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CAPITOLO 1
LA TERMOGRAFIA.
1.1 Teoria della termografia.
L’astronomo Sir William Herschel scoprì l’esistenza delle radiazioni
infrarosse attraverso la misura del calore emesso dai diversi colori che
compongono la luce visibile. Egli si accorse che la più alta temperatura cadeva
oltre il colore rosso, limite fino ad allora conosciuto. Suo figlio Sir John Herschel
specialista in fotografia riuscì a documentare il rilascio di calore sull’infrarosso
creando una particolare immagine con una sospensione di carbonio in alcool:
definì questa immagine termogramma [1].
Altri esperimenti come questo parteciparono alla definizione di quello che
oggi chiamiamo spettro delle onde elettromagnetiche.
Dall’analisi dello spettro, suddiviso in una successione di intervalli chiamati
convenzionalmente bande, sappiamo che l’infrarosso si trova racchiuso tra
l’intervallo delle microonde e quello della luce visibile. In termini di lunghezza
d’onda possiamo scrivere :
Microonde 0,3 > λ > 10 -3 [m]
Infrarosso 10-3 > λ > 0,78 10 -6 [m]
Luce visibile 0,78 10 -6 > λ > 0,38 10 -6 [m]
La termografia fa uso della banda dell’infrarosso, vediamo con quali
motivazioni.
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Tutti i corpi a temperatura ambiente emettono radiazioni termiche nel campo
dell’infrarosso; questa emissione di calore è ottenuta a scapito dell’energia interna
del corpo. Per poter misurare la quantità di calore emesso si è convenzionalmente
fissato un riferimento : il corpo nero.
Il corpo nero, per definizione, è un corpo che assorbe qualsiasi tipo di
radiazione a qualunque lunghezza d’onda. Questa astrazione scientifica è
realmente realizzabile costruendo una cavità di materiale opaco con un piccolo
foro: la radiazione che penetra nella cavità viene quasi completamente assorbita
all’interno della stessa.
Per meglio comprendere quanto detto dobbiamo puntualizzare che l’energia
incidente su una superficie si suddividerà in generale in energia assorbita, riflessa
e trasmessa. In formule possiamo scrivere :
αG + ρG + τG = G
in altri termini :
α + ρ + τ = 1
Nel nostro caso il materiale è opaco ( τ = 0 ) quindi all’interno della cavità
avremo una serie di riflessioni finchè tutta la radiazione non è stata assorbita
( α = 1 ).
E’ altrettanto vero che un corpo nero è anche un perfetto emettitore.
Prendiamo una cavità di materiale opaco senza foro e immaginiamo di
mettere al suo interno un corpo nero mantenendo le condizioni di equilibrio del
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sistema; si otterrà che il potere emissivo del corpo nero En sarà uguale alla
radiazione totale incidente G sullo stesso corpo nero :
En = G
ciò vuol dire che praticando adesso un foro nella cavità, da questo stesso foro
avremo in uscita la radiazione di corpo nero e quindi la superficie del foro è un
corpo nero.
La misura dell’energia emessa da un corpo nero ha messo in evidenza che En
dipende solo dalla temperatura ed in particolare :
En = σ T4
dove σ = 5.67 10-8
W
m2 k4
.
Questa relazione è chiamata legge di Stephan-Boltzmann.
La realtà che ci circonda è composta da superfici grigie e quindi le leggi che
utilizzeremo saranno le seguenti :
E = α G ; E = ε σ T4
dove ε è il coefficiente di emissione totale definito come il rapporto tra l’energia
totale emessa dalla superficie reale e l’energia totale emessa dal corpo nero alla
stessa temperatura.
Questo è dunque il criterio teorico sfruttato dalla tecnologia termografica :
rilevare la quantità di radiazione infrarossa emessa, calcolare l’energia e infine
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ricavare la temperatura avendo prima la perfetta conoscenza del materiale di cui è
costituita la superficie grigia dal quale dipende il coefficiente di emissione totale.
1.2 Campi moderni di applicazione della termografia.
La termografia è una metodologia di indagine non distruttiva e questa sua
caratteristica la rende applicabile in analisi anche molto delicate, per cui risultano
molto estesi i suoi campi di applicazione.
La facile rilevazione delle distribuzioni di temperatura e l’altrettanto facile
interpretazione dei risultati termografici ha permesso di sostituire molte tecniche
di analisi tradizionali.
Ma vediamo ora in quali campi la termografia è utilizzata con successo [2].
OPERE EDILI :
- rilevamento di sfaldature del cemento dall’acciaio nei ponti ;
- rilevamento di infiltrazioni d’acqua nelle strutture ;
- verifiche, controlli e collaudi riferiti al contenimento energetico.
PRODUZIONE E DISTRIBUZIONE ENERGIA ELETTRICA :
- verifica presenza di difetti su cavi, giunti e isolatori ;
- verifica grandi trasformatori ;
- verifica integrità isolamento termico delle caldaie delle centrali elettriche ;
- controllo di cuscinetti e parti rotanti nelle macchine elettriche soggette a
surriscaldamento.
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PROTEZIONE CIVILE :
- protezione, prevenzione e controllo da eruzioni vulcaniche ;
- ricerca di fughe di gas o liquidi pericolosi ;
- ricerca nel sottosuolo di tracciati elettrici, oleodotti e gasdotti ;
- mappa termica di dighe, stadi, edifici per la prevenzione di collassi
improvvisi;
- ricerca di persone cadute in mare, disperse al buio, sommerse da terra o neve.
INDUSTRIA PETROLCHIMICA :
- controllo dei residui solidi all’interno di tubazioni ;
- controllo di aree critiche sottoposte a temperature limite ;
- ricerca di lesioni su grandi ciminiere ;
- ottimizzazione e verifica del rendimento di torri di raffreddamento e
scambiatori di calore.
MEDICINA :
- studio del risanamento di ferite ;
- controllo delle zone corporee interessate da fenomeni reumatologici ;
- controllo di difetti circolatori.
ECOLOGIA :
- individuazione di aree vegetative in cattivo stato di salute ;
- mappatura termica delle coste esposte a rischio industriale ;
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- controllo notturno della presenza di esemplari faunistici e dei loro movimenti.
BENI CULTURALI (Edifici storici) :
- verifica dello stato di salute ;
- ricerca della natura del materiale ;
- lettura dei corpi fabbrica aggiunti ;
- individuazione di armature lignee intonacate ;
- ricerca di canalizzazioni idriche e fognarie nascoste in pareti o pavimenti ;
- mappa termica per la ricerca di rifacimenti e modifiche ;
- ricerca del posizionamento e dimensionamento di elementi strutturali quali
archi di scarico, pilastri di mattoni, architravature.
1.3 La termografia applicata all’edilizia – Cenni sulla normativa.
Come abbiamo visto i campi di applicazione della termografia sono numerosi.
Quello di nostro interesse è relativo all’edilizia, in particolare con l’obiettivo
di misurare le dispersioni termiche attraverso l’involucro edilizio, quindi proporre
interventi migliorativi su vecchie strutture, valutare strutture di nuova costruzione
oppure verificare la bontà di nuovi materiali da costruzione, al fine di ridurre i
consumi energetici per riscaldamento e condizionamento.
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Il contenimento dei consumi energetici è stato regolamentato con l’entrata in
vigore della legge 10/91 e dei suoi decreti applicativi, corredati da una serie di
normative tecniche UNI [3].
L’insieme di norme a nostra disposizione fornisce istruzioni sui passi
progettuali da seguire al fine di rispettare i parametri di valutazione fissati per
legge in questo senso assume particolare importanza la fase di calcolo del
fabbisogno di energia che è illustrata dalla norma UNI 10344.
Tra tutte le fasi che compongono il procedimento di calcolo del fabbisogno di
energia quella che riguarda il calcolo delle energie scambiate per trasmissione è
certamente la più importante.
L’energia termica scambiata per trasmissione attraverso le pareti
dell’involucro edilizio, per ogni mese considerato, è data da :
QTR = QT + QG + QU + QA
dove :
QT è l’energia scambiata con l’ambiente esterno ;
QG è l’energia scambiata con il terreno ;
QU è l’energia scambiata con ambienti non riscaldati
(es: sottotetti, garages, scale);
QA è l’energia scambiata con zone a temperatura prefissata
(es: ripostigli).
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Per calcolare le diverse energie scambiate per trasmissione si applicano
formule del tipo :
Q = 86.400 N H ∆θ
dove :
86.400 è il numero di secondi in un giorno ;
N è il numero di giorni del mese ;
H è il coefficiente di dispersione termica ;
∆θ è il differenza di temperatura.
E’ facile intuire a questo punto che per il calcolo del coefficiente di dispersione
termica sarà necessario mantenere la massima precisione possibile.
Considerando che per la normativa si deve applicare la seguente formula :
H = Σ i AiUi + Σ j ψ jlj
dove :
A è l’area di ciascun componente termicamente uniforme ;
U è la trasmittanza termica di ciascun componente ;
ψ è la trasmittanza termica lineare di ponte termico ;
l è la lunghezza del ponte termico ;
che risulta essere di laboriosa applicazione e di non buona precisione.
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In alcuni casi il calcolo della trasmittanza lineare è affidato a formule
contenenti costanti che assumono valori più o meno arbitrari, è in questi casi
dunque che la termografia può venirci in aiuto.
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CAPITOLO 2
IL TERMOGRAFO AD INFRAROSSI
2.1 Il modello in dotazione al Dipartimento di Meccanica.
Il termografo utilizzato per questo lavoro di tesi è prodotto dalla HUGHES
AIRCRAFT COMPANY , denominato TVS-3000 (Thermal Video System).
Fig 2.1 – Thermal Video System
Il thermal video system (Fig 2.1) è corredato dei seguenti componenti :
- videocamera ad infrarossi con treppiedi e bombole del gas ;
- processore immagini con telecomando ;
- monitor 10 pollici RGB .
In dotazione con lo strumento sono state fornite due bombolette da 200 cc per
il gas argon con purezza del 99,998 % da riempire alla pressione di 350 Kg/cm2
della durata stimata di 4 ore.
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La legislazione italiana non permette, per ragioni di sicurezza, di riempire
bombole per il gas con pressioni superiori a 200 atm (~207 Kg/cm2), anche se si
tratta di gas inerte.
Visto che questo limite legislativo riduce notevolmente la durata di una
bomboletta (con pressioni inferiori a 70 Kg/cm2 non appare alcuna immagine) si è
deciso di accantonarle e corredare così lo strumento di una bombola da 5 litri
riempita dunque a 200 atm della durata di oltre 20 ore.
Per il salvataggio dei rilievi termografici il termografo deve sempre essere
affiancato da un computer dotato di scheda video sul quale verranno anche
effettuate le elaborazioni.
Il collegamento viene realizzato sfruttando l’uscita video del processore e
l’ingresso nella scheda video.
In sintesi il funzionamento dello strumento è il seguente: la videocamera
riceve le radiazioni infrarosse emesse dalla superficie, il processore converte il
segnale elettrico proveniente dalla videocamera in un segnale digitale
visualizzandolo in tempo reale ed in pseudocolori sul monitor.
Vediamo le specifiche dello strumento [4]:
- campo di vista : circa 10° verticale x 15° orizzontale ;
- distanza minima : 20 cm ;
- numero di fotogrammi : 20 Fotogrammi/secondo ;
- range di temperatura totale : -40 / +280 °C ;
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- range di temperatura calibrato : -20 / +280 °C ;
- sensitivity o temperature resolution minime :
l’apparizione del simbolo @ sul monitor indica l’uso di una risoluzione
inferiore al minimo ;
- condizioni ambiente operativo :
temperatura –10 / +45°C ;
umidità massima 90 % ;
- condizioni ambiente di conservazione :
temperatura –30 / +65°C ;
umidità massima 90 % .
2.2 Istruzioni per l’uso.
L’utilizzo del thermal video system è schematizzato nelle seguenti fasi :
- accensione ;
- messa a punto ;
- preparazione immagine e salvataggio sul computer .
Temperature Table Name C-280-100
Range T [°C] Resolution
-40 / +20 0,5
20 / 35 0,1
35 / 105 0,2
105 / 210 0,3
210 / 280 0,4
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La prima fase prevede semplicemente l’apertura delle due valvole del gas, una
in prossimità della videocamera e l’altra posta sulla bombola, seguita
dall’accensione del processore di immagini e del monitor per mezzo degli appositi
interruttori posti sul retro ( è necessario seguire lo stesso ordine per la fase di
chiusura ).
A questo punto molto probabilmente sul monitor non apparirà alcuna
immagine ma solo un rettangolo a tutto schermo di un solo colore. La causa di
mancanza di immagine può essere una fra le seguenti :
- le impostazioni di default dei parametri non sono corrette e vanno
opportunamente aggiornate ;
- la pressione del gas è insufficiente cioè minore di 70 Kg/cm2 ;
- il sistema di alimentazione del gas nella videocamera è bloccato. Si smonta
l’attacco tubo bombola-videocamera e si attende per 30 minuti la fuoriuscita
di gas dalla videocamera.
Le impostazioni dei parametri vanno effettuate dal telecomando del processore
di immagini :
(1) temperatura minima ;
esempio : input 18 °C
L TEMP
CD / 1
UV / 8 IJ / ENTER
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(2) sensibilità ;
esempio : input 0.1 °C
(3) emissività ;
esempio : input 0.9
(4) selezione del colore ;
ogni pressione del tasto BACK/COLOR seleziona, nella sequenza, il colore
desiderato :
- set del colore A ;
- set del colore B ;
- set del colore C ;
- monocromatico .
L’ultima fase di preparazione dell’immagine per il salvataggio sul computer
prevede la messa a fuoco dell’immagine con l’apposito tasto posto sulla
videocamera oppure con i tasti NEAR e FAR presenti sul telecomando del
processore immagini e l’uso del tasto freeze ( FRZ ), sempre sullo stesso
telecomando, che permette di bloccare l’immagine corrente; questo perché, come
SENS =SP / . CD / 1 IJ / ENTER
ε =SP / . WX / 9 IJ / ENTER
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