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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
a cura di:
Gennaro Mauro COLONNA
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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
Introduzione
Concetti di base
La trasmissione Atmosferica
I Sistemi IR
La Segnatura IR
a cura di:
Gennaro Mauro COLONNA
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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
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 IR
e 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.
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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
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 mm per terminare a circa 30 mm. (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.
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Concetti di base
Origine della radiazione IR
vignetta tratta dal volume dell’amico
G. Gaussorgues: LA THERMOGRAPHIE
INFRAROUGE - Principes, Technologies,
Applications. (Ed. Lavoisier, 1989)
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Concetti di base - Spettro delle frequenze IR
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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.
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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.).
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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.
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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
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Concetti di base -Legge di Planck
Nella Legge di Planck si definiscono:
Wl
= emittanza radiante spettrale, W/cm2 * mm
l
= lunghezza d’onda in micron
h
= costante di Planck (6.6256±0.0005)*10-34 W*sec2
T
= Temperatura assoluta, °K
c
= velocità della luce (2.997925±0.000003)*1010 cm*sec-1
c1
= 2phc2 (prima costante di radiazione) =
= (3.7415±0.0003)*104 W cm-2 m4 )
c2
= ch/k (seconda costante di radiazione) =
= (1.43879±0.00019*104 m°K)
k
= costante di Boltzmann (1.38054±0.00018)*10-23 Wsec°K-1
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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 s è la costante di
Stefan-Boltzmann ed Rt è
fisicamente l’area sottesa
dalla curva.
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Concetti di base - Trasmittanza atmosferica
L’energia emessa sarà raccolta dal sistema IR passando attraverso l’atmosfera che è il mezzo di
propagazione.
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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.
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Concetti di base - Trasmittanza atmosferica - Legge di Wien
dove:
a = 2897.8±0.4 m°K
e
lm = lambda della massima emissione
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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
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:
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LA TECNOLOGIA IR PER LA DIAGNOSTICA
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 Bibanda che consentono maggiore affidabilità di indagine in quanto le due bande si completano e si
complementano.
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Concetti di base - Il sistema IR
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 Array
La 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
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Concetti di base - Il sistema IR
Sistema IR a Moduli Comuni dotato di
sensore SPRITE e con risposta spettrale
centrata nella banda 8-12 micron
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Concetti di base - Il sistema IR
Sistema IR bi-banda della ditta FLIR.
Tale sistema è caratterizzato da una
sensibilità molto elevata.
Altra importante caratteristica è la
modularità del sistema.
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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.
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Concetti di base - Il sistema IR - Misura e Calibrazione
Tale contrasto potrà essere espresso in dB secondo la relazione:
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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.
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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