Tecniche di indagine termovisiva

Transcript

1 Tecniche di indagine termovisiva Si basano sull analisi del flusso radiante di un oggetto. La calibrazione deve tener conto dell emittanza, della distanza sorgenterivelatore, della Temperatura dell ambiente. La distribuzione spaziale e temporale della Temperatura fornisce informazioni superficiali e dell interno. Si possono avere due tipi di tecniche: Passive: indagine sulla Temperatura raggiunta dai corpi considerati isolati dall ambiente. Attive: Indagine sulla Temperatura raggiunta dai corpi per effetto del riscaldamento superficiale. Le tecniche attive a loro volta si distinguono a seconda del tipo di sollecitazione termica applicata ed il regime termico instaurato. Sorgente luminosa Trasmissione Trasmissione Sorgente di calore Sorgenti di Calore Il principio di conservazione dell energia vale sempre G=potenza su superficie= Watt/m 2 Per la radiazione avremmo G = ρ G + α G+ τ G Per una sorgente di calore Potenza = Watt Q = ρ Q + α Q+ τ Q La temperatura del materiale riscaldato dipenderà da come si propaga il calore e come si disperde nell ambiente. Q=mc ΔT è Q assorbito!

2 Termografia dinamica: sequenza di immagini sia in fase di riscaldamento (ad energia costante), che in fase di raffreddamento. Si rielaborano le immagini come ΔT rispetto ad una temperatura di un punto ritenuto sano, ovvero si avrà un immagine a: Contrasto Termico Tempogramma Rappresenta il tempo di massimo contrasto Maxigramma Rappresenta il valore di massimo contrasto Localizzazione e dimensione dei difetti. Più profondi sono i difetti più tardi e meno intensi si manifestano in superficie nell influenza sulla temperatura superficiale. Tomografia termica dinamica: sequenza come sopra. Oltre alle immagini si riporta la variazione temporale massima (derivata massima). Questo permette di ricostruire ed individuare i difetti in profondità su vari piani paralleli alla superficie. Termografia modulata e impulsata: sono tecniche nelle quali si applicano sorgenti di calore modulate e si indagana sulla risposta a tali segnali. Questo permette di isolarsi dall eventuale segnale IR di fondo. Studi storici e diagnostica Studio del manufatto in quanto tale: identificazione e documentazione grafica di elementi strutturali non accessibili nel visibile. Diagnostica e monitoraggio non distruttivo dello strato più superficiale delle murature, stato di conservazione di intonaci, affreschi e mosaici (presenza di umidità, distacchi degli intonaci, rifacimenti fessurazioni). Le variazioni di emissione non sono solo dipendenti dalle strutture interne delle murature, ma anche dalle caratteristiche della superficie. Termocamere sensibile a 1/100 ºC. Individuazione di rifacimenti, sostituzioni ecc. Individuazione di tecniche costruttive e eventuali elementi estranei. Indagini sulla rivelazione di distacchi dei paramenti murari. Indagini su superfici complesse mosaici, integrazione della termografia con misure di riflettanza superficiale.

3 Campi vari di applicazione della termografia Storico: ricostruzione storica, elementi celati e incorporati in fasi successive, elementi in pietra (archi, capitelli, portali..), tamponature (finestre, porte), tessiture murali, ammorsamenti tra edifici. Statico: tipo di muratura e materiali costituenti, elementi strutturali (pilastri architrave, archi di scarico ), strutture lignee (Solai, travi ), fratture interne, elementi metallici (staffe, chiavi, grappe, chiodi). Impianti: tubazioni idriche o termiche non a vista, canne fumarie, impianti civili. Termo-idrici: anomalie termiche correlate a cicli idrodinamici, ponti termici, condensazione/evaporazione, risalita capillare, infiltrazioni di acqua. Coperture: intonaci parietali, affreschi, mosaici, individuazione dei distacchi, controllo di adesione dopo restauro. Degrado: controllo in tempi diversi dello stato di degrado correlato con tutte le informazioni disponibili alla tecnica. Termografia ed utilizzo: maggiori interessi per i beni culturali.

4 Termografia per i beni culturali Diagnostica per immagini. Rilevazioni a distanza, senza la necessità di ponteggi. Possibilità di rilevazione in tempi e condizioni diversi. Indagine non distruttiva e non invasiva. Permette di rilevare strutture non in vista {impronta delle murature e immagini in IR}

5 Chiesa di SS. Egidio e Omobono di Cremona Ripresa termografica attiva, illuminazione naturale (sole). Immagine nel visibile Nella foto in luce visibile si vede un alterazione cromatica dovuta ad ormai esaurita risalita capillare. Fascia scura dovuta a risalita capillare, poi risolta. Immagine in infrarosso Le zone più luminose per Temperature maggiori. Le statue e la lapide circolare nel timpano sono nettamente più calde in quanto di pietra rispetto al cotto della facciata. Ma la parte in basso dove c era risalita capillare? Sulla scala dei grigi, maggiore luminosità indica maggiore radianza (maggiore T). Scala dei colori: ad ogni colore viene associata una temperatura. A volte viene presentata la scala dei colori

6 Termografia e colore Interpretazione problematica della termografia. Dall immagine della termovisione all effettiva mappa termica: Il rivelatore infrarosso fornisce solo la misura di radianza, si può risalire alla temperatura se sono noti il valore di emissività e il fattore di forma punto per punto. Il comportamento termico può presentare differenze da punto a punto anche per materiali omogenei in caso di colore differente. La temperatura può variare da punto a punto in funzione della energia localmente assorbita. Questo è una complicazione per la diagnostica attiva di superfici affrescate. Pertanto è necessario includere la misura delle proprietà di assorbimento o almeno una stima ragionevole della sua influenza sulla temperatura. Le aree di colore più scuro risultano più calde. Influenza del colore sulla termovisione (sintesi) Interpretazione problematica della termografia Il rivelatore infrarosso fornisce la misura di radianza Mappa termica dalla misura locale di radianza emissività La radianza dipende da { fattore di forma punto per punto ambiente circostante Cromie Il comportamento termico sarà differente, da punto a punto anche in caso di materiali omogenei, se la superficie presenta cromie diverse.

7 Colore Un dettaglio sul colore Corpo opaco giungono le radiazioni riflesse, trasparente le trasmesse. Corpi che riflettono tutte le radiazioni visibili: superfici non lucide, diffondenti, appaiono bianchi, grigi o neri a seconda della percentuale di radiazione riflessa (riflettanza). Spettro di riflettanza Corpo opaco: il colore è la combinazione delle radiazioni riflesse. Saturazione : minore o maggiore larghezza di banda spettrale riflessa. Luminosità a seconda della percentuale totale di radiazione riflessa. Corpi che riflettono in percentuale diversa le radiazioni dello spettro avranno una tinta dovuta alla combinazione di queste. Es. mattone sul quale vengono provocati dei distacchi. sotto l intonaco L immagine a sinistra è some viene rilevato il mattone dalla termocamera. Giallo di Napoli A destra si ha il termogramma rispetto al contrastro termico con unazonasana. Si può illustrare l influenza del colore sulla rivelazione dei distacchi: Rosso di Cadmio Scuro Il mattone a sinistra ha un discatto (indicato con il tratteggio) ed è colorato con diverse cromie. Blu di Cobalto Grassello di Calde Con la termocamera sotto il colore giallo è invisibile. (Bianco-San Giovanni) La differenza dipende dal coefficiente di assorbimento della radiazione utilizzata come sorgente, il blu assorbe maggiormente e quindi la zona sottostante si riscalda di più. Lo spettro di assorbimento è il complementare dello spettro di riflessione.

8 Diagnostica dell umidità Flusso evaporativo e degrado delle superfici: Passaggio dell acqua d imbibizione dal liquido al vapore con deposito di sali e conseguente cristallizzazione in superficie: efflorescenze o, nei pori del materiale, subflorescenze. Conseguenze fratturazioni o sfarinamento. Processo di evaporazione dalle murature: guidato da differenze di concentrazione di acqua fra muro e aria (gradiente idrico), non solo dall umidità nella muratura. Difficiledavalutaree richiedeunostudio degli scambi idrici muro aria. Oltre al contenuto ponderale nel muro è necessario monitorare le variabili ambientali: temperatura ed umidità dell aria esterna, temperatura ed umidità a contatto con la superficie, ventilazione e riscaldamento esterno. Metodo efficace per determinare il flusso evaporativo: valutazione termografica delle zone sottoposte a raffreddamento per il processo di evaporazione. Passaggio dell acqua da liquido a vapore (calore latente di evaporazione) ~ W/m 2. La termografia consente di ottenere la mappatura delle zone soggette a traspirazione acquea e valutare quali sono sede di maggiori flussi evaporativi. Si individuano facilmente aree che, a causa dell evaporazione dell acqua, sono più fredde. Fonti di umidità Le zone fredde sono attribuibili a presenza di umidità. Il raffreddamento evaporativo è evidente come punto freddo, in quanto fornisce una radianza minore.

9 Massa ponderale e flussi evaporativi Difficoltà nel descrivere una relazione semplice tra massa ponderale e flussi evaporativi. Transizione tra trasporto dell acqua per capillarità e diffusione di vapore. Queste variazioni brusche non permettono di risalire facilmente dai flussi evaporativi alla massa ponderale di acqua. In ogni caso l evidenza di flussi evaporativi è di un importanza capitale nel rilevare zone dove il degrado, se non già presente, non tarderà a manifestarsi. Flussi evaporativi e fenomeni di trasporto Lo studio dei flussi evaporativi vanno correlati ai fenomeni di trasporto dell acqua. La termografia permette uno studio in tempo reale delle caratteristiche vapore-condensacapillarità nei materiali porosi, sempre nell ambiente in cui vivono e respirano le murature. In genere materiali ad elevata percentuale di assorbimento di acqua presentano riduzioni maggiori in temperatura. Una calibrazione in laboratorio di materiali noti, permette anche la mappatura dei vari interventi successivi. Lo studio sulle fortificazioni Venete a Heraklion, hanno permesso di distinguere malte composte con cemento (parti più calde) da quelle tradizionali composte in calce e/o pietra. Per il diverso comportamento dei materiali rispetto all impregnazione e ai fenomeni di evaporazione si può avere un controllo sull adeguatezza del restauro alla situazione originaria.

10 Strutture murarie: Indagini di strutture architettoniche T in superficie dipende da Condizioni stazionarie (T e Q/t costanti): { propagazione del calore al suo interno condizioni ambientali conducibiltà termica (k) Capacità termica. Minore è la conducibilità termica migliore è l isolamento a parità di spessore. Condizioni dinamiche T e Q/t variabili nel tempo : diffusività termica (α). α = k rapporto tra conducibilità (k) e capacità termica (m c) ρ c proprietà isolanti e di accumulo termico. Il calore procede più rapidamente nei materiali con maggiore diffusività: ponte termico. Un ponte termico è visualizzato come parete più fredda (più calda se osservato in trasmissione). Capacità termica e diffusività termica Capacità termica: l attitudine di un corpo ad accumulare calore. Rispetto all unità di massa, calore specifico: O Rispetto all unità di volume capacità termica: ΔQ c = 1 m 1 ΔQ 1 ΔQ ρc = = m ΔT V m ΔT V ΔT In caso di conduzione termica transitoria si ha la diffusività termica: α = k ρc dove ρ = densità m/v, c = calore specifico k rappresenta l attitudine a condurre calore, ρ. c rappresenta la quantità di energia che un materiale è in grado di accumulare per unità di volume, α rappresenta il rapporto tra calore trasmesso per conduzione/calore accumulato: α elevato = più veloce propagazione, α basso = prevale l accumulazione.

11 Equazione che descrive l evoluzione del temperatura nel tempo. La formula equivale alla propagazione delle onde. La differenza di materiali quali legno, mattoni, pietra ecc.è visibile dall impronta termica, a condizioni che l intonaco sia uniforme nel ricevere il riscaldamento e aderisca omogeneamente. Modelli di trasferimento di calore tra due pareti piane con flusso e temperatura superficiale costante permettono di stimare con discreta precisione i tempi e la potenza di riscaldamento. Temperatura e calore (condizioni stazionarie) Sorgente di energia Elemento omogeneo q& = Conduzione: A ( T c T ) Q Q t = f k = k s A t ΔT Δx ( T c T ) s f R = s/k resistenza termica r = R/A resistenza termica specifica T 4 >T 3 >T 2 >T 1 q& = ΔT A R

12 Conduzione (parete multistrato) k 1 k 2 k 3 Possiamo descrivere una parete composita. Con la resistenza totale delle varie pareti in serie 1 2 R tot = R1 + R2 + R3 = + + k1 k2 s s s k 3 3 q& = Q t = ΔT A R tot Per diminuire il flusso di calore è necessario aumentare la resistenza termica della parete s 1 s 2 s 3 Inerzia termica e accumulo termico maggiore Volano termico Soluzione ottimale materiali con maggiore accumulo termico nella parte interna.

13 Convezione su una parete T S A T a q& = h A T T ) conv ( s a h coefficiente di scambio convettivo [W/m 2 K] A superficie normale al flusso [m 2 ] T s Temperatura del solido [K] T a Temperatura dell aria [K] h dipende dal tipo di moto, dal tipo di fluido, dalla geometria della parete. A Irraggiamento da una parete T S q& irragg = cost A(T T a = h A(T T ) irragg S 4 S T a 4 a ) = h coefficiente di scambio termico per irraggiamento [W/m 2 K] q& irragg = h irragg A (T S T a ) = 1 R Irragg A (T h irragg dipende dallle due Temperature, dalle caratteristiche delle superficia radianti, Ma può essere considerato costante. S T a )

14 Adduzione = convezione e irraggiamento Il contributo di scambio termico per convezione ed irraggiamento, in genere in un ambiente esterno coesistono. Se non si è interessati alla distinzione dei due tipi di propagazione, ma al comportamento globale si presenta la combinazione dei due effetti: adduzione h = h + add conv h irr In genere in presenza di fluidi l effetto dominante è la convezione. In una parete edilizia dovremmo seguire un analisi completa della trasmissione del calore per adduzione tra l aria interna e la superficie interna, conduzione attraverso la parete, adduzione tra la faccia esterna e l aria esterna. T T i T pi Per una parete di un solo strato Avremmo 3 resistenze termiche 2 per adduzione 1 per conduzione s T pe T e T i = Temperatura interna. T pi = Temperatura parete interna. T e = Temperatura interna. T pe = Temperatura parete interna.

15 T T i T pi s T pe Una parete ideale può essere descritta con modello tipo circuiti elettrici. T e spazio 1 R conv int = h R q& int conv est = R tot =R conv int + R cond + R conv est tot h est R tot Q = t tot 1 = h int 1 = R Modellino di un circuito elettrico equivalente. resistenza alla propagazione del calore all interno (solo convezione o adduzione) 1 resistenza alla propagazione del calore all esterno (solo convezione o adduzione) tot + s k A 1 + h est ( T T ) i e Modellini elettrici di altre strutture fino ad una vicina alla situazione reale di un mattone forato.

16 In trasmissione è più freddo. Difetto isolante, ad esempio aria, distacchi. Sorgente di Calore Osservato in riflessione è caldo In trasmissione è caldo. Difetto conduttore, ad esempio metallo, ponte Termico In riflessione è più freddo. Sorgente di Calore Risposta ad sollecitazione termica rispetto al tempo: subito dopo Intonaco l attivazione della sorgente C pietra < C mattoni lo spegnimento. In fase di riscaldamento In fase di raffreddamento

17 Risposta ad sollecitazione termica rispetto al tempo: subito dopo Intonaco l attivazione della sorgente C pietra < C mattoni lo spegnimento. In fase di raffreddamento La capacità termica (m c) funziona da volano (Q = mc ΔT). Nelle costruzioni antiche i materiali pieni, pesanti, presentano una grande capacità di accumulo. I muri si riscaldano lentamente quando si accende un sistema di riscaldamento ed una volta spento si raffreddano lentamente. Nella due disposizioni precedenti la trasmittanza è uguale, cambia la capacità di accumulo tra interno ed esterno Lettura di tessiture murarie possibili errori nell interpretazione per: Disomogeneità superficiali { ottiche (variazione di colore) termiche (distacchi fessurazione) Alterazione nella trasmissione del calore Interpretazione con modelli matematici che includano: { proprietà dei materiali risposta a sollecitazioni termiche.

18 impronta termica non una lettura diretta, ma la risposta ad uno stimolo termico Grandezza rilevata: temperatura sulla superficie T superficiale è dipendente anche dalla propagazione del calore all interno della muratura Permette la rilevazione di elementi nascoti o tessitura della muratura, rifacimenti, Con opportune analisi e calibrazioni anche I tipi di materiale S. Maria Incoronata, Martinengo (BG), riscaldamento convettivo. Tessitura in ciottoli. Tessitura in laterizi, maggiore isolamento recente tamponamento. S. Maria Incoronata, Martinengo (BG), riscaldamento convettivo.

19 Permette la rilevazione di Elementi nascoti o tessitura della muratura. Lettura di geometrie, materiali, fessurazioni Conoscenza statica Conoscenza storica Solo rilevabili sotto l intonaco archi di scarico, porte tamponate, fessurazioni. È possibile rilevare strutture di ammorsamento, la tecnica costruttiva ed eventuali elementi metallici di consolidamento. Evidenza di un nicchia sotto la decorazione.

20

21 Isolamento Termico e dispersione, ponti termici Varese, Villa comunale, ripresa notturna. Cedimento dei materiali refrattari utilizzati per rivestire e coimbentare le canne fumarie

22 Strutture nascoste Termografica di una facciata di una chiesa. Evidenza di modifiche successive. In fase di restauro è utile valutare con anticipo ogni variazione apportata alla struttura originaria così da concentrarsi maggiormente su queste per verificarne la stabilità e l'integrità. Sono ben evidenti sotto la copertura esterna due prese di luce circolari richiuse in un secondo momento Possibile studio dei materiali Termografia: tecnica di indagine superficiale T dipende dal flusso di calore verso: { strati interni ambiente esterno. Si utilizza il principio di conservazione dell energia e i modi di trasmissione del calore. h coefficiente di scambio convettivopuòesseredeterminatocon buona approssimazione mediante formule semi-empiriche, che tengono conto di T (ambiente e muro), k dell aria e viscosità, dimensioni ed orientazione della superficie, ed in caso di convezione forzata della velocità del vento. Note le proprietà del materiale, l intensità dello stimolo si può stimare la T all interno della muratura. Noti T i (T iniziale alla superficie), α(diffusività) k(conduttività termica) e h(coefficiente di scambio convettivo), si può risalire al materiale dall andamento termporale della T superficiale.

23 Misurazioni di T Miglior correlazione con α= cm 2 /s e per k=0.5 W/m K, ovvero valori tipici dei mattoni. Curva del modello per i valori tipici dell intonaco: α= cm 2 /s. Diagnostica dei distacchi Diagnostica di aree distaccate di intonaci, mosaici e paramenti sottili in genere. Termografia attiva (strati d aria isolanti). La zona sede del distacco aumenta di T maggiormente delle zone sane (Q=m c ΔΤ). A parità di energia per unità di superficie, essendo m minore si ha un aumento maggiore. Fonti di calore: sole, lampade per superfici interne, sorgenti convettive, Sufficiente differenza tra temperatura dell aria diurna e murature che hanno un inerzia termica maggiore.

24

25 Diagnostica sull influenza del riscaldamento Palazzo Te, sala di Psiche. È ben evidente la non omogeneità del riscaldamento. Il calore si accumula nella volta in materiale ligneo causando dilatazioni differenti tra le tavole. Pertanto questa zona è a rischio per effetti termici e depositi superficiali.

26 Diagnostica dell umidità E il flusso evaporativo che Ha il ruolo dominate nel degrado Piuttosto che la quantità di acqua.

27 La chiesa di S. M. Incoronata Sorgente di calore termoconvettiva. Immagine mediante termocamera short wave. Risoluzione termica 1/20 ºC. Risoluzione Spaziale 2 cm a 10m La presenza di affreschi avrebbe altrimenti inficiato la mappatura. Per l infrarosso termico tale differenza, nell emissività è trascurabile. Stimato il flusso di calore dal gradiente termico aria parete, utilizzando i parametri α, k, noti. Questi parametri danno come risposta il tempo necessario per ottenere alla profondità di 2 cm, Un incremento di T rilevabile dalla termocamera (0.05 ºC).