TERMOVISIONE - Università degli Studi di Milano

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