IC TERMOGRAFIJA PRIMJENA KOD OČUVANJA KULTURNE BAŠTINE DIO PRVI STUDIJ: USTANOVA: POSLIJEDIPLOMSKI FILOZOFSKI FAKULTET SVEUČILIŠTA U ZAGREBU Pripremili: Prof.dr.sc. Srećko Švaić, dipl.ing. Doc.dr.sc. Ivanka Boras, dipl.ing. Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilište u Zagrebu
Ključne riječi: Termografija, primjena, očuvanje kulturne baštine SAŽETAK U radu je dan prikaz termografske metode s osnovnim pojmovima, principom rada termografskog uređaja, mjernim metodama i mogućnostima primjene kod konzervatorskih i restauratorskih radova. 1.0.0 UVOD Termografija je beskontaktna metoda mjerenja temperature i njezine raspodjele na površini tijela. Temelji se na mjerenju intenziteta infracrvenog zračenja s promatrane površine. Rezultat suvremenog termografskog mjerenja je termogram koji u sivim tonovima ili nekom kodu boja daje sliku temperaturne raspodjele na površini promatranog objekta. Upravo ova temperaturna raspodjela daje informaciju o različitim stanjima same površine ili je pak odraz strukture i unutrašnjeg stanja promatranog objekta. U radu je dan prikaz osnova termografije s ciljem upoznavanja stručnjaka vezanih za očuvanje kulturne baštine, konzervatorsko restauratorske radove i slično o mogućnostima, prednostima i nedostacima ove metode. Termografija se već dulji niz godina koristi kao jedna od metoda bez razaranja za kontrolu kvalitete, nadzor nad procesima i proizvodnjom, otkrivanje strukture materijala i objekata, zaštitu okoliša, zaštitu od požara kao i u mnogim znanstvenim istraživanjima. U posljednje vrijeme sve se intenzivnije koristi i u istraživanjima vezanim za kulturnu baštinu. U prvom dijelu dane su osnove termografije i njezin razvoj. Ukratko su opisane osnovne termografske metode koje se danas koriste za kvalitativnu i kvantitativnu analizu termograma, kao i mogući načini toplinske stimulacije objekta. Na kraju su navedene prednosti i nedostaci termografije. U drugom dijelu dan je pregled termografskih mjerenja s prikazom termograma i mjerenih objekata te potrebnim komentarima za razumjevanje provedenih procedura, a koja su rađena na objektima kulturne baštine iz područja arhitekture, kiparstva, slikarstva za potrebe rekonstrukcije, restauracije ili konzervacije. U zaključku se naglašava opravdanost uvođenja termografije u konzervatorsko restauratorske radove kao jedne od metoda bez razaranja koja u određenim slučajevima daje bolje i brže rezultate od ostalih metoda. 2.0.0 OPĆENITO O ELEKTROMAGNETSKOM ZRAČENJU 2.1.0 ELEKTROMAGNETSKI SPEKTAR Elektromagnetski valovi (EM) proizvod su električnih i magnetskih sila, a nastaju uslijed oscilacija električnih naboja. Oni putuju prostorom brzinom svjetlosti. Karakteriziraju ih valna duljina i frekvencija, a svi zajedno čine elektromagnetski spektar u kojem razlikujemo područja glavnih skupina EM valova (slika 1). Primjena kod očuvanja kulturne baštine 2/14
vidljivo zračenje mikrovalovi Gama gama zračenje zračenje Röntgen. Röntgen. zračenje zračenje ultraljubič. infracrveno zračenje radiovalovi vidljivo infracrveno mikrometri 2.1.1 Vidljivi dio EM spektra Slika 1 Elektromagnetski spektar Svjetlo, ta svakidašnja a ipak misteriozna pojava koja ispunjava svemir samo je mali ( vidljivi ) dio elektromagnetskog (EM) spektra. Nalik je i valu i čestici u isto vrijeme, a pomoću njega ljepota onoga što nas okružuje prenosi se do ljudskog oka. Slika 2 Fotografija kao rezultat refleksije svjetla Primjena kod očuvanja kulturne baštine 3/14
Svjetlost je dakle fenomen vida. Zbog toga se njezine osobine lakše mogu objasniti pomoću fotografija nego riječima. No pri pokušaju da se napravi snimka svjetla pojavljuje se problem. Ako svjetlosna zraka nije izravno usmjerena u oko ili objektiv kamere svjetlo je nevidljivo. Čovjek u svemirskom prostoru, sa suncem iza leđa, ne vidi ništa. Sve je samo tama, izuzev dalekih zvijezda i planeta jer se sunčeva energija koja od njega struji nema od čega odbiti i vratiti u oko. Međutim na površini zemlje čovjek vidi okoliš koji ga okružuje zahvaljujući svjetlu koje se od njega odbija i dospjeva u oči. 2.1.2 Infracrveni dio EM spektra Naša razmatranja usmjerena su na IC dio elektromagnetskog spektra koji je nevidljiv za naše oko i zauzima područje valnih duljina od 0,8 do 100 mikrona, a čije se zračenje dalje dijeli na: blisko IC zračenje 0,8 do 2,5 mikrona srednje od 2,5 do 50 mikrona daleko 50 do 100 mikrona Za mjerenje temperature najčešće se koristi područje od 0,8 do 20 mikrona. Kad bi ljudsko oko bilo osjetljivo na infracrveni (IC), a ne na vidljivi dio elektromagnetskog spektra tada bi poimanje svijeta koji nas okružuje bilo posve drugačije. Pogledajmo dva primjera: Lice djevojke kako ga vidi ljudsko oko na crno bijeloj fotografiji snimljeno u vidljivom dijelu EM spektra, odnosno na crno-bijelom termogramu snimljenom u IC dijelu EM spektra. Slika 3 Fotografija i termogram lica djevojke Primjena kod očuvanja kulturne baštine 4/14
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU Laboratorij za toplinu i toplinske uređaje I. Lučića 5, 10000 Zagreb Tel.:(01)616 8222, Fax.:(01)615 6940 Snimak crkve Sv. Jurja u Mateškom selu kako ga vidi ljudsko oko na fotografiji u boji snimljenoj u vidljivom dijelu EM spektra, odnosno na termogramu u boji snimljenom u IC dijelu EM spektra. 23,3 C 22 SP01 20 18 16,7 C Slika 4 Fotografija i termogram crkve Sv. Jurja u Mateškom selu Dok ljudsko oko u većini slučajeva registrira reflektirano vidljivo zračenje s promatranog objekta termografska kamera registrira direktno IC zračenje s promatranog objekta. 2.2.0 TEMPERATURA I TOPLINSKO ZRAČENJE Temperatura je vanjska, makroskopska manifestacija unutrašnjeg toplinskog stanja tijela. To je veličina koja karakterizira stupanj zagrijanosti tijela. Temperatura predstavlja jednu od veličina stanja tijela. Gornja granica temperature nije poznata, dok njezina donja granica iznosi 0 K odnosno (-273,15 oc) i naziva se apsolutnom nulom. Toplinsko zračenje funkcija je strukture objekta i njegove temperature. Ono nastaje pri rotacijskim i vibracijskim prelazima u atomima i molekulama, dakle na temperaturama iznad apsolutne nule i dio je sveukupnog EM zračenja. 2.2.1 Karakteristike tijela Za razumijevanja termografskog mjerenja i kasnije analize termograma bitne su karakteristike promatranog tijela u odnosu na zračenje koje na njega dolazi i ono koje samo tijelo odašilje u prostor, a to su: Primjena kod očuvanja kulturne baštine 5/14
faktor apsorpcije faktor refleksije faktor propusnost (dijatermije) emisijski faktor a r d ε Sljedeća relacija kazuje kako se raspodjeljuje ukupna, na tijelo dozračena energija. E * = r E * + a E * + d E * 1 = r + a + d E* r E* a E* d E* Slika 5 Apsorbirano, reflektirano i propušteno zračenje Za netransparentne površine (d = 0) vrijedi a + r = 1. Za površine koje absorbiraju svu dozračenu energiju (r=0, d=0) možemo pisati a = 1. Sva tijela na temperaturi iznad apsolutne nule zrače energiju koja je proporcionalna četvrtoj potenciji njihove apsolutne temperature. T E = ε * Cc * 100 pri čemu je ε emisijski faktor površine, C c konstanta zračenja crnog tijela i T apsolutna temperatura tijela. Za nepropusno tijelo na temperaturi T koje je u ravnoteži s okolinom možemo pisati a = ε, što govori da su emisijski faktor i apsorpcijski faktor plohe brojčano jednaki. U tom slučaju za netransparentna realna tijela vrijedi: ε + r = 1. 2.2.2 Razvoj termografije Za razvoj termografije značajna su pojedina otkrića na kojima se temelji termografski uređaj. 1593. g. Termometar G. Galileo 1880. g. Toplinski dio EM spektra W. Herschel 1829. g. Prvi termopar T. J. Seebeck 1833. g. Prvi thermopile (niz termoparova) Meloni 1848. g. Evaporograf za IC područje, Herschel mlađi Primjena kod očuvanja kulturne baštine 6/14 4
1880. g. Bolometar, IC osjetnik velike osjetljivosti (detektira zračenje sa živog bića na udaljenosti do 500 m), Langley 1917. g. Prvi fotonski detektor (zahtjeva hlađenje na cca. 100 K) čija se primjena zadržala i do danas Stanje 2003. g. uglavnom fotonski Focal plane detektori koji sadrže niz pojedinačnih osjetnika integriranih u jedan osjetnik. Hlađenje Peltijer hladilom (električno). Slika 6 FPA detektor Počeci infracrvenih tehnologija u Hrvatskoj datiraju od tridesetih godina prošlog stoljeća, dakle oko sto godina nakon otkrića IC dijela EM spektra. U Hrvatskoj enciklopediji, izdanje Minerva Zagreb, nalazimo dvije IC fotografije načinjene u Zagrebu oko 1930. god. To su, snimak etruščanskog zapisa na ovoju mumije i noćni snimak Triglava načinjen s vrha Sljemena, a koje je snimio prof. Plotnikov. FSB Zagreb dobio je prvi IC sustav 1978. godine. Slika 7 IC snimke ovoja mumije i Triglava Primjena kod očuvanja kulturne baštine 7/14
2.2.3 PRINCIP RADA TERMOGRAFSKOG UREĐAJA Termografski se sustav danas sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo). U samoj kameri integrirana je IC optika, osjetnik IC zračenja, jedinica za pretvorbu električnog u video signal, monitor i kartica za pohranu podataka. Računalo služi za obradu termograma prema određenom softwareu i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri. Uporabom focal plane osjetnika nestala je potreba za skeniranjem slike, a samim time otpao je jedan dosta složen dio kamere. Za usporedbu na slikama je prikazan termografski sustav iz 70.tih godina prošlog stoljeća uspoređen sa standardnim, danas na tržištu nuđenim sustavom. IC optika Slika 8 Fotografije starog i novog IC sustava Kako su karakteristike EM zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar, to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja, no različita po materijalima iz kojih je napravljena. Materijali koji se koristi za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje, a to su; germanij, cink sulfid, cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja. Primjena kod očuvanja kulturne baštine 8/14
IC osjetnik Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja pada na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja jednog, definiranog, dijela IC spektra. Dozračena energija na osjetnik jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela (zračenje i refleksija), koja prolazi kroz tijelo i koja dolazi od okoline. E os = (E + r E * ) + d E * * + E ok E** E* a E* E = E c ε d E* r E* UKUPNO DOZRAČENA ENERGIJA NA OSJETNIK d E** E ok Slika 9 Energija dozračena na osjetnik Pojednostavljeno rečeno pomoću u kameru ugrađenog softwarea izračunava se temperatura promatrane površine na temelju primljenog toplinskog zračenja. Ovo ujedno kazuje da se dobiveni termogram mora analizirati preko svojstava promatranog tijela i stanja okoline. Niski emisijski faktor (sjajne plohe) daje privid nižih temperatura objekta, a što je njegova vrijednost bliže jedinici to je termografski izmjerena temperatura bliža stvarnoj. Niski emisijski faktor ujedno znači i veliki faktor refleksije pa će promatrano tijelo u tom slučaju reflektirati veći dio zračenja koje na njega pada iz okoline. Ako je promatrano tijelo još i propusno to će na osjetnik pasti i dio energije koji kroz tijelo prolazi. Da bi se prilikom termografskog snimanja uzeli u obzir svi navedeni utjecaji treba ih kao prvo poznavati po iznosu, a potom unijeti kao parametre snimanja u software kamere. Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti, ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv EM valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan. Primjena kod očuvanja kulturne baštine 9/14
dijatermija 2.2.4 Termografske metode valna duljina (µm) Slika 10 Propusnost stakla za IC zračenje Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu, te na kvalitativnu i kvantitativnu. Pasivna termografija Promatrani objekt nalazi se u stacionarnom stanju i na različitoj je ili istoj temperturi u odnosu na okolinu. Ukoliko je njegova temperatura dovoljno različita od okolišnje to će na termogramu objekt biti vidljiv. Na slici 11 prikazan je termogram zida čitaonice stare Nacinalne i sveučilišne biblioteke u Zagrebu, na kojem se uočava hladnije mjesto koje je posljedica prodora vlage. Slika 11 Fotografija i termogram zida stare Nacionalne i sveučilišne biblioteke Ukoliko je temperatura objekta vrlo blizu ili jednaka okolišnjoj, temperaturne razlike koje se pojavljuju na termogramu bit će posljedica različitih emisijskih faktora. Kao zaključak odmah se nameće problem interpretacije termograma dobivenih u takvim situacijama, a za što je potrebno određeno iskustvo. Postoje li temperaturni izvori ili ponori u Primjena kod očuvanja kulturne baštine 10/14
samom objektu, kao što su npr. tople ili hladne cijevi i slično, njihove će se konture ocrtavati na termogramu. Slika 12 Termogram objekta s izvorom topline u strukturi Pasivna je termografija uglavnom vezana na kvalitativne termografske metode kojih je cilj samo razlučivanje temperaturnih polja i na toj osnovi donošenja određenih zaključaka. Aktivna termografija Aktivna termografija zasniva se na promatranju dinamičkog ponašanja promatrene strukture ( objekta) izloženog toplinskoj pobudi. Sama toplinska pobuda može se postići na različite načine. Tako su poznate impulsna, periodička, lock-in, vibracijska i druge vrste pobuda. Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu. Ovisno o strukturi objekta (materijalima) i njegovoj površini dobivat će se različiti termogrami promatrane površine u vremenu. Primjena kod očuvanja kulturne baštine 11/14
Slika 13 Prikaz širenja toplinske pobude kroz objekt Na temelju naknadne matematičke obrade tako dobivenih termograma moguće je provesti kvantitativnu analizu, koja kao rezultat može dati podatak o različitosti strukture i dimenzijama ili pak samo kvalitativnu koja pokazuje mjesta različitosti. Slika 14 Fotografija postava za aktivnu termografiju Kao primjer možemo navesti termografsku analizu napravljenu na uzorcima s više slojeva boje na određenim podlogama, gdje je primjenjena aktivna termografija. Primjena kod očuvanja kulturne baštine 12/14
Slika 15 Termogrami napravljeni na višeslojnim uzorcima Postoji aktivna termografija kod koje koristimo prirodnu pobudu, zagrijavanja ili hlađenja objekata, a koja se često primjenjuje kod promatranja velikih struktura kao što su zgrade, tla i slično gdje je primjena klasičnih načina pobude nemoguća. Kod snimanja termograma pročelja crkve Svetog Marka u Zagrebu upravo je korišten ovakav tip pobude. Slika 16 Termogram pročelja crkve Svetog Marka, Zagreb Primjena kod očuvanja kulturne baštine 13/14
2.2.5 PREDNOSTI I NEDOSTACI TERMOGRAFIJE Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatke. Tako i za termografiju možemo reći da su joj dobre osobine: - beskontaktno mjerenje, - brzi odziv, - relativno jednostavna interpretacija termograma, - široke mogućnosti primjene. a one loše: - utjecaj emisijskog faktora, atmosfere, udaljenosti, geometrije objekta i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja, - teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata, - mogućnost promatranja samo površinskih efekata. Svakako ovdje treba napomenuti da je za kvalitativne i kvantitativne analize termograma potrebno osposobiti kadrove koji za traženu primjenu moraju ovladati termografskim sustavom i poznavati problematiku koja se rješava. Primjena kod očuvanja kulturne baštine 14/14