Termografia

La Termografia è un sistema d’indagine non invasivo e non distruttivo che è usato diffusamente in molti settori della Scienza e della Tecnica che vanno dalla medicina all’ingegneria, dalla geologia alla biologia con una vasta bibliografia che risale ai primi anni 60 del secolo scorso. La termocamera capta l’energia infrarossa emessa da tutti gli oggetti, con temperatura superiore allo zero assoluto, e rende visibile ai nostri occhi la distribuzione termica delle superfici degli oggetti e quindi ci permette di “vedere” l’energia termica, altrimenti per noi invisibile. Il suo impiego è utile in tutti i casi in cui l’identificazione di un pattern termico consente di individuare qualcosa (una persona incosciente in un ambiente invaso dal fumo) o di diagnosticare una situazione anomala o pericolosa (una perdita d’acqua sotto il pavimento, il rivestimento danneggiato di un forno industriale) o lo stato di quanto esaminato (un collegamento elettrico difettoso).
La Termografia è pertanto usata nei più diversi settori civili e industriali: dalla manutenzione preventiva all’individuazione di danni, perdite o malfunzionamenti in impianti, apparecchi o servizi; le sue applicazioni vanno dal restauro di opere d’arte o di fabbricati alle prove non distruttive (NDT), dall’individuazione di perdite di calore (ai fini del risparmio energetico) alla valutazione dello stato degli alberi.
La misura si esegue puntando l’apparecchio sull’area di interesse, mettendo a fuoco ove necessario e selezionando un adatto intervallo di temperatura. La tavolozza preimpostata fornisce l’immagine termica: se non è soddisfacente si può intervenire variando l’intervallo di temperatura o selezionando una diversa tavolozza tra quelle disponibili (per le varie modalità operative si vedano i Manuali di Istruzione dei singoli apparecchi).

Le Immagini Termiche

Le indagini sono eseguite con telecamere sensibili alla radiazione infrarossa le quali misurano a distanza l’energia termica irradiata dai corpi e forniscono, sullo schermo di cui sono corredate, delle immagini termiche (TI). Queste possono essere visualizzate in bianco e nero o in pseudo-colori secondo tavolozze prefissate selezionabili a piacere, e immagazzinate in una scheda di memoria cosicché possono essere poi scaricate e processate su un computer ed elaborate con software proprietari. Una scala di temperature allegata ad ogni singola immagine ne mette in relazione i colori (o le tonalità di grigio) con le temperature presenti, cosicché ad ogni temperatura corrisponde sull’immagine, a seconda della tavolozza prescelta, un ben preciso colore (tonalità di grigio). In questo modo, nell’immagine termica (TI), una stessa sfumatura di colore o tonalità di grigio evidenzia aree alla stessa temperatura: la distribuzione delle temperature superficiali risulta pertanto “leggibile” a colpo d’occhio anche su ampie superfici. Oltre ad avere la mappa termica in tempo reale con corrispondenza colore temperatura, è possibile aggiungere dei cursori che visualizzano digitalmente la temperatura.
Una immagine termica (TI), che può essere considerata una vera e propria “mappa termica” del corpo esaminato, mostra solo la distribuzione della temperatura alla sua superficie ma essa è il risultato della presenza o meno di danni al suo interno. Infatti, l’esperienza acquisita nei vari settori ha confermato che se non vi sono disomogeneità o danni interni al corpo esaminato, la distribuzione delle temperature alla sua superficie e quindi la colorazione (tonalità di grigio) è omogenea. Anomalie nella distribuzione della temperatura superficiale del corpo in esame (disomogeneità nella distribuzione dei colori o dei grigi) non riconducibili a situazioni obiettivamente rilevabili sulla superficie dei corpi investigati (in un muro, una zona di intonaco danneggiato, in un pannello metallico una zona con la superficie ossidata, ecc.) sono indici della presenza di un difetto al loro interno. Questa differenza tra la temperatura superficiale in corrispondenza delle parti sane e di quelle danneggiate dipende dalle loro differenti conduttanze termiche. E’ sempre opportuno riprendere delle immagini visive dell’area termografata (si tratti di componente, pannello, edificio, muro, ecc.), sia per documentarne lo stato che, se la sua TI deve essere esaminata in un secondo momento, per poterla valutare con esattezza. Le moderne termocamere sono dotate di telecamere integrate che riprendono immagini visibili contemporaneamente a quelle termiche: anche le prime possono essere elaborate con i programmi proprietari che elaborano le TI, essere fuse con queste e venire memorizzate.
Nonostante la sua semplicità d’uso, la Termografia non è quindi un sistema “point and assess”: oltre a conoscere il corpo o l’oggetto investigato l’utente deve conoscere l’esistenza e saper individuare la presenza delle più comuni cause esterne di disturbo. Per questo è necessaria una istruzione guidata che consenta poi di operare correttamente ed in maniera autosufficiente.

Impieghi della Termografia

Come sistema di telerilevamento, una termocamera può essere impiegata a bassa quota da bordo di elicotteri o droni per individuare, ad esempio, scarichi idrici in corpi d’acqua e per valutare la gestione delle discariche di rifiuti solidi urbani, la qualità delle acque di balneazione o la presenza di fioriture algali, etc.
La radiazione infrarossa è una delle radiazioni elettromagnetiche che raggiungono la superficie terrestre e che gli scienziati raggruppano nello Spettro Elettromagnetico ordinate in base alle loro lunghezze d’onda crescenti.
Subito oltre il rosso e fino alle onde radio è il dominio dell’infrarosso, che viene arbitrariamente suddiviso in vari modi. In realtà la vera suddivisione è tra infrarosso “riflesso” (da circa 0,75 µm a circa 2,5 µm – la radiazione proviene da una sorgente esterna ai corpi esaminati, quale il sole o speciali lampade) e infrarosso “emesso” (da circa 2,5 µm in poi – la radiazione proviene direttamente dai corpi esaminati a causa del loro contenuto termico). In questo modo è possibile visualizzare una radiazione per noi invisibile, come tutte le altre al di fuori della radiazione “visibile”. A causa dei gas e delle sostanze presenti nell’atmosfera terrestre non tutte le lunghezze d’onda della radiazione infrarossa sono utilizzabili per le apparecchiature IR ma solo quelle trasparenti (finestre atmosferiche di trasmittanza).
Le misure di temperatura eseguite con le termocamere sono basate sul fatto che tutti i corpi, a causa del loro contenuto termico, emettono con continuità energia sotto forma di radiazione elettromagnetica in funzione della loro temperatura superficiale: le termocamere ne rilevano la frazione infrarossa. Il flusso di energia dipende anche dalla emissività della superficie e dall’intervallo di lunghezza d’onda delle radiazioni emesse.
E’ qui opportuno introdurre, sommariamente, alcune leggi che regolano il fenomeno: per una trattazione completa si rimanda a testi specifici.
La legge di Kirchhoff definisce emettitore ideale (corpo nero) “il corpo capace di assorbire radiazioni di qualsiasi lunghezza d’onda e di riemetterle”: per esso vale la legge di Planck la quale dice che l’intensità della radiazione emessa è

 

dove
W λ è l’emittanza spettrale radiante entro l’intervallo spettrale di 1µm, alla lunghezza d’onda λ
C1 e C2 sono, rispettivamente, la Prima e la Seconda Costante di radiazione
λ è la lunghezza d’onda, in µm
T è la temperatura assoluta, in Kelvin.
Se si integra questa espressione per tutto il campo di lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico si ottiene la legge di Stefan-Boltzmann che ci dice che l’energia totale radiante del corpo nero dipende dalla quarta potenza della temperatura assoluta

W = σ T 4 …(2)
dove
σ è la costante di Stefan-Boltzmann.
Nella realtà però non esistono corpi neri ma solo corpi grigi che si discostano in maniera più o meno notevole dal comportamento ideale: di questo fatto si tiene conto inserendo nella formula di Stefan-Boltzmann la grandezza emissività, , che è un indice di quanto il corpo reale si scosta dal comportamento ideale; la legge diventa

W = σ T 4 …(3)

L’emissività è definita come il rapporto tra la potenza radiante di un oggetto e quella del corpo nero alle stesse temperature e lunghezze d’onda, pertanto il suo valore può essere al massimo 1. Per poter quindi misurare la temperatura superficiale di un oggetto occorre conoscere la sua emissività. Esistono numerosissime tabelle che riportano i valori delle emissività di un gran numero di oggetti, misurate a differenti temperature. Esaminandole si rileva che tali valori non dipendono solo dalla natura dell’oggetto ma anche dallo stato della sua superficie (liscia, corrugata, ossidata, lucida, ecc.).
Infine, se si differenzia la legge di Planck rispetto a  e si cerca il valore massimo, si ha la legge di Wien

max = 2898/T

che ci dice qual è la lunghezza d’onda alla quale un oggetto alla temperatura T emette il massimo dell’emittanza spettrale radiante. Se in questa legge sostituiamo a T il valore della temperatura ambiente (25 °C), espresso in Kelvin (273 + 25 = 298), otteniamo

max = 2898/298 = 9,7 µm

ossia il massimo dell’emittanza spettrale radiante ricade nel dominio dell’infrarosso ed ecco spiegato il motivo per cui è importante questa radiazione ai fini dello studio dell’ambiente.


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