Termografia: Scopri Come Funziona e Tutto Quello Che Devi Sapere!

La termografia è un tipo di acquisizione immagini nel campo dell'infrarosso. Con il termine termografia si intende la visualizzazione bidimensionale della misura di irraggiamento. Attraverso l'utilizzo di una termocamera (strumento per eseguire controlli di tipo termografico) si eseguono controlli non distruttivi e non intrusivi.

Le termocamere rilevano le radiazioni nel campo dell'infrarosso dello spettro elettromagnetico e compiono misure correlate con l'emissione di queste radiazioni. Questo strumento è in grado di rilevare le temperature dei corpi analizzati attraverso la misurazione dell’intensità di radiazione infrarossa emessa dal corpo in esame. Tutti gli oggetti ad una temperatura superiore allo zero assoluto emettono radiazioni nel campo dell'infrarosso.

Tutti gli oggetti, infatti, emettono energia termica ed interagiscono con gli ambienti circostanti, con un trasferimento di energia dai corpi più caldi a quelli più freddi. Il calore può propagarsi in diversi modi, uno di questi è simile alla luce visibile: si chiama radiazione di calore o infrarosso.

Come Funziona 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.

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. 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.

Vengono generate delle mappe, in falsi colori, rappresentative delle zone indagate. Queste mappe associano ad una temperatura rilevata un colore corrispondente. Ad esempio, nelle scale cromatiche più utilizzate, il rosso indica aree di alta temperatura, mentre il blu indica aree più fredde.

Tipi 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.

Come Scegliere 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.

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.

Perché è Utile la Termografia e Quali sono i Vantaggi

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.
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.

Quali sono le 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.

Analisi Termografica Attiva e Passiva

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.

Quali Sono gli Ambiti di Applicazione della Termografica

La Termografia ha molteplici applicazioni. Per ogni superficie/ oggetto che abbia una distribuzione anomala delle temperature, la Termografia può essere la soluzione. Le indagini termografiche sono oggi richieste per individuare infiltrazioni di umidità, sprechi di energia e stato di manutenzione degli edifici. La mappatura della temperatura superficiale è fondamentale per poter valutare lo stato di conservazione dei materiali stessi.

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

Analisi Termografica: 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.

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. Senza un controllo adeguato, il calore può aumentare a tal punto da fondere i collegamenti, causando guasti o incendi.

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

Termografia Edilizia: Valutazione dei Ponti Termici

La termografia si colloca all’interno dell’efficientamento energetico, diventato oggi un requisito necessario sia per un edificio nuovo che per risanare un edificio esistente. Individua le cause dei problemi, infatti in base alla temperatura superficiale rilevata è possibile spiegare le dispersioni energetiche di un edificio ed in questo modo risalire alle cause delle perdite energetiche, individuando ad esempio i ponti termici. Grazie a questo processo di analisi veloce e non invasivo si possono avere subito le idee chiare rispetto alla coibentazione dell’edificio e delle sue prestazioni.

Fondamentalmente la termografia in edilizia permette di evidenziare le perdite energetiche individuando la differenza di temperatura tra zone superficiali adiacenti. Gli obiettivi principali che può avere un’indagine termografica in questo ambito sono: la ricerca di ponti termici, la verifica dello stato delle impermeabilizzazioni, degli impianti in funzione e la ricerca di umidità nelle murature.

Termocamere per Droni

La termografia viene spesso utilizzata nei droni a pilotaggio remoto (UAV), per migliorare le capacità generali di ricognizione in condizioni pericolose o difficili da osservare. Nei droni per hobbisti, la termografia può essere una grande risorsa, come ad esempio per la fotografia, mentre risulta molto vantaggiosa per le unità di risposta alle emergenze, le squadre di ricerca e soccorso e nelle applicazioni militari tattiche.

Termocamere per Rilevazione degli Incendi

La termografia non solo aiuta i vigili del fuoco a localizzare i sopravvissuti in condizioni di scarsa visibilità, come quando si è in presenza di polvere, nebbia, cenere e altri contaminanti, ma può anche aiutare a rilevare punti caldi, ulteriori potenziali fonti di incendio o indicare la presenza di incendi ancora accesi che potrebbero provenire da luoghi inaspettati, come il sottosuolo o all'interno di muri cavi.

Termocamere per la Fauna Selvatica

La fotografia naturalistica, il monitoraggio degli animali e il monitoraggio ambientale sono oggi tutti usi comuni della tecnologia di imaging termico. Le telecamere IR dotate di sensori intelligenti possono essere configurate e lasciate senza operatore in habitat naturali, attivandosi automaticamente in presenza di fauna selvatica notturna, altrimenti difficile da individuare.