Il Giornale delle Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica 4/2008 23

Controllare è necessario, il controllo termico è utile:introduzione alla termografia IR, potenzialità e limiti

E. Grinzato

CNR - ITCCorso Stati Uniti, 4 - 35127 Padova

ermanno.grinzato@itc.cnr.it

Key wor ds: infrar ed ther mography, ambient monitor ing

Sommario

La memoria offre un sintetico quadro sullo stato dell’ar-te, relativo alla termografia IR, nel campo civile. Vengo-no evidenziate le relazioni tra le immagini infrarosse, lemappe termografiche e varie forme di controllo realizza-bili con successo.Per illustrare le potenzialità e le limitazioni di questo me-todo, a fianco di applicazioni, che si possono considerareormai mature, si presentano le espansioni più prometten-ti di questa tecnica emergente. In particolare, si porta co-me esempio una nuova tecnica termografica per il moni-toraggio ambientale.

1. Introduzione alla moderna termografia IRÈ passato meno di un secolo dai tempi pionieristici del-l’evaporografo di Kzerny (1929) uno dei primi dispositiviusati per produrre immagini termografiche, la cui sensi-bilitá nella banda dell’infrarosso é dovuta all’evaporazio-ne differenziale di un film sottile d’olio su una membranascura. Finalmente, nel 1965 apparve la prima apparec-chiatura commerciale ed è iniziato un nuovo modo di os-servare i processi che ci circondano. Il sensore, immersoin azoto liquido, vedeva un obiettivo grande come un tu-bo da stufa attraverso un sistema di prismi che ruotavanoe produceva immagini di poche linee. Al giorno d’oggiabbiamo termocamere grandi come un cellulare, e già siintravvedono nel prossimo futuro trasformazioni radicalidel panorama mondiale.Certamente, la crescita vertiginosa del numero degliutenti e delle applicazioni è legato alla drastica riduzionedi prezzo delle apparecchiature. Forse, una ragione delprodigioso balzo nella qualità e prestazioni dei sistemitermografici in commercio è correlato all’esplosione de-gli usi militari dell’infrarosso (IR). Ma, si può anche af-fermare con sicurezza, che si è creato un circuito virtuo-so nella comunità tecnico-scientifica per mettere a puntotecniche di misura sempre più efficaci e precise. In sinte-si, la termografia si è trasformata in un consolidato stru-mento professionale per molte attività di rilievo.Sulla base di un’osservazione quasi trentennale di questosettore, la memoria cerca di evidenziare i punti chiave e leprospettive, che ne segnano marcatamente lo sviluppo.Oltre a ciò, si illustrano alcune sue peculiarità, che forsenon sono manifeste a tutti gli utilizzatori, se è vero che

esistono grandi potenzialità ancora in piccola parte esplo-rate. Infine, è opportuno chiarire le limitazioni del meto-do, per renderlo produttivo, evitando false aspettativenell’utente finale. Già nel passato è avvenuto che eccessi-ve attese o non sufficiente competenza hanno prodottoseri danni.È noto, che la termografia in molti casi risulta essere co-sì efficace in virtù della sua natura ottica, che le consentedi operare senza contatto con l’oggetto esaminato. Con-seguentemente, non è invasiva e non interferisce in modoapprezzabile con la misura stessa. Inoltre, la termografiasi esegue a distanza e perciò elimina la necessità di rag-giungere le superfici con ponteggi ed allontana l’operato-re da potenziali pericoli. Per contro, è ovviamente neces-sario disporre di un accesso ottico verso le superfici di in-teresse. Questo problema però tende a ridursi con la mi-niaturizzazione delle termocamere, conseguente all’ado-zione dei sensori a matrice (FPA) o in rari casi con le fi-bre ottiche. Vediamo allora che la termografia è fonda-mentale per ispezionare componenti critici d’impiantocome i quadri di distribuzione elettrica o motori e forni,senza interrompere il servizio e riducendo al minimo i ri-schi. Tra l’altro, la radiazione IR non ha alcun effetto no-civo (se non ci mettiamo dentro ad un forno acceso). Ladiffusione di un servizio ispettivo e preventivo è così alta,che sul mercato si trovano apparecchiature specifiche, diuna praticità impensabile solo pochi anni addietro.Esiste però un altro sostanziale vantaggio della termogra-fia rispetto ad una rete, seppur fitta di sensori termici ecioè la realizzazione di un’immagine, cioè di una matricebidimensionale di punti di misura, così densa, da esserepraticamente continua nello spazio. È importante com-prendere appieno l’enorme beneficio di poter visualizza-re ed analizzare la distribuzione di temperatura. Innanzi-tutto, l’immagine infrarossa dell’oggetto permette un’im-mediata localizzazione del problema. Inoltre, la visionepanoramica è di grande giovamento nella comprensionedei fenomeni, che generano un’eventuale anomalia termi-ca. In questo modo, si possono facilmente eseguire inda-gini comparative tra aree dell’oggetto o oggetti simili, adesempio contenenti o meno difettosità. Infatti, è risaputoche i metodi relativi di controllo sono molto sensibili epiù semplici dei metodi assoluti.L’avanzamento della tecnica è stato enorme anche sulfronte delle misure assolute di temperatura. I modernisensori possiedono certamente una elevatissima risoluzio-

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ne termica, che raggiunge i milliKelvin. L’elaborazionedigitale integrata ha ridotto moltissimo il rumore elettro-nico e sono stati implementati come software di base al-goritmi di compensazione e correzione delle matrici. Pe-rò, analoga importanza va attribuita al continuo progres-so nella standardizzazione delle procedure di valutazionedelle proprietà ottiche delle superfici (leggi emissività eriflessività) e negli algoritmi disponibili per le misure [1].Con la dovuta cura sono ottenibili accuratezze dell’ordi-ne dei centesimi di grado, senza particolari difficoltà. Inquesto modo vediamo, che la misura termografica può ri-velarsi più accurata di rilevazioni fatte con sensori termo-metrici tradizionali, come termoresistenze o termocop-pie, sebbene calibrate, a causa degli errori sistematici le-gati alla resistenza di contatto tra sonda e superficie diqueste ultime. Analogo vantaggio sussiste per le misure inregime termico dinamico. In questo caso, la misura ra-diante seguirà meglio la temperatura indagata, non essen-doci contatto con la sonda, la cui massa dovrebbe conti-nuamente raggiungere l’equilibrio termico con l’oggetto.Le moderne apparecchiature hanno raggiunto una cosìelevata risoluzione spaziale, da poter realizzare visionimicroscopiche di piccoli particolari o la loro corretta vi-sualizzazione da grande distanza, Ad esempio, possonoessere analizzati quantitativamente filamenti o microim-perfezioni dell’ordine di decine di μm.Lo sviluppo di grandi matrici di sensori IR radiometriciconsente la scansione praticamente in tempo reale di og-getti in movimento veloce, dato che l’immagine si formain pochi millisecondi. Analogamente, possono essere re-gistrati ed analizzati fenomeni termici transitori.Oltre a questo, si aggiungono software sempre più perfe-zionati ed efficienti per eseguire le misure, elaborare i da-ti e redigere un rapporto contenente i risultati.Il superamento dei sistemi criogenici e l’integrazioneelettronica ha definitivamente fatto entrare la termogra-fia tra gli strumenti più potenti di controllo industriale.Le linee di produzione possono integrare sistemi che se-gnalano ed elaborano in tempo reale minime variazioni ditemperatura su superfici più o meno ampie ed in movi-mento. L’elaborazione dei dati in linea riduce significati-vamente le interruzioni non programmate ed incrementala qualità del prodotto.Infine, l’espansione delle possibili bande spettrali in cuioperano le termocamere IR, che si possono reperire sulmercato aprono nuove prospettive fino a ieri impensabi-li, come la visualizzazione di gas specifici oppure misuredifferenziali in diverse lunghezze d’onda IR.Detto ciò, non si deve dimenticare la ragione della limi-tata accuratezza di una misura termografica non compiu-ta con le dovute attenzioni. Infatti, si tratta di una misuraindiretta, dato che lo strumento, una volta calibrato, rile-va localmente il flusso radiometrico nella sua banda disensibilità, non una temperatura. Per ottenere una misu-ra di temperatura, dovranno essere introdotte le necessa-rie informazioni aggiuntive, che consentono di riportarcisufficientemente vicini ad un modello semplice di radia-tore ideale. Pertanto, si dovrà trasformare la misura diflusso radiante totale in quello netto effettivamente emes-

so dalla superficie ed introdurre le proprietà ottiche diemissione della superficie [2]. Tutti questi fattori e non lasola sensibilità dell’apparecchiatura concorrono all’accu-ratezza della misura.Fortunatamente queste operazioni, che sembrerebberodisegnare una situazione molto complessa sono grande-mente agevolate da importanti strumenti. Innanzitutto,esiste un’offerta formativa specifica, sempre più dettaglia-ta e mirata, oltre ad una copiosa letteratura e la normati-va tecnica. Ulteriori supporti sono forniti da programmidi elaborazione automatica, in ultima istanza, ci sono iservizi offerti da società specializzate.

2. Termografia, Temperatura, ControlloLa termografia dunque è in grado di misurare la tempe-ratura e va distinta dall’altro emergente uso delle teleca-mere IR, che consente di visualizzare la radiazione emes-sa dai corpi in funzione della loro temperatura [3]. In pra-tica, la termografia può realizzare sia un’analisi qualitati-va che quantitativa delle immagini prodotte, in quanto lacalibrazione del sistema ottica-sensore-eletttronica con-sente una misura radiometrica del flusso infrarosso pro-veniente da ogni elemento della superficie. I visori IR in-vece producono solo immagini qualitative, anch’esse de-terminate dalla somma della radiazione IR riflessa edemessa dalla superficie. Pertanto, se il nostro obiettivo sa-rà il controllo notturno del traffico, un adeguato algorit-mo di elaborazione delle immagini infrarosse prodotte daun visore IR farà al nostro scopo. Dovremo invece usareun sistema termografico per controllare l’uniformità ed ilvalore della temperatura di uno stampo.In molti settori, non solo industriali, il controllo dellamappa di temperatura superficiale è fondamentale e ri-tengo che l’impiego della termografia crescerà moltissi-mo nel breve termine. Tuttavia, questo uso del sistemanon è certo esaustivo, anzi rappresenta solo una percen-tuale delle applicazioni termografiche. Infatti, tutti i pro-cessi fisici e chimici alla fine si degradano in calore e latemperatura è il parametro che meglio li rappresenta.Sotto questa ottica è quindi possibile usare indirettamen-te la temperatura superficiale per controllare un’infinitàdi cose, come ad esempio l’interno di oggetti opachi o de-terminare l’evoluzione di altre grandezze come ad esem-pio il contenuto di umidità o le prestazioni termiche di si-stemi compositi.Il controllo oggi rappresenta una fase sempre più neces-saria non solo nei processi industriali, ma anche nel co-stante e doveroso impegno nella salvaguardia dell’am-biente, del patrimonio culturale e della salute. Realizzarequesto controllo in modo non distruttivo porta evidentied importanti vantaggi. Quindi, l’impegno è quello dieseguirlo in modo tale da renderlo affidabile e conve-niente. In questa ampia accezione del concetto di con-trollo la termografia IR trova ampio margine e si sta af-francando da alcune limitazioni, che la rendevano pocorisolutiva e quindi impiegata nel passato principalmentenel mondo della ricerca.La lista dei campi di applicazione dei controlli con il me-

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todo termografico già maturi è così lunga, che richiede-rebbe da sola una relazione, che diventerebbe probabil-mente superata al momento in cui viene stampata. Inquesta giornata di studio ne forniremo un sintetico com-pendio orientato principalmente ai settori industriale edella costruzione, sia civile, che di valenza storico-artisti-ca. Abbiamo quindi sacrificato le applicazioni medico-biologiche, ambientali, militari o legate alla sicurezza. Ècomunque a tutti evidente, che nell’ottica generale appe-na espressa sono molte di più le applicazioni ancora dascoprire, che quelle citate. Come spesso accade, la dispo-nibilità di nuove tecniche di misura apre nuovi orizzonti.Così assistiamo allo sviluppo di controlli predittivi, datoche riuscire a misurare più dettagliatamente l’evoluzionedei processi sviluppa nuovi modelli dell’invecchiamento ela vita residua di materiali o sistemi.In generale, le tecniche di controllo termografico, in vir-tù dell’enorme densità dei dati prodotti consentono di va-lutare l’omogeneità dei materiali e delle prestazioni deisistemi, in opera ed a livello locale. Altri riconosciuti van-taggi si offrono nei casi in cui si debbano esaminare gran-di impianti o edifici, anche in virtù della grande ergono-micità raggiunta dalle apparecchiature. Va ricordato, chesi tratta di un metodo sub-superficiale, che si applica mol-to per verificare la presenza di problematiche di adesionedei rivestimenti, in grado di penalizzarne gli aspetti mec-canici o le rese energetiche. Nell’industria è molto utileanche per monitorare i processi di usura interna, corro-sione o formazione di depositi. Ulteriori notevoli poten-zialità sono offerte nel campo della termofluidodinamica.Le tecniche, una volta messe a punto a livello di labora-torio su dei provini di numero e dimensione opportuna espesso accompagnate da una simulazione matematica so-no in grado di analizzare componenti e sistemi in opera.Generalmente, il risultato è una procedura di controllorapida e risolutiva [2, 4].Il punto più importante non è dunque stabilire se la ter-mografia nel nostro caso specifico è applicabile, ma sefornirà un risultato apprezzabile, in grado di sostituire ointegrare un altro metodo di controllo.Un potente strumento, che è entrato nella pratica per af-frontare questo interrogativo sono i modelli matematici,che agevolano la preparazione dei controlli e l’interpreta-zione dei dati. Un modello del processo termico suppor-ta efficacemente una analisi quantitativa. Con questostrumento si possono verificare i risultati dell’inversionedei problemi termici, cioè quelli in cui si vuol determina-re la grandezza di interesse, a partire dalla distribuzionespazio-temporale della temperatura superficiale. L’uso di-retto della simulazione consente anche di ottimizzare laprocedura sperimentale e la realizzazione di funzioni “diinversione”. I modelli matematici consentono pure lamessa a punto degli algoritmi di elaborazione dei daticoncepiti per migliorare i risultati. Infine, se ne può con-trollare l’efficacia su di una grande messe di “dati sinteti-ci”, generati dagli stessi modelli. Esistono in commerciosia programmi di tipo generale, che contengono un mo-dulo termico, sia programmi dedicati a particolari appli-cazioni termografiche [5]. In tutti i casi, una loro applica-

zione pratica richiede di semplificare il problema, soprat-tutto dal punto di vista geometrico e di conoscere sia leproprietà termofisiche dei materiali, che le condizioni alcontorno.Migliori risultati si ottengono con una procedura otti-mizzata, come si evince dal seguente caso di studio. È bennoto come sia possibile analizzare con metodi termici an-che l’interno di materiali opachi, tuttavia la tendenza alladiffusione del calore rende questa tecnica utile solo permodeste profondità, che dipendono ovviamente dalleproprietà termofisiche dei materiali. Uno strato di into-naco è ispezionabile con la termografia, ma vi sono moltifattori, come ad esempio la colorazione della superficie,che complicano l’interpretazione del termogramma. Adillustrazione si riporta la figura 1, dove osserviamo partedei risultati raggiunti nel corso di un’indagine termogra-fica svolta sulla cappella degli Scrovegni a Padova [6].Stiamo osservando una regione vicina allo spigolo Sud-Ovest, all’interno. A sinistra si trova una corretta rico-struzione prospettica di una struttura di supporto in otto-ne, che è stata posta nel corso di restauri precedenti al disotto dei pannelli affrescati, visibili nella parte centraledella figura. Questa immagine, che potrebbe sembrareradiografica è stata ottenuta con la tecnica di termografiaattiva. Sulla destra della figura abbiamo un termogrammarealizzato circa 20 anni prima, dall’Istituto Centrale delRestauro, nello stesso punto, con tecnica passiva. Si hacosì un’immediata idea dello sviluppo che è avvenuto nel-le apparechiature e nelle tecniche di elaborazione.

Fig. 1. Confronto di rilevazioni termografiche compiute 30 e 10 an-ni fa all’interno della Cappella degli Scrovegni in Padova per lo stu-dio dello stato di conservazione degli affreschi; rilevamento di un sup-porto metallico inserito nel corso di restauri ottocenteschi.

Per ottenere buoni risultati, molto spesso si deve depura-re il termogramma di tutte le componenti, che non sonodi interesse. Questo non è semplice, perché la distribu-zione di temperatura sulla superficie segue sempre le con-dizioni ambientali, che mascherano molto quello che cer-chiamo. In molti casi, un operatore addestrato sa inter-pretare direttamente i termogrammi o con semplici fun-zioni di analisi, senza necessità di algoritmi sofisticati. Inaltri casi, è necessario mettere in atto procedimenti piùcomplessi, come ad esempio forzare la dinamica, impo-nendo o mascherando dei flussi termici. Perciò, si scelgo-no tecniche passive quando i segnali sono ampi e si devo-

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no applicare tecniche di stimolazione termica attiva peranalizzare piccoli segnali (dell’ordine dei decimi di gra-do). Evidentemente, dover applicare alla superficie unflusso termico con opportune sorgenti riduce drastica-mente la produttività, ma in molti processi è la soluzionecorretta, perché garantisce il risultato [2, 4].Non c’è ragione per utilizzare la termografia in modoesclusivo, anzi la sua integrazione si è dimostrata agevolee proficua. Ci sono importanti applicazioni in cui la tem-peratura va combinata con altre grandezze fisiche perprodurre l’analisi del fenomeno. La necessità di control-lare l’energia spesa in un edificio è un tema di grande at-tualità e ci illustra chiaramente questo concetto.Se le condizioni termiche alle quali è sottoposta la pare-te di un edificio fossero costanti sarebbe relativamentefacile ricavare la loro resistenza termica o la trasmittan-za [7] attraverso la misura istantanea del flusso specificoe delle temperature delle sue superfici interna ed ester-na. Questa condizione purtroppo non si verifica mai inopera. Infatti, gli edifici nelle condizioni reali, sono sog-getti a condizioni al contorno continuamente variabili.In pratica, il flusso termico in ogni punto oltre che daimateriali dipende anche dall’esposizione, dal microcli-ma (sole-ombra, vento ecc.), dalla presenza degli ele-menti di giunzione, da eventuali difettosità costruttive,dall’invecchiamento differenziato e così via. A causa ditutte queste difficoltà, normalmente la trasmittanza sicalcola [8]. Ciononostante, è indubbio che le potenziali-tà della termografia per esaminare sperimentalmente icasi che richiedono una maggior attenzione sono note-voli e vanno al di la dell’indagine qualitativa [9,10], an-che se gli studi in corso necessitano di ulteriori sviluppi.La fig.2a ci mostra un termogramma acquisito sulla su-perficie esterna di un capannone prefabbricato di cui sivuole determinare la trasmittanza media. Abbiamoquindi a che fare con un problema più semplice di unedificio in mattoni, dato che il numero e le tipologiedelle giunzioni sono individuabili a vista e sono di su-perficie inferiore. Ciononostante, si vede dai profili ter-mici che la temperatura media, ad un certo istante, variain modo apprezzabile anche entro un metro quadrato. Èchiaro allora che il corretto posizionamento delle sondesulla superficie ed in particolare del misuratore di flussotermico deve essere guidato da queste informazioni.L’impiego della termografia consentirebbe anche di ot-tenere una media della temperatura superficiale real-mente rappresentativa di un’area significativa, anzichéeseguita su uno o due punti. Proseguendo questo con-cetto è misurabile termograficamente anche la trasmit-tanza locale dei giunti [11]. Durante questo test, com-piuto in condizioni estive, abbiamo voluto evidenziare ilproblema delle differenti risposte temporali dei sensorie della parete o meglio dei suoi strati. La figura 2b pro-duce i valori medi nel tempo della temperatura superfi-ciale e dell’aria sui due lati della parete e si nota la lorostabilità entro pochi decimi di grado. Tuttavia, la fig.2cmostra in modo inconfutabile come il valore del flussotermico misurato sul lato interno dell’edificio sia moltoinstabile e diverso da quello reale, che attraversa il mu-

ro. Infatti, il valore corretto si avvicina a 10 W m-2,mentre la media data dal sensore raggiunge 25 W m-2.La causa va cercata nell’influenza risentita da parte deltermoflussimetro e delle termoresistenze alle variazionidel coefficiente di scambio termico superficiale, che so-no massime quando il sistema di condizionamento è at-tivo. Ovviamente, questa disposizione sperimentale èineliminabile per produrre la necessaria differenza ditemperatura tra interno ed esterno. Si può vedere chia-ramente cosa succede per le temperature ed i flussiquando esso è definitivamente spento seguendo le curvedopo la linea verticale tratteggiata. In conclusione, unamisura secondo la normativa internazionale eseguita neinostri climi nel periodo estivo ha comportato un valoredi conducibilità equivalente pari a 1.92 W K-1 m-1, con-tro il valore vero di 0.7 W K-1 m-1. Abbiamo già dettoche una misura a contatto comporta sempre errori, oravediamo che essi non sono trascurabili e che quelli lega-ti al transitorio sono i più grandi. Questa situazione nonè generalizzabile, perché il problema si riduce con l’au-mentare della conducibilità equivalente, con la differen-za di temperatura tra interno ed esterno e con la moda-lità di condizionamento termico delle superfici. Il pro-blema si potrebbe risolvere radicalmente rilevando tem-perature e flusso con la termografia ed adottando unmodello più raffinato del processo termico (progetto diricerca in corso). Più realisticamente, l’integrazione dimisure termografiche e termoflussimentriche rappre-senta un sostanziale passo in avanti.

Fig.2a. distribuzione della temperatura sulla superficie esterna dellaparete

Fig.2b. Profili temporali di temperatura media dell’aria e sulle su-perfici interna ed esterna della parete

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Fig.2c. Flusso termico rilevato sulla superficie interna della parete di unedificio prefabbricato, per la misura della sua trasmittanza termica

3. Conoscere i limiti del metodo

Si ricevono talvolta richieste, da parte di persone attrattedalla rapidità e immediatezza tipiche della termografia,che purtroppo sono assolutamente impossibili da soddi-sfare. Poiché i termogrammi non sono radiografie, non èpossibile vedere all’interno di un oggetto opaco per co-struire un modello 3D delle difettosità, come in un’appa-recchiatura TAC o NMR.Ci sono notevoli probabilità di successo nell’identificazionedi discontinuità attraverso l’analisi della distribuzione ditemperatura prodotta dal flusso termico che agisce sul ma-teriale, ma esse dipendono da fattori imprescindibili. Si puòamplificare il segnale termico, ma non si può accelerarlo. Icontorni delle discontinuità perdono rapidamente di defini-zione a causa della diffusione del calore. Ciò è intrinseconelle caratteristiche di diffusività dei materiali e nello spes-sore dello strato da attraversare. La valutazione dell’esten-sione delle discontinuità può essere talvolta stimata diretta-mente, ma si quantifica con l’elaborazione dei dati. Tutti glioggetti, soprattutto se esposti all’esterno sono soggetti aflussi termici transitori, quindi in ogni caso, le condizionistazionarie sono un’approssimazione, che può essere vicinao lontana dalla realtà. In regime transitorio, non sarà suffi-ciente valutare le variazioni della conducibilità termica, maquesta dovrà esser combinata con la capacità termica deimateriali. La non uniformità e la presenza di umidità crea-no condizioni molto complesse, anche per un’analisi relati-va. Cioè, per stabilire se in quel caso di mutue interferenze,la parte difettosa sarà più calda di quella sana o viceversa.Un aspetto molto complesso da trattare è la sovrapposizio-ne degli effetti delle diverse anomalie termiche presenti.Dunque, si possono ottenere buoni risultati solo operandonel modo e tempo opportuno e con le necessarie condizio-ni ambientali. Il primo punto da soddisfare, per poter averebuoni risultati nel controllo è la minimizzazione di tutte lepossibili interferenze.Oltre alla copiosa letteratura che riporta le esperienzematurate, disponiamo anche di strumenti utili a determi-nare con ragionevole certezza le probabilità di correttaidentificazione e di eventuali falsi allarmi nel corso di unaprocedura termografica di controllo [12].Si è dimostrato un parametro utile a scegliere tra diverse so-

luzioni nell’eseguire il controllo termografico il rapporto se-gnale/rumore (s) dato ad esempio da una relazione del tipo:

Il segnale termico (ΔT) rappresenta la differenza di tem-peratura tra i punti della superficie e un’area di riferi-mento, in funzione del tempo (τ). È utile ricordare che trale differenti sorgenti di rumore, quasi sempre quello elet-tronico nelle apparecchiature (ΔTap) rappresenta unacomponente molto piccola rispetto a quello intrinseconella struttura da esaminare (ΔTstr) e cioè variazioni loca-li non considerate difettosità. Questo termine si può ap-prossimare alla deviazione standard della temperatura ri-levata su un’area non difettosa del materiale. L’instabilitàdelle condizioni al contorno (ΔText) rappresenta anch’es-sa una serie causa di incertezza nella misura.

4. Esempio: il monitoraggio ambientaletramite la Termografia IRPresso il CNR-ITC sono in svolgimento da molti annistudi sulla determinazione del contenuto di umidità distrutture edilizie. In questo ambito è stato sviluppato uninnovativo metodo per il monitoraggio ambientale, chesfrutta in un modo esemplificativo le potenzialità dellatermografia IR.Tentare di misurare il contenuto di umidità sulla base dellatemperatura superficiale è un eccellente esempio di “problemamal posto”. Localizzare l’umidità interstiziale è ancora più ar-duo. La termografia è molto efficace nella rilevazione dell’u-midità, perchè il raffreddamento dovuto all’evaporazionedell’acqua è molto intenso, ma le valutazioni quantitative so-no difficilissime, dato che il flusso di calore e di massa inter-feriscono l’un l’altro. Pertanto, la sola misura di temperatura,per quanto densa, non è sufficiente per risolvere in modo ge-nerale il problema fisico, che è dipendente da più variabili.Vediamo in fig.3 un esempio illuminante di ciò. Sul muro èstato scritto con pochi grammi d’acqua la sigla H2O e dopodue ore, ne abbiamo ancora la traccia dovuta all’evapora-zione in atto, che raffredda impercettibilmente la superficie.Analogamente, potremmo asserire che il pannello di destraè più umido dell’altro e che il giunto lo è ancora di più. Maciò non è scontato, perché il pannello di destra potrebbe es-sere stato per un certo periodo in ombra ed il giunto avereuna resistenza termica inferiore della parete e risentire delcondizionamento dell’ambiente interno. Vediamo quindiche la termografia usata in questo modo è un potentissimoindicatore qualitativo, ma niente di più.Alcune recenti apparecchiature termografiche possiedo-no una funzione, che mostra il punto di rugiada sulla su-perficie. Tuttavia, nella pratica si è riscontrato che usaredelle isoterme o questo indicatore non è sempre affidabi-le. Per evitare errori di valutazione è invece necessariomonitorare con continuità nel tempo e nello spazio latemperatura, l’umidità relativa e la velocità dell’aria inprossimità della parete.

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Fig.3. Il termogramma mostra, dopo 2 ore la scritta fatta con pochigrammi d’acqua nella zona indicata della parete, mentre nella corri-spondente immagine visiva non c’è più alcuna traccia.

Questa situazione è affrontata da recenti studi, che mostra-no come sia possibile ottenere risultati interessanti ponen-dosi nelle opportune condizioni sperimentali e sfruttandoefficacemente le peculiarità della termografia IR. In pratica,si è riusciti all’interno degli ambienti a:• ricavare dalla temperatura parametri caratteristici del fe-

nomeno, come il tasso di evaporazione ed il contenutocritico di umidità [13];

• aumentare affidabilità e ripetibilità utilizzando un robu-sto e specifico modello matematico del processo termo-dinamico;

• monitorare contemporaneamente le condizioni termoi-grometriche di superfice ed aria, usando solo la termo-grafia; (vedremo in dettaglio questo punto nel seguito);

• evidenziare e misurare le aree soggette a rischio conden-sazione o accumulo di umidità, localizzandole attraversouna specifica procedura sperimentale.

Il paradigma applicato è: se con delle immagini semplici dainterpretare sappiamo dove e quando si accumula l’umidità,si scopre facilmente la causa. Infatti, le patologie più im-portanti (risalita capillare, condensazione, diffusione o per-dite) sono contraddistinte da una caratteristica distribuzio-ne dei gradienti di umidità sulla parete.In questo contesto, un punto essenziale è la dettagliata cono-scenza delle condizioni ambientali ed in particolare la distri-buzione della temperatura, umidità e soprattutto della veloci-tà dell’aria. Le figure seguenti mostrano alcuni risultati speri-mentali ottenuti per conto e con la collaborazione della So-printendenza ai Beni Storico Artistici della provincia di Tren-to applicando questo nuovo metodo brevettato dal CNR [14].L’impiego di un dispositivo accessorio, ha consentito di ri-levare le condizioni termodinamiche interne di una cappel-la medievale, in parallelo alle temperature della parete, nel-l’arco dei 12 mesi. Nei vari monitoraggi compiuti, la tem-peratura dell’affresco si è dimostrata sempre assolutamenteuniforme, anche se naturalmente variabile nel corso del-l’anno. In queste condizioni, non si ottiene alcuna informa-zione da una termografia tradizionale, perché indipenden-temente dal contenuto di acqua del muro, non ci sarà eva-

porazione con un’umidità relativa molto alta ed una insuffi-ciente circolazione dell’aria. Peraltro, queste condizioni so-no molto frequenti all’interno di un edificio storico. La figura 4 non fornisce la temperatura superficiale, bensìquella dell’aria a 10 centimetri di distanza dal muro, rilevata il29 ottobre 2007. Si osservi la distribuzione praticamente con-tinua della temperatura dell’aria, che è ricavata con grande ac-curatezza. Si osserva chiaramente la stratificazione verticale egli effetti dei faretti che illuminano dall’alto l’affresco (senzariscaldarlo significativamente). Si apprezza anche la scia ter-mica dell’aria esterna (più calda di qualche grado), che filtradalla finestrella di destra, mentre quella di sinistra è sigillata.L’umidità relativa è stata determinata con il nuovo metodotermografico in due zone della cappella. I valori rilevati so-no praticamente costanti, attorno al 70%. Questo valore èstato trovato perfettamente corrispondente a quello fornitodagli altri strumenti alternativi impiegati in campo e stru-menti di laboratorio.

Fig.4. Distribuzione della temperatura e umidità relativa dell’aria de-terminate con il metodo termografico a 10 cm dalla parete.

La figura 5 fornisce la distribuzione della velocità dell’aria,rilevata sullo stesso piano ed in contemporanea alla tempe-ratura. È importante rilevare che il valore massimo di 0.5m/s si trova proprio in corrispondenza alla finestrella soc-chiusa, mantenendosi ovunque a valori molto inferiori (co-sì piccoli da essere difficilmente misurabili con anemometria film caldo). In queste condizioni l’evaporazione è inibitadalla stagnazione dell’aria, soprattutto nelle zone in bassoed in prossimità dell’abside, dove ci si può aspettare il piùelevato contenuto d’acqua della parete.

Fig.5. Mappa della velocità, umidità relativa e temperatura media del-l’aria determinate termograficamente.

Utilizzando questi risultati aggiuntivi alla temperatura super-ficiale, si è ricavata una stima del tasso di evaporazione dellaparete, riportato in figura 6. Va puntualizzato, che in questo

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caso il lavoro per arrivare ad un valore quantitativo non è an-cora concluso. Però anche un’analisi relativa, combinata conaltri test specifici ha portato ad una diagnosi chiara, per quan-to riguarda l’umidità delle opere pittoriche indagate.

Fig.6. Variazione del tasso di evaporazione sulla parete.

Il microclima è estremamente importante per la salute de-gli occupanti e delle opere d’arte. Al di là della valutazionedell’umidità e del rischio di condensazione, che sono attiva-tori di indesiderati fenomeni chimici e biologici, la termo-grafia può misurare questi parametri anche per valutare lecondizioni di benessere. Un altro impiego promettente è lapossibilità di monitorare l’efficienza di sistemi di condizio-namento, riscaldamento e distribuzione dell’aria. Un ulte-riore potenziamento di questi strumenti si produce abbi-nandoli a dei modelli di fluidodinamica computazionale,come si è riscontrato per la Camera degli Sposi dipinta dalMantenga a Mantova [15].

6. ConclusioniÈ un dato di fatto, che la Termografia è spesso usata quali-tativamente per cercare qualcosa di invisibile ad un’ispezio-ne visiva, soprattutto in ragione delle immagini molto inte-ressanti che produce, ma approfondendo la conoscenza sul-la fisica di base si possono ottenere risultati più ambiziosi. Iprogressi della termografia IR rendono questo metodo, dasolo o combinato con altri, uno strumento utile a molte ap-plicazioni. Tuttavia, la semplice osservazione dei termo-grammi da parte di operatori specializzati o l’impiego di so-fisticati algoritmi di analisi dei dati, combinata con i nuovistrumenti estremamente sensibili e facili da gestire richie-dono comunque procedure ben definite.In generale, una corretta misura termografica non è banale acausa dell’interazione tra fenomeni ottici (caratteristici dellesuperfici) e termici (tipici dei materiali), che sono legati allatemperatura. Applicarsi a controlli termografici professionalisenza una adeguata formazione, esperienza e conoscenza del-le normative internazionali equivale a mettersi alla guida di unTIR, credendo di trovarsi a scorazzare in bicicletta nel parco.

Bibliografia1. ISO/FDIS 18434-1, 7 Condition monitoring and diag-

nostics of machines — Thermography — Part 1: Gen-eral procedures; Part 7: Requirements for qualificationof personnel

2. ASNT Handbook third Edition, volume 3 “Infraredand Thermal testing” Technical editor X. Maldague,Editor: Patrick O. Moores (2001)

3. UNI 10824-1 (2000) Prove non distruttive - Termo-grafia all’infrarosso – Termini e definizioni

4. E. Grinzato: “Stato dell’arte sulle tecniche termogra-fiche per il controllo non distruttivo e principali appli-cazioni.” Conferenza Nazionale AIPnD, pp.130-152,Padova, 1997 (giornale delle Prove non DistruttiveMonitoraggio Diagnostica pp.25-40)

5. A. Muscio, S. Marinetti, P.G. Bison G. Cavaccini, A.Ciliberto E. Grinzato: “Modelling of Thermal Nonde-structive Evaluation Techniques for Composite Matetri-als and the european aerospace industry”, 5th AITA – In-ternational Workshop on Advanced Infrared Technolo-gy and Applications, pp. 143-153, Venezia (Italy), 2000

6. E. Grinzato, C. Bressan, S. Marinetti, P.G. Bison, C.Bonacina: ”Monitoring of the Scrovegni Chapel by IRThermography: Giotto at Infrared”, Journal of Infraredphysic and technology, Elsevier, vol.43, pp.165-169 (2002)

7. ISO 9869: Building elements - In-situ measurement ofthermal resistance and thermal transmittance

8. ISO 6946: In situ measurement of thermal resistanceand thermal transmittance - calculation method

9. ISO 6781 Thermal insulation - Qualitative detection ofthermal irregularities in building envelopes - Infraredmethod.

10. EN 13187 Thermal performance of buildings. Qualita-tive detection of thermal irregularities in building en-velopes. Infrared method.

11. E. Grinzato, P.G. Bison, M. Scattolini, “Quality test onprefabricated cold store panels by I.R. thermography.”I.I.R. Commissions: C2, D1, D2, D3, E1 pp.231-237,Brisbane (Australia), September 1988

12. V. Vavilov, E. Grinzato, P.G. Bison: “Statistical Evalua-tion of Thermographic NDT performance applied toCFRP.” Thermosense XVIII°, pp. 174-177, Orlando(USA), 1996.

13. A. Tavukçuoglu, E. Grinzato. “Determination of criti-cal moisture content in porous materials by IR thermo-graphy”. QIRT Journal, Lavoisier ed. vol. 3, n°2, pp.231-245, 2006

14. E. Grinzato; Domanda di brevetto n° PD2006A000191del 15 maggio 2006, estensione internazionale n°PCT/EP2007/054713 del 15 Maggio 2007, dal titolo: “Amethod and apparatus for thermal-hygrometric monitor-ing of wide surfaces by IR Thermography (Metodo di ril-evazione termografica delle condizioni termoigromet-riche di ampie superfici)”; di proprietà del CNR.

15. E. Grinzato, C. Bressan, F. Peron, P. Romagnoni, A.G.Stevan: “Indoor climatic conditions of ancient buil-dings by numerical simulation and thermographicmeasurements”; Thermosense XXII°, pp. 314-323,SPIE vol. 4020, Orlando (USA), 2000.

Relazione presentata alla Giornata di studio“Stato dell’innovazione del metodo Termografico

nelle sue applicazioni industriali, civili e dei beni culturali”Padova 1 Ottobre 2008

Manifestazione organizzata dall’AIPnD in sinergiacon ITC-CNR di Padova