 µm)UV
Raggi X
Lontano IR
(25 ÷1000 µm)
Vicino IR
(≈0.7÷25 µm)
Oscillazioni amplificate
Di circuiti elettronici
Rotazioni e transizioni
nei gas e vibrazioni
Nei solidi
transizioni elettroniche
nei gas
elettronico
bombardamento
Synchrotron
radiation
Vibrazioni, rotazioni e transizioni
nei gas, vibrazioni molecolari nei
solidi e nei liquidi, transizioni di
legame elettronico nei solidi
radioattiva
,disintegrazione
Conversione di materia
raggi
cosmici
Decelerazioni di
particelle ad alta energia
figura 1figura 1figura 1figura 1 spettro della radiazione elettromagnetica e relativo meccanismo di produzione
Raggi
gamma
visibile
5. saperne di pisaperne di pisaperne di pisaperne di più…ù…ù…ù… Breve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione alla
CT
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C
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C
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CARATTERISTICHE DI EMISSIONECARATTERISTICHE DI EMISSIONECARATTERISTICHE DI EMISSIONECARATTERISTICHE DI EMISSIONE
Un corpo reale emette normalmente con continuità nell’ambito dello spettro elettromagnetico in dipendenza dei moti atomici liberi e di quelli
concessi dal reticolo cristallino (solidi). La descrizione delle caratteristiche spettrali dell’energia emessa è semplificata con riferimento ad un
corpo ideale detto corpo nero (BB, black body). Infatti rispetto ad un corpo reale, l’emissione del corpo nero dipende solo, secondo una
funzione nota (figura 2), dalla lunghezza d’onda e dalla temperatura, risulta indipendente dalle caratteristiche superficiali e dalla direzione;
queste ultime vengono tenute in conto introducendo un parametro detto emissività che quantifica lo scostamento tra il corpo reale e quello
nero essendo definita come rapporto tra l’energia emessa da un corpo reale e quella emessa in condizioni analoghe di temperatura e
lunghezze d’onda da un corpo nero
ε=Ee/Ebb
In altre parole, dire che una superficie presenta emissività pari ad uno è sinonimo di corpo nero. L’emissività può essere definita su base
spettrale/ totale (ad una fissata lunghezza d’onda, su tutte le lunghezze d’onda) e/o direzionale/emisferica (in una fissata direzione/ in tutte le
direzioni). La convenienza della sua reperibile da opportune tabelle, semplifica sul piano pratico la stima dell’energia emessa da un corpo
reale. L’importanza dell’emissività in campo termografico può essere colta già sulla base della sua definizione: un corpo, per una prefissata
temperatura, direzione e lunghezza d’onda, emette tanto più quanto maggiore è la sua emissività ed è quindi, in linea di principio, capace di
fornire al sensore IR un segnale più elevato. Si vedrà più oltre che, tanto più bassa è la emissività, tanto più il corpo tende a riflettere l’emissione
delle superficie circostanti, emissione svincolata dalla temperatura della superficie in esame.
In ogni caso la correzione introdotta con l’emissività consente di passare dalla descrizione ideale (BB) a quella reale includendo le
caratteristiche spettrali, superficiali e direzionali del corpo in esame..
D’altra parte le caratteristiche salienti dell’emissione vengono ritenute dal corpo nero per cui a questo si farà riferimento in quanto segue.
L’espressione grafica delle caratteristiche di emissione del corpo nero riportata nella figura 2 mostra che a basse temperature il BB emette
energia a lunghezze d’onda elevate, mentre all’aumentare della temperatura il picco di emissione si sposta verso lunghezze d’onda
decrescenti finchè una porzione sensibile di energia viene emessa nella regione del visibile e pertanto viene rilevata dall’occhio. Si dice, con
linguaggio comune, che il corpo diventa incandescente, cioè l’occhio umano è in grado di rilevare l’energia emessa dalla superficie vista; ciò
accade anche al buio, a testimonianza che non si tratta di riflessione, bensì di emissione da parte della superficie. La differenza tra la
termografia e la fotografia può, in estrema sintesi, ricondursi al fatto che la prima è correlata all’energia emessa, a sua volta, come visto, legata
alla temperatura dell’oggetto emettitore, oltre che a quella riflessa, peculiare della fotografia e, inevitabilmente legata alla presenza di una
sorgente di energia (il sole o l’illuminazione artificiale nel caso del visibile) che consenta la riflessione.
6. C
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saperne di pisaperne di pisaperne di pisaperne di più…ù…ù…ù… Breve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione alla
CT
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LA TERMOGRAFIALA TERMOGRAFIALA TERMOGRAFIALA TERMOGRAFIA
Si può definire la termografia come una mappa bidimensionale rappresentativa del campo di temperatura superficiale dell’oggetto
inquadrato, costruita sulla base dell’energia emessa dal corpo. La costruzione della mappa avviene tramite il termografo che è un apparecchio
simile ad una telecamera: questo prevede essenzialmente un’ottica per raccogliere e focalizzare l’energia emessa (e riflessa) dall’obiettivo
inquadrato sul sensore che converte la radiazione elettromagnetica in segnale elettrico. L’elettronica a corredo si occupa di trasformare il
segnale per renderlo interpretabile attraverso la ricostruzione dell’immagine in falsi colori della scena inquadrata in cui ad ogni colore
corrisponde una temperatura. L’energia che lascia complessivamente un corpo, e che in linea di principio impatta sul sensore ed è misurabile,
è comprensiva sia dell’aliquota emessa che di quella riflessa. Solo la prima è legata alla temperatura dell’obiettivo, la seconda dipendendo dalle
caratteristiche delle pareti che contornano l’obiettivo. I due contributi possono scorporarsi grazie all’emissività; risulta infatti :
Esensore =ε Eo + (1-ε) Ea
essendo Eo ed Ea le le energie emesse dall’obiettivo e dall’ambiente circostante considerati come BB. La equazione precedente è detta
equazione fondamentale della termografia all’infrarosso.
Assunti noti ε ed Ea, dalla misura di Esensore (o meglio del segnale elettrico rilasciato dal sensore ad esso correlato, dipendende dalla sensibilità
del sistema IR e dalla lunghezza d’onda nell’ambito della quale esso opera) si può risalire alla potenza emessa, e quindi alla temperatura,
dall’obiettivo.
La precedente equazione palesa che se l’emissività di un corpo tende ad uno il segnale rilasciato dal sensore è legato alla sola temperatura
dell’obiettivo.
Per questa ragione, ove le emissività siano basse si suole adoperare tecniche diverse, dalle più semplici a quelle più complicate ed ingegnose,
al fine di aumentarla; tra le più immediate si segnala quella del ricoprimento della superficie obiettivo con uno strato di vernice ad alta
emissività.
Sulla scorta della figura 2 può affermarsi che per osservare corpi a temperature prossime a quella ambiente è preferibile avvalersi di termografi
sensibili ad elevate lunghezze d’onda (Long Wave band, tipicamente comprese tra 8 e 12µm), e viceversa (Short Wave band, tipicamente
comprese tra 3 e 5µm). I termografi LW sono preferiti nel caso di riprese esterne, essendo per gli stessi motivi meno affetti dalla radiazione
solare. Va detto che I termografi SW presentano in generale una sensibilità superiore a quelli LW.
La termografia oltre che passiva, cioè limitatesi a rilevare il campo di temperatura superficiale dell’obiettivo in assenza di stimolazioni termiche
indotte, può, al contrario, essere attiva, tale cioè da rendere manifeste differenze di temperatura non naturalmente apparenti. Lo scopo è
raggiunto con dei riscaldamenti confinati nel tempo e/o nello spazio che inducono delle sovra temperature locali che sfumano nel tempo per
la diffusione del calore nel solido e per lo scambio convettivo radiativo in superficie: nel corso di questo processo la presenza di discontinuità
modifica la velocità di diffusione che si traduce in definitiva nell’alterazione del campo di temperatura omogeneo che caratterizza le zone
circrcostanti. Tra le tecniche di termografia attiva si segnala la pulsed thermography (riscaldamento a step nel tempo), la lockin thermography
(lettura della risposta ad una sorgente sinusoidale nel tempo in termini di immagini di fase ed ampiezza), la Vibrothermography (stimolazione
a mezzo di vibrazioni meccaniche ad alta frequenza).
7. FUORI DAL FORMALISMOFUORI DAL FORMALISMOFUORI DAL FORMALISMOFUORI DAL FORMALISMO…………
Per esemplificare quanto sopra espresso, si faccia riferimento ad un oggetto di ferro riscaldato. Il sensore occhio umano percepisce l’energia
riflessa dall’oggetto dovuta all’illuminamento che lo raggiunge. “Spegnendo la luce”, ovvero eliminando la sorgente di energia che colpisce
l’oggetto in esame, se ne annulla anche la riflessione: il ferro diventa “invisibile” al buio. Il fenomeno, ovviamente noto, è dovuto al fatto che il
ferro emette molto poco nella banda in cui è sensibile l’occhio umano a temperature prossime a quella ambiente. La situazione si ribalta
allorché l’oggetto è riscaldato: è noto che, in questo caso, l’oggetto è visibile anche al buio, cioè questo emette energia in virtù della propria
temperatura, in maniera tale da sollecitare una risposta del sensore occhio. In altri termini a temperature crescenti il ferro inizia ad emettere
nella banda in cui è sensibile l’occhio ed è “visibile” anche al buio, cioè in assenza di energia riflessa.
saperne di pisaperne di pisaperne di pisaperne di più…ù…ù…ù… Breve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione alla
CT
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8. saperne di pisaperne di pisaperne di pisaperne di più…ù…ù…ù… Breve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione allaBreve introduzione alla
CT
A
CONCLUSIONICONCLUSIONICONCLUSIONICONCLUSIONI
Si delineano, da questa breve descrizione, alcune caratteristiche essenziali della termografia: questa tecnica non comporta in alcun modo che il
corpo sotto osservazione venga ad essere colpito da qualsiasi forma di energia, ma, al contrario, è il corpo che emette a “colpire” il sensore IR.
È possibile la “visione” al buio. La risposta del termografo alle variazioni di temperatura è immediata in quanto il trasporto di energia avviene
sotto forma di onde elettromagnetiche, cioè di fatto alla velocità della luce nel vuoto. Il sensore IR è in qualche modo paragonabile all’occhio
umano, con la differenza che è in grado di sentire l’energia a basse temperature. I sensori IR sono raffreddati a temperature notevolmente al di
sotto degli 0°C, indicativamente a -200°C, sì da realizzare un rapporto segnale/rumore vantaggioso. Tipicamente il raffreddamento del
sensore, isolato in un vaso Dewar, è ottenuto mediante un ciclo Stirling sostenuto elettricamente.
.L’elettronica, poi, fa il resto, consentendo la manipolazione, l’elaborazione, la conservazione ed il confronto di immagini rese in falsi colori o in
toni di grigio. Infatti un sistema Termografico completo è costituito essenzialmente da una telecamera che monta il sensore e da un sistema
CAT (Computer Aided Thermography) che consente la visione su monitor in tempo reale delle immagini riprese dalla telecamera.
Le applicazioni della termografia sono solo confinate dalla fantasia. Occorre però una analisi attenta e consapevole dei risultati ottenibili in
quanto diventa essenziale saper discriminare tra il contributo riflesso e quello emesso (l’unico, come visto, correlabile alla temperatura
dell’oggetto in esame) ed inoltre gestire gli altri parametri che intervengono nel determinare il legame energia emessa-temperatura.
Storicamente la termografia si è sviluppata in virtù delle numerose e vantaggiose applicazioni militari; oggi è largamente applicata ed
applicabile in svariati settori quali l'agricoltura, la geologia, la meteorologia, la medicina, l’edilizia e l’industria in genere (manutenzione
preventiva di impianti e macchine, produzione ed utilizzazione dell'energia). Applicazioni di rilievo, tutt’ora oggetto di numerose ricerche in
ambito universitario, si segnalano nell’ambito del controllo qualità dei processi produttivi ed in generale nel settore degli Esami non distruttivi.
Sono sovente previste delle tecniche attive di stimolazione termica del corpo per accentuare i contrasti di temperatura dovuti, ad esempio, a
disomogeneità nella geometria e/o nei materiali costituenti l’oggetto inquadrato.
eventuale
assorbimento
atmosferico
obiettivo
energia
incidente
energia
emessa
energia
riflessa
sistema
CAT
dipende
dall’ambiente
circostante
dipende dalla
temperatura e dalle
caratteristiche
dell’obiettivo
energia
al sensore IR
figura 3 illustrativo dellfigura 3 illustrativo dellfigura 3 illustrativo dellfigura 3 illustrativo dell’’’’equazione fondamentale dellaequazione fondamentale dellaequazione fondamentale dellaequazione fondamentale della termografiatermografiatermografiatermografia
9. lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
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C
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La diversa diffusivi termica che caratterizza diversi materiali è la chiave che consente, nel corso dell’inevitabile transitorio termico
dovuto alle mutevoli condizioni al contorno, di identificare facilmente non omogeneità nei materiali impiegati e distacchi di intonaco
latenti alla vista; allo stesso modo i componenti strutturali diventano visibili. Emergono lesioni e/o cricche sub superficiali. Se si
sceglie opportunamente il periodo temporale per l’effettuazione della misura si riesce ad ottenere una sensibilità davvero
sorprendente alle pur minime variazioni di materiale e/o geometria. La Termografia consente una agevole individuazione, verifica e
controllo della tenuta alle dispersioni degli strati che costituiscono il rivestimento degli edifici.
La diagnosi e l’individuazione precoce di infiltrazioni può consentire di evitarne il deterioramento e di affrontare le spese conseguenti.
Tra gli interventi significativi si segnalano:
- individuazione di strutture sotto intonaco
- individuazione di armature lignee intonacate
- mappa termica per la ricerca di lesioni rifacimento e modifiche,deg.esterno
- verifiche dello stato di salute dei monumenti
- individuazione dei distacchi di intonaco
- messa in evidenza della posizione dei rinforzi in ferro
- rilevazione mappe d’umidità
- rilevazione della delaminazione e condensazione nei muri esterni
- rilevazioni delle tamponature nelle pareti
- controllo per l’idividuazione di eventuali infiltrazioni d’acqua
- mappa termica per la ricerca nuovi siti archeologici o verifica quelli noti
- controllo di edifici per l’individuazione di perdite di energia a causa di un insufficente isolamento
- individuazione di perdite di perdite AC in tubazioni interrate
- controllo della delaminazione nei ponti
- controllo integrità dighe
10. lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
A
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LAVORI EFFETTUATI
LIVORNO -- SANTUARIO MONTENERO
Controlli sui distacchi di marmo
“ integrità strutture lignee
“ infiltrazioni umidità su pareti,affreschi e soffitti lignei
“ individuazioni strutture sotto intonaco
“ individuazioni distacchi di intonaco
ROMA -- SAN PIETRO
Controlli su distacchi mosaici e fratturazioni
“ ristagno acqua su statue e strutture,distacchi di pietra, fratturazioni stucchi
14. Abbiamo eseguito,in questo
caso,importanti rilievi
Termografici sui marmi che
rivestono gli altari ed alcuni punti
critici delle pareti volti
all’individuazione di infiltrazioni
d’umidità e possibili distacchi
lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
A
16. Min Max
21,0 21,6
Min Max
21,0 21,6
Min 20,6; Max 21,2
*>24,3°C
*<19,1°C
20,0
21,0
22,0
23,0
24,0
Min Max
20,6 21,9
Min Max
20,6 21,9
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*<19,1°C
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Min Max
20,6 21,8
Min Max
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Min Max
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Min Max
20,8 21,9
*>24,3°C
*<19,1°C
20,0
21,0
22,0
23,0
24,0
ALTARE MAGGIORE
Il colore AZZURRO
evidenzia tracce di
UMIDITA’,in questo caso
la temperatura è piu’
bassa
SANTUARIO di
MONTENERO
lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
A
SANTUARIO MONTENERO
17. Min Max
24,7 25,6
Min Max
24,7 25,6
Min Max
24,4 25,0
Min Max
24,4 25,0
*>31,2°C
*<24,3°C
25,0
26,0
27,0
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29,0
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31,0
Min Max
24,4 25,0
Min Max
24,4 25,0
Min Max
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Min Max
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*>31,2°C
*<24,3°C
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Min Max
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31,0
lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
A
Ristagno di umidità con distacco MARMO
SANTUARIO MONTENER0
19. Area1
Min Mean Max
22,1 22,5 22,9
Area1
Min Mean Max
22,1 22,5 22,9
*>24,3°C
*<19,1°C
20,0
21,0
22,0
23,0
24,0
Area2
Min Mean Max
22,4 23,0 23,5
Area2
Min Mean Max
22,4 23,0 23,5
*>26,7°C
*<21,8°C
21,8
22,4
22,9
23,5
24,1
24,6
25,2
25,7
26,3
COMUNE di PISA
Distacchi
Tracce Umidità
lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
A
20. Visione TERMICA della STRUTTURA
lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
A
21. ELENCO DI ALCUNI LAVORI EFFETTUATI
ROMA Cassa Depositi e Prestiti – Controlli Strutturali
ROMA Stazione TERMINI Controllo Distacco Mosaici
FIRENZE Palazzo Strozzi e Palazzo Guicciardini – Controlli Strutturali e
Umidità
PISA Palzzo Comunale – Controlli Strutturali Umidità e DIPINTI
LUCCA Duomo – Controllo Strutturale e Infiltrazioni Umidità
CAGLIARI Collaborazione Beni Culturali
MILANO Collaborazione ENI TECNOLOGIE
TORINO Collaborazione Politecnico
FISCIANO Collaborazione Facoltà Ingegneria Strutturale e Ing. Meccanica
MILANO Collaborazione Politecnico
lalalala temografiatemografiatemografiatemografia nel settorenel settorenel settorenel settore
