Università di Bologna Dipartimento di Fisica TERMOGRAFIA Morigi Maria Pia Università di Bologna Dipartimento di Fisica Viale Berti Pichat, 6/2 – 40127 Bologna e-mail: mariapia.morigi@unibo.it

Tecniche diagnostiche in infrarosso per immagini: riflettografia e termografia. INFRAROSSO: lunghezze d’onda da 7x10-7 m a 10-3 m Si basa su RIFLETTOGRAFIA Trasparenza di alcuni pigmenti e leganti pittorici nel vicino infrarosso (0.7 - 2.5 mm) Si basa su TERMOGRAFIA Emissione di radiazione di corpo nero da parte di oggetti a temperatura ambiente in alcune bande del medio-lontano infrarosso.

TECNICHE TERMOGRAFICHE PER LA DIAGNOSTICA SULL’EDILIZIA STORICA

Termografia

Termografia In alto: immagine fotografica In basso: immagine termografica

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TERMOVISIONE Sistema di visione che fornisce immagini della radiazione infrarossa emessa dagli oggetti ripresi

Termografia

TERMOGRAFIA Dalla superficie di ogni oggetto, animato o no, viene emessa energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, in grado di propagarsi nel vuoto e in alcuni materiali a causa dell’agitazione termica delle molecole. Le leggi che governano l’emissione di questa energia sono le seguenti: Legge di Stefan-Boltzmann: W = 5,67 x 10-8 T4 (in W/m2) W = quantità di energia per unità di tempo e per unità di superficie, irradiata da un corpo nero (corpo con proprietà di assorbitore ed emettitore ideale di radiazione) T = temperatura assoluta

TERMOGRAFIA Corpo nero: in fisica un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente (e quindi non ne riflette). Il corpo nero, per la conservazione dell'energia, irradia tutta la quantità di energia assorbita (coefficiente di emissività uguale a quello di assorbanza ed entrambi uguali a 1) e deve il suo nome solo all'assenza di riflessione. Lo spettro (intensità della radiazione emessa ad ogni lunghezza d'onda) di un corpo nero è caratteristico e dipende unicamente dalla sua temperatura.

TERMOGRAFIA Legge di Planck: Descrive come l’energia emessa da un corpo nero si ripartisce al variare della lunghezza d’onda della radiazione. Curve di emissione spettrale per corpi neri a diverse temperature. Legge di Wien: lmax T = 2,8978 x 10-3 ( in m) lmax = lunghezza d’onda di massima emissione

TERMOGRAFIA L’emissività può essere definita come il rapporto tra l’energia emessa dal corpo (superficie) e quella emessa da un corpo nero alla stessa temperatura e lunghezza d’onda. Per un corpo reale, che non è nero, l’emissività è minore di 1 e la curva di emissione sarà inferiore a quella per il corpo nero alla stessa temperatura ed è ricavabile nota l’emissività spettrale, semplicemente moltiplicando la radianza ad una data lunghezza d’onda per il valore dell’emissività spettrale, cioè per il valore che ha e a quella lunghezza d’onda.

TERMOGRAFIA Un corpo reale è assimilabile solo approssimativamente ad un corpo nero ideale; tuttavia un oggetto di qualsiasi natura emette una quantità di radiazioni tanto più grande quanto più è alta la sua temperatura (dipendenza dalla quarta potenza della temperatura) Possibilità di misurare la temperatura di un corpo a partire dalla quantità di radiazione emessa.

Termografia Il principio oggetto lampada a incandescenza termocamera

TERMOGRAFIA Rivelatore IR: è in pratica un convertitore che assorbe radiazione IR e la trasforma in un segnale elettrico. Le termocamere sfruttano due tipi di rivelatori: fotorivelatori: sono realizzati con materiali a semiconduttore, nei quali il rilascio di cariche elettriche è associato all’assorbimento di fotoni termorivelatori: assorbono l’energia irraggiata dall’oggetto e misurano la variazione di temperatura dalla variazione di proprietà elettriche degli elementi sensibili (es. termocoppie*). * Nel 1821 il fisico Thomas Johann Seebek scoprì che in un circuito formato da due conduttori di natura differente, sottoposto a un gradiente di temperatura, si instaura una differenza di potenziale. Questo fenomeno, chiamato effetto Seebek, è sfruttato dalle termocoppie.

TERMOGRAFIA Con i rivelatori IR si ottengono in tempo reale delle mappe di intensità, relative alla radiazione infrarossa emessa dal corpo. Un’immagine in infrarosso all’origine è sempre rappresentata in toni di grigio, corrispondenti alle diverse intensità di radiazione provenienti dai diversi punti dell’oggetto inquadrato. Per meglio evidenziare taluni fenomeni (ad es. presenza di umidità, distacchi nell’intonaco), si usa spesso la rappresentazione in falsi colori, che si ottiene associando ad ogni livello di grigio un determinato colore.

Termografia

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Umidità In figura si vede una superficie intonacata ed affrescata asciutta nella parte destra e inumidita solo nella parte sinistra. Qui la temperatura è più bassa grazie all’effetto dell’evaporazione, salvo che nella parte centrale, più calda in quanto lì l’evaporazione è stata bloccata per qualche minuto mediante una pellicola trasparente, rimossa subito prima di registrare l’immagine termica. Trattandosi di termografia passiva non si percepiscono effetti dovuti al colore.

Umidità La termografia passiva è impegata solitamente per l’individuazione di zone umide, dal momento che in condizioni di temperatura superiori allo zero Celsius e umidità relativa inferiore all’80%, l’evaporazione ha luogo senza necessità di alcun riscaldamento. L’individuazione delle zone umide è possibile grazie all’ingente calore assorbito dall’acqua nella transizione dalla fase liquida a quella di vapore (il calore latente di evaporazione è di 540 calorie per ogni grammo di acqua evaporata). E’ possibile stimare il flusso evaporativo, responsabile del deposito di sali alla superficie e quindi di degrado (efflorescenze e subflorescenze, …)

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Termografia

Distacchi – Ponti termici

Distacchi (zone isolanti)

Stato di conservazione di intonaci I distacchi si manifestano con geometria irregolare Esterno chiesa parrocchiale di Ello (LC)

Termografia

Termografia

La lettura di tessiture murarie. Chiesa parrocchiale di Nembro (BG). Riscaldamento 500 W per 10 minuti La termografia in falsi colori evidenzia le anomalie termiche => distacchi La termografia in livelli di grigio evidenzia le differenze di materiali => tessitura

Esempi di termografie Villino residenziale (Pisa): Immagine acquisita in fase di raffreddamento notturno dopo una giornata di forte irraggiamento solare e foto diurna in radiazione visibile; si notano molte delle possibili caratteristiche svelabili tramite termografia, dalla differente tessitura muraria tra i diversi piani, alle dispersioni termiche sopra e sotto la finestra, fino alla presenza di putrelle.

Piazza Santa Maria Novella (Firenze) Immagine ripresa in fase di raffreddamento subito dopo un irraggiamento solare di 4-5 ore; è ben rilevabile il differente assorbimento di calore delle facciate, legato al materiale impiegato ed alla colorazione a vista. Si notano anche anomalie locali poco estese che possono essere legate a distacchi di intonaco o a crepe nelle murature.

Galleria d'arte (Firenze) Quadro illuminato da un sistema di faretti alogeni; è ben evidente la serie di spot caldi sulla superficie che possono comportare temperature critiche per vernici e leganti, e indurre nel tempo deformazioni dei supporti.

Piazza Santa Maria Novella (Firenze) Recinto del cimitero dopo una giornata di forte irraggiamento solare; in questo caso il colore e la natura della pietra e la presenza di croste nere sul monumento sono alla base delle differenze di riscaldamento subite.

                            Il termogramma in alto mostra l'origine dell'infiltrazione causa del degrado nella volta affrescata. I termogrammi sotto mostrano la composizione di una parete e l'individuazione di una perdita nell'impianto di riscaldamento a pavimento.

Esempi di termografie Si nota la preesistenza di un’apertura ad arco con colonnine decorative, oggi murata. WEMES Consulting, Vicolo Fucini 14, I-30172 Mestre-Venezia, ITALY

Esempi di termografie Sono evidenti diffuse zone di distacco dell'intonaco. WEMES Consulting, Vicolo Fucini 14, I-30172 Mestre-Venezia, ITALY

Esempi di termografie

Esempi di termografie

Termografia Sensibilità spettrale: 3  5 m 490x490 pixel Raffreddata Interv. temperatura: -20  250 °C

RIEPILOGO APPLICAZIONI ALL’EDILIZIA STORICA