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a cura di:Gennaro Mauro COLONNA

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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA

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a cura di:Gennaro Mauro COLONNA



IntroduzioneConcetti di baseLa trasmissione AtmosfericaI Sistemi IR La Segnatura IR






Introduzione

L’evoluzione tecnologica ha permesso la realizzazione di sistemi ed apparecchiature IR di elevatissimo livello.Questa presentazione intende fornire alcune semplici notizie ed informazioni sullo stato dell’arte in campo IRe sensibilizzare coloro che sono o saranno chiamati al difficile compito di progettare, costruire e gestire un impianto, effettuare un restauro, verificare lo stato di un edificio, verso l’utilizzo di queste tecnologie per avere un significativo contributo e supporto al loro compito.






Concetti di base

Con il vocabolo Infrarosso (IR) si indica la porzione di spettro elettromagnetico compresa tra il Visibile (VIS) e le onde Radio.Lo spettro IR inizia, quindi, a 0,7 m per terminare a circa 30 m. (limite di pratico impiego).Qualsiasi corpo che si trovi ad una temperatura superiore allo zero assoluto emette ed assorbe radiazioni e.m.; l’elevazione di temperatura accresce l’agitazione molecolare delle particelle portatrici di cariche elettriche e generatrici dell’irraggiamento.






Concetti di base

Origine della radiazione IR

vignetta tratta dal volume dell’amicoG. Gaussorgues: LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE - Principes, Technologies, Applications. (Ed. Lavoisier, 1989)






Concetti di base - Spettro delle frequenze IR






Concetti di base - Energia IR

L’energia così liberata sotto forma di radiazione è funzione della lunghezza d’onda “LABDA” e segue la legge:

dove:

L’energia emessa sotto forma di radiazione seguirà la legge di conservazione.






Concetti di base - Trasmissione energia

Posta unitaria tale energia, il suo comportamento sarà tale per cui sarà verificata la relazione:

ovvero l’energia sarà in parte TRASMESSA in parte RIFLESSA

in parte ASSORBITA

Una sorgente di emissione IR sarà rappresentabile con una curva di distribuzione spettrale in dipendenza del tipo di radiatore (materiale, composto chimico, scarica elettrica, ecc.).






Concetti di base - Radiatori IR

I radiatori sono essenzialmente di due tipi:

- Radiatore termico:la curva di distribuzione è di tipo continuo e presenta un unico valore massimo.

- Radiatore selettivo:la curva di distribuzione spettrale è di tipo discontinuo e presenta n bande strette di emissione caratterizzate da n picchi massimi in funzione della concentrazione molecolare. L’insieme delle sottobande rappresenta una unica segnatura.






Concetti di base -Caratterizzazione dei Radiatori IR

La caratterizzazione di un radiatore sarà effettuata facendo ricorso all’uso di un appropriato riferimento che è il:

CORPO NERO o BLACK BODY

Il Corpo nero è un corpo capace di assorbire totalmente la radiazione incidente a prescindere dalla sua lunghezza d’onda così come descritto dalla legge di Planck






Concetti di base -Legge di Planck

Nella Legge di Planck si definiscono:W= emittanza radiante spettrale, W/cm2 * mlunghezza d’onda in micronh = costante di Planck (6.6256±0.0005)*10-34 W*sec2

T = Temperatura assoluta, °Kc = velocità della luce (2.997925±0.000003)*1010 cm*sec-1

c1 = 2hc2 (prima costante di radiazione) = = (3.7415±0.0003)*104 W cm-2 4 )

c2 = ch/k (seconda costante di radiazione) = = (1.43879±0.00019*104 °K)

k = costante di Boltzmann (1.38054±0.00018)*10-23 Wsec°K-1






Concetti di base -Legge di Planck

Da un punto di vista pratico l’integrazione della legge di Planck rappresenta l’aerea sottesa dalla curva di corpo nero

in cui è la costante di Stefan-Boltzmann ed Rt è fisicamente l’area sottesa dalla curva.






Concetti di base - Trasmittanza atmosferica

L’energia emessa sarà raccolta dal sistema IR passando attraverso l’atmosfera che è il mezzo di propagazione.






Concetti di base - Trasmittanza atmosferica

Come si nota la propagazione avviene preferenzialmente in due finestre atmosferiche:Finestra da 3 a 5 micron e finestra da 8 a 12 micron.

Il diagramma è caratterizzato da un tratto di totale assorbimento in banda bassa a causa di molecole di CO2 ed un tratto in banda alta per la presenza di molecole di H2O. Ciò è motivo dello sviluppo dei sensori nelle due sottobande di trasmissione e della scelta preferenziale di un sistema IR nell’una o nell’altra banda in considerazione anche della legge di WIEN che stabilisce in funzione della temperatura dove è dislocato il picco di massima emissione.






Concetti di base - Trasmittanza atmosferica - Legge di Wien

dove: a = 2897.8±0.4 °K e m = lambda della massima emissione






Concetti di base - Legge di Kirchhoff o dell’Emissività

Dovrebbe essere del tutto evidente che il contenuto energetico tra le due bande è molto diverso e che ciò consente di sfruttare il concetto di CONTRASTO TERMICO.Ma il contrasto è determinato oltre che dalla banda di emissione da un parametro caratteristico del materiale dell’emettitore e dalla sua finitura superficiale.

L’Emissività è anch’essa funzione della lunghezza d’onda ed è descritta dalla legge di Kirchhoff:






Concetti di base - Il sistema IR

Il sistema IR viene prescelto in relazione al tipo di applicazione cui è destinato in banda bassa o in banda alta.

Nella banda bassa saranno meglio evidenziati i corpi ad elevata temperatura e contrasto termico.

Nella banda alta saranno meglio evidenziati i corpi bassa temperatura e contenuto contrasto termico.

Nel caso specifico delle applicazioni per la diagnostica la tendenza è quella di utilizzare sistemi Bi-banda che consentono maggiore affidabilità di indagine in quanto le due bande si completano e si complementano.







Come è fatto un sistema IR ?

Un sistema IR moderno può essere sostanzialmente di due tipi:- a scansione elettro-ottica- a FPA o Focal Plane ArrayLa differenza è a livello di sensore IR che nel primo caso sarà un ARRAY, uno SPRITE o un IRCCD ed a livello di sistema ottico che comprenderà la scansione elettro-ottica e l’ottica di ingresso.Nel secondo caso il sensore IR sarà una MATRICE di elementi sensibili ed il sistema ottico comprende la sola ottica di ingresso.

Recentemente, per l’accresciuta capacità tecnologica, si è avuto un ritorno all’iniziale sistema bolometrico in grado di dare una risposta di banda più ampia ed elevate sensibilità







Sistema IR a Moduli Comuni dotato di sensore SPRITE e con risposta spettralecentrata nella banda 8-12 micron







Sistema IR bi-banda della ditta FLIR.

Tale sistema è caratterizzato da unasensibilità molto elevata.

Altra importante caratteristica è la modularità del sistema.






Concetti di base - Il sistema IR - Misura e Calibrazione

Cosa può produrre un moderno sistema IR?

L’uscita del sistema IR è generalmente uno standard televisivo ed il segnale disponibile è quello dell’immagine dell’oggetto osservato.

L’insieme delle informazioni contenute nella immagine sono la SEGNATURA IR della scena osservata. Attraverso il processo di calibrazione, saranno determinate le grandezze IR relative all’oggetto ed al suo sfondo o BACKGROUND.

In ultima analisi potrà verificare il CONTRASTO TERMICO esistente fra porzioni di una stessa immagine IR e quantificarne il dato in Temperatura o in Radianza.






Tale contrasto potrà essere espresso in dB secondo la relazione:

Concetti di base - Il sistema IR - Misura e Calibrazione






Concetti di base - La Misura Termografica

La segnatura IR dell’oggetto o firma termografica (che non è rappresentata da un solo numero ma da una funzione complessa) è un dato molto importante da tenere sotto controllo ed all’occorrenza essere in grado di modificare essendo contenute in esso le informazioni relative allo stato dell’oggetto della nostra misura termografica.

Perché preoccuparsi di controllare effettuando la misura di termografia?

Semplicemente perché una elevata emissione IR, cioè una elevata segnatura IR, seppure in un contesto di relatività con gli altri parametri funzionali di un impianto, di un circuito, di un edifico, di un dipinto, ecc., potrebbe indicare il cattivo funzionamento dell’oggetto, oppure condizioni di lavoro anomale dell’impianto o dell’edificio o, ancora, anomale condizioni di conservazione di un dipinto pregiato, ecc.






Conclusioni

Questa presentazione non è certamente esaustiva della problematica relativa alla conoscenza della Emissione IR ma aveva il solo scopo di fornire elementi conoscitivi.

Le applicazioni che oggi rendono molto interessante l’utilizzo della termografia sono molteplici e, ciascuna applicazione, necessita di un approfondimento della teoria e delle modalità di effettuazione delle misure termografiche.

Greenlabs è in grado di organizzare corsi di infrarosso sia teorici che pratici e/o specifici a riguarda delel applicazioni.

Puoi inviare una e- mail a [email protected]

oppure telefonare al numero 339 3963121

Grazie


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