Strumentazioni per la misurazione dei parametri termoigrometrici

La microclimatologia si è sviluppata sui concetti base della fisica dell'atmosfera, dunque anche la strumentazione in uso per l'analisi microclimatica risulta strettamente correlata a quella utilizzata nel campo della fisica dell'atmosfera.


Tuttavia ci sono delle differenze significative riscontrabili tra la strumentazione utile al rilevamento dei fenomeni climatici outdoor e quella per i fenomeni indoor.

 


I fenomeni microclimatici interni infatti richiedono dei limiti operazionali molto più ristretti, e, talvolta, una maggior sensibilità alle variazioni termodinamiche di piccola entità. La strumentazione adatta alle rilevazioni climatiche esterne deve essere in grado di funzionare in ambiente esterno, dunque anche in condizioni climatiche non favorevoli e con variazioni di notevole entità, molto superiori a quelle riscontrabili in ambiente interno.

Alla strumentazione per il monitoraggio del clima esterno si richiedono dunque differenti prestazioni, anche se i principi fisici su cui si basano sono gli stessi.​

Nel prosieguo ci si soffermerà sulla disamina degli strumenti utilizzati per le rilevazioni, dette "microclimatiche", necessarie all'analisi del clima interno (Indoor), tralasciando per semplicità le considerazioni sul clima esterno (Outdoor), in quanto si ritiene sia un argomento troppo ampio per poter essere affrontato in queste pagine.

Funzionamento

dello psicrometro

Psicrometro (elettronico e non)

Lo psicrometro è uno strumento utilizzato per la rilevazione dei parametri termoigrometrici caratteristici dell'aria dell'ambiente, in particolare per la misurazione dell'umidità relativa dell'aria.

E' formato due termometri a mercurio, il primo mantenuto con il bulbo asciutto (Dry Bulb) che misura la temperatura dell'aria ed il secondo a bulbo umido (Wet Bulb) mantenuto a contatto con una garza con un'estremità immersa in acqua distillata.

Le letture ottenute dai due termometri sono le temperature a bulbo asciutto ed a bulbo umido di cui si è parlato in precedenza (vedi pagina Umidità).

La misurazione dell'umidità viene effettuata mediante la lettura di due termometri (di norma due termistori con risoluzione di circa 0,1°C) posti l'uno accanto all'altro. Di questi uno viene mantenuto asciutto mentre l'altro umido, avvolto in una garza bagnata e sottoposto a ventilazione di 3-5m/s.

Il confronto delle due temperature rende possibile il calcolo dell'Umidità Relativa in quel punto specifico dell'ambiente.

Lo psicrometro elettronico è uno strumento ad alta precisione utilizzato per lo studio delle caratteristiche dell'aria ambiente e di quella che lambisce le superfici che si intendono studiare.​

E' lo strumento più accurato disponibile per valutare l'Umidità Relativa negli ambienti interni (confinati).

Per le rilevazioni sul campo si eseguono campagne di misura manuale,  in più punti dell'ambiente, ricostruendo a posteriori una mappa dell'ambiente rilevato (un singolo vano/stanza) che da informazioni circa le zone più o meno umide (vedi immagine a lato) e consente all'operatore di ricercarne le cause.

Psicrometro

Psicrometro elettronico

Psicrometrie riportate in pianta

 

Termometri ad alta risoluzione per misure in continuo (in aria e di superficie)

Quando ci si approccia ad un'analisi microclimatica ambientale, un altro tipo di informazione utile è la conoscenza della temperatura delle superfici, importante per l'analisi dei flussi di calore, e di conseguenza dei cicli termoigrometrici, nello studio del processo di condensazione superficiale, nonché nell'analisi dei processi di deposizione di particelle di polvere.


Per la misurazione delle temperature superficiali vengono comunemente utilizzate delle sonde dotate di resistenze poste a contatto con le superfici in esame.

Generalmente per la rilevazione delle temperature delle superfici non è sufficiente un'unica rilevazione, in quanto la temperatura dei muri varia con il variare delle condizioni esterne, quindi segue il ciclo del giorno e della notte.

Per questo motivo di norma le indagini superficiali vengono eseguite in continuo, applicando i sensori alla muratura, in modo da eseguire la rilevazione negli stessi punti con cadenza oraria (ma anche ogni 10-15 minuti...).

In casi di restauro conservativo, i monitoraggi si protraggono per alcuni anni, per meglio comprendere come l'edificio risponde alle variazioni climatiche esterne, ossia per comprendere la reale dinamica dell'edificio.  

Termometro con sonde a contatto

A3r
Architettura

Rilevatori all'infrarosso per misure di temperatura a distanza

Dalla fisica sappiamo che ogni oggetto con temperatura superiore allo zero assoluto (-273,15°C) emette energia.

Dalla legge di Stefan-Boltzman si evince che la radiazione emessa dai corpi è una funzione della loro temperatura, di conseguenza, procedendo a ritroso, dalla misura dell'energia emessa da un corpo si può risalire alla sua temperatura. 

In pratica:

maggiore è la temperatura del corpo (per essere più precisi, della superficie del medesimo), e maggiore è la radiazione emessa ( vedi irraggiamento). 

La quantità di energia emessa, secondo la legge di Stefan-Boltzmann cresce in maniera proporzionale alla quarta potenza della temperatura.

I rilevatori all'infrarosso riescono  a misurare la temperatura della superficie in esame attraverso la misurazione dell'energia che esse emette.

Il termometro è costituito da una lente utilizzata per concentrare l’energia a infrarosso (IR) su un rivelatore, il quale converte l’energia in un segnale elettrico che può essere visualizzato a sua volta in unità di temperatura.

Questa configurazione facilita la misurazione della temperatura a distanza, senza contatto con l’oggetto da misurare. Il termometro a infrarossi è utile per misurare la temperatura in circostanze in cui altri strumenti non possono essere utilizzati o non producono dati precisi per una serie di motivi.

Nell'ambito di un'analisi microclimatica si possono utilizzare questi strumenti soprattutto per la misurazione di superfici non facilmente raggiungibili, per le quali è necessario un rilevamento indiretto.

Termometro ad infrarossi

Termografie per misurazioni di temperatura superficiale

La termografia consiste nella rilevazione della radiazione infrarossa emessa dai corpi, al pari di quanto visto in precedenza per i rilevatori di temperatura ad infrarossi. 

 

Questa tecnologia fornisce risultati comparabili a quelli che si possono ottenere con i rilevatori, ma con un grado di precisione maggiore.

 

L’indagine termografica consiste nell’impiego di una camera ad infrarossi (o termocamera) in grado di misurare e visualizzare l'energia termica (radiazione infrarossa) emessa dagli oggetti.

Le camere ad infrarossi traducono le differenze superficiali di temperatura in immagini cromatiche.

 

Secondo opportune tabelle di associazione temperatura-colore e rappresentano un preciso strumento per la misurazione celerimetrica (non a contatto) delle temperature.

Le applicazioni della termografia all’infrarosso in campo edilizio attengono soprattutto alla possibilità di visualizzare la differenza di temperatura che interessa le parti più sottili e superficiali dell’elemento indagato.

La mappatura di tali discontinuità risulta maggiormente significativa se la ripresa avviene in regime di transitorio termico (in raffreddamento o in riscaldamento, a seguito di una prolungata fase di riscaldamento) a seguito di adeguata sollecitazione termica o in presenza di fenomeni evaporativi.

 


Le prese termografiche hanno svariati impieghi in ambito edilizio (ma non solo) e di restauro conservativo.

 

  • La termografia consente infatti di costruire delle mappe delle superfici, che identificano, attraverso i vari colori, zone termiche aventi la medesima temperatura e discontinuità.

 

  • Si rivelano altresì molto efficaci per lo studio sulle tessiture murarie, per l'identificazione di elementi non a vista e per l'identificazione di tamponamenti murari e la mappatura degli interventi precedenti, per quanto concerne lo studio storico- conoscitivo sull'edilizia storica e monumentale.

  • Inoltre questa tecnica si rivela importante per il monitoraggio e la diagnostica dello stato di conservazione rendendo possibile l'individuazione di zone umide, distacchi di intonaci e paramenti murari sottili in genere, oltre che fessurazioni o formazioni di cricche subsuperficiali.

  • Lo studio delle prese termografiche può avere, tra le svariate forme di utilizzo, anche quella, molto importante in fase di restauro di mostrare le differenze materiche all'interno delle tessiture murarie, consentendo interventi mirati e localizzati con precisione.

Termocamera

Esempio di immagine ad infrarossi con scala delle temperature rilevate.

Sono visibili i ponti termici creati dai solai dell'edificio e dalla malta tra i mattoni che costituiscono le pareti (tessitura muraria).

Esempio di immagine parziale ad infrarossi con scala delle temperature rilevate.

Presa termografica fornita da BAXSA srl

Anemometro 

Gli anemometri utilizzati storicamente sono di vari tipi, taluni funzionali al calcolo della velocità del vento, altri per la misurazione della pressione del vento.

In questa trattazione, tenendo presente l'ambito di interesse, ossia lo studio del comfort abitativo e delle cause di degrado degli edifici, verrà approfondito lo studio di quegli strumenti funzionali al monitoraggio delle condizioni microclimatiche degli ambienti confinati (indoor).


Negli ambienti confinati non si può infatti utilizzare gli anemometri a coppe in uso per decenni nella meteorologia classica. Infatti questi strumenti hanno dei limiti tali da non rilevare praticamente nulla in un ambiente in cui la ventilazione presenta valori così ridotti da collocarsi al di sotto della soglia minima di tolleranza registrabile.


La ventilazione naturale in un ambiente interno, gli influssi d'aria dall'esterno, le circolazioni d'aria in un ambiente confinato come una bacheca o la ventilazione in prossimità delle superfici vengono misurati con uno strumento chiamato anemometro "a filo caldo".

Il principio di funzionamento di questo anemometro è che la perdita di calore del corpo è funzione del flusso d'aria che lo attraversa.

Il calore perso dall'elemento sensibile dipende dalle caratteristiche del sensore (temperatura, forma geometrica, dimensione) ed anche da quelle dell'aria (velocità, temperatura, pressione, densità, proprietà termodinamiche).

 

Tra le variabili appena elencate, l'unica sconosciuta rimane la velocità dell'aria, quindi la perdita di calore misura la variazione di velocità.


L'elemento sensibile è costituito infatti da un sottilissimo filamento (a seconda della casa costruttrice il diametro è di qualche nanometro e la lunghezza di alcuni mm) surriscaldato per effetto Joule.


La quantità di calore che l'aria in movimento asporta dipende dalla velocità della ventilazione, oltre che dallo sbalzo termico. I limiti della misura sono praticamente fissati soprattutto dallo strumento registratore.


L'anemometro a filo caldo ha una risposta estremamente veloce (risposta inferiore ad 1 s) ed una risoluzione (precisione) che può arrivare ad 1-2 cm/s.

Grazie alle caratteristiche appena esposte, questo strumento risulta molto sensibile anche alle basse velocità dell'aria, come si verificano normalmente in un ambiente confinato, ed inoltre è in grado di fornire anche la direzione e l'intensità del flusso d'aria.

Anemometro a coppe per misurazioni outdoor

Anemometro a filo caldo

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Strumenti per l'analisi della distribuzione della concentrazione di particelle in aria

In ambito di Restauro e Risanamento conservativo possono rendersi necessari studi sulla natura e la dimensione del particolato presente nell'atmosfera che è causa di annerimento delle superfici (di murature ornate o pittoriche).

Per la misura del particolato atmosferico vi sono in commercio molti strumenti che si basano per la maggior parte sull'aspirazione di un flusso d'aria o sulla deposizione naturale.

In questi ultimi il materiale viene generalmente raccolto su speciali supporti (i più comuni sono filtri di diversa natura e porosità) e viene poi analizzato mediante varie tecniche, quali , ad esempio, la microscopia ottica od elettronica, la diffrattometria a raggi X, la spettrofotometria infrarossa, la cromatografia ionica, le analisi termiche differenziali e gravimetriche ed altre meno diffuse.

Il parametro più importante nella definizione delle caratteristiche fisiche e comportamentali delle particelle nell'analisi dei processi di deposizione è il diametro.


Per la misura della concentrazione di particelle in atmosfera in funzione del loro diametro, la strumentazione diviene più complessa. Le tecniche di rilevamento più precise si basano principalmente su contatori di particelle ("particle counter") il cui principio di funzionamento si basa sulla diffusione della luce da parte delle particelle.


Questi sistemi consistono nell'analisi computerizzata della diffusione ottica di un raggio laser che colpisce il flusso d'aria aspirata contenente la particelle conteggiandole in funzione del loro diametro.


Infatti, in base alla teoria di Mie sulla diffusione della luce, è possibile dedurre informazioni precise sulle dimensioni delle particelle presenti in atmosfera.


Questi contatori di particelle forniscono una misura del numero di particelle sospese in funzione dei diametri delle stesse. Tra gli strumenti , quelli più comuni forniscono rilevazioni di range di diametri che vanno da 0,1 a 10 nanometri, mentre quelli più sofisticati possono arrivare anche a qualche centesimo di nanometro.

In tutti i casi sono apparecchiature costose e necessitano di frequenti calibrazioni, il loro utilizzo è quindi da valutare volta per volta, in base ad adeguate valutazioni in termini di necessità.

Contatore di particelle

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Globotermometro

 La temperatura media radiante si misura con un sensore di temperatura a globo.

Questo sensore è fondamentale nello studio e nelle regolazioni dei sistemi di riscaldamento di tipo radiante, in quanto fornisce una misurazione quantitativa della temperatura media radiante in prossimità di una fonte di calore.

Tale strumento, spesso chiamato globo nero, è costituito da una sonda di temperatura (termocoppia) sistemata all'interno di una sfera di rame del diametro di 15 cm, a pareti sottili (0.2 mm), verniciata in nero opaco.

La sfera cava costituisce, con buona approssimazione, un corpo nero quasi perfetto e riceverà, trascorso il tempo necessario, tutta l’energia termica radiante proveniente dall'ambiente circostante.

Il livello termico misurato dalla sonda interna è una stima della temperatura media radiante delle superfici dell’ambiente in cui è collocato.

 

Questo strumento supera in precisione e sensibilità il pirometro, in quanto sfrutta una fascia più ampia dello spettro elettromagnetico. 

Globotermometro

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