la termocamera ad infrarossi

La valutazione delle caratteristiche energetiche degli edifici esistenti:

la termocamera ad infrarossi

Bologna, 18/12/2013 Ing. Stefania Falcioni

DIN – stefania.falcioni@unibo.it

TITOLO

Misure in opera con macchina termografica:

• Imperfezioni di facciata su tutti i prospetti dell’edificio;

• Ponti termici sui balconi, sulle fondazioni, sui solai e sui fascioni sottotetto;

• Imperfezioni di montaggio.

IMPERFEZIONI COSTRUTTIVE

La termografia è un metodo di misura passivo, senza contatto. L’immagine termica mostra la distribuzione della temperatura sulla superficie di un oggetto.

Con una termocamera non è possibile vedere dentro o addirittura attraverso gli oggetti.

TITOLO

TEORIA DELLA TERMOGRAFIA

Radiazione termica: emessa a causa dei moti vibratori e rotatori delle molecole, atomi ed elettroni di una sostanza.

La radiazione termica è la parte dello spettro elettromagnetico che va da circa 0.1 a 100 µm. La radiazione termica include l’intera radiazione visibile e infrarossa (IR) e parte della radiazione ultravioletta (UV). La luce è la parte visibile dello spettro elettromagnetico, compresa tra 0.4 e 0.76 µm.

TITOLO

LEGGE DI PLANCK

Ogni corpo che si trova a temperatura superiore allo zero assoluto (0 Kelvin=

-273,15 °C) emette radiazione termica.

( )



 



 −



 



= 

1 exp

2

5 0

2 0

T k c h

c T h

E_n

λ λ

λ π

( ) ( )

0 E T d T

T

E_n =

∫

λ

σ

TITOLO

La radiazione emessa da corpi a temperatura ambiente cade nel campo infrarosso (0.76÷100µm)

LEGGE DI PLANCK

TITOLO

Telecamera ad infrarossi

Telecamere ad onde brevi: 3 - 5 µm (elevate temperature)

Telecamere ad onde lunghe: 8 – 12 µm (temperature vicine a quella ambiente)

Tali telecamere rilevano la radiazione infrarossa, pur non essendo percepita dall’occhio umano, e trasmettono l’informazione a microprocessori che elaborano immagini degli oggetti visibili anche di notte.

Il calcolo della temperatura tiene conto dell’emissività (ε) della superficie dell’oggetto di misura e della compensazione della temperatura riflessa (RTC = reflected temperature compensation)

TITOLO

Equazione generale radiometrica

( ) amb ( atm ) atm

atm atm

m I I I

I = τ ε _{0 0} + τ 1 − ε ₀ + 1 − τ

Valore radiometrico misurato

Potenza emessa dall’oggetto e trasmessa attraverso l’atmosfera

Potenza emessa dall’atmosfera Potenza emessa dall’ambiente

circostante che si riflette sull’oggetto

La radiazione registrata dalla termocamera è composta da raggi a onda lunga emessi, riflessi e trasmessi, provenienti dagli oggetti all’interno del campo visivo della termocamera.

TITOLO

Trasmissione atmosferica

( ) amb

m I I

I = ε _{0 0} + 1 − ε ₀

= 1 se τ atm

L’atmosfera, che si interpone fra l’oggetto e lo strumento, è un mezzo semi-trasparente per certe lunghezze d’onda ed opaco per altre.

In figura è rappresentato l’andamento del coefficiente di trasmissione dell’atmosfera per una distanza di 30 metri (fra strumento ed oggetto), una temperatura ambiente di 25 gradi centigradi, una umidità relativa del 50% ed una pressione di 1 atmosfera. Le camere ad infrarosso sono progettate per operare nelle così dette “finestre atmosferiche”, per le quali si ha un buon coefficiente di trasmissione.

TITOLO

Emissività

Emissività di una superficie: rapporto tra la radiazione emessa dalla superficie e la radiazione emessa dal corpo nero alla stessa temperatura.

Emissività Potere emissivo

TITOLO

L’emissività (ε) è un indicatore della capacità di un materiale di emettere (emanare) raggi infrarossi.

• ε varia in base alle proprietà superficiali, al materiale e, per alcuni materiali, anche in base alla temperatura dell’oggetto di misura.

• Emissività massima: ε = 1 ( 100%) (corpo nero) ε = 1 non si verifica mai nella realtà.

• Corpi reali: ε < 1, perché i corpi reali non solo emettono, ma anche riflettono ed eventualmente trasmettono le radiazioni.

• Molti materiali non metallici (es. PVC, cemento, sostanze organiche) hanno un’emissività elevata nella gamma di infrarossi a onda lunga che non dipende dalla temperatura (ε≈ da 0,8 a 0,95).

• I metalli, in particolare quelli con una superficie lucida, hanno una bassa emissività che varia con il variare della temperatura.

• ε può essere impostata manualmente nella termocamera.

Emissività

TITOLO

Materiali opachi:

la radiazione termica è un fenomeno superficiale

Materiali

semitrasparenti (acqua e vetro):

si lasciano attraversare dalla radiazione visibile.

Sono opachi alla

radiazione infrarossa

Emissività

TITOLO

Fattore di riflessione

Il fattore di riflessione (ρ) è una misura della capacità di un materiale di riflettere i raggi infrarossi.

• ρ dipende dalle proprietà superficiali, dalla temperatura e dal tipo di materiale.

• In generale, le superfici lisce e lucide riflettono più delle superfici ruvide e opache fatte dello stesso materiale.

• La temperatura riflessa può essere impostata manualmente nella termocamera (RTC).

• In molte applicazioni di misura, la RTC corrisponde alla temperatura ambiente.

• L’angolo di riflessione dei raggi infrarossi riflessi è sempre uguale all’angolo d’incidenza.

TITOLO

Fattore di trasmissione e legame tra le grandezze

Il fattore di trasmissione (τ) è una misura della capacità di un materiale di trasmettere (lasciar passare) i raggi infrarossi.

• τ dipende dal tipo e dallo spessore del materiale.

• La maggior parte dei materiali non sono trasmissivi, vale a dire permeabili ai raggi infrarossi a onda

lunga.

I raggi infrarossi registrati dalla termocamera sono composti:

• dalla radiazione emessa dall’oggetto di misura,

• dalla riflessione della temperatura ambiente e

• dalla trasmissione della radiazione da parte dell’oggetto di misura.

ε + ρ + τ = 1

Poiché la trasmissione raramente è rilevante nella pratica, la trasmissione τ è omessa e la formula è semplificata in

ε + ρ = 1.

TITOLO

Correlazione tra emissività e riflessione

Quanto minore è l’emissività

• tanto maggiore è la quota di raggi infrarossi riflessi,

• tanto più difficile è effettuare una misura precisa della temperatura

• tanto più importante è che la compensazione della temperatura riflessa (RTC) sia impostata correttamente.

1. Gli oggetti di misura con emissività elevata (ε ≥ 0,8):

• hanno un fattore basso di riflessione (ρ): ρ = 1 - ε.

• La loro temperatura può essere misurata molto facilmente con la termocamera.

2. Gli oggetti di misura con emissività media (0,8 < ε < 0,6):

• hanno un fattore medio di riflessione (ρ): ρ = 1 - ε.

• La loro temperatura può essere misurata con la termocamera.

3. Gli oggetti di misura con emissività bassa (ε ≤ 0,6)

• hanno un fattore elevato di riflessione (ρ): ρ = 1 - ε.

• La loro temperatura può essere misurata con attenzione con la termocamera.

• È fondamentale impostare la compensazione della temperatura riflessa (RTC).

TITOLO

Emissività

Assicurarsi che l’impostazione dell’emissività sia corretta è particolarmente importante se vi sono grandi differenze di temperatura tra l’oggetto di misura e l’ambiente di misura.

1. Se la temperatura dell’oggetto di misura è superiore alla temperatura ambiente:

• Impostazioni di emissività eccessivamente alte determinano letture della temperatura eccessivamente basse.

• Impostazioni di emissività eccessivamente basse determinano letture della temperatura eccessivamente alte.

2. Se la temperatura dell’oggetto di misura è inferiore alla temperatura ambiente :

• Impostazioni di emissività eccessivamente alte determinano letture della temperatura eccessivamente alte.

• Impostazioni di emissività eccessivamente basse determinano letture della temperatura eccessivamente basse.

TITOLO

Emissività

TITOLO

Emissività

TITOLO

Emissività

TITOLO

Emissività

Colore:

Il colore di un materiale non produce alcun effetto evidente sui raggi infrarossi a onda lunga emessi dall’oggetto da misurare quando si misura la temperatura con una termocamera. Può cambiarne l’emissività!

Superficie dell’oggetto di misura:

l’emissività della superficie varia in base alla struttura della superficie, allo sporco o al rivestimento.

Acqua, neve e brina sulla superficie:

L’acqua, la neve e la brina hanno emissività relativamente elevate (circa 0,85 < ε

< 0,96), quindi la misura di queste sostanze non presenta generalmente problemi. Tuttavia, bisogna tenere presente che la temperatura dell’oggetto di misura può essere alterata da rivestimenti naturali di questo tipo.

Sporco e corpi estranei sulla superficie:

misurare oggetti sporchi non crea di solito problemi. Tuttavia, la termocamera misura sempre la temperatura della superficie, vale a dire dello sporco.

TITOLO

Ambiente di misura

Radiazione:

gli oggetti con una grande differenza di temperatura rispetto all’oggetto di misura possono disturbare la misura degli infrarossi per effetto delle loro radiazioni.

Bisogna evitare o disattivare questo genere di fonti d’interferenza ogniqualvolta possibile. Schermando le fonti d’interferenza (es. con un telo o una scatola di cartone), si ridurrà questo effetto negativo sulla misura. Se non è possibile rimuovere l’effetto della fonte d’interferenza, la temperatura riflessa non corrisponde alla temperatura ambiente.

Condizioni meteorologiche:

Un cielo coperto di nuvole offre le condizioni ideali per le misure degli infrarossi all’aperto, in quanto scherma l’oggetto dalla luce solare.

Le forti precipitazioni (pioggia, neve) possono alterare il risultato della misura.

L’acqua, il ghiaccio e la neve hanno un’emissività elevata e sono opachi ai raggi infrarossi.

TITOLO

Ambiente di misura

Umidità dell’aria

L’umidità relativa dell’aria nell’ambiente di misura deve essere abbastanza bassa da evitare la formazione di condensa nell’aria, sull’oggetto di misura, sul vetro di protezione o sulla lente della termocamera.

Una forte condensa può influenzare la misura, in quanto le goccioline d’acqua nel percorso di trasmissione lasciano passare meno raggi infrarossi.

Inquinamento atmosferico

Alcune sostanze sospese, come per esempio la polvere, la fuliggine, il fumo e alcuni vapori, hanno un’emissività elevata e sono a malapena trasmissive.

Solo alcuni dei raggi infrarossi dell’oggetto di misura possono penetrare attraverso la termocamera, in quanto vengono sparpagliati e assorbiti dalle sostanze sospese.

TITOLO

Ambiente di misura

Flussi d’aria

Il vento o una corrente d’aria nella stanza possono influenzare la misura della temperatura con la termocamera.

Per effetto dello scambio di calore (convezione), l’aria vicino alla superficie ha la stessa temperatura dell’oggetto di misura. Se c’è vento o una corrente d’aria, questo strato d’aria viene “spazzato via” e sostituito da un nuovo strato d’aria che non si è ancora adattata alla temperatura dell’oggetto di misura. Questo effetto dello scambio di calore aumenta quanto maggiore è la differenza di temperatura tra la superficie dell’oggetto di misura e la temperatura ambiente.

Luce

La luce o l’illuminazione non hanno un impatto significativo sulla misura con una termocamera. Si possono effettuare misure anche al buio, in quanto la termocamera misura i raggi infrarossi a onda lunga. Tuttavia, alcune fonti luminose emettono esse stesse raggi infrarossi di calore e possono quindi influenzare la temperatura degli oggetti nelle loro vicinanze.

TITOLO

Determinazione dell’emissività

Metodo che utilizza un termometro a contatto:

misurare la temperatura di superficie dell’oggetto misurato con un termometro a contatto. Ora misurare la temperatura della superficie dell’oggetto di misura con la termocamera con un’emissività preimpostata pari a uno. La differenza tra i valori di temperatura misurati con il termometro a contatto e con la termocamera è dovuta al fatto che l’emissività impostata è troppo alta. Abbassando gradualmente l’impostazione dell’emissività, potete cambiare la temperatura misurata finché non corrisponde al valore ottenuto nella misura a contatto.

L’emissività così impostata corrisponde all’emissività della superficie dell’oggetto di misura.

Metodo che utilizza la termocamera:

ricoprire l’oggetto di misura con un rivestimento (nastro adesivo) o una vernice con un’emissività conosciuta.

TITOLO

Fonti di errore nella misura degli infrarossi

I seguenti fattori possono alterare il risultato della vostra misura degli infrarossi:

• Impostazione scorretta dell’emissività

• Impostazione scorretta della RTC

• Immagine termica non chiara: mettere a fuoco l’immagine termica sul posto, in quanto la nitidezza non può essere cambiata una volta scattata la foto.

• La distanza di misura è troppo grande o troppo piccola

• Misura effettuata con una lente inadatta

• Area di misura troppo grande

• Errori nel percorso di trasmissione (es. inquinamento atmosferico, coperture, ecc.)

• Effetto di fonti di radiazione esterne (es. bulbi luminosi, sole, caloriferi, ecc.)

• Erronea interpretazione dell’immagine termica a causa della riflessione

TITOLO

Fonti di errore nella misura degli infrarossi

• Evitare di misurare dove vi sono fonti d’interferenza.

• Disattivare o schermare le fonti d’interferenza ogniqualvolta possibile, o tenere conto della loro influenza nell’analisi dell’immagine termica.

• Repentini cambiamenti della temperatura ambiente: sussiste il rischio di condensa sulla lente.

• Ogniqualvolta possibile, usare termocamere con rilevatori stabilizzati alla temperatura.

• Erronea interpretazione dell’immagine termica dovuta a mancanza di conoscenza del design dell’oggetto di misura: usare anche immagini reali (foto) ogni qualvolta possibile per interpretare le immagini termiche.

TITOLO

Misure su vetro

L’occhio umano vede attraverso il vetro, ma il vetro è opaco ai raggi infrarossi.

Pertanto, la termocamera misura solo la temperatura superficiale del vetro e non la temperatura dei materiali dietro ad esso. Il vetro è però trasmissivo per le radiazioni a onda corta, come la luce solare. Bisogna quindi considerare che i raggi del sole che passano attraverso la finestra, per esempio, potrebbero riscaldare il vostro oggetto di misura.

Il vetro è anche un materiale riflettente.

Fate quindi attenzione alla riflessione speculare quando misurate su vetro!

TITOLO

Tabelle dell’emissività

TITOLO

Tabelle dell’emissività

TITOLO

UTILIZZO DELLA TERMOGRAFIA

Con la termografia è possibile eseguire controlli non distruttivi e non intrusivi, per visualizzare valori assoluti e variazioni di temperatura di oggetti, indipendentemente dalla loro illuminazione nel campo del visibile.

I più frequenti campi di utilizzo della termografia in edilizia sono per la determinazione di:

• Perdite di calore attraverso condotti (ventilazione, camini, ecc.);

• Irregolarità termiche nelle strutture (soprattutto pannelli prefabbricati);

• Perdita di calore attraverso i muri;

• Individuazione di ponti termici;

• Individuazione di tamponamenti eseguiti sulle pareti e non visibili;

• Ricerca di infiltrazioni di acqua nelle strutture;

• Ricerca di infiltrazioni di acqua provenienti dai tetti;

TITOLO

UTILIZZO DELLA TERMOGRAFIA

• Difetti di isolamento termico dei tetti;

• Individuazione dell’umidità nei muri esterni;

• Ricerca di rotture di impianti di riscaldamento o di distribuzione idrica;

• Ricerca di rotture di condotte idriche all’aperto;

• Valutazione dei comfort termici nelle perimetrazioni dei vani degli edifici;

• Ricerca dei cavedi;

• Analisi delle sigillature tecniche;

• Rivelazioni dell'attacco biologico alle strutture in legno;

• Analisi funzionale dell’isolamento termico dei generatori di calore;

• Controllo delle coibentazioni;

• Controllo delle canne fumarie;

• Individuazione dei passaggi non visibili di condutture;

TITOLO

• Manutenzione predittiva meccanica per verifica di organi in movimento (pompe);

• Manutenzione predittiva agli impianti elettrici (cavi, quadri elettrici, componenti, ecc.);

• Individuazione di surriscaldamenti localizzati in elettronica e di avarie;

• Individuazione di focolai di incendio.

UTILIZZO DELLA TERMOGRAFIA

TITOLO

TELECAMERA AD INFRAROSSI: IMMAGINI

TITOLO

TELECAMERA AD INFRAROSSI: IMMAGINI

TITOLO

ESEMPI DI APPLICAZIONE IN EDILIZIA

Dispersione termica da elementi radianti dovuta all’assenza di intercamera

coibentante

Dispersione termica da canne fumarie non coibentate

TITOLO

IMPERFEZIONI COSTRUTTIVE

Ponti termici Umidità

interstiziale e superficiale

TITOLO

IMPERFEZIONI COSTRUTTIVE

Rilevazione tubazioni impianto

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMMAGINI RADIOMETRICHE

TITOLO

IMPERFEZIONI COSTRUTTIVE

Rilevazione

temperature nelle tubazioni di grandi impianti industriali

livello eccessivo di calore dovuto alla frizione prodotta da cuscinetti difettosi e

lubrificazione insufficiente

surriscaldamento della cinghia di distribuzione

TITOLO

IMPERFEZIONI COSTRUTTIVE

diagnosi termografiche applicate a linee di alta, media e bassa tensione

Nel campo dell’elettronica permette invece di

individuare surriscaldamenti localizzate ed avarie di

componenti

TITOLO

Termocamera AVIO TVS 200 EX

Campo di misura della temperatura -20 ÷ 500 °C Risoluzione termica < 0.08 °C

Precisione ±2°C oppure ± 2%

Frequenza immagine 1/60 sec

Sensore Sensore FPA microbolometrico Vox a doppio laser

Campo spettrale 8 ÷ 14 µm

Field of view (FOV) 30,6 °(H) x 23,1 °(V) Risoluzione spaziale 1.68 mrad

Campo di misura (distanza) 30 cm ÷ ∞ Pixel del sensore 320 (H) x 240 (V)

Display LCD semitransmittivo a colori da 3,5’

Telecamera visibile 640 x 480

Visualizzazione temperature 5 punti

TITOLO

Termocamera AVIO TVS 200 EX

Funzione di mixing: la termocamera AVIO TVS 200 EX può operare, oltre che nel campo dell’infrarosso, anche nel campo del visibile, grazie ad una telecamera integrata.

TITOLO

Termocamera AVIO TVS 200 EX

Nella termocamera AVIO TVS 200 EX si può variare l’emissività sia istantaneamente (se vogliamo sapere subito la temperatura del punto) agendo sul menu della termocamera, sia a posteriori sfruttando il software IRT ANALYSER (fornito con la termocamera).

In particolare è possibile impostare l’emissività di un singolo punto, di più punti o di intere aree dell’immagine.

TITOLO

Termocamera AVIO TVS 200 EX

Visualizzazione di range di interesse

TITOLO

Termocamera AVIO TVS 200 EX

Visualizzazione di range di interesse

TITOLO

Taratura termocamera

Tramite corpo nero