Scopri Come la Termografia Rivoluziona la Diagnosi e la Conservazione dei Beni Culturali

La termografia si rivela uno strumento diagnostico di grande utilità, impiegato sia in sito che a distanza. In particolare, per i manufatti architettonici, soprattutto quelli storici, l'analisi termografica ha notevoli applicazioni, poiché consente di "vedere" oltre la superficie opaca, rivelando discontinuità strutturali e materiali, ad esempio la presenza di cavità, vuoti, tamponature, occlusioni o antiche aperture.

Con l'uso di questa tecnica, siamo in grado di individuare imperfezioni che possono danneggiare i nostri reperti, come infiltrazioni d'acqua o muffa, invisibili ad occhio nudo. La termografia è la scelta ideale per proteggere i tesori storici.

Cos'è l'Analisi Termografica?

L’analisi termografica è una tecnica diagnostica non distruttiva che utilizza una speciale camera per misurare le radiazioni infrarosse (IR) emesse dall’elemento in esame, convertendole in informazioni termiche per determinare la temperatura superficiale. I segnali elettrici generati vengono poi proiettati su un monitor e trasformati in immagini, chiamate termogrammi.

Ogni oggetto emette energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, la cui intensità varia in base alla temperatura. La temperatura superficiale è influenzata anche dalla conducibilità termica e il calore specifico del materiale analizzato.

Attraverso la visualizzazione delle differenze di temperatura superficiali (anomalie termiche), la termografia consente di individuare in un impianto, processo o componente, anomalie indicanti rotture incipienti o malfunzionamenti che necessitano di azioni correttive.

Principi Fondamentali della Termografia

La termografia non è una semplice misura di temperatura, ma si fonda sui principi della termodinamica: ogni corpo è caratterizzato da una propria emissione termica in funzione della sua temperatura superficiale, che è a sua volta condizionata dalla conducibilità termica e dal calore specifico di ogni materiale.

Come Funziona l'Analisi Termografica

L’analisi viene effettuata tramite termocamera, ovvero una sorta di macchina fotografica che, dotata di particolari sensori, permette di rilevare la temperatura superficiale dei corpi e renderla leggibile grazie a una mappa di colori.

Al contrario delle fotocamere per luce visibile, le termocamere creano immagini di temperatura, misurano l’energia infrarossa (IR) irradiata da un corpo e la convertono in un’immagine i cui punti rappresentano un valore di temperatura. La termocamera, quindi, rappresenta il fulcro di tutto l’apparato essendo lo strumento attraverso il quale si rileva la temperatura del corpo o dell’area di interesse.

Tipologie di Termocamere

Le termocamere presenti oggi sul mercato si dividono in 2 tipologie:

raffreddate;
non raffreddate.

Le precisioni più alte si ottengono con le termocamere raffreddate, che presentano però problematiche inesistenti nell’altro gruppo e spesso costi più elevati. Questi i motivi per i quali, soprattutto in campo edile (dove è richiesta una precisione minore per molti parametri) le termocamere non raffreddate hanno una maggior diffusione.

Termocamere Raffreddate

Le termocamere raffreddate sono quelle che garantiscono la più alta precisione nella misurazione. Esse sono costituite da:

un sensore;
un sistema di raffreddamento;
un sistema di scansione;
un obiettivo.

Le termocamere raffreddate montano sensori miniaturizzati, detti fotorilevatori, dispositivi realizzati con materiali semiconduttori nei quali il rilascio di cariche elettriche è direttamente proporzionale all’assorbimento dei fotoni. Il motivo del raffreddamento in questo tipo di strumenti, è legato proprio all’efficienza dei sensori, infatti al diminuire della temperatura del rilevatore aumenta la precisione.

Termocamere Non Raffreddate

Le termocamere non raffreddate differiscono dalle precedenti perché non necessitano di un sistema di raffreddamento. Il sensore (il microbolometro), assimilabile ai sensori delle moderne macchine fotografiche digitali, è costituito da una matrice di rilevatori che vanno a comporre il sensore stesso. Rispetto alle termocamere raffreddate dove un unico sensore, tramite il sistema di scansione, analizza i pixel dell’immagine termica, in quelle non raffreddate vi è una correlazione diretta tra il pixel del sensore ed il pixel analizzato sull’immagine termica. La risoluzione geometrica del sensore e cioè il numero di pixel analizzati sull’immagine corrisponde al numero di pixel sensibili da cui è formato il microbolometro.

Criteri per la Scelta di una Termocamera

La scelta di una termocamera è un processo complesso che richiede un’attenta valutazione in base alle specifiche esigenze e all’ambito di applicazione. É necessario considerare alcuni parametri al fine di capire quale tipologia di strumento sia più adatta alle proprie necessità:

range di temperatura: indica la scala termica all’interno della quale presumibilmente l’operatore dovrà lavorare. Le termocamere comuni coprono generalmente da -20°C a +120°C, adatte alla maggior parte delle applicazioni edilizie. Tuttavia, per applicazioni industriali, esistono termocamere con range fino a 2000°C;
risoluzione termica: indica la massima differenza in termini di gradi che il sensore è in grado di percepire su una medesima immagine: maggiore è la risoluzione termica, migliore sarà il sensore e di conseguenza la risposta termica che il sensore stesso riuscirà a fornire;
precisione termica: definita come l’accuratezza della misura in scala assoluta della temperatura di un oggetto;
risoluzione geometrica del sensore: che nel caso delle non raffreddate, la maggior parte delle termocamere in commercio, coincide con il numero di pixel che compongono la matrice del microbolometro;
range spettrale: rappresenta la finestra dell’infrarosso analizzata dalla termocamera, è un altro elemento da considerare. Esistono due range principali: il vicino infrarosso (short wave) da 2 a 5 µm e il lontano infrarosso (long wave) da 8 a 12-14 µm;
frequenza di acquisizione del sensore: che varia tipicamente da 9 a 50 Hz, può essere significativa, soprattutto in ambito industriale e meccanico dove si analizzano oggetti in movimento. Alcune termocamere possono registrare sequenze di immagini termiche, creando veri e propri filmati termici;
prezzo: le termocamere top di gamma hanno costi elevati, ma la tecnologia a infrarossi evolve lentamente, con sensori che rimangono al vertice delle prestazioni per molti anni.

Vantaggi dell'Utilizzo della Termografia

Le principali caratteristiche che rendono la termografia una tecnica sempre più utilizzata sono le seguenti:

consente di analizzare la temperatura di qualsiasi oggetto senza contatto diretto, ovvero in modo non invasivo, permettendo di effettuare misurazioni ripetute nel tempo.
Questo elimina l’effetto di carico e permette il monitoraggio di corpi ad alta temperatura (come bagni di fusione), lo studio in aree pericolose (ad esempio, ambienti ad alta tensione) e in campo meccanico, nonché il controllo periodico per verificare l’usura di componenti sotto stress;
è in grado di rilevare differenze di temperatura nell’ordine di centesimi di grado;
offre un ampio intervallo di misurazione, con strumenti standard di laboratorio che coprono temperature da 20°C a 1500°C;
aumenta le probabilità di individuare con precisione guasti o difetti, anche se non ancora critici;
non richiede il fermo degli impianti ma al contrario, le misurazioni devono essere effettuate con impianti in funzione, preferibilmente sotto massimo carico, come nel caso di ispezioni di cuscinetti, motori e cabine di trasformazione dell’alta tensione;
consente interventi mirati e preventivi, riducendo così i costi di manutenzione;
riduce il rischio di eventi catastrofici come incendi o blocchi produttivi improvvisi.

Limitazioni della Termografia

Le limitazioni all’uso della termografia invece sono legate all’alto costo dell’apparecchiatura, alla necessità di un operatore qualificato e ad alcuni impedimenti di tipo tecnico come:

la difficoltà di ottenere dati precisi e veritieri per materiali con bassa emissività;
la necessità in alcuni casi di schermare la termocamera dalle emissioni ambientali;
l’influenza delle condizioni climatiche nel caso di utilizzo in ambito edile architettonico.

Normativa di Riferimento: UNI 11867:2022

La UNI 11867:2022 offre linee guida fondamentali sull’uso della termografia a infrarossi nei vari settori di applicazione. In particolare, fornisce dettagli sul corretto utilizzo delle termocamere e mette in guardia gli operatori sugli errori comuni da evitare, specialmente nell’interpretazione delle immagini termografiche acquisite.

La UNI 11867:2022 individua i principali campi di applicazione della termografia, tra cui:

controllo non distruttivo di materiali e manufatti;
controllo qualità nei processi produttivi;
edilizia e i beni culturali;
fluidodinamica;
ispezione e la manutenzione;
medicina e la veterinaria;
meteorologia;
monitoraggio delle prove meccaniche;
settore elettrico ed elettronico;
ecc.

Termografia Attiva e Passiva: Due Approcci a Confronto

La termografia ad infrarossi si divide in due grandi categorie in base alla presenza o meno di uno specifico sistema di eccitazione termica. Si parla rispettivamente di tecniche termografiche di tipo attivo e passivo.

Termografia Passiva

Nella termografia passiva, la termocamera inquadra la superficie del corpo, oggetto di indagine e acquisisce immagini termiche. Il corpo non subisce alcuna alterazione poiché la termografia passiva si limita a rilevare la radiazione termica uscente dalla superficie dell’oggetto per effetto del suo stato intrinseco o intrinsecamente legato alle sue condizioni di esercizio. La termografia passiva viene tipicamente utilizzata in condizioni di regime stazionario o quasi stazionario, per ispezionare sistemi elettrici e meccanici, nella diagnostica di processo (forni, reattori chimici) e di installazione.

Termografia Attiva

Nella termografia attiva, ai soli fini dei test termografici viene generato un flusso di calore non stazionario che investe l’oggetto in prova. Le sorgenti del flusso di calore possono essere naturali o artificiali e vengono scelte in base alle particolari applicazioni e ai loro specifici requisiti. Il flusso può avere andamento impulsivo, a scalino oppure periodico. La termografia attiva viene utilizzata per i controlli sui materiali, nella tecnologia dei materiali metallici o composti e in quella delle saldature e giunzioni, per rilevare e visualizzare elementi nascosti non visibili in condizioni termiche stazionarie, ma evidenziabili inducendo nel materiale un transitorio termico forzato.

Ambiti di Applicazione della Termografia

L’edilizia è uno dei campi in cui la termografia trova più spazio, grazie all’innumerevole varietà di interventi che può permettere o facilitare in questo settore:

diagnosi energetica degli edifici;
verifica dello stato di conservazione degli immobili;
ricerca di guasti impiantistici.

Ancora più nello specifico, la termografia trova impiego, ad esempio, per:

impianti elettrici;
pannelli fotovoltaici;
infiltrazioni d’acqua.

Termografia negli Impianti Elettrici

L’analisi termografica per gli impianti elettrici è una pratica fondamentale per la manutenzione e la sicurezza degli impianti. Questa tecnica permette di rilevare le radiazioni termiche emesse dagli impianti al fine di individuare anomalie termiche, guasti e potenziali problemi che potrebbero causare blackout o addirittura incendi. Le numerose applicazioni delle termocamere nei sistemi elettrici possono essere suddivise in 2 categorie principali: installazioni ad alta tensione e installazioni a bassa tensione.

Installazioni ad Alta Tensione

Il calore è un fattore critico nelle installazioni ad alta tensione. Quando la corrente elettrica passa attraverso un elemento con resistenza, si genera calore; maggiore è la resistenza, maggiore sarà il calore prodotto. Nel tempo, la resistenza dei collegamenti elettrici può aumentare a causa di fattori come l’allentamento e la corrosione. Questo aumento di temperatura può portare a guasti dei componenti, causando interruzioni di funzionamento e possibili incidenti, oltre a sprechi energetici dovuti al calore generato. Se non monitorato, il calore può raggiungere livelli tali da fondere i collegamenti, provocando guasti o incendi.

Uno dei principali vantaggi della termografia ad infrarossi in campo elettrico è la capacità di eseguire ispezioni con i sistemi elettrici sotto carico.

Tra gli esempi di guasti che sono rilevabili con le termocamere nelle installazioni ad alta tensione vi sono:

ossidazione di interruttori ad alta tensione;
surriscaldamento dei collegamenti;
fissaggio imperfetto dei collegamenti;
guasto di isolatori.

Installazioni a Bassa Tensione

Le termocamere vengono utilizzate anche per il monitoraggio di impianti e componenti elettrici a bassa tensione, come quadri elettrici e quadri di controllo dei motori, che vengono regolarmente ispezionati con questi strumenti. Senza un controllo adeguato, il calore può aumentare a tal punto da fondere i collegamenti, causando guasti o incendi.

Oltre ai collegamenti allentati, i sistemi elettrici possono essere compromessi da squilibri di carico, fenomeni di corrosione e aumenti dell’impedenza rispetto alla corrente.

Casi di Studio e Applicazioni Pratiche

L'architettura storica è parte importante del patrimonio culturale italiano, quindi la corretta manutenzione di questi edifici è essenziale per la loro conservazione. Grazie alla propria ricchezza storica, l'Italia possiede numerose perle di storia architettonica all'interno del proprio territorio. Molti italiani sono orgogliosi del proprio patrimonio culturale. È questo il motivo per cui società di diagnostica termografica IR HotSpot ha avviato il proprio servizio di ispezioni termografiche per gli edifici storici.

“Le termocamere sono un ottimo strumento per rilevare i danni negli edifici storici”, spiega Rosario Piergianni, esperto di termografia presso IR HotSpot. “Esiste un'enorme quantità di diversi problemi degli edifici che può essere rilevata con la termografia ad infrarossi ed il grande vantaggio di questa tecnologia è che non presenta alcun rischio per l'edificio. È un metodo non invasivo, quindi completamente sicuro.”

Con la propria termocamera FLIR SC660 gli esperti di termografia di IR HotSpot possono individuare svariati problemi degli edifici, spiega Piergianni. “Possiamo rilevare la presenza di umidità dovuta a condensa o capillarità. Questo può danneggiare intonaco e affreschi. Inoltre possiamo rilevare la presenza di muffa sotto alla superficie. Le termocamere possono anche essere utilizzate per individuare distacchi tra l'intonaco e la struttura sottostante o per rilevare fessurazioni nascoste e la presenza di tamponature, o rilevare restauri precedenti e strutture nascoste dalla muratura, ma anche identificare i danni causati, ad esempio, da un terremoto. Ispezioniamo i flussi convettivi d'aria intorno alle opere d'arte che possono causarne il deterioramento se non controllati e offriamo consigli su eventuali modifiche da apportare ai sistemi di riscaldamento e ventilazione per evitare il verificarsi di queste condizioni. Studiamo inoltre il processo di disintegrazione dei materiali dell'edificio, in particolare la calcarenite spesso utilizzata negli edifici storici di quest'area. All'esterno dell'edificio verifichiamo inoltre la formazione di depositi superficiali antropogenici causati dall'inquinamento.”

In Terras offre inoltre le più avanzate tecniche di indagine non distruttive, in particolare si è specializzata nella termografia a infrarosso. L’indagine termografica permette infatti di ricostruire in modo rapido le diverse fasi di trasformazione di alcuni edifici, contribuendo ad una anamnesi ricostruttiva delle strutture architettoniche. In questo modo fornisce preziose informazioni riguardo alle trasformazioni subite dal manufatto architettonico grazie all’evidenziazione delle discontinuità delle caratteristiche fisico-termiche dei materiali costituenti i primi centimetri del paramento murario non a vista.

Vengono generate delle mappe, in falsi colori, rappresentative delle zone indagate. Queste mappe associano ad una temperatura rilevata un colore corrispondente. La sensibilità dell’apparecchiatura può arrivare anche ad alcuni centesimi di grado.