Assotermografia

Questo articolo è stato concesso dal Dott. Ermanno Grinzato e da AIPND. L’articolo originale è stato pubblicato nella rivista ufficiale di AIPND.

CONTROLLARE È NECESSARIO, IL CONTROLLO TERMICO È UTILE: INTRODUZIONE ALLA TERMOGRAFIA IR, POTENZIALITÀ E LIMITI

Autore: E. Grinzato

CNR – ITC

Corso Stati Uniti, 4 – 35127 Padova

Sommario.

La memoria offre un sintetico quadro sullo stato dell’arte, relativo alla termografia IR, nel campo civile. Vengono evidenziate le relazioni tra le immagini infrarosse, le mappe termografiche e varie forme di controllorealizzabili con successo.

Per illustrare le potenzialità e le limitazioni di questo metodo, a fianco di applicazioni, che si possono considerare ormai mature, si presentano le espansioni più promettenti di questa tecnica emergente. In particolare, si porta come esempio una nuova tecnica termografica per il monitoraggio ambientale.

1.0 INTRODUZIONE ALLA MODERNA TERMOGRAFIA IR

È passato meno di un secolo dai tempi pionieristici dell’evaporografo di Kzerny (1929) uno dei primi dispositivi usati per produrre immagini termografiche, la cui sensibilitá nella banda dell’infrarosso é dovuta all’evaporazione differenziale di un film sottile d’olio su una membrana scura. Finalmente, nel 1965 apparve la prima apparecchiatura commerciale ed è iniziato un nuovo modo di osservare i processi che ci circondano. Il sensore, immerso in azoto liquido, vedeva un obiettivo grande come un tubo da stufa attraverso un sistema di prismi che ruotavano e produceva immagini di poche linee. Al giorno d’oggi abbiamo termocamere grandi come un cellulare, e gia si intravvedono nel prossimo futuro trasformazioni radicali del panorama mondiale.
Certamente, la crescita vertiginosa del numero degli utenti e delle applicazioni è legato alla drastica riduzione di prezzo delle apparecchiature. Forse, una ragione del prodigioso balzo nella qualità e prestazioni dei sistemi termografici in commercio è correlato all’esplosione degli usi militari dell’infrarosso (IR). Ma, si può anche affermare con sicurezza, che si è creato un circuito virtuoso nella comunità tecnico- scientifica per mettere a punto tecniche di misura sempre più efficaci e precise. In sintesi, la termografia si è trasformata in un consolidato strumento professionale per molte attività di rilievo.
Sulla base di un’osservazione quasi trentennale di questo settore, la memoria cerca di evidenziare i punti chiave e le prospettive, che ne segnano marcatamente lo sviluppo. Oltre a ciò, si illustrano alcune sue peculiarità, che forse non sono manifeste a tutti gli utilizzatori, se è vero che esistono grandi potenzialità ancora in piccola parte esplorate. Infine, è opportuno chiarire le limitazioni del metodo, per renderlo produttivo, evitando false aspettative nell’utente finale. Già nel passato è avvenuto ché eccessive attese o non sufficiente competenza hanno prodotto seri danni.
È noto, ché la termografia in molti casi risulta essere così efficace in virtù della sua natura ottica, che le consente di operare senza contatto con l’oggetto esaminato. Conseguentemente, non è invasiva e non interferisce in modo apprezzabile con la misura stessa. Inoltre, la termografia si esegue a distanza e perciò elimina la necessità di raggiungere le superfici con ponteggi ed allontana l’operatore da potenziali pericoli. Per contro, è ovviamente necessario disporre di un accesso ottico verso le superfici di interesse. Questo problema però tende a ridursi con la miniaturizzazione delle termocamere, conseguente all’adozione dei sensori a matrice (FPA) o in rari casi con le fibre ottiche. Vediamo allora che la termografia è fondamentale per ispezionare componenti critici d’impianto come i quadri di distribuzione elettrica o motori e forni, senza interrompere il servizio e riducendo al minimo i rischi. Tra l’altro, la radiazione IR non ha alcun effetto nocivo (se non ci mettiamo dentro ad un forno acceso). La diffusione di un servizio ispettivo e preventivo è così alta, che sul mercato si trovano apparecchiature specifiche, di una praticità impensabile solo pochi anni addietro.
Esiste però un altro sostanziale vantaggio della termografia rispetto ad una rete, seppur fitta di sensori termici e cioè la realizzazione di un’immagine, cioè di una matrice bidimensionale di punti di misura, così densa, da essere praticamente continua nello spazio. È importante comprendere appieno l’enorme beneficio di poter visualizzare ed
analizzare la distribuzione di temperatura. Innanzitutto, l’immagine infrarossa dell’oggetto permette un’immediata localizzazione del problema. Inoltre, la visione panoramica è di grande giovamento nella comprensione dei fenomeni, che generano un’eventuale anomalia termica. In questo modo, si possono facilmente eseguire indagini comparative tra aree dell’oggetto o oggetti simili, ad esempio contenenti o meno difettosità. Infatti, è risaputo che i metodi relativi di controllo sono molto sensibili e più semplici dei metodi assoluti.
L’avanzamento della tecnica è stato enorme anche sul fronte delle misure assolute di temperatura. I moderni sensori possiedono certamente una elevatissima risoluzione termica, che raggiunge i milliKelvin. L’elaborazione digitale integrata ha ridotto moltissimo il rumore elettronico e sono stati implementati come software di base algoritmi di compensazione e correzione delle matrici. Però, analoga importanza va attribuita al continuo progresso nella standardizzazione delle procedure di valutazione delle proprietà ottiche delle superfici (leggi emissività e riflessività) e negli algoritmi disponibili per le misure [1]. Con la dovuta cura sono ottenibili accuratezze dell’ordine dei centesimi di grado, senza particolari difficoltà. In questo modo vediamo, che la misura termografica può rivelarsi più accurata di rilevazioni fatte con sensori termometrici tradizionali, come termoresistenze o termocoppie, sebbene calibrate, a causa degli errori sistematici legati alla resistenza di contatto tra sonda e superficie di queste ultime. Analogo vantaggio sussiste per le misure in regime termico dinamico. In questo caso, la misura radiante seguirà meglio la temperatura indagata, non essendoci contatto con la sonda, la cui massa dovrebbe continuamente raggiungere l’equilibrio termico con l’oggetto.
Le moderne apparecchiature hanno raggiunto una così elevata risoluzione spaziale, da poter realizzare visioni microscopiche di piccoli
particolari o la loro corretta visualizzazione da grande distanza, Ad esempio, possono essere analizzati quantitativamente filamenti o microimperfezioni dell’ordine di decine di μm. Lo sviluppo di grandi matrici di sensori IR radiometrici consente la scansione praticamente in tempo reale di oggetti in movimento veloce, dato che l’immagine si forma in pochi millisecondi. Analogamente, possono essere registrati ed analizzati fenomeni termici transitori. Oltre a questo, si aggiungono software sempre più perfezionati ed efficienti per eseguire le misure, elaborare i dati e redigere un rapporto contenente i risultati. Il superamento dei sistemi criogenici e l’integrazione elettronica ha definitivamente fatto entrare la termografia tra gli strumenti più potenti di controllo industriale. Le linee di produzione possono integrare sistemi che segnalano ed elaborano in tempo reale minime variazioni di temperatura su superfici più o meno ampie ed in movimento. L’elaborazione dei dati in linea riduce significativamente le interruzioni non programmate ed incrementa la qualità del prodotto.

Infine, l’espansione delle possibili bande spettrali in cui operano le termocamere IR, che si possono reperire sul mercato aprono nuove prospettive fino a ieri impensabili, come la visualizzazione di gas specifici oppure misure differenziali in diverse lunghezze d’onda IR.
Detto ciò, non si deve dimenticare la ragione della limitata accuratezza di una misura termografica non compiuta con le dovute attenzioni. Infatti, si tratta di una misura indiretta, dato che lo strumento, una volta calibrato, rileva localmente il flusso radiometrico nella sua banda di sensibilità, non una temperatura. Per ottenere una misura di temperatura, dovranno essere introdotte le necessarie informazioni aggiuntive, che consentono di riportarci sufficientemente vicini ad un modello semplice di radiatore ideale. Pertanto, si dovrà trasformare la misura di flusso radiante totale in quello netto effettivamente emesso dalla superficie ed introdurre le proprietà ottiche di emissione della superficie [2]. Tutti questi fattori e non la sola sensibilità dell’apparecchiatura concorrono all’accuratezza della misura.
Fortunatamente queste operazioni, che sembrerebbero disegnare una situazione molto complessa sono grandemente agevolate da importanti strumenti. Innanzitutto, esiste un’offerta formativa specifica, sempre più dettagliata e mirata, oltre ad una copiosa letteratura e la normativa tecnica. Ulteriori supporti sono forniti da programmi di elaborazione automatica, in ultima istanza, ci sono i servizi offerti da società specializzate.

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