TERMOVISIONE - Università degli Studi di Milano
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LEZIONE 11 TERMOGRAFIA TERMOVISIONE • Sistema di visione che fornisce immagini della radiazione infrarossa emessa dagli oggetti ripresi 1 L’INFRAROSSO RIFLETTOGRAFIA TERMOVISIONE 0.7-2.5 3 - 12 2 PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO E = εσT di 4 Legge Stefan- Boltzmann L’ENERGIA EMESSA DAGLI OGGETTI E’ PROPORZIONALE ALLA LORO TEMPERATURA ALLA QUARTA λmaxT = costante La distribuzione spettrale dell’energia dipende dalla temperatura => ogni temperatura emette una radiazione prevalente Esempi: N I SOLE (c. 6000 K -> λmax =0,5μm) UV, visibile, vicino IR C LAMPADE A INCANDESCENZA (c. 3000 K -> λmax=1μm) O L Visibile (30%) e IR (70%) A OGGETTI A TEMP. AMBIENTE (c. 300 K -> λmax =10μm) L lontano IR U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© 3 PRINCIPI FISICI DI FUNZIONAMENTO (2) La termocamera rileva la radiazione emessa dagli oggetti e la trasforma in un valore di temperatura “piccole variazioni di temperatura causano grosse variazioni di energia” Energia di corpo nero 6000 GRANDE SENSIBILITÀ DEL METODO ! Energia (Watt/mq) 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 100 200 300 400 Problemi: 1° gli oggetti reali NON emettono radiazione come corpi neri (ε =1) => emissività spettrale 2° fonti di radiazione esterne all'oggetto inquadrato alterano la corretta lettura della temperatura T emperat ura (°C) EMISSIVITA’ EMISSIVITA’ ελ = Eλ(T).. Eλ(T)cn È un fattore che rappresenta per ogni oggetto reale il grado di somiglianza col comportamento di un corpo nero ideale 0≤ε≤1 εε bassa bassa ⇒ ⇒ riflessione riflessione mattoni, intonaci, etc. ε > 0,8 N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© 4 N I C O L A L U D W I G : Materiali con emissività emissività differente TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© Errori apparenti dovuti alla diversa emissività dei materiali Sistemi Videotermografici N Trasparenza atmosferica e I Short wave - long wave. C bande spettrali di emissione degli oggetti O L A Corpo a L temperatura U sole ambiente D W I G : Lunghezza d’onda TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© 5 TERMOGRAFIA IN ARCHITETTURA N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© diagnostica per immagini remote sensing (indagini strutturali senza ponteggi) Campanile della chiesa parrocchiale di Ello (LC) rigorosamente non distruttiva (non invasiva) individua strutture non a vista “Trasparenza” delle murature “Immagini in Infrarosso” Individuazione di rifacimenti come la chiusura di porte o finestre “tamnponamenti” Oggiono (LC) Termolab SRL 6 PRINCIPIO DI APPLICAZIONE N I C O L A L U D W I G : Osservabile fisica misurata: TEMPERATURA SUPERFICIALE PROPAGAZIONE DEL CALORE ALL’INTERNO DELLA MURATURA RIVELAZIONE DI ELEMENTI NASCOSTI NELLA MURATURA Identificazione di tamponamenti sotto l’intonaco TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© STORICO stratificazione delle fasi costruttive, elementi celati e incorporati da successivi rifacimenti. Elementi lapidei (archi, portali, capitelli, lesene, cornici, paraste…) Tamponature (porte e finestre) Tessitura muraria, ammorsamenti fra edifici STATICO posizione tipologia e geometria della muratura Tipo di muratura (isodoma, irregolare, tipo di materiali) Presenza di elementi strutturali (pilastri, architravi, archi di scarico…) orizzontamenti lignei (solai, volte) Fratture e cricche subsuperficiali elementi metallici (chiodi, chiavi, staffe catene…) IMPIANTI tubazioni non a vista (impianti termici e idrosanitari) impianti sottostradali (reti fognarie, teleriscaldamento) canne fumarie, pluviali interni alla muratura TERMOIGROMETRICO individuazione di elementi con anomalie termiche collegate ai cicli dell’acqua e del riscaldamento naturale/artificiale Ponti termici (isolamento degli edifici, dispersioni termiche) Condensa/evaporazione Risalita capillare dal suolo Infiltrazioni dalle coperture INTONACI (affreschi, mosaici, intonaci storici): individuazione e quantificazione delle aree distaccate, verifica degli interventi di riadesione DEGRADO monitoraggio nel tempo di processi di degrado per i quali sia nota la correlazione con il comportamento termico (aumento della porosità, variazioni di emissività x depositi salini ecc.) 7 Isolamento termico N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© Varese Villa Comunale, ripresa notturna lato nord Lettura della tessitura muraria al di sotto dell’intonaco 8 Applicazioni ai beni architettonici UMIDITA’ individuazione di aree umide sottoposte ad evaporazione DISTACCHI individuazione di aree distaccate su intonaci, affreschi, mosaici MURATURE studio della composizione della muratura per problemi di statica o storici STUDIO DI MURATURE 9 N I C O L A L U D W I G : PIONA PIONA TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© febbraio 1993 termocamera avio TVS 2000 SW Differenze di materiale INTONACO PIETRA MATTONI Il calore specifico dei diversi materiali ne determina il comportamento termico Grafico temperatura sulla superficie della muratura Termografia Dinamica (evoluzione nel tempo della temperatura dopo una sollecitazione termica) 10 TEMPERATURA - CALORE Flusso di calore Φ Q = −k ΔT Δx Gradiente di temperatura Il flusso di calore si propaga perpendicolarmente alle isoterme T1 T2 T3 T4 RISCALDAMENTO ELEMENTO SANO Con T1< T2 < T3 < T4 T1 ELEMENTO CON DIFETTO (isolante p.es. aria) T2 T3 T4 Individuazione di strutture non a vista N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© Interno della chiesa parrocchiale di Ello (LC) (per gentile concessione TERMOLAB SRL-OGGIONO) 11 La lettura di tessiture N murarie. I C O L A L U D W I Chiesa parrocchiale di G Nembro (BG). : Riscaldamento 500 W TE per 10 minuti CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© La termografia in falsi colori evidenzia le anomalie termiche => distacchi La termografia in livelli di grigio evidenzia le differenze di materiali => tessitura Caratterizzazione di murature Tessitura in ciottoli, stessa temperatura della muratura Tessitura in laterizi moderni, isolanti (temperatura più alta) Chiesa di S. Maria Incoronata, Martinengo (BG), presenza di tamponamenti sopra l’ingresso, riscaldamento 2 ore per termoconvezione 12 Individuazione di strutture non a vista Effetto del riscaldamento solare durante la ripresa termografica Esterno della chiesa parrocchiale di Ello (LC). Termocamera AVIO700 LW; edificio riscaldato. Tamponamento più caldo (materiale diverso) Immagine visibile Termografia Riscaldamento superficiale uniforme difetto zona più fredda Il calore viene fermato nello strato superficiale (intonaco) dalla presenza di aria nel distacco 13 Stato di conservazione di intonaci Immagine termografica Immagine visibile Abside della chiesa parrocchiale di Ello (LC), esterno Stato di conservazione di intonaci I distacchi si manifestano con geometria irregolare Esterno chiesa parrocchiale di Ello (LC) 14 INDAGINI SU SUPERFICI A COLORE N I C O L A L U D W I G : Muratura in ciottoli e malta di TE CN IC HE TE RM OG calce RA FI CH E Immagine nel visibile Clusone (BG) Il Trionfo della morte Affreesco su mura esterne INDAGINI SU SUPERFICI A COLORE ESEMPIO DI RISCALDAMENTO PER CONVEZIONE l’aria calda si sposta verso l’alto. N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E Chiesa di S. Maria Incoronata Martinengo (BG), abside e arco trionfale. 15 N L’influenza L’influenza di di alterazioni alterazioni cromatiche cromatiche delle delle superfici superfici I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E TECNICHE DI INDAGINE N I C• O L A L U D W I G • : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© TERMOGRAFIA ATTIVA: RISCALDAMENTO ESTERNO AL SISTEMA -OGGETTO OSSERVATO (parete, ambiente, edificio) (QUINDI ANCHE SOLARE!) – IRRAGGIAMENTO: LAMPADE VISIBILE - INFRAROSSO CON UNIFORMITA’ SPAZIALE. – CONVEZIONE: STUFE E GETTI DI ARIA/ACQUA CALDA O VAPORE. – LASER: SI SCALDA UN PUNTO E SI OSSERVA LA PROPAGAZIONE LATERALE DEL CALORE. TERMOGRAFIA PASSIVA: NESSUN RISCALDAMENTO ESTERNO MA PRESENZA DI FENOMENI DI RISCALDAMENTO/RAFFREDDAMENTO INTERNI AL SISTEMA OSSERVATO. (RISCALDAMENTO DOMESTICO, EVAPORAZIONE ACQUA, CORRENTI D’ARIA, GRADIENTI INTERNO-ESTERNO) (definizioni secondo Ludwig - elementi di Archeometria 2001) 16 MODALITA’ DI RIPRESA: TRASMISSIONE: PARTE OPPOSTA DELLA PARETE RIFLESSIONE: DALLA STESSA PARTE DELLA PARETE DOVE SI E’ OPERATO IL RISCALDAMENTO DINAMICA: SI OSSERVA L’EVOLUZIONE DELLA TEMERATURA AL VARIARE DEL TEMPO Evoluzione temporale di un difetto su mattone dopo impulso termico (flash) Indagini termografiche su Palazzo Forcella De Seta Palermo 17 Indagini termografiche su Palazzo Forcella De Seta Palermo, fronte sud. Maggio 2003 termografia in raffreddamento 1h > tramonto Elementi strutturali Distacchi dell’intonaco Fessurazioni 18 RIEPILOGO APPLICAZIONI ALL’ ALL’EDILIZIA STORICA Ambito di applicazione Applicazioni Identificazione di elementi non a vista; studio tessiture murarie; identificazione di sull'edilizia tamponamenti di aperture storica preesistenti; mappatura di monumentale precedenti interventi di restauro (anche di elementi strutturali) Umidità superficiale (misura dei flussi evaporativi in atto); Studio storicoconoscitivo Fenomeno termico correlato Propagazione differenziale del calore all'interno della muratura a causa di diversi valori di diffusività termica Umidità: raffreddamento calore latente di evaporazione. MonitoraggioDistacchi: isolamento Diagnostica Distacchi di intonaci, termico locale causato da dello stato di affreschi e mosaici, in bolle di aria fra muro e conservazione generale paramenti murari paramento esterno. In , sottili; generale si rileva ogni fessurazioni, cricche ostacolo alla diffusione del subsuperficiali. calore. Tecniche di indagine Termografia attiva, utilizzando come sorgente anche l’irraggiamento solare. Indagini su superfici a colore, meglio sistemi di termoconvezione. Umidità: termografia passiva. Distacchi: meglio in termografia attiva, ma il semplice instaurarsi di gradienti notte-giorno si dimostra sufficiente all'identificazione di difetti superficiali dell’intonaco. SECONDA PARTE 19 N I C O L A L U D W I G : DIAGNOSTICA DELL’UMIDITA’ La variabile correlata al degrado è il flusso evaporativo più più del contenuto d’ d’acqua TEMPERATURA FLUSSO EVAPORATIVO DEGRADO Misura superficiale, ma il degrado è un fenomeno di superficie TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E Individuazione di aree umide Cimitero di S. Martino Darfo-Boario Terme (BS) 20 DEGRADO dovuto all’UMIDITA’ in MURATURE di interesse STORICO ARTISTICO ( pareti affrescate, mosaici ) CRISTALLIZZAZIONE dei SALI trasportati dall’acqua quantità di acqua EVAPORATA DIAGNOSTICA N I C O SI OSSERVA IL L A FENOMENO L U DELL’ DELL’EVAPORAZIONE D W ⇓ I G RAFFREDDAMENTO : calore latente di TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© DELL’UMIDITA’ Causato da differenze di concentrazione di acqua (gradiente idrico) evaporazione Λ = 2.4·106 J/Kg 21 RISALITA CAPILLARE Abside Chiesa Rossa Milano Tamponamento in materiale moderno, Chiesa Rossa Milano Localizzazione di infiltrazioni Infiltrazioni Gora di umidità dal soffitto Interno della chiesa parrocchiale di Ello (LC) 22 Verifica interventi di risanamento Verifica intervento di taglio chimico Quantificazione del livello di risalita capillare (ES. CENACOLO) FLUSSO EVAPORATIVO [Φ] in funzione della CONCENTRAZIONE DI ACQUA [W] 0.00008 EVAPORAZIONE PIETRA DI NOTO ( UR 50% T25°C 0.00007 Evaporazione alla superficie 0.00006 2 Φ (Kg/m s) 0.00005 Evaporazione interna 0.00004 [Φ] 0.00003 0.00002 prosciugamento 0.00001 0 0 2 4 6 [WW (%)%] 8 10 12 14 16 18 23 FLUSSO EVAPORATIVO INTONACI DI CALCE (T=25°CUR=50%) TIPO MARMO TIPO SABBIA TIPO COCCIOPESTO 7.E-05 6.E-05 4.E-05 3.E-05 2.E-05 1.E-05 0.E+00 0 5 10 15 20 W% Materiali differenti a parità di condizioni presentano flussi evaporativi differenti Umidità relativa = 50% H 25°C H 10°C pietra di noto 25°C pietra di noto 15°C 0,00008 Influenza della temperatura (UR=50%) 0,00007 T=25°C 0,00006 T=15°C 0,00005 T=25°C 0,00004 0,00003 T=10°C 0,00002 0,00001 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 W (%) Temperatura = 25°C CB5 50% CB5 30% CB5 80% pietra di noto 80% pietra di noto 50% pietra di noto 30% 0,00012 UR=30% 0,0001 Influenza dell’umidità relativa (T=25°C) 0,00008 UR=50% 2 0 Φ (Kg/m s) 2 Φ (Kg/m s) (Kg/sm^2) 5.E-05 0,00006 0,00004 UR=80% 0,00002 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 W (%) 24 CORRELAZIONE LINEARE FLUSSO EVAPORATIVO-RAFFREDDAMENTO 15°C-50% 25°C-30% 25°C-80% 25°C-50% 8.0 Δ T dal se cco (°C) 7.0 6.0 Pietra di Noto 5.0 4.0 y = 72574x R2=0,9935 Mattone 3.0 y = 45951x R2=0,9901 2.0 1.0 0.0 0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 2 Φ (Kg/m s) ponderale 25 N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© La lettura di tessiture N murarie. I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH E© Castello di Malpaga (BG) corte interna, termografia in riflessione dopo riscaldamento solare Termogramma a colori: ⇓ DISTACCHI Termogramma in livelli di grigio: ⇓ tessitura muraria 26 Castello di Malpaga (BG) termografia in trasmissione (6 ore di riscaldamento) N I C O L A L U D W I G : TE CN IC HE TE RM OG RA FI CH Termogramma E base, si evidenzia la struttura in legno (più isolante del mattone) Termogramma a isoterme, si notano i mattoni ponte termico Nicola Ludwig Istituto di Fisica Generale Aplicata Università degli Studi di Milano Marzia Materazzi, Luciano Marras Istituto Nazionale Ottica Applicata Gruppo Beni Culturali Campagna diagnostica del 28 ottobre, obbiettivi e risultati preliminari 27 MISURE DEL FATTORE DI RIFLETTANZA SPETTRALE NEL MEDIO IR Per corpi opachi all’equilibrio termico con l’ambiente vale: R+ε=1 Misure del fattore di riflettanza (R) forniscono una valutazione dell’emissività spettrale (ε) delle superfici e della presenza di materiali che ne alterano il valore rispetto al valore atteso (marmo circa 0.98) Braccio destro ripresa a freddo (Ee) ripresa a caldo (Er+Ee) Pettorale destro Hve1 28 Piede destro Lho Mano destra Lr 29 INDIVIDUAZIONE DI CRICCHE Variazioni nel normale andamento di diffusione del calore possono essere interpretate come presenza di volumi di materiale con proprietà termiche diverse dal marmo Modello analitico per la diffusione del calore con simmetria sferica da un punto centrale Temperatura lungo un diametro passante per il centro del riscaldamento 250 200 u .a . 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 pixel 30 Polso destro 90° Polso destro 30 180° 90° temperatura (°C) 29 270° 180° 270° 28 27 26 25 24 23 0 30 60 90 120 150 distanza dal centro del riscaldamento (pixel) Caviglia sinistra Caviglia sinistra 25,00 24,80 24,60 90° 180° 270° temperatura (°C) 24,40 24,20 24,00 23,80 23,60 23,40 23,20 23,00 0 30 60 90 120 150 distanza (pixel) 31