La termografia infrarossa. Ing. Antonio del Conte

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1 La termografia infrarossa Ing. Antonio del Conte Ancona, 22 gennaio 2004

2 Termografia e termocamere a sensori CCD Introduzione La termografia è una tecnica di misura di tipo non invasivo, applicabile alla diagnostica di patologie e di problematiche costruttive delle superfici edilizie. L apparecchiatura utilizzata (termocamera) rileva le temperature superficiali delle aree eccitate mediante sorgente termica naturale (quale l irraggiamento solare) o artificiale (come lampade ad incandescenza), fornisce mappe a colori (termogrammi) che consentono una rapida localizzazione dei difetti, e permette un agevole archiviazione dei dati su supporto informatico. Si tratta di una tecnica diagnostica totalmente non invasiva, sia come sensore di misura - non esiste il contatto con l oggetto -, che come sistema di sollecitazione. L analisi di un termogramma permette di individuare, in base alle anomalie termiche rilevate, distacchi, lesioni, aree umide o materiali di diversa natura occlusi nell elemento in esame. La termografia La termografia è una tecnica per la visualizzazione delle radiazioni infrarosse (o IR, infrared rays) su di un monitor. La strumentazione è costituita da una macchina da ripresa che converte, mediante una fotocellula, la radiazione infrarossa in segnali elettronici, poi amplificati e inviati allo schermo di visualizzazione. Tale strumento è la termocamera, che permette di visualizzare immagini con toni di grigio, in monocromatico o in falsi colori; l immagine, che può essere elaborata e salvata in un file, è chiamata termogramma o immagine termica. Nella fattispecie, la termocamera impiegata consente di indagare temperature comprese tra 20 C e 300 C operando nella banda di lunghezza d onda delle radiazioni infrarosse comprese fra 8 e 14 μm, che costituisce un intervallo del più ampio spettro dell infrarosso (compreso fra 0,75 micrometri e 1 millimetro circa - vedi Tabella A1). L energia radiante di un materiale dipende dalla temperatura superficiale, i diversi materiali assumono differenti temperature superficiali in funzione della conduttività termica e del calore specifico, grandezze che caratterizzano l attitudine del materiale stesso a trasmettere calore o a ritenerlo. Ogni oggetto emette energia dalla propria superficie sotto forma di onde elettromagnetiche, quando queste onde colpiscono un corpo che non sia trasparente, vengono in parte assorbite, e l energia si trasforma in calore. L energia liberata da un corpo sotto forma di radiazione è funzione della lunghezza d onda secondo la legge di Plank (1): h = costante di Planck = 6, W sec 2 h c (1) = c = velocità della luce = m/sec λ λ = lunghezza d onda (µm) I fenomeni di scambio termico per energia raggiante differiscono tra loro in funzione della capacità dei corpi di assorbire e riflettere energia; per semplicità di formulazione, si usa confrontare le caratteristiche dei corpi reali con quelle di un corpo ideale di riferimento denominato corpo nero, capace di assorbire la totalità delle radiazioni ricevute. I corpi reali sono in grado invece di assorbire soltanto una parte della radiazione incidente, mentre la parte restante viene comunque riflessa. Lo scambio termico per irraggiamento è influenzato inoltre anche dal mezzo in cui l onda elettromagnetica si propaga, in quanto questo può assorbire parte dell energia coinvolta. Lo spettro delle radiazioni emesse dal corpo nero viene descritta dalla legge di Plank (2): (2) c 5 λ e ( λ T ) =, c 2 / λt W 2 m μm c 1 = prima costante di radiazione = 3, W μm 4 /m 2 c 2 = seconda costante di radiazione = 1, μm K λ = lunghezza d onda misurata in μm T = temperatura assoluta in K 2

3 Sommando i valori della funzione (λ,t) lungo tutto lo spettro, si ottiene, per il corpo nero, la legge di Stefan-Boltzmann (3): (3) = 0 4 ( λ, T ) dλ = σt σ = costante di Stefan-Boltzmann=5, W/m 2 K 4 Figura A1 - L area sottesa dalla curva di radiazione del corpo nero è uguale alla relazione di Stefan- Boltzmann. Nello studio dello scambio termico per radiazione è necessario conoscere le caratteristiche di emissione, riflessione e assorbimento dei corpi reali coinvolti: solo se i corpi fossero neri si avrebbero caratteristiche note e definite secondo le predette leggi matematiche. Per semplicità di formulazione, quindi, si usano alcuni coefficienti adimensionali, quali il fattore di emissività, che consentono di rapportare le caratteristiche di emissività dei corpi indagati con quella del corpo nero. L emissività è data dal rapporto tra l energia emessa dal corpo considerato e quella del corpo nero (4), dunque: ε = attuale (4) corponero ε = fattore di emissività attuale = energia del corpo considerato corpo nero = energia del corpo nero Come già accennato, la termocamera è uno strumento in grado di rilevare le temperature dei corpi analizzati, ed è costituito da una componentistica elettro-ottica. La radiazione infrarossa giunge all obiettivo della termocamera, il flusso viene indirizzato ad un sensore, che genera un impulso. Tale impulso viene amplificato e convertito da segnale analogico a segnale digitale per essere elaborato dal processore elettronico. Il processore associa un numero ad ogni impulso elettrico, che rappresenta la temperatura del corpo, viene così costruita un immagine digitale in cui ogni pixel corrisponde ad un numero, che rappresenta una certa quantità di calore. Una successiva riconversione del segnale così elaborato (da digitale ad analogico), permette di associare un intensità di luminosità ed un colore a ciascun punto dell immagine, costruendo il termogramma di uscita. La scala dei colori adottata è una falsa scala dove ai colori che tendono al rosso corrispondono temperature sempre più alte, mentre ai colori che tendono al blu temperature più basse. La restituzione dell immagine può essere prodotta in diverse scale di colori ed elaborata tramite l uso di programmi specifici. Lo schema di funzionamento della termocamera è rappresentato in Figura A2 e in Figura A3. 3

4 INPUT matrice di sensori Radiazione IR impulso elettrico per pixel image processing Radiazione IR scanner sensore IR impulso elettrico punti individuati amplificatore del segnale convertitore A/D formazione immagine correzione del segnale ottica monitor salvataggio del file immagine osservatore ricostruzione immagine convertitore D/A uscita video analogica OUTPUT Figura A2 - Schema termocamera. Figura A3 Schema di funzionamento della termocamera. Procedura di misura ed elaborazione dati Le tecniche comunemente utilizzate per le indagini termografiche si dividono fondamentalmente in due gruppi: quelle che sfruttano l energia interna dell oggetto da esaminare (termografia passiva) e quelle che richiedono sollecitazioni termiche dall esterno (termografia attiva). Un corpo che è in equilibrio termodinamico con l ambiente che lo circonda non potrà essere esaminato con la termovisione in quanto non emette nessuna radiazione. La procedura di misura per la tecnica di termografia passiva consiste nell effettuare delle riprese differite nel tempo con la termocamera nel transitorio termico, dopo aver impostato i parametri sullo strumento. Le immagini termiche vengono salvate dalla termocamera su compact flash e l elaborazione delle stesse, in post analisi, avviene su PC con software dedicato. Il software permette di effettuare dei cambi di scala o di usare differenti scale di temperatura/colore, di determinare il valore della temperatura pixel per pixel e di effettuare sottrazioni di immagini, operazioni necessarie per mettere in evidenza anomalie termiche non immediatamente visibili. In Figura A4 è riportato un esempio di visualizzazione dell elaborazione di una immagine termica, mentre in Tabella 1 sono riportate le caratteristiche tecniche della termocamera utilizzata. 4

5 Figura A4 laborazione di un immagine termica. AVIO Neo Thermo serie TVS-600: caratteristiche tecniche Rilevatore FPA (focal-plane-array) microbolometrico bidirezionale senza raffreddamento Numero degli elementi sensibili del rilevatore 320 (H) x 240 (V) Numero pixel nello schermo Lunghezza d onda rilevabile Campo visivo (con lente da 35mm) Campo visivo istantaneo (con lente da 35mm) Risoluzione termica minima 320 (H) x 236 (V) 8 14 μm 25,8 (H) x 19,5 (V) 1,4 mrad Range di emissività 0,10-1 0,15 C (con corpo nero a 30 C) Intervallo di temperature misurabile Intervallo basso: C Intervallo alto: C Precisione della temperatura misurata ± 4% Numero fotogrammi visualizzabili Messa a fuoco Tipo di schermo Formato dell immagine Mezzi per la registrazione I/O esterno 30 fotogrammi/secondo Manuale Pannello incorporato a cristalli liquidi di 5. Uscita per monitor esterno File IRI: formato speciale del sistema TVS, File TIF: formato TIFF Scheda PCMCIA (CompactFlash TM di SanDisk) RS 232C Condizioni ambientali di utilizzo Temperatura: da -10 C a +40 C Umidità: max. 90% Vibrazione: 1,0 G ( Hz) Urti: 5 G (11 msec) Tabella A1 - Caratteristiche tecniche della termocamera impiegata. 5

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