Тепловизионный контроль памятников старины

Тепловизионный контроль памятников старины

Об авторах

Гринцато Эрманно
ITC-CNR, Падуя, Италия

Перон Фабио
Университет Венеции, Венеция, Италия

Гава Марио
Университет Венеции, Венеция, Италия

Необходимо войти для просмотра

Бизон Паоло
ITC-CNR, Падуя, Италия

Необходимо войти для просмотра

Вавилов Владимир Платонович
Заведующий отделом тепловых методов контроля
Томского политехнического университета, д. т. н., профессор.
Член рабочей группы «Евротерм» по инфракрасной термографии.
III уровень по тепловому виду НК.

В современных условиях памятники старины подвергаются большему риску по сравнению даже с недавним прошлым в силу микроклиматических факторов (работа систем кондиционирования, электрическое освещение, химикаты, переносимые воздухом, и наплыв посетителей в странах традиционного туризма). Анализ этих факторов связан с исследованием распределения влажности, температуры и тепловых потоков на внутренних поверхностях стен архитектурных памятников. Пассивная инфракрасная (ИК) термографическая диагностика является одним из наиболее эффективных средств исследований. В статье сообщается о практическом использовании пассивного метода анализа температуры и воздушных потоков, описанного в патенте одного из авторов [1]. Принцип активного теплового контроля был применен для обнаружения отслоений настенных фресок от основной стены. Данный метод на протяжении ряда лет разрабатывается специалистами Национального совета по исследованиям Италии в сотрудничестве с Институтом неразрушающего контроля Томского политехнического университета [2, 3].

Пассивная ИК термография

Работы по обеспечению оптимальных условий сохранности фресок XIII в. были проведены в церкви Сан Бьяджио вблизи г. Тревизо на северо-востоке Италии. До наших дней дошла конструкция церкви 1400 г. В 1995 г. в церкви были проведены чистка настенной живописи и укрепление ряда ограждающих конструкций. Фотография одного из фасадов церкви приведена на рис. 1, часть фрески представлена на рис. 2.


Граничные условия в помещениях церкви анализировали на расстоянии 10 см от поверхности стен в зоне площадью до 20 м2 в течение приблизительно 3 мин при температурном разрешении 0,05 °С и пространственном разрешении около 1 см. Погрешность определения скорости воздуха по патентуемой технологии [1] до сих пор не определена, однако ее значения в отдельных точках находились в хорошем согласии с анемометрическими измерениями.

Анализ температурных полей на поверхности фресок исключительно важен для предотвращения появления конденсата, ускоряющего их разрушение. На рис. 3 показана ИК термограмма северной стены церкви, на которой были выявлены две аномальные зоны в верхней и нижней частях стены. Верхняя зона повышенной деградации фрески обусловлена тем, что нижняя часть церкви с севера защищена более низким соседним зданием. Сравнение ИК и видимого изображения (рис. 4) показывает, что деградация фрески в верхней холодной зоне происходит вследствие конденсации влаги в периоды повышенной влажности, включая периоды сезонного роста числа посетителей. Нижняя проблемная зона фрески хорошо видна на обоих изображениях и, по-видимому, обусловлена повышенной влажностью стены вследствие капиллярного подъема влаги из почвы.


Термографические данные позволяют построить картину движения воздуха вблизи внутренних стен. Теплый воздух, обусловленный большим количеством посетителей, может легко конденсироваться на холодных поверхностях стен, нарушая естественное ламинарное течение воздуха во время регулярных религиозных церемоний. Пример распределения скорости движения воздуха в 10 см от западной стены алтаря, построенного путем соответствующего преобразования ИК термограмм и наложенного на схему стены, приведен на рис. 5 (см. цветную шкалу скорости движения воздуха). Заметим, что близкая технология использована в ряде серийных тепловизоров (например, в приборах строительной серии «В» фирмы FLIR Systems) для построения распределений точек росы по результатам измерений температуры стены и влажности воздуха.


Дополнительным преимуществом те-пловизионной съемки при анализе состояния среды внутри помещений является возможность использования ИК термограмм в качестве исходных данных при компьютерном анализе гидродинамических моделей. Такие модели широко применяются в строительной теплофизике, однако их типичным недостатком является необходимость наличия большого числа реперных точек, что автоматически обеспечивается при использовании тепловидения.

Активная ИК термография

Метод активного теплового контроля оказался весьма эффективным при обнаружении отслоений настенных фресок от основной стены [2, 3]. Принцип неразрушающего характера испытаний обеспечивается слабым оптическим нагревом фресок. Оптимальные условия испытаний фресок были проанализированы в [3]. На однородных стандартных образцах фресок было показано, что их нагрев следует производить в течение 30 - 300 с, причем максимальная избыточная температура фресок не должна превышать нескольких градусов, что обеспечивается поглощенным тепловым потоком в диапазоне 400 - 1200 Вт/м2 в зависимости от длительности нагрева. Максимальные температурные сигналы амплитудой 0,3 - 3 °С наблюдаются через 150 - 600 с после начала нагрева.

С началом практического использования разработанной технологии теплового контроля стало очевидным, что основным источником мультипликационной помехи является сама фреска, отдельные участки которой поглощают различное количество энергии в зависимости от цвета в видимом оптическом диапазоне. Поэтому, несмотря на равномерный высокий коэффициент излучения фресок в ИК диапазоне, исходные термограммы всегда отражают текстуру фресок.


На рис. 6 а показана схема нагрева фрески художника Фоголино в г. Бергамо с помощью четырех галогенных ламп. ИК термограмма на рис. 6 б отражает «пеструю» текстуру фрески в результате неравномерного поглощения оптического излучения видимого диапазона. Применение метода динамической тепловой томографии [4] позволило выделить слой на глубине около 1 см, что приблизительно соответствовало толщине штукатурки, на которой была выполнена фреска. На полученной тепловой томограмме слоя в одной из зон фрески было обнаружено существенное отслоение штукатурки от стены, подтвержденное последующим простукиванием (рис. 6 в). Очевидно, что в данном случае специализированная обработка результатов тепловизионной съемки является решающим фактором снижения поверхностной помехи.

По описанной технологии были обследованы всемирно известные фрески Джотто в капелле Скровеньи г. Падуя. Заметим, что основной организационной проблемой данного мероприятия было получение разрешения на съемку Министерства культуры Италии, на что ушло около двух лет.

Заключение

ИК термография обладает широкими возможностями при обеспечении сохранности памятников архитектуры. В первую очередь, это относится к прямым измерениям температуры поверхностей стен, в результате чего возможен контроль температурного режима и зон ожидаемой конденсации влаги, где в первую очередь происходит деградация фресок. Во-вторых, при использовании специальной технологии возможно построение карт скоростей движения воздуха. Наконец, использование принципа активного теплового контроля позволяет осуществлять дефектоскопию ряда памятников старины, в частности, обнаруживать отслоения настенных фресок от несущих стен. Неравномерная степень поглощения оптического излучения нагрева может быть скомпенсирована использованием специальных алгоритмов обработки последовательностей ИК термограмм, например, преобразования Фурье, динамической тепловой томографии и других.

Литература

1. Grinzato E. Monitoring of thermal-hygrometrical conditions of large surfaces by thermography»; registered as PD2006A000191, June the 15th, 2006 (patent pending)

2. Vavilov V. P., Grinzato E., Bison P. G., Marinetti S. Nondestructive testing of delaminations in frescoes plaster using transient infrared thermography. — Res. in NDE, No. 4, V. 5. P. 57-271.

3. Вавилов В. П., Гринцато Э., Бизон П., Маринетти С. Тепловой контроль воздушных расслоений под фресками. -Дефектоскопия. 1994. № 7. C. 73-83..

4. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. — М.: Спектр, 2009. — 575 с

Гринцато Э., Перон Ф., Гава М., Бизон П., Вавилов В.П. Тепловизионный контроль памятников старины. − В мире НК. – Март 2011 г. − № 4 (54). − С. 13–15. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.