Termografia

L’Utilizzo della Termografia nel settore nautico per il controllo strutturale non può prescindere dall’utilizzo di altre forme di controllo.

Con una termocamera è possibile vedere la mappa termica su superfici che siano per altro non eccessivamente riflettenti, (vedi coefficiente di emissività), non è possibile vedere oltre o dentro la materia, almeno nel senso comune del termine.

Un collega fu chiamato come consulente in una causa e lo stesso consulente tecnico del giudice chiese a questo quale fosse la quota di profondità a cui la termocamera che stava utilizzando avrebbe potuto fornire informazioni.

Ovviamente non aveva capito, questo signore, che la mappa termica fornita dalla termocamera è il valore delle temperature rilevate sulle immagni in corrispondenza dei pixel del sensore termico di ripresa che si comporta come i nostri occhi che leggono la mappa dei colori sulle superfici e non vedono sotto di esse o nella materia.

Questo significa che potremo individuare aree o linee a gradiente termico relativamente più freddo o più caldo su una superficie e dovremo interpretare tali segni con il compendio di conoscenza del prodotto, strumenti ausiliari ed esperienza.

Per comprendere bene questo tipo di tecnica di analisi non distruttiva forniremo di seguito una sintetica infarinatura sulla tecnologia IRD.

Come per la metodologia a Ultrasuoni bisogna rifarsi a principi di fisica.

Cenni sulla metodologia di analisi IRD con termocamera

É una tecnica non distruttiva che utilizza un sistema di rilevamento di tipo visivo nello spettro ifrarosso, atto a definire una mappa termica superficiale di quanto si stia analizzando.
E’ una metodologia che può essere considerata indispensabile per alcuni tipi di controlli o complementare a tanti altri.
La facilità o la difficoltà dell’analisi dipendono dalla possibilità di instaurare delle variazioni di gradiente termico sulle superfici o sui campioni da esaminare e dal valore di emissività della superficie misurabile.

Puntualizziamo due elementi importanti:

  • Con una termocamera si misura una temperatura superficiale, non si vede all’interno delle cose – tutto ciò che osserviamo a prima vista sul video della termocamera non è quello che esiste sotto la superficie, ma la variazione termica sulla superficie che può essere dovuta a elementi strutturali, variazioni di densità o di materilai sotto la superficie di cui si misura la temperatura.
  • Anomalia termica – ogni variazione nella mappa termica che non sia in accordo con la ovvia costituzione strutturale, omogeneità del materiale etc, che si conosce del campione o di ciò che si misura.
  • Misure del valore di temperature su mappe termiche
    • Si valuta il coefficiente di emissività della superficie da misurare del campione, l’ambiente e gli elementi circostanti alla area di posizionamento dello stesso.
    • Si sceglie la definizione adatta della telecamera da utilizzare.
    • Si rilevano le temperature sulla mappa termica sul display oppure si elabora la mappa termica in post elaborazione generando documenti, istogrammi o grafici 3D che possano essere utili esiti allo scopo della certificazione.
    • Si valutano eventuali criteri di accettabilità se definiti dal committente o da Iso di riferimento.

Valutazioni di strutture, stratificazioni, ponti termici, anomalie termiche ed atc., sulla mappa termica

  • Si valuta il coefficiente di emissività della superficie da misurare del campione, l’ambiente e gli elementi circostanti alla area di posizionamento dello stesso.
  • Si sceglie la definizione adatta della telecamera da utilizzare.
  • Si genera una transizione termica nel soggetto in analisi utilizzando processi naturali o artificiali.
  • Si rilevano immagini o sequenze di immagini IR e si pongono a confronto in post elaborazione.
  • Si valutano eventuali criteri di accettabilità se definiti dal committente o da Iso di riferimento.

La qualifica di un operato di Termografia deve essere certificata ad uno dei seguenti livelli:

1° livello qualificato all’utilizzo degli strumenti
2° livello qualificato alle analisi e alla loro valutazione, gestisce i primi livelli
3° livello qualificato ad emettere le procedure di controllo, formare i primi e i secondi livelli.

Esistono diversi settori in cui vengono forniti e certificati i requisiti

Industria Costruzioni Civili e Conservazione del patrimonio Artistico
Trasporti Ecologia
Energia Protezione civile

Calore ed energia

Ogni corpo possiede, trasmette o riceve energia sotto diverse forme:

  • Energia cinetica – dovuta al movimento del corpo.
  • Energia potenziale – dovuto allo stato del corpo all’interno di un sistema di campi di forze di tipo elettrico, magnetico o gravitazionale.
  • Energia chimica – dovuta alla capacità della materia, di cui è costituito il corpo, a trasformarsi promuovendo legami o rotture della propria struttura elementare.
  • Energia termica – quella dovuta all’agitazione delle particelle elementari della struttura del corpo, molecole, cristalli elettroni etc

Esistono situazioni in cui la trasmissione di energia sotto forma di calore provoca variazioni di stato del corpo a temperatura costante, ad esempio durante l’assorbimento di calore latente di ebollizione dell’H2O a 100°C.

Viceversa, durante l’assorbimento di calore dovuto ad attrito o durante l’assorbimento del cosi detto calore sensibile i corpi modificano la loro temperatura.

Calore e temperatura non sono la stessa cosa, tuttavia esistono correlazioni fra la specificità del materiale del corpo e la temperatura misurabile su un corpo dopo che questo abbia assorbito energia calorica.

Calore specifico – definito come la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di una unità di massa di 1 Kelvin, (1K= 1°C).

Capacità termica – definita dal rapporto fra il calore fornito ad un corpo e l’aumento di temperatura che ne deriva.

La trasmissione naturale di calore da un corpo ad un altro avviene se fra questi corpi esiste una variazione di temperatura e il calore si trasmetterà per:

  • Conduzione – il calore si trasferisce per contatto fra corpi solidi
  • Convezione – calore si trasmette nel gas grazie allo spostamento delle masse di fluido,(gas o liquido), che dilatano e restringono assorbendo e cedendo calore
  • Irraggiamento – il calore si trasmette per mezzo di radiazione

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E’ la trasmissione di calore per irraggiamento, ossia quella per mezzo di onde elettromagnetiche che viene sfruttata nel campo dell’infrarosso, (IR).

Spettro onde elettromagnetiche

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Lo spettro delle onde elettromagnetiche contiene, in prossimità del visibile, sul lati opposto dell’ultravioletto, la porzione delle onde elettromagnetiche che caratterizzano lo spettro dell’Infrarosso.

Lo spettro all’infrarosso è poi diviso in quattro campi, vicino(0.8-2 µ), medio (2-6 µ), lontano (6-14 µ) ed estremo (oltre i 15 µ).

L’atmosfera è composta di vari gas e per questo la trasmissione delle radiazioni all’infrarosso non avviene in modo omogeneo per tutte le lunghezze d’onda dello spettro specifico, (da 0.8 a oltre 30 µ), ma a seconda del valore di lunghezza d’onda l’atmosfera risulta più o meno trasparente o addirittura opaca.

Si generano così delle finestre, dette appunto “finestre atmosferiche” all’interno delle quali individuano i campi di lunghezza di onda in cui le radiazioni all’infrarosso si trasmettono.
L’area compresa fra i 5.6 e i 7.5 µ esiste una zona opaca dovuto al fatto che alcuni gs sono opachi alla trasmissione delle radiazioni compresa fra le due lunghezze di onda citate.

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Ogni campo comunque è sfruttato particolarmente da sensori diversi e utilizzato per specifici utilizzi.

Ad esempio il Campo Vicino è quello utilizzato in laboratorio, per la Riflettografia, nello studio dei dipinti ed è quello in cui lavoravano le vecchie pellicole fotografiche per l’infrarosso.

Il Campo Medio contiene nella I° Finestra atmosferica un area compresa fra i 3 e 5 µ in cui si utilizzano apparecchiature ad elevata soluzione termica, con sensori a ad Antimoniuro di Indio, costosi e non adatti a rilievi a distanza.

Il Campo Lontano contiene nella II° Finestra atmosferica una porzione di spettro in cui lavora molto bene il sensore Microbolometrico che permette rilievi a distanza e ha reso relativamente economica la costruzione delle termo-camere digitali.

Risulta ovvia dall’immagine che segue che la II° Finestra atmosferica sia la più indicata ove far operare generalmente i sensori delle Termocamere portatili e per utilizzo all-pourpose. Ciò per ottenere dei risultati più continui nelle misurazioni su un’intervallo di di lavoro su lunghezze d’onda ininterrotto.

In Campo Estremo non esistono applicazioni scientifiche se non per rilievi astronomici.

La fascia compresa fra i 5.6 e i 7.4 µ mostra una totale mancanza di trasmissione. Ciò è dovuto alla presenza, in atmosfera, di gas opachi alle radiazioni con quelle lunghezze d’onda.

Fisica delle radiazioni

L’infrarosso fu scoperto nel 1800 dall’astronomo William Herschel.
Osservando che la luce solare, composta da radiazioni a diverse lunghezze di onda, oltre che illuminare scaldava, l’astronomo volle cercare quale fosse la radiazione imputata al maggior riscaldamento.

Con un prisma scompose lo spettro luminoso e scopri che la temperatura massima si trovava su una barretta su cui era scomposto il fascio, in corrispondenza della proiezione scomposta ben oltre il “rosso” dello spettro visibile, dimostrando che le radiazioni più calde erano invisibili-

Chiamò queste radiazioni invisibili “Raggi Calorici”, solo successivamente furono poi battezzati come Radiazione Infrarossa.

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Leggi fisiche che interessano la termografia:

II° Legge di Stephan Boltzman

Secondo la legge di Stephan Boltzmann ogni oggetto emette radiazione termica secondo la legge:

W = σ · ε ·T4

dove

σ = Costante di Stephan-Boltzmann

T = temperatura del corpo

ε = Emissività del materiale, 0 < ε < 1

W = energia irradiata

Questo significa che l’energia irradiata dipende dalla Temperatura elevata alla 4° potenza, ad una costante e ad una variabile detta Emissività.

L’emissività è un valore che indica la capacità di un corpo di irraggiare solo la propria energia ɛ=1 o di irraggiare completamente solo il riflesso di una energia esterna incidente, ɛ=0.

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Facendo un esempio con lo spettro visibile, ɛ=1 per una lavagna nera, ɛ=0 per uno specchio.

Un corpo che assorbe tutta l’energia elettromagnetica incidente e non la ritrasmette è definito Corpo Nero, quindi l’Emissività di un materiale si potrebbe anche definire il valore del rapporto fra l’energia irraggiata da questo e quella irraggiata da un corpo nero alla stessa temperatura.

Legge di Planck

L’energia emessa da un corpo nero è distribuita su onde di varia lunghezza λ.
Si osserva sperimentalmente che la lunghezza d’onda λmax per la quale si ha la massima emissione di corpo nero è inversamente proporzionale alla sua temperatura assoluta.
All’aumentare della temperatura il corpo emette una radiazioni a temperatura più bassa

Legge di Wien

La legge di Wien è detta anche legge dello spostamento di Wien.
Sperimentalmente esprime la relazione fra la radiazione emessa da un corpo nero e da una massa generica, la temperatura e la lunghezza d’onda massima.

T · λmax = b

dove
T = temperatura del corpo

λmax = massima lunghezza d’onda
b = costante dello spostamento di Wien = 2.8977685(51)x10-3 mK

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Telecamere per la ripresa IR

Le termocamere IR sono in grado di fornire in tempo reale mappe termiche delle superfici inquadrate.
Oggi le termocamere non sono più complessi meccanismi foto meccanici ma sofisticati gioielli di elettronica che sfruttano la tecnologia FPA, (Focal Plane Array)
L’FPA è formato da migliaia di rilevatori accoppiati su un substrato che, come caso delle moderne telecamere ottiche CCD,(Charge Coupled Device), forma una immagine istantanea della mappa delle radiazioni, in questo caso IR.

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Focal Plane array

Ingrandimento di un FPA
microbolometrico

Il formato può esser quadrato, (256×256, 512×512, etc.) o avere un formato come per le teecamere del visivo, (240×320, 480×640, etc.).

Sono diversi i tipi di sensori e le performance disponibili:

PtSi (Silicio di Platino) – opera nella I° Finestra atmosferica. Ha buona risoluzione ma è molto instabile e necessita di continua calibrazione e necessita di un raffreddamento criogeno effettuato mediante pompa Sterling. Risoluzione termica 0.1°C
InSb (Antimoniuro di Indio) – opera nella I° Finestra atmosferica ed è estremamente performante rispetto ai sensori precedentemente prodotti. E’ in grado di eseguire rilievi oltre 100 immagini al secondo. Risoluzione termica 0.025°C
L’eccessivo costi lo rende un sensore utilizzabile per analisi di elevato livello e per prodotti di alta tecnologia.

Ferroelettrico – opera nella II° Finestra atmosferica e non molto costoso. Inizialmente usato solo per rilievi qualitativi, privi di indicazioni quantitative di temperatura, è in via di evoluzione. Risoluzione termica 0.2°C.

Sensore Microbolometrico – non richiede alcun tipo di raffreddamento, opera a temperatura ambiente ed è sensibile ad un ampia area spettrale. E’ possibile progettarlo scegliendo in quale Finestra atmosferica farlo operare anche se al momento si fa lavorare nel campo della II° Finestra per i vantaggi che questo intervallo di lunghezze d’onda offre nello sviluppo dei sistemi termografici.

Le termocamere forniscono una mappa termica, come quella sotto, e su di essa per ogni pixel dell’array forniscono un valore di temperatura, le immagini possono poi essere elaborate in post elaborazione al PC mediante software dedicati.

Di seguito alcuni esempi di applicazioni, (immagini Consulser):

Applicazioni della tecnica di rilievo termografica nel settore del diporto:

Altre applicazioni: