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Università degli studi di CagliariFacoltà di Ingegneria
Dipartimento di Ingegneria MeccanicaCorso di Laurea in Ingegneria Civile Indirizzo Strutture
Diagnostica nelle costruzioni.
Misura automatizzata della profondità degli elementi
costruttivi mediante tecnica “Ecopulse”
Relatori: Tesi di laurea di:
Prof. Ing. Barbara DeNicolo Francesco Bistrussu
Prof. Ing. Rinaldo Vallascas
Controrelatore:
Prof. Ing. Andrea Paglietti
Anno Accademico 1998-1999
A Katiuscia A Mamma e Papà
Dedicato a …
A miei fratelli A mio Padrino Francesco
RINGRAZIAMENTI
Desidero esprimere tutta la mia gratitudine verso il Prof. Rinaldo Vallascas
per quanto insegnatomi durante tutto il corso della presente tesi e per
la grande pazienza e costanza con la quale ha seguito e guidato un
aspirante Ingegnere Civile Strutturista alle prese con la meccanica e
l’elettrotecnica.
Ringrazio vivamente la Prof.ssa Barbara De Nicolo per quanto insegnato
durante tutto il Corso di Studi sia per quanto riguarda la mia futura
professione che per quanto riguarda i preziosi insegnamenti di vita
ricevuti.
Ancora ringrazio i Dottorandi, dott.Ing.Roberto Baccoli, dott.Ing.Alberto
Casula, dott.Ing.Andrea Garbato e dott.Ing.Corrado Puddu (ricordati in
rigoroso ordine alfabetico per non far torto a nessuno), per quanto da
loro appreso e per tutte le volte che pazientemente hanno sopportato le
mie mille domande e richieste, ma soprattutto per l’ambiente
amichevole e cordiale con il quale mi avete accolto. Mi mancherete!
Ringrazio infine il personale dell’officina del Dipartimento di Ingegneria
Meccanica, nelle persone dei sigg.ri Marco Marongiu, Marongiu Gianluca
e Lai Ignazio, per l’aiuto fornito e per la pazienza con la quale hanno
realizzato parte delle nostre creazioni.
Grazie a tutti.
Francesco
INDICE
Indice 1
Premessa.................................................................................................................................................... 4
1 METODOLOGIA DI INDAGINE ULTRASONICA.............................................................................................1-6
1.1. INTRODUZIONE....................................................................................................................... 1-7
1.2. TECNICHE FONDAMENTALI.......................................................................................................1-9
1.2.1. Tecnica per trasmissione....................................................................................1-10
1.2.2. Tecnica per riflessione........................................................................................1-11
1.2.3. Tecnica della risposta in frequenza.....................................................................1-13
1.3. PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA NATURA DEL CALCESTRUZZO..............................................1-13
2 METODOLOGIA DI DIAGNOSTICA ULTRASONICA APPLICATA ALL'INGEGNERIA CIVILE: GENERALITÀ E STATO
DELLE PIÙ RECENTI RICERCHE..............................................................................................................2-15
2.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................2-16
2.2. TECNICHE "PULSE VELOCITY" (PV).......................................................................................2-19
2.3. TECNICHE "ECHO PULSE".....................................................................................................2-21
2.3.1. Impact Echo (IE).................................................................................................2-22
2.3.2. Ultrasonic Pulse Echo (US-PE)...........................................................................2-25
2.4. ANALISI SPETTRALE DELLE ONDE DI SUPERFICIE (SASW).......................................................2-33
2.5. ACOUSTIC EMISSION (AE)....................................................................................................2-33
2.6. LIMITAZIONI NELLE APPLICAZIONI DELLA TECNICA....................................................................2-34
3 APPLICAZIONE DELLA TECNICA ECHOPULSE.........................................................................................3-36
3.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................3-37
3.2. TECNICA ECHOPULSE...........................................................................................................3-37
3.3. METODOLOGIA APPLICATIVA..................................................................................................3-38
1
3.4. PROBLEMATICHE..................................................................................................................3-39
3.5. IL PROBLEMA DELL’ACCOPPIAMENTO......................................................................................3-43
4 PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA AUTOMATIZZATO PER LA DETERMINAZIONE DELLO SPESSORE...............4-46
4.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................4-47
4.2. DESCRIZIONE DEL SISTEMA SVILUPPATO................................................................................4-48
4.3. PROGETTO DEL SISTEMA DI GENERAZIONE E TRATTAMENTO DEL SEGNALE...............................4-52
4.3.1. Generazione del segnale....................................................................................4-53
4.3.2. Amplificazione del segnale in trasmissione.........................................................4-53
4.3.3. Trasmissione del segnale...................................................................................4-58
4.3.4. Ricezione, amplificazione ed analisi del segnale di ritorno.................................4-58
4.4. ELABORAZIONE DELL’ECHO...................................................................................................4-62
4.5. PROGETTO DEL SISTEMA DI CARRELLI PORTASONDA...............................................................4-68
4.5.1. Il sistema porta carrello.......................................................................................4-69
4.5.2. Carrello Portasonda............................................................................................4-69
4.5.3. Box pilotaggio motori...........................................................................................4-70
4.5.4. Scheda pilotaggio motori.....................................................................................4-71
4.5.5. Supporto portasonde...........................................................................................4-71
5 PROGRAMMI PER L’ELABORATORE ELETTRONICO..................................................................................5-75
5.1. INTRODUZIONE.....................................................................................................................5-76
5.2. STRUMENTI VIRTUALI............................................................................................................5-77
5.3. CARATTERISTICHE GENERALI DEI PROGRAMMI........................................................................5-78
5.4. DESCRIZIONE DEL PROGRAMMA DI GESTIONE SVILUPPATO......................................................5-80
5.4.1. Programma posizionamento sonde.....................................................................5-81
5.4.2. Programma di selezione Burst............................................................................5-83
5.4.3. Programma di acquisizione dati..........................................................................5-86
6 SPERIMENTAZIONI................................................................................................................................ 6-93
6.1. MISURE PRELIMINARI............................................................................................................6-94
6.2. CALCOLO DELLO SPESSORE..................................................................................................6-97
2
6.3. MISURA AUTOMATICA DELLO SPESSORE.................................................................................6-98
6.4. SPERIMENTAZIONI IN AUTOMATICO.......................................................................................6-101
7 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI.......................................................................................................7-105
8 APPENDICE A: ELEMENTI DI FISICA DEGLI ULTRASUONI...................................................................8-107
8.1. INTRODUZIONE................................................................................................................... 8-108
8.2. TIPI DI ONDA...................................................................................................................... 8-108
8.3. GRANDEZZE FISICHE CARATTERISTICHE...............................................................................8-110
8.3.1. Pressione..........................................................................................................8-111
8.3.2. Frequenza.........................................................................................................8-111
8.3.3. Velocità e lunghezza d'onda.............................................................................8-112
8.3.4. Impedenza acustica..........................................................................................8-113
8.3.5. Intensità............................................................................................................8-113
8.4. EMISSIONE E PROPAGAZIONE DEGLI ULTRASUONI.................................................................8-113
8.5. FENOMENI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE.............................................................................8-116
8.6. CARATTERIZZAZIONE DEL FASCIO ULTRASONICO..................................................................8-119
8.7. IMPULSI ULTRASONICI.........................................................................................................8-121
8.8. FENOMENO DELL'ATTENUAZIONE.........................................................................................8-123
8.9. FENOMENI DI RIFLESSIONE SU OSTACOLI.............................................................................8-124
8.10. GENERAZIONE DI VIBRAZIONI ULTRASONICHE.......................................................................8-126
8.10.1. Trasduttori piezoelettrici....................................................................................8-127
8.10.2. Trasduttori elettrostrittivi....................................................................................8-127
8.10.3. Trasduttori magnetostrittivi................................................................................8-128
8.10.4. Trasduttori elettromagnetici...............................................................................8-129
8.10.5. Eccitazione dei trasduttori.................................................................................8-129
8.10.6. Tipi di trasduttori in relazione alle modalità di impiego......................................8-130
9 APPENDICE B: REALIZZAZIONE DEI CIRCUITI STAMPATI....................................................................9-133
10 APPENDICE C: DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA.............................................................................10-136
Bibliografia............................................................................................................................................... 143
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PREMESSA
La presente ricerca si colloca nel panorama di lavori che da alcuni anni sono stati
prodotti da una proficua collaborazione tra i dipartimenti di Ingegneria Meccanica e
quello di Ingegneria Strutturale. Gli uni in possesso della strumentazione tecnologica
delle competenze nel campo delle misure (e nella progettazione di sistemi di misura), gli
altri mossi dalla necessità, che spesso si presenta all'Ingegnere Civile, di poter disporre
di efficaci strumenti di valutazione non distruttiva per il controllo delle strutture
nell’ambito dell’edilizia civile.
Lo scopo del programma di tesi è orientato verso due obiettivi complementari ben
identificati.
Il primo è quello di perfezionare le tecniche di indagine ultrasonica mediante
l’applicazione della metodologia “per riflessione” denominata “echopulse”.
Il secondo obbiettivo, di più ampio respiro, prevede la realizzazione di una
strumentazione che permetta l’analisi automatica dello spessore, ed anche della
struttura interna, di manufatti civili.
Al momento della stesura del presente elaborato si ritiene di aver raggiunto buona
parte degli obbiettivi che ci si era imposto anche se la realizzazione di una
apparecchiatura perfettamente funzionante, testata ed applicabile in situ, richiederà
ancora degli sviluppi, sia della strumentazione ultrasonica che dell’apparecchiatura
meccanica.
Mentre questa tesi va in stampa e viene consegnata in segreteria il lavoro in
laboratorio continua, e continuerà anche dopo la discussione della tesi di laurea, al fine
4
di risolvere i problemi incontrati e fornire i primi dati sul funzionamento dell’intera
strumentazione.
Con il presente studio, seguendo le precedenti direzioni di ricerca stabilite da altre
tesi nell’ambito dell’indagine ultrasonica sia per trasmissione che per riflessione, si sono
ulteriormente precisate quelle che saranno le direzioni di sviluppo future dell’intera
apparecchiatura.
Si ritiene di aver fatto un passo in avanti verso lo sviluppo di quel sistema
completamente automatico che replichi in campo Ingegneristico Civile il procedimento
utilizzato in medicina per la diagnosi di tipo ecografico.
Nel primo capitolo vengono riassunti i vari metodi di indagine ultrasonica.
Nel secondo capitolo si pone attenzione alle metodologie di indagine ultrasonica
applicate all’Ingegneria Civile e si fornisce un panorama dettagliato delle tecniche e
degli studi più recenti nel settore.
Nel terzo capitolo viene ulteriormente approfondito l’argomento della tecnica
“echopulse” e le sue applicazioni nell’ambito della nostra sperimentazione.
Nel quarto e quinto capitolo si descrive la strumentazione utilizzata e realizzata
nell’ambito della presente tesi e del dottorato di ricerca in “Misure Meccaniche e
Termiche” con il quale si è intrecciato il lavoro unitamente ai programmi di acquisizione
gestione e controllo della strumentazione.
Nel capitolo sesto e settimo vengono forniti alcuni dati di natura sperimentale e si
tracciano le conclusioni soprattutto in relazione alle potenzialità di sviluppo futuro.
In appendice vengono riportate nozioni di fisica degli ultrasuoni (A), la procedura
realizzativa di un circuito stampato (B) ed una piccola documentazione fotografica (C).
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1 METODOLOGIA DI INDAGINE ULTRASONICA
1.1. INTRODUZIONE
L'idea di valutare la velocità di trasmissione delle onde nel calcestruzzo per
ricavarne informazioni sulla qualità risale agli anni '30. Queste prime prove, condotte in
miniera su colonne in calcestruzzo, si avvalsero dell'impiego di due geofoni, di due
amplificatori ad alto rendimento e di una telecamera con pellicola; all'interno di ogni
colonna vennero praticati due fori verticali, in prossimità dei quali si posizionarono i
geofoni, prima di completarne il riempimento con del cotone; un martello, sbattuto in
prossimità della base della colonna, forniva l'impulso registrato dalla pellicola della
telecamera; misurando la distanza tra due segnali sulla pellicola e conoscendo la
velocità di avanzamento della pellicola si poteva risalire al tempo impiegato dall'impulso
a percorrere la distanza tra i due geofoni e quindi alla velocità dell'impulso.
Altri esperimenti furono eseguiti nella stessa direzione utilizzando un sismografo in
cui la velocità longitudinale dell'onda creata da un singolo impatto veniva misurata tra
due geofoni disposti arbitrariamente.
Nel 1946, in Canada, una serie di studi mirati alla diagnosi della fessurazione nelle
strutture monolitiche in calcestruzzo, portarono alla costruzione del «soniscopio»,
un'apparecchiatura formata da un trasmettitore di sforzo e da un ricevitore di impulsi
utilizzanti cristalli piezoelettrici e collegati ad un circuito elettronico atto all'attivazione
del trasmettitore ed alla rappresentazione del segnale trasmesso e di quello ricevuto su
un tubo a raggi catodici.
Negli ultimi anni ha trovato larga diffusione uno strumento portatile, funzionante a
batteria, per la misura della velocità di propagazione degli ultrasuoni.
Lo strumento consente di misurare il tempo necessario all'impulso per attraversare
il calcestruzzo: se la distanza tra le sonde è nota, si ricava semplicemente la velocità di
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propagazione. Contrariamente a quanto avviene per il metodo della frequenza di
risonanza, la tecnica della velocità di trasmissione è applicabile sia al calcestruzzo in
situ che ai provini di laboratorio con risultati indipendenti dalle dimensioni e dalla forma
dei provini.
La tecnica risulta adatta alla valutazione della resistenza del calcestruzzo, della
sua uniformità, del suo modulo elastico e della presenza di fessure all'interno del
manufatto. La tecnica presenta dei limiti quando si deve determinare la presenza e
l'eventuale estensione delle fessure nel calcestruzzo poiché se le fessure sono riempite
d'acqua la loro localizzazione può risultare molto complessa.
Nonostante non esista ancora un perfetto accordo sul significato da attribuire alla
velocità di propagazione e sull'associazione di questa alle proprietà del calcestruzzo è
generalmente riconosciuto come a velocità molto alte (superiori a 4570 m/s)
corrisponda un conglomerato di buona qualità, mentre a velocità molto basse (minori di
3050 m/s) corrisponda un conglomerato di bassa qualità.
L'utilizzo degli ultrasuoni nel settore della diagnostica non distruttiva su manufatti
civili ha portato allo sviluppo di diverse tecniche, opportunamente studiate per sfruttare
al meglio le loro proprietà di propagazione nei materiali da costruzione.
Una prima fondamentale divisione può effettuarsi in relazione alle modalità di
accoppiamento acustico fra trasduttore e manufatto:
a) Metodo per contatto: il trasduttore viene direttamente accoppiato al manufatto,
affidando la trasmissione degli ultrasuoni ad un sottile velo d'olio o di altre
sostanze grasse capaci di eliminare ogni intercapedine all'interfaccia di
contatto. Occasionalmente le sonde possono essere attaccate in modo semi-
permanente a mezzo di malta, qualora siano richieste osservazioni sul lungo
periodo.
8
b) Metodo per immersione: il trasduttore ed il manufatto non sono a contatto
diretto, ma sono immersi in un liquido ad una certa distanza l'uno dall'altro; gli
ultrasuoni emessi dal trasduttore compiono quindi un percorso nel liquido prima
di venire a contatto col manufatto. Questo metodo presenta notevoli vantaggi
nel contatto con superfici ruvide ed, inoltre, consente una più funzionale
automazione dei controlli.
Il metodo per contatto è più immediato, ma richiede maggiori oneri in termini di
tempo e grosse difficoltà per quanto riguarda la costanza dell'accoppiamento acustico;
quello per immersione è più veloce ed uniforme, ma richiede più attenzione
nell'assicurare l'esatto angolo d'incidenza del fascio ultrasonoro.
Il mezzo di accoppiamento deve, inoltre, soddisfare ai seguenti requisiti:
valore dell'impedenza acustica intermedio fra quello del trasduttore e quello del
materiale;
sufficiente viscosità, allo scopo di riempire le eventuali irregolarità della
superficie e non scorrere via.
1.2. TECNICHE FONDAMENTALI
Le tecniche fondamentali, indipendentemente dalle modalità di accoppiamento,
possono dividersi in tre gruppi:
Tecnica per trasmissione (trasparenza);
Tecnica per riflessione (echopulse o pulse-echo);
Tecnica della risposta in frequenza.
1.2.1.TECNICA PER TRASMISSIONE
La tecnica consiste nell'immettere un fascio ultrasonoro, continuo o ad impulsi, e
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nell'analizzare lo stesso dopo l'attraversamento del manufatto: la prova comporta,
dunque, l'utilizzo di due trasduttori, uno emittente e l'altro ricevente, da allinearsi lungo
la traiettoria da esaminare.
La misura del tempo di transito, inteso come tempo impiegato dal segnale
ultrasonico per percorrere la distanza tra le due sonde, la conseguente valutazione
della velocità e l'analisi dell'attenuazione dell'onda, come rapporto tra l'ampiezza del
segnale in uscita e l'ampiezza del segnale in entrata, forniranno utili informazioni circa
l'omogeneità dei materiali lungo la traiettoria esaminata ed indicheranno l'eventuale
presenza di difetti.
Se un segnale ultrasonico attraversa un materiale contenente al suo interno zone
di differente natura per materiale e/o geometria giungerà al trasduttore ricevente in
maniera differente da quella del materiale integro ed omogeneo. Avremo che:
Se la traiettoria interessa una fessura buona parte dell'energia vibrazionale in
arrivo dalla sorgente verrà riflessa, con netto aumento dell'attenuazione rispetto
ai valori registrati lungo la traiettoria di riferimento del mezzo integro; se la
fessura non presenta zone di contatto, si registrerà un aumento dei tempi di
transito per le onde che, per arrivare alla sonda ricevente, dovranno
circoscrivere la fessura stessa, viceversa le zone di contatto fungeranno da
"ponte di trasmissione" ed il tempo di transito non sarà alterato dalla presenza
della fessura.
Se la traiettoria del fascio attraversa un vuoto si registrerà un aumento del
tempo di transito e dell'attenuazione.
Se la traiettoria interessa una zona con vuoti e piccoli ponti di collegamento,
come un vespaio, si registrerà un ridottissimo aumento del tempo di transito ed
un netto aumento dell'attenuazione.
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Se attraversa una zona con diverse caratteristiche elasto-meccaniche; si
registrerà la corrispondente variazione del tempo di transito ed un'eventuale
variazione nell'intensità trasmessa.
Appare evidente che i tempi di transito, e le corrispondenti velocità apparenti, non
sono sufficienti per individuare tutte le anomalie: alcune anomalie sono rilevabili solo
accompagnando la misurazione dei tempi di transito con un'analisi dell'energia
trasmessa.
Si ricorda che, per poter applicare la tecnica per trasmissione, le due superfici
contrapposte del manufatto devono essere entrambe accessibili.
1.2.2.TECNICA PER RIFLESSIONE
Quando il fascio ultrasonoro incontra un ostacolo sarà riflesso, assorbito, deviato
e rifratto; le onde riflesse possiedono la stessa frequenza di quelle incidenti, ma sono
sfasate rispetto ad esse in funzione della distanza del trasduttore dai vari punti della
superficie dell'ostacolo; analoga sorte spetta alle onde diffratte. L'energia assorbita dal
difetto colpito dalle onde incidenti fa sì che esso possa vibrare emettendo a sua volta
onde elastiche di frequenza tipica della sua risonanza e variamente sfasate.
Il segnale che ritorna verso il trasduttore è dunque molto complesso perché è la
risultante della sommatoria di molte onde di uguale frequenza, ma sfasate, ed altre di
frequenza diversa, pure sfasate tra loro; questo segnale contiene tutte le informazioni
sulle dimensioni, geometria e natura dell'ostacolo incontrato dal fascio di ultrasuoni
incidente e potrà essere visualizzato, opportunamente amplificato e filtrato, sul
quadrante di un oscilloscopio.
La filtrazione del segnale elimina, di fatto, tutte le informazioni utili per identificare
la geometria del difetto, lasciando soltanto quelle relative alla distanza dell'ostacolo dal
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trasduttore ed all'attenuazione del segnale rispetto all'eco di fondo; ciò si rende
necessario per rendere il segnale pulito e comprensibile all'operatore, non essendo
ancora diffusi strumenti capaci di demodulare l'intero segnale e ricostruire l'immagine
del difetto. Gli sforzi della ricerca nel campo delle tecniche ultrasoniche sono
attualmente tesi alla demodulazione dei segnali di ritorno attraverso l'applicazione della
trasformata di Fourier: questo permetterebbe di vedere realmente la forma dei difetti e
di diagnosticarne la natura, come già accade per l'ecografia in campo medico.
Attualmente la strumentazione si compone di due parti: il generatore del segnale
ed il rivelatore che riceve, amplifica, filtra e visualizza i segnali di ritorno alla sonda; in
tal modo è possibile rivelare soltanto gli echi riflessi da eventuali difetti e gli echi di
fondo, più o meno attenuati in funzione dei difetti presenti; attraverso il rapporto tra i
tempi di ritorno dell'eco riflesso e dell'eco di fondo è possibile ricavare informazioni sulla
posizione del difetto, mentre, osservando un'eventuale brusca variazione dell'intensità
del fascio riflesso dalla parete di fondo, si potrà rivelare la presenza di un difetto interno,
anche nel caso in cui questo non generi riflessione, e se ne potrà valutare il potere
assorbente.
Quando viene individuata la presenza di un difetto, l'intensità dell'eco del difetto o
la diminuzione dell'intensità dell'eco di fondo vengono confrontate con quelle degli echi
di difetti di entità note, in modo tale da assegnare ad ogni difetto una dimensione
equivalente, cioè affermare che le sue dimensioni e la sua forma sono tali da generare
un'eco simile a quella di un foro di diametro definito e posizionato alla stessa distanza
dal trasduttore; la dimensione equivalente non è direttamente collegabile con quella
reale, ma è un parametro approssimativo, attualmente necessario per classificare
l'entità dei difetti rivelati.
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1.2.3.TECNICA DELLA RISPOSTA IN FREQUENZA
Le indagini ultrasoniche sul calcestruzzo si sono limitate a lungo a semplici
misure condotte esprimendo l'impulso nel dominio del tempo, così come si è fatto
calcolando la velocità attraverso il tempo di volo; l'ammontare delle informazioni che si
possono così ottenere è, tuttavia, davvero limitato, soprattutto se messo a confronto
con una dettagliata analisi della composizione spettrale.
Attraverso l'analisi delle caratteristiche di attenuazione è possibile acquisire
informazioni relative alla misura degli aggregati, mentre informazioni ancora più
dettagliate possono essere ottenute passando al dominio delle frequenze: è stato
dimostrato che l'energia contenuta all'interno delle varie bande di frequenza cambia
considerevolmente in accordo con la struttura interna del calcestruzzo. E' così possibile
effettuare la trasformata di Fourier del segnale ricevuto ed eliminare la risposta in
frequenza del trasduttore: la curva di risposta in frequenza mostrerà per il calcestruzzo
delle forti bande passanti ed una rapida attenuazione delle frequenze al di fuori di
queste. Questa curva filtro potrà essere utilizzata per misurare la resistenza e le
caratteristiche fisiche del mezzo, determinate principalmente dalle proporzioni dei
componenti e dalla porosità del calcestruzzo.
1.3. PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA NATURA DEL CALCESTRUZZO
La dimensione minima delle anomalie rilevabili attraverso una diagnosi
ultrasonica è in stretta correlazione con le caratteristiche del fascio utilizzato: se si
desidera rilevare un difetto di dimensioni pari a 2a, la vibrazione immessa per l'analisi
deve possedere una lunghezza d'onda decisamente inferiore.
L'intrinseca eterogeneità del conglomerato cementizio limita, di fatto, le
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frequenze utilizzabili; dal momento che le dimensioni degli inerti sono dell'ordine di 2-3
cm, al fine di evitare che questi generino eccessive riflessioni, sarà necessario limitare
la frequenza a valori inferiori ai 100 kHz, rinunciando, inevitabilmente, a diagnosticare
difetti di entità paragonabile alle dimensioni degli inerti. Queste frequenze non
permettono di ottenere fasci collimati, com'è consueto nei materiali metallici, in cui è
agevole ottenere angoli di divergenza di soli 8° con sonde di 25 mm e frequenze pari a
2 MHz; per ottenere un risultato analogo, un trasduttore utilizzato nel calcestruzzo
dovrebbe possedere un diametro pari a circa 350 mm.
In pratica, le sonde non sono molto più larghe di quelle utilizzate normalmente,
così da avere dimensioni dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda; di
conseguenza la sonda irradia, con apprezzabile intensità, tanto onde longitudinali
quanto onde trasversali e di superficie, così da generare nel mezzo un gran numero di
echi di disturbo da direzioni ignote e rendere il metodo dell'eco raramente utilizzabile.
La perdita di direzionalità rende possibile congiungere con onde ultrasonore
punti arbitrari su differenti superfici, comunque orientate; la prima onda ricevuta in
questo modo è sempre l'onda longitudinale diretta, seguita dalle onde trasversali e dalle
onde di superficie che, in dipendenza dalla forma del campione, possono già essere
disturbate da onde longitudinali riflesse.
La scarsa direzionalità, in concomitanza con il permanere di elevate caratteristiche
di assorbimento da parte del mezzo, porta, inoltre, a dover utilizzare sorgenti ad elevata
potenza emissiva.
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2 METODOLOGIA DI DIAGNOSTICA ULTRASONICA
APPLICATA ALL'INGEGNERIA CIVILE: GENERALITÀ E STATO DELLE PIÙ RECENTI RICERCHE
2.1. INTRODUZIONE
Negli ultimi anni si è incrementato il numero di studi che mirano allo sviluppo e alla
applicazione delle tecniche di valutazione non distruttiva nell'ambito delle strutture
dell'ingegneria civile (NDE-CE) tra le quali tecniche un posto di primissimo piano, nelle
ricerche e nelle aspettative, ricoprono i metodi sonici ed ultrasonici.
Tale importanza deriva dal fatto che per ispezionare strutture murarie si può
operare ponendo in vista l'interno, eliminando la parte superficiale, oppure mediante
indagini endoscopiche ovvero ancora con tutta una serie di prove dette "non distruttive",
nel senso che non minano la stabilità e la resistenza globale dell'opera, ma che
comunque mantengono un certo grado di invasività, più o meno elevata, fino ad arrivare
al prelievo di "carote" o campioni murari da sottoporre ad esami di laboratorio, mentre
con le tecniche di indagine ultrasonica, invece, viene a mancare completamente questo
carattere di invasività e la prova può esser considerata "non distruttiva" nel senso più
ampio del termine. Inoltre con i metodi "tradizionali" è possibile ottenere esclusivamente
una campionatura casuale e non diffusa, proprio a causa della natura distruttiva delle
prove, che non certo può fornire una immagine complessiva dello stato e delle
caratteristiche, cosa che invece può essere effettuata attraverso le tecniche soniche ed
ultrasoniche le quali possono essere utilizzate per un rilevamento ed un monitoraggio
sistematico e diffuso della struttura arrivando alla ricostruzione interna della struttura
così come accade in campo medico con la tomografia computerizzata (TAC).
L'applicazione di tali tecnologie al calcestruzzo, al CA ed al CAP, alle murature ed
agli altri materiali da costruzione di natura composita, mediando quanto già fatto con i
metalli ed altri materiali omogenei e quanto sviluppato in altri campi quali quelli
aerospaziale e medico, trova comunque grossi problemi.
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Il primo ostacolo che si frappone all'analisi sonica del calcestruzzo è la sua natura
eterogenea che, al contrario dei metalli e delle materie plastiche omogenei, crea un
fenomeno di disturbo elevato dovuto alla diffusione o scattering delle onde sonore che
si manifesta in corrispondenza degli aggregati generando una sorta di "rumore di fondo"
che può coprire totalmente, o rendere irriconoscibile, l'eco di ritorno dell’interfaccia che
si vorrebbe rilevare (parete opposta, vuoti o altre imperfezioni). Inoltre è presente una
forte attenuazione del segnale dovuta alla dissipazione dell'energia del fascio
ultrasonico tendente a divenire di intensità non sufficiente a farlo distinguere dai "rumori
di fondo" degli aggregati. Questi fenomeni generano confusione nella interpretazione
dei dati di ritorno rendendo difficoltoso rilevare e separare quelli che sono i "difetti" o le
grandezze d'interesse (spessore) da quelle che sono le naturali, e generalmente
innocue, "imperfezioni" fisiologiche del calcestruzzo.
Un secondo problema è quello che non esistono dei criteri universalmente
accettati per determinare quando una imperfezione possa essere considerata dannosa
o quando questa possa essere considerata fisiologica.
In sostanza si potrebbe dire che il problema non è solamente il come fare a
vederlo ma anche il che cosa guardare.
In aggiunta la carenza di normative o direttive in tal senso, ma soprattutto la
carenza di uniformità nell'esecuzione delle prove, non aiuta certamente la fase della
comparazione dei risultati al fine di creare una metodologia operativa che fornisca un
risultato uniforme e che possa essere applicato validamente "sul campo".
Il risultato e che a tutt'oggi le tecniche di valutazione non distruttiva basate sulle
tecnologie di indagine ultrasonica applicate negli ultimi 25 anni al calcestruzzo risultano
notevolmente insoddisfacenti e carenti, se comparate alle analoghe tecniche applicate
in altri campi (es. aerospaziale, medico). Gli studi fin qui condotti hanno però ben
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evidenziato quali possano essere i campi nei quali le tecniche di NDE abbiano le più
importanti potenzialità di sviluppo:
1. Identificazione degli elementi strutturali nel calcestruzzo (armature e cavidotti
per pre e post compressione con ricoprimenti di cls superiori a 60 mm);
2. Rilevamento e localizzazione dei cavidotti iniettati di malta ed eventuali difetti
di iniezione;
3. Rilevamento e stima difetti di costipamento, vespai, fessurazione e vuoti,
discontinuità nel calcestruzzo;
4. Valutazione della omogeneità della struttura;
5. Rilevamento informazioni geometriche (spessore) quando l'elemento è
accessibile da un solo lato.
Allo stato attuale si può operare una classificazione delle metodologie operative
con l'impiego dei metodi "acustici" in base ai criteri adottati ed alle grandezze che
vengono misurate.
Avremo pertanto [6], [15], [7]:
1. Tecniche basate sulla misura della velocità dell'impulso "Pulse Velocity";
2. Tecniche basate sul rilevamento e l'analisi dell'eco di ritorno, "Pulse Echo", e di
questa le due grandi aree del:
Impact Echo;
Ultrasonic Pulse Echo.
3. Tecniche basate sull'analisi spettrale delle onde superficiali (SASW);
4. Tecniche basate sul rilevamento delle Emissioni Acustiche (Acoustic Emission)
delle strutture da investigare.
18
2.2. TECNICHE "PULSE VELOCITY" (PV)
Questa tecnica si pone quale obbiettivo quello di mettere in relazione la qualità del
calcestruzzo (resistenza a compressione e costanti elastiche) con la velocità di
propagazione di un impulso ultrasonico (limitatamente alle onde longitudinali dette
anche onde di pressione o P-waves) che attraversa il materiale. Molte ricerche hanno
tentato esplicitare in forma analitica la relazione tra velocità dell'impulso US e la
resistenza a compressione del cls. L'idea di base è che la velocità di propagazione sia
funzione della densità del materiale che a sua volta è correlata con la resistenza a
compressione del conglomerato. In pratica i risultati hanno fornito dei dati abbastanza
confusi. Il numero delle variabili che governano il fenomeno e che entrano nella
funzione della resistenza a compressione è elevato; rapporto a/c (acqua/cemento),
forma e dimensione degli aggregati, dimensione del campione e dosaggio di cemento
sono direttamente collegati alla resistenza, senza contare che le caratteristiche resistive
del calcestruzzo sono anche influenzate dalle modalità di confezionamento, trasporto,
posa in opera e stagionatura. Comunque non tutte queste variabili influenzano la
velocità di propagazione dell'impulso.
Il risultato e che a tutt'oggi non è possibile applicare in modo universale ed
univoco i metodi della velocità dell'impulso US al fine di determinarne la resistenza a
compressione del calcestruzzo. E' però largamente accettato che la velocità di
propagazione dell'impulso ultrasonico sia un ottimo indicatore dell'incremento di
resistenza del cls in giovane età a cominciare da pochi giorni. [17]
Uno degli impieghi principali dell'utilizzo della tecniche basate sulla misura della
velocità dell'impulso ultrasonico è quello della valutazione della uniformità della struttura
mediante la generazione di "mappe" di velocità che individuano i campi di velocità
19
all'interno dell'elemento strutturale. Infatti, anche se non è correlabile direttamente con
la resistenza a compressione, la misura della velocità dell'impulso ultrasonico rimane un
ottimo indicatore della "qualità", in senso ampio, e dell'uniformità del conglomerato
cementizio investigato. Questo poiché è largamente provato e documentato che un
impulso ultrasonico viaggi a velocità più elevate in un calcestruzzo "compatto" ed
uniforme con assenza di fessurazione diffusa il che è certamente un ottimo indicatore
della qualità complessiva della struttura. La presenza di fessure o zone a bassa
omogeneità (presenza di grani grossi o con un non perfetto riempimento di pasta
cementizia) si manifesta con una marcata riduzione della velocità dell'impulso.
La tecnica Pulse velocity è stata largamente impiegata nella valutazione dello
stato di integrità delle murature e nella valutazione dell'efficacia del ripristino realizzato
mediante iniezioni di malta. In questo modo è possibile valutare se l'intervento di
ripristino abbia ridato alla struttura muraria la sua uniformità e compattezza. [10], [11],
[12], [13], [14].
In relazione alla misura della velocità dell'impulso US nel calcestruzzo esistono
alcune normative che hanno posto delle regole sulla sua misurazione tra le quali la
DIN/ISO 8047 "Hardened Concrete - determination of Ultrasonic Pulse Velocity" ed altre
normative tra le quali la ASTM C 597-83 (91); la BS 1881 : part 203 : 1986; la
RILEM/NDT 1972; la GOST 17624-87 (Russia); la STN 73 1371 (Slovacchia) e CSN 73
1371 (Rep. Ceca); la MI 07-3318-94 (Ungheria).
Per tutte queste normative la velocità dell'impulso v deve essere calcolata come:
dove L è la distanza tra i due trasduttori (emittente e ricevente) e t è il tempo di arrivo
del segnale al trasduttore ricevente misurato in s.
20
Vengono fornite inoltre prescrizioni relative alla strumentazione (relativamente alla
precisione di misura), alla procedura della prova (posizione dei trasduttori), resoconto
della prova, precisione dei risultati, forma e dimensioni dei provini, modo della presa in
conto dei fattori che influenzano la misura (armature di rinforzo, distanza tra i trasduttori,
umidità).
Il difetto più grande che è stato osservato è che queste normative sono quasi tutte
vecchie di dieci anni e risultano pertanto carenti dei progressi nel campo dei test
ultrasonici applicati al calcestruzzo. Inoltre alcune di queste norme indicano una mezza
dozzina di applicazioni della misura della velocità dell'impulso, tra le quali valutazione
della resistenza e delle costanti elastiche, rilevamento dei difetti. Questo genera la falsa
impressione, ed aspettativa, che tale metodologia sia egualmente applicabile e
affidabile in tutti questi casi. Tale applicazione (determinazione della velocità delle onde
longitudinali) lavora al meglio nella verifica dell'uniformità del calcestruzzo e nel
monitoraggio dei cambiamenti nel tempo del calcestruzzo. La resistenza può essere
determinata con il 20% di precisione e per il momento solamente in condizioni di
laboratorio con l'ausilio di apposite curve di calibrazione. Questa scarsa precisione non
è migliorabile mediante una misura supplementare della velocità con altre tecniche. Le
altre applicazioni suggerite dalle norme ( valutazione dei difetti e misura della profondità
delle fessure etc. ) risultano veramente poco affidabili. [5]
2.3. TECNICHE "ECHO PULSE"
Lo sviluppo di queste tecnologie applicate ai materiali da costruzione, ed in special
modo al calcestruzzo, è stato basato sul principio che un segnale, sonico o ultrasonico,
che attraversa un materiale venga riflesso da imperfezioni, difetti, vuoti, o dalla
superficie opposta, generando un eco di ritorno che può essere rilevato mediante
21
trasduttori. Uno degli scopi principali di queste tecnologie è quello di valutare l'integrità
strutturale e/o localizzare difetti nelle strutture anche quando esse risultano accessibili
da un solo lato, in special modo per le strutture in CA e CAP, che in passato potevano
essere esaminate solamente con l'uso di mezzi radiografici (con spessori inferiori a 60
cm) oppure mediante procedimenti più o meno distruttivi.
Sotto il termine tecniche Echo Pulse, che viene utilizzato in senso ampio, sono
state sviluppate numerose tecniche che differiscono tra loro sia per i metodi di
trattamento del segnale di ritorno e sia per il tipo di segnale impiegato (frequenza) ed il
modo con cui esso viene generato:
1. Generazione meccanica da impatto del segnale: Impact Echo;
2. Generatore di segnale ultrasonico: Ultrasonic Pulse Echo.
2.3.1.IMPACT ECHO (IE)
Considerevoli ricerche e sviluppi sono stati fatti nelle tecniche IE applicate alle
strutture in cls e muratura. Questa tecnica è una derivazione diretta dei controlli
effettuati in passato che consistevano nel dare una martellata alle ruote dei carri e
valutarne l'integrità dal "suono" che essa produceva ovvero del modo sommario, ma
efficace, di valutare la presenza di vuoti sotto le pavimentazioni. Il principio base di
questa tecnica e che un uno sforzo impulsivo impresso alla struttura mediante un
martello, caduta di una sfera d'acciaio o altra fonte d'impatto, genera un'onda elastica di
sollecitazione a bassa frequenza (da 1 a 60 kHz) costituita da onde di pressione di
taglio e di superficie che si propaga nella struttura venendo riflessa dalle imperfezioni o
dall'altra parete dell'elemento strutturale. L'eco dovuto alle riflessioni viene rilevato da
un trasduttore ultrasonico anch'egli posizionato sulla superficie della struttura.
Il segnale di ritorno, l'eco d'impatto, captato dal trasduttore viene trasformato in un
22
segnale elettrico di voltaggio proporzionale all'intensità dello spostamento rilevato. Il
segnale ricevuto (voltaggio/tempo) detto "forma d'onda" viene acquisito ed elaborato da
un computer che lo analizza mediante il "metodo della risonanza" trasformandolo
matematicamente, attraverso la trasformata di Fourier, nel corrispondente spettro delle
ampiezze/frequenze. La condizione di risonanza può essere chiaramente osservata in
un'analisi delle frequenze delle forme d'onda acquisite del trasduttore. La misura della
distanza tra la superficie esterna ed i difetti (o l'altra superficie) può essere determinata
mediante una relazione del tipo:
Dove D e la distanza da rilevare, Vp è la velocità dell'impulso nel materiale ed f è la
frequenza di risonanza.
La lunghezza d'onda del segnale è di norma compresa tra i 50 mm ed i 2000 mm,
molto più grande delle normali imperfezioni e degli aggregati del cls, il che permette che
l'impulso si propaghi come se si fosse in presenza di un modulo elastico omogeneo.
L'uso di lunghezze d'onda così elevate, e di conseguenza basse frequenze, permette di
ottenere una debole attenuazione del segnale che distingue il metodo IE dagli altri
metodi ultrasonici ma nel contempo non permette una risoluzione elevata nella
determinazione dei difetti.
La tecnica IE si è mostrata abbastanza efficiente nella localizzazione di grossi
vuoti o discontinuità particolarmente in strutture "a piastra" (pavimentazioni o strutture
da ponte) dove i vuoti e le discontinuità (laminazione) tendono ad essere paralleli alla
superficie della struttura. Il sistema si è rilevato efficace anche nella localizzazione delle
guaine iniettate di malta per armature di presollecitazione. E' comunque difficoltoso il
rilevamento di piccole imperfezioni e fratture a causa delle relativamente basse
23
frequenze impiegate che rendono "trasparenti" le grandezze dell'ordine della
dimensione degli aggregati utilizzati.
Inoltre possono essere fornite delle misurazioni accurate dello spessore di piastre
di cls ovvero per il rilevamento di vuoti sottostanti piastre o pavimentazioni. Può inoltre
determinarsi la dimensione o localizzare fessure, vuoti o altri difetti, in strutture murarie
nelle quali i blocchi o mattoni siano uniti con malta.
Una incognita nella formula prima citata è da ritrovarsi nel valore della velocità
delle onde di pressione che deve essere nota. Essa potrebbe essere determinata
preventivamente all'esecuzione della prova con le modalità descritte nel paragrafo della
metodologia "Pulse velocity". Per ovviare a questo problema alcuni ricercatori hanno
proposto e sperimentato l'utilizzo di un'apparecchiatura dotata di due trasduttori in linea
posti a distanza nota (s2) l'uno dall'altro. In questo modo la velocità delle onde P viene
rilevata, in un'unica misura e nello stesso campione, attraverso il tempo che in segnale
impiega a raggiungere il trasduttore 1 ed il trasduttore 2. Misurato il tempo di transito dal
trasduttore 1 al 2 è possibile determinare la velocità come [16]:
Tra le tecniche di indagine ultrasonica la tecnologia IE è senza dubbio la più
semplice nella sua applicazione, in quanto può essere utilizzata facilmente per
misurazioni in situ, e consta di una strumentazione facilmente trasportabile. In
commercio si trovano disponibili delle apparecchiature per realizzare un sistema
completo atto all'applicazione delle tecniche IE che combinano la strumentazione per la
generazione del segnale (martello o sfere) e quelle di misurazione del segnale di ritorno
(trasduttore) e del trattamento ed elaborazione per l'analisi dei dati via software.
24
2.3.2.ULTRASONIC PULSE ECHO (US-PE)
La tecnologia Pulse Echo (denominata anche Echopulse), stretta parente della IE,
differisce sostanzialmente per le modalità di generazione del segnale che a differenza
della IE viene generato da un trasduttore che, collegato ad un "generatore di segnale"
con il quale è possibile scegliere la tipologia e frequenza dello stesso, lo immette nella
struttura. Il segnale viene riflesso e il suo eco di ritorno viene captato da un altro
trasduttore (o dal medesimo nel caso di utilizzo di un solo trasduttore che funga da
trasmittente e ricevente) posto sulla superficie. Il segnale di ritorno viene visualizzato su
un oscilloscopio (ampiezze/tempo) ed in esso sono visibili i picchi relativi alle riflessioni
dovute a difetti e quello dovuto alla parete opposta. Dall'esame dell'oscillogramma si
può rilevare il tempo di transito del segnale e valutare così la distanza dei difetti o lo
spessore dell'elemento.
Le applicazioni della tecnologia della diagnostica ultrasonica Echo Pulse sono
intensamente utilizzate nella verifica dei componenti metallici. A causa della
omogeneità dei metalli possono essere utilizzate delle frequenze veramente elevate
(>1MHz) in molti casi una visualizzazione diretta dei dati su un oscilloscopio è
sufficiente per la determinazione dei difetti. Nel calcestruzzo, a causa della sua natura
eterogenea, le frequenze ultrasoniche che possono essere impiegate devono essere
ridotte con un massimo di 250 kHz. Inoltre può essere presente un particolarmente
intenso segnale di disturbo causato dai fenomeni di diffusione (o scattering) e
riflessione del segnale dovuta alla disposizione casuale degli aggregati che genera una
sorta di "rumore di fondo" che appare nel segnale di ritorno e che può andare a
confondersi con gli echi da rilevare facendo perdere chiarezza e significato alla
visualizzazione. Il fenomeno è accentuato dal fatto che il calcestruzzo, sempre a causa
25
della sua natura eterogenea, ha un forte potere smorzante del segnale che ritorna al
trasduttore con debole intensità.
Per ovviare a questi inconvenienti, riducendo l'influenza del disturbo ed
amplificando la zona di interesse, si sono sviluppate alcune tecniche che
presuppongono un trattamento del segnale di ritorno per via software al fine di ottenere
una visualizzazione più chiara dell'interno. Si va dai tentativi di aumentare la potenza
del segnale al fine di ottenete un segnale di ritorno sufficientemente potente, alle
tecniche di elaborazione e visualizzazione via computer che permettono di ottenere
risultati paragonabili a quelli ottenuti in campo medico con la TAC che utilizza, però,
raggi x.
I segnali di ritorno devono essere visualizzati ed interpretati dall'operatore. Per
fare questo sono state messe a punto varie tecniche di visualizzazione, vediamo in
dettaglio le più significative ed utilizzate:
La più intuitiva di queste è denominata A-Scan che consiste in una visualizzazione
diretta dell'onda elastica ricevuta dal trasduttore su un oscilloscopio il quale permette
una rappresentazione Ampiezza/Tempo dell'eco di ritorno. Paradossalmente il difetto
più grande delle A-scan sta nel loro alto contenuto di informazioni che però vengono
visualizzate contemporaneamente. Una delle ragioni di questo è dovuta al largo angolo
di divergenza (oltre il campo prossimo) che genera una diffusione del segnale che va ad
interessare una ampia zona attorno all'asse del trasduttore aumentando, di
conseguenza, la possibilità di echi di ritorno non desiderati. Un'altra causa è da
riscontrarsi nel fatto, già precedentemente citato, che le informazioni "significative" sono
spesso nascoste e confuse dal rumore di fondo dei grani e dalle riflessioni degli altri tipi
d'onda (di taglio e superficiali). Risultano pertanto rare le situazioni nelle quali le A-scan
26
sono sufficienti a caratterizzare un elemento di calcestruzzo (o di altro materiale di
natura estremamente composita) mentre sono ottimi indicatori per materiali omogenei.
Un ulteriore passo in avanti nella rappresentazione dei dati viene fornito con quelle
che vengono definite B-Scan. Questa tecnica permette di visualizzare i dati provenienti
da numerose A-scan in un'unica immagine. Muovendo il trasduttore lungo la superficie
si è in grado di confrontare direttamente i dati relativi a posizioni differenti
simultaneamente e ricevere informazioni sulla intensità e la fase del segnale ed i suoi
relativi cambiamenti. Attraverso l'elaborazione di un personal computer le singole A-
scan vengono "composte" realizzando una immagine dello stato della sezione della
struttura tracciata dal movimento del trasduttore. Gli eco rilevati vengono visualizzati
nell'immagine mediante diversa intensità di colore o di grigi (corrispondenti alle
ampiezze del segnale) e permettono una rapida vista d'insieme consentendo il
rilevamento di difetti e della parete opposta. Esse necessitano di un maggiore sforzo
nella scansione lineare ma le informazioni in esse contenute sono allargate alla
seconda dimensione aiutando l'occhio umano all'interpretazione dei dati. Tuttavia se
non si interviene con opportuni sistemi, algoritmi software o mediante l'utilizzo di filtri,
l'immagine che viene rappresentata assume una natura "diffusa" e sfumata a causa dei
disturbi presenti nelle A-scan.
Un altro tipo di visualizzazione, diverso dalle B-scan per il principio di movimento
del trasduttore, sono le C-Scan nelle quali con il movimento del trasduttore viene
prodotta una scansione di un'area superficiale dell'oggetto in esame. Il risultato della
visualizzazione di tipo C è costituito da una "vista aerea" o mappa del provino nella
quale sono evidenziate le zone nelle quali si è rilevato un eco di ritorno. In questo caso
la visualizzazione, che può essere effettuata a colori o a scale di grigio, viene posta in
27
relazione alle intensità delle ampiezze rilevate. Contrariamente alle B-scan si perde la
relazione con la profondità ottenendo solamente "vista aerea". Questo tipo di
rappresentazione può essere utile in presenza di struttura a piastra o a volta (specie
quelle sottili) nelle quali assume una rilevanza minore la profondità dei difetti.
Una variante delle C-scan è costituita dalla visualizzazione di tipo D che fornisce
una vista aerea della zona rilevata ma questa volta in luogo delle ampiezze degli eco di
ritorno vengono visualizzati, con le stesse modalità (colori o scale di grigio), i tempi di
volo dai quali possiamo desumere la profondità dei difetti o degli echi della parete
opposta.
Una combinazione opportuna di queste tecniche di rappresentazione può essere
utilizzata per ottenere una ricostruzione spaziale dell'insieme combinando le varie
rappresentazioni. Infatti combinando una serie di B-scan è possibile tenere
contemporaneamente le informazioni relative alle profondità ed alle loro intensità e nello
stesso tempo rilevare una superficie per linee di scansione ottenendo una
rappresentazione 3D dell'elemento. Questa tecnica di visualizzazione prende il nome di
P-scan (Projection scanning) ovvero visualizzazione mediante proiezione.
Le misure possono essere documentate registrando le immagini successive o
stampandole in diretta per un successivo confronto. [4], [8], [9], [24].
Come risulta dalla definizione queste sono tecniche di visualizzazione dei dati
nelle quali non vi è alcuna elaborazione del segnale al fine di ridurre i disturbi. In tutti
questi casi, anche se i dati divengono sempre più nitidi, vi è sempre la presenza dei
disturbi che possono rendere confusa l'immagine vincolandola all'interpretazione
dell'operatore. Un passo in avanti è stato fatto con lo sviluppo di tecniche che
presuppongono un trattamento ed una manipolazione dei dati al fine di cercare di
28
attenuare i fenomeni di disturbo.
Tra queste tecniche abbiamo quella della visualizzazione dei risultati mediante la
tecnologia SAFT (Syntetic Aperture Focusing Tecnique) [3] o quella dell'analisi statistica
del rumore dei grani [4].
La tecnica SAFT è basata sulla susseguente messa a fuoco dei dati rilevati dal
trasduttore in ogni punto di una zona di ricostruzione (aperture) attraverso la
sovrapposizione delle differenti registrazioni nel tempo. Quello che nelle A-scan è stato
definito un inconveniente legato all'angolo di divergenza dei trasduttori ultrasonici, nel
SAFT diviene un fenomeno desiderato che permette di "illuminare" l'oggetto del
rilevamento da varie posizioni ottenendo una sequenza di A-scan che risultano essere
sfalsate nel tempo e sovrapposte. La media temporale di queste rappresentazioni
consente di eliminare una parte del fenomeno stocastico del rumore dei grani: quando
si è in presenza di difetti i segnali presentano una interferenza costruttiva che gli
amplifica mentre in assenza di difetti (solo "rumore dei grani") si verifica una
interferenza distruttiva che a causa della sua natura stocastica abbatte il segnale. In
questo modo è possibile evidenziare le riflessioni della zona di interesse. Attraverso la
tecnica SAFT è possibile non solo ottenere una visualizzazione Ampiezza/Tempo,
ottenuta elaborando numerose A-Scan, più nitida ma è altresì possibile operare una
ricostruzione grafica (sfruttando le tecniche di visualizzazione) realizzando una
immagine che mette in evidenza, a colori o a scale di grigio, le zone di provenienza
dell'eco e le sue intensità. Ovviamente la maggiore risoluzione viene pagata in termini
di tempi di elaborazione che si dilatano notevolmente se paragonati alla visualizzazione
"in tempo reale" delle A-scan su un oscilloscopio.
La tecnologia SAFT è stata oggetto di numerose ricerche ed implementazioni che
29
hanno portato ad alla realizzazione di immagini bi e tridimensionali.
Una interessante applicazione è stata quella di utilizzare un vibrometro laser [2]
(rilevamento interferometrico laser), al posto dei trasduttori ultrasonici, per il rilevamento
degli echi ritorno, con questo strumento si è in grado di esaminare e tenere sotto
controllo un'area della struttura di prova senza la necessità di un contatto diretto con la
superficie e quindi indipendentemente dallo stato superficiale, dall'accoppiamento
trasduttore/superficie o dall'accessibilità della zona da investigare cosa fatto non
trascurabile per le applicazioni dell'ingegneria civile.
Tuttavia il maggiore problema della interferometria laser è la sua insufficiente
sensibilità che risulta da un basso rapporto segnale/rumore (S/N) e dal fenomeno di
diffusione che si manifesta sulla superficie ruvida del calcestruzzo a causa della natura
coerente del laser che risulterà come una interferenza "granulare" (speckle) con
distribuzione casuale. Questo disturbo si manifesta come un "rumore" che disturba la
ricezione del segnale ultrasonico. Per migliorare questa applicabilità del laser
vibrometro si sono percorse due strade: quella di aumentare l'ampiezza del segnale
introdotto e contemporaneamente agire riducendo l'influenza del disturbo "granulare".
Per aumentare l'intensità del segnale si può procedere seguendo due strade; una
è quella di amplificare l'intensità del segnale, l'altra è quella di utilizzare un particolare
tipo di segnale, detto chirp, che consente di ottenere il medesimo risultato. Il primo
metodo ha l'inconveniente di necessitare di amplificatori e di utilizzare tensioni elevate
per le quali devono essere elevati gli standard di protezione degli operatori. Il secondo
presuppone l'invio di un segnale chirp caratterizzato da un tempo di impulso (t) ed una
larghezza di banda delle frequenze emesse (BW, Band width). In funzione del prodotto
tra il tempo e la banda si ottiene un effetto risultante di un segnale avente un guadagno
30
d'ampiezza (AG) del fattore:
che costituisce il fattore amplificativo dell'ampiezza. Ad esempio con un chirp di 70 V
per un tempo di 250 s ed una banda di 400 kHz si ottiene un AG di 7 e quindi un
segnale equivalente di circa 500 V.
Per ridurre l'effetto granulare sulla superficie dovuto alla coerenza del laser e alla
ruvidezza della superficie si è operato mediante una "modulazione" dello speckle con
due procedimenti. Il primo prevede un cambiamento di fuoco con piccoli movimenti che
produce una modificazione del modello di disturbo imprevedibile, in questo caso la
misura viene effettuata quando il disturbo è basso. Un altro metodo è stato sviluppato
inducendo una piccola vibrazione dello specchio di scansione. Questo assicura che la
grandezza da rilevare sia "visibile", con un basso livello di disturbo, per essere
misurata. Questo sistema detto "modulatore casuale di speckle" miglio il rapporto S/N
da 3 a 5.
L'applicazione della rilevazione laser interferometrica permette una risoluzione di
punti teorica di circa 4000 punti per direzione e quindi, sempre in teoria, un totale di 1.6
milioni di punti su un'area di scansione, tuttavia essendo necessari da 1 a 5 secondi per
ogni misura risulta evidente che le limitazioni sono imposte dai tempi di acquisizione.
Anche questi metodi di trattamento del segnale di ritorno non sono esenti da
critiche. Infatti la qualità dell'immagine non è ancora sufficientemente chiara da
permettere una determinazione "certa" di quelli che sono i difetti da rilevare che
rimangono offuscati dal "rumore dei grani" che non si riesce ad eliminare totalmente.
Questo fenomeno inoltre risulta maggiormente marcato all'aumentare della dimensione
31
media degli aggregati. Il risultato è che le immagini risultano puntinate, granulari e
sfumate con la possibilità di trarre in inganno l'operatore e rendere molto influente la
soggettività della misura.
Questo fa si che le gli attuali algoritmi di visualizzazione o elaborazione non siano
ancora perfettamente in grado di andare incontro alla prescrizione delle norme di qualità
ISO 9001 per le quali la misura deve assicurare un grado di indeterminazione noto e
costante con le capacità di misura. Dove opportuno di conseguenza lo sperimentatore
dovrà stabilire procedure per individuare adeguati procedimenti statistici per verificare
l'accettabilità della misura.
Il rumore dei grani non può essere del tutto eliminato mediante una media
temporale (principio base della tecnica SAFT) inquanto i fenomeni di diffusione ai grani
derivano da una grandezza invariante temporale ovvero la loro posizione nella matrice
cementizia, forma e dimensione. Per cercare di risolvere il problema della presenza del
"rumore dei grani" alcuni ricercatori hanno proposto un approccio statistico, il solo che
possa permettere di affrontare un problema derivante dalla distribuzione casuale dei
grani, avendo constatato che esso possiede delle affinità con alcuni processi di
emissione elettronici.
Attraverso una indagine di tipo statistico può essere definita una "soglia di
valutazione": se il segnale ricevuto eccede questa soglia viene accettato ed allora può
scattare l'allarme del difetto ed il segnale viene visualizzato altrimenti viene soppresso.
In questo modo si ottiene una immagine che è libera dell'effetto "puntinato" ed
offuscato dovuto agli eco di ritorno dei grani. Ovviamente vengono visualizzati
solamente quei segnali che corrispondono al superamento della soglia statistica
prefissata che in questo caso rappresenta la precisione statistica della misura e la
32
risoluzione che si riesce ad ottenere.
Essendo la soglia prefissata dall'operatore, o dal committente, esiste quindi la
possibilità di effettuare delle affermazioni oggettive e non dipendenti dall'operatore. [4].
2.4. ANALISI SPETTRALE DELLE ONDE DI SUPERFICIE (SASW)
Fu sviluppata inizialmente per applicazioni geotecniche al fine di individuare le
stratificazioni sottostanti. La tecnica sfrutta la proprietà delle onde superficiali per le
quali la dispersione è funzione delle proprietà del materiale alle differenti profondità, in
questo modo i substrati sottostanti possono essere analizzati senza un accesso diretto.
Tale tecnologia è stata applicata con successo nella valutazione delle pavimentazioni
delle piste degli aeroporti. Molto di recente si è tentato di estendere ed adattare tale
tecnica anche alle strutture in cls. Nel SASW un'onda superficiale viene generata con
un sistema simile a quello dell'impact echo. La funzione spostamento/tempo delle onde
superficiali viene misurata da due trasduttori in linea posti ad una distanza nota dalla
sorgente. Da quanto rilevato ad ogni trasduttore viene analizzato per determinare la
frequenza in funzione della dispersione delle onde superficiali. Da questa curva di
dispersione viene poi estratto il "profilo elastico" della struttura in esame. [6], [15].
2.5. ACOUSTIC EMISSION (AE)
Una Emissione Acustica viene considerata un'onda di sollecitazione che proviene
dalle fessure, o altre sorgenti dinamiche, all'interno della struttura stessa. Queste onde
di sollecitazione possono essere rilevate, dalla superficie della struttura, e possono
essere analizzate per valutare le proprietà delle fessure che generano l'evento di AE.
La tecnologia dell'AE può essere considerata una tecnica di NDE "passiva" inquanto la
33
misura ultrasonica si riferisce ad emissioni generate dalla struttura stessa, in
opposizione a quando la "risposta" della struttura viene sollecitata dall'esterno (tecniche
NDE attive).
Le tecniche di valutazione mediante AE applicate alle strutture in cls sono
comunque limitate a causa dell'alto potere di attenuazione del calcestruzzo. Sebbene il
calcestruzzo sia considerato un materiale estremamente "attivo" dal punto di vista delle
emissioni acustiche le applicazioni pratiche sono limitate dal fatto che l'evento emissivo
non genera energia sufficiente a propagare il fenomeno in superficie. [6], [15].
2.6. LIMITAZIONI NELLE APPLICAZIONI DELLA TECNICA
Come discusso nel presente capitolo molti sono i punti ancora da chiarire per un
impiego sistematico e certo delle tecniche ultrasoniche applicate ai calcestruzzi.
Infatti oltre la certezza sul collegamento tra “qualità” del calcestruzzo, in senso
ampio del termine, e velocità del fascio ultrasonico tutti gli altri parametri risultano
fortemente incerti ed influenzati dalla soggettività dell’operatore.
Con la descrizione e citazione di alcuni studi internazionali si è voluto mettere in
rilievo quali siano ad oggi i più grandi problemi che incontrano l’applicazione delle
tecniche ultrasoniche ai materiali dell’Ingegneria Civile e soprattutto ai calcestruzzi.
Rimane la grossa limitazione derivante dagli aggregati, non inerti a causa del loro
ruolo attivo nella matrice, che creano il “rumore dei grani” il quale disturba non poco la
misura che, come si è visto, risulta difficilmente eliminabile in quanto caratteristico ed
intrinseco del materiale.
Rimane altresì il grosso problema della risoluzione derivante appunto dalla
presenza degli aggregati che rende impossibile individuare “imperfezioni” dell’ordine di
grandezza della pezzatura massima degli aggregati
34
Rimangono ben evidenti i contrasti di opinioni, e di interesse, che contrappongono
ricercatori universitari e ricercatori di ditte specializzate. Gli uni che non disdegnano di
ammettere la difficoltà nella diagnosi ultrasonica, gli altri che invece commercializzano
prodotti che, del tutto simili alle applicazioni da noi realizzate, non sono però in grado di
fornire quel risultato obbiettivo e sistematico che invece viene richiesto dagli utilizzatori.
Tutto questo si condensa in un solo problema che è quello delle “limitazioni della
Tecnologia” che attualmente viene impiegata nell’ambito delle indagini ultrasoniche dei
manufatti dell’Ingegneria Civile. Se si paragona uno strumento ultrasonico in utilizzo
Ingegneristico Civile con un analogo utilizzato in campo Aerospaziale, Meccanico o
Medico ci si rende subito conto di quanto siano ancora lontane le tecnologie impiegate
ed i risultati conseguiti.
Il tutto è spiegabile, oltre che con le problematiche di natura tecnico/fisica, anche
con il ritardo nell’introduzione di queste tecniche nel campo civile cosa che invece è
sistematica e ormai di routine in altri campi, che si trova anche in notevole ritardo quale
disciplina di insegnamento universitario creando quindi un gap “culturale” negli
Ingegneri che invece dovrebbero utilizzarla.
35
3 APPLICAZIONE DELLA TECNICA ECHOPULSE
3.1. INTRODUZIONE
Nei capitoli precedenti si sono descritte le proprietà delle onde ultrasoniche e si
sono analizzate le varie metodologie di diagnostica ed indagine. Si è inoltre fatto il
punto sullo “stato dell’arte” delle tecnologie applicate.
Si è visto come sia possibile determinare le peculiarità geometriche ed i difetti dei
manufatti e si è accennato alle difficoltà che sorgono nell’applicazione delle tecniche.
Nel corso di questo capitolo verranno approfondite le tematiche inerenti
all’applicazione della tecnica “Echopulse” unitamente alle problematiche principali
incontrate nel corso della presente analisi.
Verranno altresì trattate e si cercherà di fornire una soluzione ai problemi che
sono stati rilevati nel corso della presente ricerca al fine di fornire, anche al lettore
“digiuno” di nozioni in tema, i chiarimenti necessari a comprendere il lavoro da noi fin
qui svolto.
3.2. TECNICA ECHOPULSE
Tale metodologia rappresenta un’applicazione della tecnica d’esame ultrasonica
per riflessione. Sfrutta il principio secondo il quale un fascio di onde ultrasonore
nell’incontrare una soluzione di continuità nel mezzo si riflette, il fascio di onde riflesse
che ritorna in superficie è detto eco.
Generalmente si differenzia in due sistemi di utilizzo a seconda del numero di
sonde trasduttrici impiegate. Possiamo avere i casi:
due sonde trasduttrici, una trasmittente e l’altra ricevente;
una sola sonda che funge da trasmittente e ricevente
In quest’ultimo caso risulta necessario utilizzare una connessione mediante un
37
connettore a T per collegare i canali di trasmissione e ricezione allo stesso trasduttore,
uno per trasmettere il segnale per l’eccitazione del trasduttore, l’altro per inviare il
segnale ricevuto ad un oscilloscopio per la sua visualizzazione.
A causa di questa particolare configurazione si possono verificare dei problemi di
interpretazione conseguenti alla sovrapposizione delle due differenti sollecitazioni sullo
stesso trasduttore con la generazione di un segnale costituito dalla risultante
dell’interferenza delle onde acustiche all’interno del piezoelettrico.
Nell’esperienza di tesi, così come in altre che hanno preceduto, si è lavorato
utilizzando due sonde indipendenti.
3.3. METODOLOGIA APPLICATIVA
La metodologia operativa da noi scelta consiste nell’inviare nel provino, attraverso
il trasduttore emettitore una successione di treni d’onda costituita da una serie di
impulsi, burst, che si propagano all’interno del materiale venendo così riflessi dalla
superficie limite opposta o da eventuali difetti in esso presenti.
L’energia riflessa viene poi ricevuta sulla medesima superficie da un secondo
trasduttore che funge da ricevitore.
Il segnale ricevuto può essere visualizzato su un oscilloscopio ed analizzato al
fine della determinazione del “tempo di transito” occorrente al segnale per attraversare il
manufatto e tornare indietro.
Al fine di applicare la tecnica è necessario fare una premessa circa il percorso del
segnale all’interno del provino. Tra i vari tragitti possibili è necessario considerare quello
più probabile. Per far ciò si considera quel segnale che compie il percorso più breve
senza essere oggetto di riflessioni multiple.
Il segnale considerato è pertanto quello “diretto”, che una volta trasmesso percorre
38
una traiettoria rettilinea, si riflette e ritorna indietro con percorso rettilineo.
Figura 1: Percorso del segnale diretto
In figura è rappresentata la schematizzazione del percorso del segnale diretto
all’interno del mezzo. La sollecitazione compie il tragitto 1 2 3 di lunghezza 2L in
un tempo t (tempo di transito). Se si riferisce il tutto alla distanza tra le sonde, che è
nota, lo spessore del provino può essere ottenuto attraverso una ricostruzione
trigonometrica ovvero con la più semplice applicazione del noto “teorema di Pitagora”.
3.4. PROBLEMATICHE
Esistono tuttavia alcune problematiche sperimentali di non semplice risoluzione
che accompagnano una trattazione teorica semplicissima che sono proprio l’oggetto del
presente lavoro e di tanti altri studi che nel mondo si affannano per cercare di rendere
applicabile ai materiali da costruzione di natura “composta” le tecniche di indagine
ultrasonica mediante riflessione.
I problemi principali sono connessi con la natura intrinsecamente disomogenea dei
materiali da costruzione di natura composta, quali i calcestruzzi, le malte ecc. (non
inglobando in questa definizione i materiali metallici e le plastiche ed i legnami che non
39
sono oggetto di trattazione), che presentano all’esame ultrasonico tutta una serie di
inconvenienti che, già trattati nei precedenti capitoli, possono essere qui sintetizzati:
1. Attraversamento del manufatto e fenomeni di attenuazione;
2. Rilevamento delle imperfezioni e frequenze utilizzate;
3. Fenomeni dispersivi o scattering e riflessioni multiple.
Il primo ostacolo da superare è quello di avere a disposizione un segnale che sia
sufficientemente “potente” che permetta di poter superare i fenomeni dispersivi, molto
marcati in questi materiali, al fine di ottenere in ricezione un segnale sufficientemente
“alto” da poter essere rilevato. A questo problema si cerca di ovviare in vari modi, sia
aumentando la potenza del segnale inviato mediante amplificazione, sia amplificando
anche in segnale ricevuto dal trasduttore. Per dare una idea dell’entità della dispersione
si tenga presente che in un provino di 10/15 cm di spessore realizzato in malta
cementizia senza aggregati (molto omogeneo) un segnale di 20 Vpp giunge con
un’ampiezza ridotta a 100/200 mVpp con un fattore riduttivo di circa 200 volte !
La metodologia da noi seguita è stata proprio questa. Si è “lavorato” il segnale in
trasmissione amplificandolo e nuovamente si è provveduto ad amplificare il segnale in
ricezione che a sua volta è stato filtrato ed elaborato mediante un opportuno circuito
elettrico di amplificazione. La descrizione degli amplificatori di segnale è riportata nel
capitolo 5 mentre i programmi di elaborazione e controllo verranno trattati al capitolo 6.
Altro problema è quello della frequenza di lavoro. Essa è direttamente collegata
agli altri parametri del treno d’onda quali la velocità ne mezzo e la lunghezza d’onda.
Inoltre per quanto visto nel primo capitolo essa gioca un ruolo fondamentale nella
riflessione degli ostacoli presenti sul percorso. Se si tiene presente che un calcestruzzo
è un mezzo ad alto grado di disomogeneità costituita dagli aggregati, che in questo
caso proprio non possono essere chiamati inerti inquanto inerti non sono dal punto di
40
vista ultrasonico (se mai la fossero anche da quello resistivo!), la frequenza da
impiegare deve essere tale da non essere oggetto di riflessione da parte degli
aggregato ma li deve superare come se fossero “trasparenti”. Condizione affinché un
oggetto non sia causa di riflessione è che la sua dimensione trasversale “a” sia “molto
più piccola” della lunghezza d’onda utilizzata. Ovvero è necessario che le lunghezza
d’onda siano molto più grandi delle naturali e fisiologiche imperfezioni del cls e di
conseguenza a causa della relazione inversa tra frequenza e lunghezza d’onda (tramite
la velocità) è necessario che le frequenze impiegate siano “piccole”. I concetti di “molto
più grande” o “molto più piccolo” sono evidentemente di difficile comprensione ma
numerosi studi hanno messo in evidenza che nei materiali come i calcestruzzi e le
malte (che non hanno inerte ma che non possono essere certo considerate omogenee
come un acciaio) le frequenze non debbano superare i 100kHz.
Nella nostra esperienza si è lavorato con frequenza di circa 52 kHz.
Per quanto riguarda i fenomeni di scattering e riflessioni multiple essi sono
fenomeni che hanno origine dalla morfologia interna del manufatto, come pezzatura e
disposizione della matrice degli aggregati, o dalla conformazione geometrica del pezzo
da esaminare e sono fenomeni con i quali è necessario imparare a convivere inquanto
quasi impossibili da governare proprio a causa della loro natura casuale ed
indipendente dalla strumentazione impiegata.
Il problema della forma del segnale verrà trattato nei capitoli seguenti quando
verranno descritti gli amplificatori.
Purtroppo anche l’ipotesi della misura dello spessore con la sua semplicissima
trattazione teorica non risulta altrettanto semplice in fase pratica. Per determinare
l’entità del percorso del fascio ultrasonico, 2L, è necessario conoscere il valore della
velocità all’interno del mezzo. Infatti il percorso viene calcolato in base al tempo di
41
percorrenza 2L=Vt. La velocità del materiale è una incognita importante nella
risoluzione del problema ma, per il suo utilizzo nelle misure, è necessario determinarla
per altra via ed immetterla nell’equazione dello spessore come una costante la quale
esprima le caratteristiche fisico/acustiche del mezzo in esame. Dalla formula della
velocità V=s/t infatti è possibile estrarre una sola grandezza nota l’altra ed in funzione
del tempo: lo spazio nota la velocità, oppure la velocità noto lo spazio percorso.
Pertanto prima di applicare la metodologia da noi nel seguito descritta sarà
necessario determinare sperimentalmente il valore della velocità caratteristica del
manufatto in esame ovvero ipotizzarla conoscendo quella determinata per materiali
simili. Per un calcestruzzo le velocità hanno un range di variabilità che va da oltre 4500
m/s per un calcestruzzo di ottima qualità a quelle inferiori di 3000 m/s per uno di qualità
scadente, mentre per le malte un ordine di grandezza può essere dai 1600 m/s ai 2200
m/s (misure confermate dalle precedenti esperienze condotte in laboratorio e nel corso
della presente tesi).
Un altro problema che deve essere affrontato è quello della precisione nella
misura del “delta di tempo” infatti da essa dipende la precisione nella determinazione
dello spessore. Per una velocità di 2000 m/s l’errore di un microsecondo (1x10-6 s)
influisce per circa 2 mm sullo spessore, per una velocità doppia l’errore si raddoppia
ecc.
Al fine di ottenere sempre una determinata precisione, che fosse costante da un
rilevamento all’altro, il semplice oscilloscopio, per quanto elettronico e potente come
quello da noi in dotazione, non è più sufficiente. Non per sua scarsa precisione ma
perché l’operazione di misura è demandata al posizionamento manuale dei cursori da
parte dell’operatore.
Per poter eseguire correttamente questa fase per via manuale è necessaria una
42
notevole applicazione del tecnico che deve raggiungere una esperienza ed una
sensibilità tale da garantire una accuratezza nell’esecuzione della misura. In maniera
del tutto analoga a quello che succede nella topografia mediante l’utilizzo degli
strumenti di rilevamento. Certamente durante il corso della presente tesi si è lavorato
molto sulla misura “manuale” al fine di raggiungere una certa conoscenza del fenomeno
che poi ci ha permesso di individuare quali fossero le strade da percorrere per una sua
automazione.
Per ovviare a ciò si è ricorso all’utilizzo dell’elaboratore elettronico al fine di
automatizzare la sequenza di misura attraverso dei programmi appositamente realizzati
che permettono l’acquisizione del segnale e la conseguente misura dei tempi in modo
automatico e con precisione costante. Questa parte verrà approfondita durante la
descrizione dei programmi di calcolo.
3.5. IL PROBLEMA DELL’ACCOPPIAMENTO
Rappresenta una fase essenziale nella buona riuscita dell’esperienza. Infatti
dall’accoppiamento sonda/manufatto dipende la qualità delle misure che verranno
effettuate.
Nei metodi diretti, o per contatto, è di fondamentale importanza la scelta del
mezzo di accoppiamento al fine di assicurare la trasmissione del segnale. Invece nei
metodi “per immersione” l’accoppiamento viene realizzato per mezzo del fluido di
accoppiamento rendendo quindi marginale il problema.
Il “mezzo di accoppiamento” è quello strato di materiale che si interpone tra sonda
manufatto al fine di realizzare il passaggio del fascio ultrasonico dal trasduttore al
manufatto. Esso ha pure la funzione di rendere omogenea la superficie di contatto tra
sonda e provino al fine di evitare le riflessioni superficiali.
43
Inoltre deve possedere delle caratteristiche acustiche tali da non essere egli
stesso di ostacolo al passaggio del fascio ultrasonico.
Ottimo mezzo di accoppiamento si è dimostrato essere il grasso di vaselina in
grado di conferire alla superficie in esame un alto grado di uniformità e nel contempo
assicurare ottime capacità di trasmissione del segnale.
Purtroppo l’utilizzo del grasso di vaselina presenta anche degli inconvenienti che
sono quello di imbrattare le superfici creando uno strato che anche dopo l’esperienza
diviene di difficile pulizia, il che non si presta certamente ad un suo utilizzo del campo
della diagnosi finalizzata al restauro di edifici storici o di particolare pregio. Inoltre
presenta una caratteristica di forte adesione tra sonda e manufatto che se da un lato
assicura un ottimo passaggio del segnale diviene un grosso ostacolo in fase di distacco
della sonda con il procedimento automatico richiedendo grosse forze di distacco che
pongono in difficoltà l’equilibrio del sistema carrello portasonde.
Si sono fatte numerose prove per testare altri mezzi di accoppiamento mediante
l’interposizione di un materiale “terzo” tra sonda e vaselina.
Alcuni tentativi si sono portati avanti accoppiando uno strato di carta paraffinata di
natura plastica al manufatto e stendendo, dal lato sonda, uno strato di vaselina.
L’accoppiamento ottenuto presentava una attenuazione superiore alla sola vaselina ma
risultavano incompatibili i due materiali al punto che la carta paraffinata (di probabile
composizione in lattice) veniva sciolta o fortemente deteriorata da contatto con la
vaselina.
Identico risultato si è ottenuto utilizzando della pellicola trasparente polivinilica che
fungeva da contenitore per la realizzazione di un “cuscino” di vaselina interno. Anche in
questo caso unitamente al fenomeno attenuativo si è notata una incompatibilità tra i
materiali.
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Un risultato invece inaspettatamente positivo ha fornito l’utilizzo di un
accoppiamento tra un sottile foglio di carta in alluminio (quella da cucina) steso sul
materiale il quale sull’altro lato presentava la interposizione di uno strato di olio
lubrificante. L’accoppiamento veniva ottenuto facendo in modo che la sonda nel
momento del suo avvicinamento al materiale fosse sempre dotata di una patina di olio
lubrificante che veniva posizionata mediante apposita “pipetta” lubrificante da
meccanico. L’olio lubrificante però, a causa della non sufficiente viscosità, colava via
rendendo necessario un sistema di raccolta.
Il problema che si pone in questo modo è la realizzazione di un eventuale sistema
automatico di lubrificazione, già in studio, al fine di testare al sua utilizzazione per le
applicazioni future.
Sempre mediante l’utilizzo dell’olio lubrificante quale materiale d’accoppiamento si
è cercato di provare l’utilizzo di uno strato di carta assorbente per alimenti che
trattenesse l’olio ma questo si è rivelato completamente inadatto e tale da non
permettere accoppiamento alcuno.
Al momento le esperienze condotte ci hanno portato a considerare praticamente
equivalenti gli accoppiamenti ottenuti mediante sola vaselina e quello ottenuto
utilizzando l’alluminio e l’olio lubrificante. La natura meno adesiva del secondo lo ha
fatto preferire in fase di sperimentazione del sistema automatico.
45
4 PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA AUTOMATIZZATO PER
LA DETERMINAZIONE DELLO SPESSORE
4.1. INTRODUZIONE
Come si è più volte precisato l'obbiettivo di questo lavoro sperimentale è quello di
sviluppare una apparecchiatura che consenta una indagine di tipo ecografico nel
calcestruzzo con un processo che fosse del tutto automatizzato limitando al minimo gli
interventi dell’operatore che rimangono essenziali in fase di predisposizione del test.
Il primo passo verso una tale tipologia di indagine è quello di riuscire a
determinare lo spessore di un provino di calcestruzzo (o di altro materiale da
costruzione) sottoposto ad esame mediante la tecnica ultrasonica denominata
"Echopulse" (o "puse echo" secondo la dicitura in inglese) che permette una indagine
accedendo al provino da un solo lato (la superficie accessibile nel caso più generale)
contrariamente alle altre tecniche ultrasoniche dette "per trasmissione" le quali invece
prevedono che l'elemento sottoposto ad indagine sia accessibile da due lati opposti.
Questa tecnologia di indagine è oggetto di studi (come descritto nel capitolo 3 e
nelle citazioni in bibliografia) che vedono coinvolti numerosi enti ed università in tutto il
mondo (Stati uniti e Germania soprattutto) e può contare anche su una “rete” di contatti
che attraverso Internet (www.ndt.net in particolare) collega gli studiosi del settore
permettendo una diffusione degli ultimi studi e ricerche e lo scambio di opinioni su
procedure, metodi e sistemi di indagine attraverso un Forum di discussione
permanentemente aperto alle discussioni spesso accese tra i vari ricercatori del settore.
Nel presente capitolo verrà descritto il sistema di misura che si ha in studio con
particolare riferimento a quanto da noi praticamente progettato e realizzato quale
strumentazione interamente realizzata presso il laboratorio di “Misure Meccaniche e
Termiche” del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.
47
4.2. DESCRIZIONE DEL SISTEMA SVILUPPATO.
Il sistema da noi progettato è stato realizzato avendo come obbiettivo finale la
completa automatizzazione del processo di diagnosi ultrasonica degli elementi
costruttivi dell’ingegneria civile. Si voleva realizzare un’apparecchiatura che fosse in
grado di replicare automaticamente le varie fasi che normalmente vengono effettuate a
mano dall’operatore. Queste fasi sono appresso schematicamente evidenziate come:
posizionamento delle sonde sul manufatto;
accoppiamento delle sonde sul manufatto;
invio e ricezione del segnale ultrasonico diagnostico;
elaborazione del segnale ricevuto e sua analisi in termini di tempo di transito.
Per realizzare il posizionamento delle sonde sul manufatto è stato realizzato un
sistema di carrelli e bracci mobili che, per mezzo di motori controllati via software,
permettono il movimento verso destra e verso sinistra del carrello portasonde e del
movimento in avanti (verso il manufatto) ed indietro del braccio mobile portasonda che
permette l’accoppiamento dei trasduttori al manufatto per mezzo della pressione
esercitata sul portasonda.
L’intero sistema è costituito da due coppie di carrelli che permettono il rilevamento
indipendente dai due lati del provino ovvero da due posizioni distinte sul medesimo lato
nel caso il secondo non fosse accessibile. In figura 2 viene evidenziato il sistema di
movimentazione delle sonde.
L’invio e la ricezione del segnale ultrasonico sono anch’essi regolati via software,
attraverso un opportuno programma di controllo del generatore di funzioni d’onda, che
permette di ottenere il segnale desiderato che successivamente viene inviato alla
scatola di amplificazione e deviazione che ha il compito di aumentare la potenza del
48
segnale generato ed inviarlo, dietro apposito comando inviato via software,
alternativamente a ciascuno dei due canali ai quali è collegato un trasduttore
trasmettitore.
Figura 2: Schema sistema carrelli
Il sistema permette la gestione contemporanea di due coppie di trasduttori, uno
emettitore e l’altro ricevente, che possono essere posizionati su entrambi i lati del
manufatto da esaminare (nel caso siano entrambi accessibili) al fine di ottenere una
conferma della misura effettuata ovvero di ottenere la ricostruzione della situazione di
eventuali vuoti interni mediante la sovrapposizione delle due proiezioni rilevate con lo
schema descritto in figura 3. Il sistema è comunque in grado di funzionare solamente
con un solo gruppo sonde nel caso il manufatto non risulti accessibile da ambo i lati.
Il segnale viene poi ricevuto da un secondo trasduttore che lo invia ad un secondo
amplificatore di segnale, anch’esso a due canali indipendenti, che ha il compito di
amplificarlo ed elaborarlo per mezzo di un circuito elettrico al fine di renderlo idoneo alla
successiva sua acquisizione attraverso l’oscilloscopio per mezzo del protocollo di
comunicazione GPIB.
49
Figura 3: Principio rilevamento anomalie interne
A questo punto il programma all’elaboratore elettronico, appositamente realizzato,
è in grado di acquisire i tre segnali, quello generato che serve quale base di misura ed i
due ricevuti dai trasduttori riceventi, e attraverso una loro comparazione stabilire gli
intervalli di tempo che hanno determinato il transito del fascio ultrasonico all’interno del
manufatto. In base a questo tempo ed in relazione alle caratteristiche fisiche del mezzo
in esame, fornite per mezzo della velocità caratteristica del fascio ultrasonico, permette
di ottenere la misura dello spessore del manufatto in esame.
Nello schema in figura 4 è descritto il sistema di misura realizzato ponendo in
evidenza i vari componenti nonché il percorso seguito dai segnali ultrasonici e di
controllo della strumentazione via software.
L’interfaccia che permette il controllo e l’acquisizione dei dati è costituita da una
scheda DAQ ed una scheda GPIG integrate sul computer gestibili a livello utente
attraverso un software dedicato realizzato nella piattaforma di programmazione
LabWIEW che permette l’integrazione dei singoli componenti.
50
Figura 4: Schema del sistema di misura.
Per consentire il corretto posizionamento delle sonde sul manufatto il sistema di
carrelli mobili è montato sopra una impalcatura apposita costituita da angolari in acciaio
imbullonati del tipo di quelli utilizzati nella realizzazione di scaffalature metalliche. Il
supporto è costituito da quattro montanti sui quali sono fissati trasversalmente due
angolari che fungono da supporto per il binario del carrello longitudinale.
Il provino viene sistemato all’interno di questa impalcatura in modo da avere una
posizione nota rispetto ai sistemi dei carrelli. In figura 5 viene presentata una immagine
del sistema di supporto dei carrelli portasonda.
51
Figura 5: Vista schematica struttura portasonde.
4.3. PROGETTO DEL SISTEMA DI GENERAZIONE E TRATTAMENTO DEL SEGNALE.
L'indagine attraverso la tecnica di diagnostica ultrasonica “Ecopulse” può essere
scomposta in alcune fasi attraverso le quali è possibile analizzare la strumentazione e
porre in evidenza problematiche e metodologie di indagine.
Tali fasi sono:
1. Generazione del segnale ultrasonico;
2. Amplificazione del segnale in Trasmissione;
3. Trasmissione del segnale attraverso il mezzo in esame;
4. Ricezione, amplificazione ed analisi del segnale di ritorno.
52
4.3.1.GENERAZIONE DEL SEGNALE
Per la generazione del segnale ultrasonico si è utilizzato un generatore di forme
d'onda, modello HP 33120A, in grado di produrre varie tipologie di segnale che risulta
facilmente interfacciabile al personal computer per un suo controllo totale via software
attraverso il protocollo GPIB. Con tale apparecchiatura è possibile scegliere tra alcuni
segnali standard (come l'onda sinusoidale la quadra e la triangolare) ai quali è possibile
attribuire frequenze diverse e amplificazioni che raggiungono al massimo i 10 Vpp (volt
picco-picco). Il sistema è in grado di lavorare sia con una emissione continua che con
un impulso "burst" regolabile nel numero di impulsi inviati. Proprio con la funzione di
Burst si è scelto di operare al fine di poter disporre non di una emissione, e quindi
ricezione, continua ma di un segnale impulsivo che potesse rendere facilmente
individuabile l’eco di ritorno.
Oltre queste forme standard è possibile generare delle forme d'onda arbitrarie, ma
questa funzione non è stata impiegata.
Il controllo totale della generazione del segnale viene effettuato mediante un
interfaccia software realizzata per mezzo del linguaggio di programmazione LAB Wiew
5.0.1 che permette una gestione dell’apparecchiatura mediante il protocollo di
comunicazione GPIB.
4.3.2.AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE IN TRASMISSIONE
Il segnale così generato non può essere trasmesso direttamente al provino da
esaminare in quanto la sua potenza non è sufficiente a permettere l’attraversamento del
manufatto, o anche se lo fosse, a farlo tornare indietro con intensità sufficiente ad
essere rilevato, a causa dei forti fenomeni dispersivi e di attenuazione che si
53
manifestano fortemente nel calcestruzzo si rende pertanto necessaria una sua
amplificazione.
E' stato necessario rivedere la strumentazione utilizzata nelle precedenti ricerche
le quali avevano ben evidenziato quale fosse il limite principale del metodo, il quale non
permise misure di spessori troppo elevati (dell'ordine dei 15 cm), individuato
principalmente nella bassa intensità del segnale trasmesso.
Si è provveduto pertanto a rivedere il sistema di amplificazione variando
essenzialmente la potenza di alimentazione fornita al circuito elettrico di amplificazione.
L'amplificatore di segnale è costituito da:
Alimentatore atto a fornire la potenza necessaria all'elevazione del segnale. E'
stato realizzato collegando in serie tre alimentatori stabilizzati in grado di
fornire ciascuno una tensione continua da 0 a 25V, con intensità di corrente di
5A, si è riusciti quindi a fornire al sistema una tensione continua di circa 76V.
Switch di potenza nel quale confluiscono la tensione degli alimentatori ed il
segnale generato. Lo switch, costituito da un Diodo BY359 e da un Mospower
P471, viene pilotato dal generatore di impulsi ed ha la funzione di incrementare
in ampiezza il segnale inviato.
Trasformatore di tensione innalzatore che, collegato in serie, permette un
ulteriore innalzamento del segnale con un moltiplicatore pari a circa 2 volte che
permette di raddoppiare l'intensità di picco del segnale. In questo modo si
riesce a raggiungere una tensione di picco del segnale trasmesso di circa
150V.
Il segnale di pilotaggio sonda, mediante un sistema di commutazione a relè
controllato tramite software, può essere inviato alternativamente al trasduttore di
interesse.
54
Nel circuito si possono evidenziare le sezioni di:
1. Trasmissione e stabilizzazione della tensione di controllo relè;
2. Optoisolamento del segnale proveniente dalla scheda DAQ e di pilotaggio del
relè al fine di proteggere la scheda DAQ da eventuali corto circuiti.
Quando il relè non è eccitato, in condizione di riposo, il segnale ultrasonico passa
attraverso il canale 1, quando il relè viene eccitato dal segnale elettrico proveniente dal
computer si realizza il cambiamento di canale ed il segnale passa attraverso il canale 2
diretto verso la seconda sonda di trasmissione. In questo momento sul pannello frontale
della scatola di amplificazione si accende un led rosso che indica che il canale 2 è
attualmente in uso.
L’alimentazione per il circuito di deviazione (+5 V DC) è fornita per mezzo di un
trasformatore collegato alla rete elettrica (220 V AC) che per mezzo di un opportuno
circuito di alimentazione, anch’esso integrato sulla scheda, provvede ad alimentare, in
corrente continua, il circuito integrato, i transistor ed il relè che comandano la
deviazione del segnale.
Figura 6: Schema realizzativo circuito pilotaggio del relè.
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Nella figura 6 è rappresentato lo schema realizzativo del circuito elettrico di
controllo relè mentre la componentistica è indicata in tabella 1.
Componentistica circuito di pilotaggio a relèI1 Circuito integrato UA 741 CNR1 Resistenza 1 kC1 Condensatore elettr. 2200 mFC2 Condensatore 100 pFC3 Condensatore 105 mFC4 Condensatore elettr. 100mFD1 DiodoD2 Diodo ultrafast BY 359-1000D3 Diodo LEDT1 TransistorM1 Mospower IRF P 741-150IC1 Regolatore 7805 ctRS1 Raddrizzatore ponte di diodi WI 06 fRelè Relè
Trasf 1 Trasformatore p. 220 V s. 18+18 VTrasf 2 Trasformatore innalzatore
Tabella 1: Componentistica circuito pilotaggio Relè
Tutto il sistema di amplificazione e controllo realizzato su circuito stampato, è stato
cablato all’interno di un contenitore in ABS di dimensioni contenute dotato di connettori
rapidi per l’interfaccia mediante cavi schermati ai dispositivi hardware.
Il sistema risulta interfacciabile ai dispositivi hardware mediante i connettori:
Due di ingresso dell’alimentazione (positivo e negativo);
Due di ingresso del segnale proveniente dal generatore (positivo e negativo);
Due uscite per ciascun canale (positivo e negativo);
Un connettore tipo BNC per il segnale di pilotaggio.
Sul pannello frontale è altresì presente un led rosso che indica lo stato di
eccitazione del relè. Sul retro invece trova posto l’interruttore di tensione della rete
elettrica.
Nella figura 7 è invece visualizzata la conformazione della scheda con le piste e le
piazzole di innesto della componentistica in tabella 1.
56
Figura 7: Scheda circuito stampato Amplificatore/Deviatore
Come si rileva il problema dell'amplificazione è di fondamentale importanza nel
campo della sperimentazione in esame, esso costituisce un compromesso tra
l'esigenza di poter contare su un segnale sufficientemente elevato e l'esigenza,
altrettanto importante, di trasmettere un segnale "pulito" e quanto più regolare possibile.
Infatti l'inserimento nel sistema del trasformatore innalzatore genera tutta una
serie di interferenze e distorsioni del segnale che fanno sì che la forma sinusoidale in
uscita dal generatore di segnale venga alterata e distorta.
La conformazione finale di questo circuito è il frutto di numerose prove e tentativi
per ottenere il massimo risultato possibile. Inizialmente si era pensato di lavorare
"tagliando" completamente la parte negativa del segnale sinusoidale mediante l'utilizzo
di un diodo ed un condensatore che, collegati in parallelo, trasformavano il segnale in
un impulso molto elevato costituito dalla sola parte positiva.
Successivamente, ed in seguito ad altre prove, si è deciso di trasmettere al
provino il segnale nel modo così come usciva dall’amplificatore, evitando l’utilizzo di un
diodo ed un condensatore in parallelo in uscita, e “lavorare” poi, filtrandolo e
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manipolandolo, il segnale ricevuto per mezzo di un secondo circuito attivo.
4.3.3.TRASMISSIONE DEL SEGNALE
Il segnale generato ed amplificato viene inviato, sotto forma di onda di pressione,
all'interno del provino mediante l'utilizzo di un trasduttore piezoelettrico "per contatto",
ottimizzato per frequenze di circa 50 kHz, posizionato sulla superficie mediante l'utilizzo
di un idoneo mezzo di accoppiamento che nella fattispecie è costituito dal grasso di
vaselina FCG in grado di fornire una buona uniformità del contatto assicurando, nel
contempo, una buona capacità di trasmissione del segnale.
Come è stato già accennato il sistema da noi realizzato è in grado di lavorare con
due trasduttori indipendenti che trasmettono il segnale alternativamente all’interno del
provino.
Il problema dell’accoppiamento Sonda-Provino, spesso trascurato e sottovalutato,
si rivela invece essenziale per la buona riuscita delle indagini sperimentali.
4.3.4.RICEZIONE, AMPLIFICAZIONE ED ANALISI DEL SEGNALE DI RITORNO
Anche per la ricezione si è utilizzato un trasduttore piezoelettrico dello stesso tipo
di quello utilizzato per la trasmissione e posizionato sulla medesima superficie con le
stesse modalità di accoppiamento.
Per gli scopi descritti si sono utilizzate due linee differenti che prevedono due
distinti trasduttori riceventi per la ricezione del segnale da entrambi i lati del provino.
Il segnale ricevuto presenta una bassa intensità che lo rende difficilmente
analizzabile, specie per spessori elevati, si è quindi reso necessario predisporre un
secondo sistema di amplificazione dedicato che permettesse di innalzare il valore di
58
picco a circa 5V per una eventuale digitalizzazione by-passando l’oscilloscopio.
L’amplificazione ovviamente viene applicata indiscriminatamente a tutto il segnale
comprendendo gli inevitabili echi generati dalle riflessioni multiple e sulle superfici
all’interno del manufatto.
Per la visualizzazione dei segnali, quello inviato e quello ricevuto dalla seconda
sonda, si è utilizzato un oscilloscopio di media frequenza con controllo digitale, modello
HP 54602A, a quattro canali dotato di modulo di misura
L’oscilloscopio è interfacciabile al personal computer attraverso il protocollo GPIB
per consentire l’acquisizione e la digitalizzazione del segnale per la sua successiva
elaborazione con un software appositamente realizzato.
Il segnale ricevuto dalla sonda deve essere pertanto amplificato per mezzo di un
secondo sistema elettrico di amplificazione da noi realizzato il quale permette di
innalzare il valore massimo dell’ampiezza ad un paio di volt sufficienti per rendere
distinguibile e chiaro il segnale.
Oltre la semplice amplificazione nel sistema progettato avviene anche una
elaborazione che permette una sorta di “integrazione elettrica” del segnale di ritorno che
viene a perdere la sua natura oscillatoria a favore di una nuova, e più comoda per i
nostri scopi, forma di segnale a “gradino”.
Il circuito di amplificazione per il segnale ricevuto da noi progettato e realizzato e
anch’esso dotato di due canali separati ed è quindi in grado di amplificare ed elaborare
separatamente i segnali provenienti da due trasduttori contemporaneamente.
Il sistema è costituito da una parte di amplificazione, una di elaborazione in uscita
ed una di alimentazione (+15V DC) necessaria per il funzionamento del circuito
integrato.
Nella figura 8 è visualizzato lo schema elettrico del circuito completo. Mentre in
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tabella 2 sono riportati i vari componenti.
Figura 8: Schema circuito elettrico Amplificatore in ricezione
Componentistica circuito di amplificazioneI1 Circuito integrato LM 324 NR1 Resistenza 10 kR2 Resistenza 10 kR3 Resistenza 1 kR4 Resistenza 1 kR5 Resistenza 10 kR6 Resistenza 3.3 kR7 Resistenza 100 kC1 Condensatore elettr. 2200 mFC2 Condensatore 100 pFC3 Condensatore 105 mFC4 Condensatore elettr. 100mFC5 Condensatore 100 nFD1 Diodo BYV 27-150T1 Resistenza Variabile 10 kIC1 Regolatore GL 7815IC2 Regolatore GL 7915 RS1 Raddrizzatore ponte di diodi W 04 M
Trasf 1 Trasformatore p. 220 V s. 24+24V
Tabella 2 :Componentistica circuito Amplificazione in ricezione.
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I segnali in arrivo dalle due sonde vengono amplificati mediante due successivi
stadi di amplificazione che risultano integrati nel circuito integrato modello LM 324 N
che costituisce il cuore del sistema di amplificazione.
Tale circuito integrato è costituito da quattro stadi indipendenti che possono
essere utilizzati, a due a due, per la realizzazione dell’amplificazione.
Mediante tutta una serie di resistenze, valutate opportunamente, tra i piedini e il
riferimento elettrico (massa) e tra i due stadi è possibile far variare il guadagno in
termini di amplificazione. Mediante l’inserimento di resistenze variabili, Trimmer, è
possibile far variare il guadagno in termini di amplificazione semplicemente agendo
dall’esterno sulle viti di regolazione del cursore mobile dei Trimmer.
In fase di uscita del segnale amplificato viene effettuata l’elaborazione che per
mezzo di un diodo “ultrafast” collegato ad un condensatore ed una resistenza verso il
riferimento permette di ottenere quella conformazione “a gradino” della quale si è
parlato all’inizio.
Il diodo permette il “taglio” della parte negativa del segnale, lasciando passare
solo quella positiva mentre, il condensatore e la resistenza permettono la
visualizzazione di un segnale continuo che rappresenta una sorta di integrazione del
segnale oscillante dovuta alla capacità del condensatore di caricarsi mantenendo il
livello del segnale in uscita.
L’alimentazione duale +/- 15V che il circuito integrato richiede viene fornita da una
rete stabilizzata che elabora la tensione proveniente dal trasformatore, inserito in rete,
raddrizzata mediante un ponte di diodi e livellata mediante opportuni condensatori ad
un valore finale di circa 25V.
Anche questo circuito è stato realizzato su scheda mediante le procedure che
verranno descritte in Appendice B.
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La scheda del circuito è stata poi inserita in una scatola in ABS, dove trova posto
anche il trasformatore di tensione, che si interfaccia con l’esterno mediante connettori:
Due connettori tipo BNC, uno per canale, per i segnali in arrivo;
Due connettori tipo BNC, uno per canale, per i segnali amplificati in uscita;
Due connettori tipo BNC, uno per canale, per la visualizzazione eventuale del segnale
così come ricevuto dalla sonda senza alcuna amplificazione;
Due viti di regolazione, una per canale, del livello di amplificazione.
Il pannello frontale è provvisto di un interruttore luminoso che indica la presenza
dell’alimentazione di rete e funge da interruttore di tensione al trasformatore.
Nella figura 9 viene riportato il tracciato delle piste nel quale sono evidenziati i
singoli componenti, come da tabella 2, e le piazzole di innesto degli stessi.
Figura 9: Scheda circuito stampato Amplificatore
4.4. ELABORAZIONE DELL’ECHO.
E’ stato più volte sottolineato che il problema della misura della distanza fra la
superficie di generazione dell’onda ultrasonora e quella riflettente il segnale è legata
all’interpretazione dell’echo.
Il segnale ricevuto, infatti, contiene l’informazione sul tempo ma mescolata ad altre
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informazioni (segnali di tempo) derivanti da echi non desiderati.
La definizione della misura risiede nella capacità del sistema di discriminare
l’informazione desiderata dal contesto. Quanto più raffinati sono i metodi al fine di
estrarre l’informazione tanto più complessa può essere la situazione da risolvere.
Il grado di difficoltà, anche a livelli più bassi di “rumore” è comunque elevato
soprattutto se si vuole una interpretazione computerizzata.
Mentre il segnale di pilotaggio del trasduttore appare ben delineato, nella figura 10
è possibile osservare un impulso di pilotaggio costituito da un’unica onda sinusoidale di
ampiezza 5V, quello restituito dal processo, oltre a presentare un basso livello, può
essere caratterizzato da un rapporto “segnale” “rumore” (S/N) molto variabile.
Figura 10: Segnale Ultrasonico generato dal Generatore di forme d’onda
Nella figura 11 è mostrato un tipico segnale ricevuto il quale si può ritenere “quasi
ideale” a causa del basso livello di rumore e che si presta a semplici manipolazioni.
Figura 11: Segnale ricevuto nella sua forma naturale
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L’approccio seguito in questa fase è stato quello di procedere ad una sua
integrazione al fine di ottenere una variazione a “gradino”.
In questa forma diviene significativo, ai fini della nostra misura, non l’entità dello
stacco del gradino (inteso come ampiezza in volt del segnale) dallo zero ma il
momento, inteso come intervallo in microsecondi dal momento in cui viene inviato
l’impulso dal generatore assunto come “zero”, in cui avviene lo stacco che individua
l’istante nel quale il segnale riflesso arriva alla sonda ricevente.
Figura 12: Segnale Ricevuto, dopo l'amplificazione e l'elaborazione
Figura 13: Ulteriore esempio di segnale.
Il segnale amplificato ed elaborato è rappresentato nella figura 12. Si può notare i
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livello di amplificazione e la nuova forma d’onda “a gradino”. Mentre nella figura 13 è
mostrata una seconda serie di segnali nella quale si nota il livello più marcato di
disturbo del segnale “naturale” che si traduce in una più marcata soglia iniziale.
I problemi principali nella progettazione di questo sistema e della sua applicazione
nell’analisi ultrasonica del cls risiedono in:
Valutazione sull’attendibilità della soglia a gradino che si manifesta;
Valutazione delle condizioni che permettono il manifestarsi della soglia;
Valutazione delle condizioni che ostacolano il presentarsi della soglia.
Tra le prime c’è da inserire l’entità del segnale ricevuto, naturale e non modificato,
in termini di ampiezza in corrispondenza dell’eco di ritorno, più quest’eco è “alto” più
chiara e netta sarà l’entità dello stacco, minore è la sua intensità e minore sarà lo
stacco che potrà andare a confondersi con i “rumori” e disturbi di fondo presenti.
Infatti si può rilevare, a seconda della potenza del segnale inviato, tutta una serie
di “finte soglie” o “finti gradini” che sono generati da tutti quei segnali che, non di nostro
interesse ma inevitabili, giungono alla sonda ricevente per effetto delle riflessioni
multiple alle pareti del provino e dell’onda superficiale che giunge direttamente che
possono trarre in inganno l’operatore o falsare completamente la misura se effettuata in
modo automatico mediante il computer.
La comparsa e l’entità di queste “false soglie” si è sperimentato essere in funzione
sia della potenza di pilotaggio del segnale ma soprattutto in funzione
dell’accoppiamento sonda/provino. Per la quota relativa alla potenza del segnale
mediante l’azione sulla intensità del segnale inviato, attraverso la tensione di
alimentazione, al provino è possibile una loro attenuazione mantenendo evidente quella
più alta che corrisponde all’eco significativo che non scompare agendo sull’intensità.
Per quanto riguarda la quotaparte dovuta all’accoppiamento si è rilevato essere quella
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che di gran lunga può causare gli errori nella misurazione al punto tale da poter
considerare l’accoppiamento sonda/manufatto il vero “tallone d’Achille dell’intero
sistema”. Il problema dell’accoppiamento è stato già descritto in un paragrafo a parte.
Questo è fenomeno può essere spiegato ricordando che i segnali di disturbo sono
anch’essi funzione dell’intensità del segnale inviato, se questa è inferiore ad un certo
valore la loro entità è tale da non arrecare disturbo alla misura, se questa è invece
superiore essi divengono paragonabili al segnale di ritorno falsandolo in termini di
intensità e fase il che genera un errore nella misura dei tempi che di conseguenza si
traduce in un errore di misura nello spessore.
Tra le seconde e le terze cause, che risultano condizionate l’una dall’altra, si è
rilevato essere fortemente condizionante la dimensione del provino e la natura della sua
composizione che viene ad influenzare non poco la rilevazione del segnale portando, in
certi casi, a perdere la possibilità di effettuare la misura.
Le prove preliminari sono state condotte su provini cubici di calcestruzzo e malta,
gli stessi utilizzati nelle precedenti esperienze, del tipo in uso per le prove di resistenza
a compressione, ma che a causa delle loro dimensioni limitate rendevano impossibile, o
quantomeno altamente problematica, una misura “per riflessione” con l’apparecchiatura
da noi progettata la quale forniva al segnale una potenza superiore a quella che in
passato era stata fornita per misurare gli stessi provini.
Questo è spiegabile con il fatto che, già descritto in relazione alle prime cause di
errore, aumentando la potenza del segnale trasmesso sono state amplificate anche
tutte quelle onde indesiderate dovute alle riflessioni successive alle pareti del provino e
che, a causa della potenza superiore del segnale, giungono al trasduttore ricevente con
una intensità tale da disturbare e mascherare fortemente l’eco della parete opposta di
nostro interesse.
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Inoltre le dimensioni ridotte dei provini facevano sì che tali segnali causati dalla
riflessione sulle pareti laterali giungessero in anticipo o contemporaneamente al
segnale significativo andando ad interferire con esso (costruttivamente e
distruttivamente) in modo del tutto casuale e non controllabile mascherandolo e
falsandolo in termini di ampiezza. Tale disturbo rende il segnale talmente confuso da
influire sulla certezza delle misure.
Certamente con una osservazione sistematica e continua su provini simili si può
riuscire a riconoscere la forma d’onda e, rilevando i picchi relativi all’eco di ritorno, ad
effettuare comunque la misura, ma questo non è il risultato al quale miriamo.
L’obbiettivo è quello di riuscire ad effettuare una misura dello spessore su un
manufatto esistente, e quindi ignoto a priori, che fosse attendibile, a seguito di un
intervento preliminare del tecnico, in maniera automatica.
Per questo motivo si è orientata la ricerca verso la sperimentazione del sistema e
della strumentazione su provini che permettessero di ridurre gli effetti indesiderati quali
gli effetti di bordo dovuti alle successive riflessioni del segnale sulle pareti del provino.
Unico sistema per ridurre questi inconvenienti è quello di aumentare le dimensioni
del provino rendendo così ininfluenti i segnali di disturbo che giungono alla sonda
ricevente con un ritardo superiore a quello significativo e con una intensità minore
causata dal maggiore percorso che provoca una dissipazione della loro energia.
Impossibile invece si rileva l’eliminazione del segnale dovuto all’arrivo dell’onda
superficiale diretta che si trasmette da una sonda all’altra attraverso la superficie del
provino. Tale segnale diviene però una costante se si mantengono le sonde sempre alla
stessa distanza reciproca, e, comunque è di tipo sistematico, quindi noto ed eliminabile.
Per cercare di eliminare tali disturbi si è proceduto lavorando su provini più grandi,
da prima su un provino di dimensioni 48x48x12, più ampio dei normali dei normali
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“cubetti” di 15 centimetri di lato, e successivamente su un altro di spessore più elevato
48x48x22 realizzato appositamente per verificare la capacità della strumentazione di
esaminare spessori più elevati.
Entrambi i provini sono stati realizzati con malta da intonaco (calce e sabbia fine)
costituita da un misto premiscelato da intonaco commerciale denominato CENUPREM-
F. Questo per poter testare la strumentazione su un materiale pressoché omogeneo e
che non presentasse, da subito, i problemi di scattering relativo agli aggregati.
Anche questa strada si è dimostrata non semplice per tutta una serie di
problematiche di natura logistico/organizzativa che conseguono all’aumento delle
dimensioni dei provini, a partire dalla loro realizzazione (non potendo contare su un
laboratorio universitario funzionante in grado di realizzare quanto a noi necessario) fino
alle problematiche di trasporto e movimentazione degli stessi che raggiungono
facilmente i cento chilogrammi di peso racchiusi in una conformazione ingombrante.
Le nostre tesi circa la necessità di disporre di provini con una conformazione
“ampia” sono avvalorate dall’aver riscontrato che tutte le esperienze da noi rilevate in
letteratura risultavano eseguite su manufatti di dimensioni tali da poter appunto rendere
minimi gli effetti di bordo
4.5. PROGETTO DEL SISTEMA DI CARRELLI PORTASONDA
Il sistema è costituito dai seguenti elementi :
a) Sistema porta-carrello;
b) Carrello porta-sonda e carrello-sonda;
c) Box pilotaggio motori;
d) Supporto Portasonde.
Tutto il sistema meccanico dei carrelli portasonda ed i circuiti stampati nel seguito
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descritti sono stati interamente realizzati nel laboratorio di “Misure Meccaniche e
Termiche” del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.
4.5.1.IL SISTEMA PORTA CARRELLO
Il sistema porta-carrello è costituito da una barra di alluminio di sezione 60 x 10
mm per una lunghezza pari ad un metro. Su di un lato è fissato un montante, in
alluminio di dimensioni 60x10x120, che sorregge il motore passo-passo, le due
pulegge, il cuscinetto a sfera e la barra filettata; sull’altro lato è fissato un altro
montante, sempre in alluminio di dimensioni 60x10x80, che sorregge il cuscinetto a
sfera e la barra filettata.
L’asse del motore passo-passo agisce sulle pulegge che, tramite una cinghia
dentata in gomma, trasferisce il movimento alla barra filettata e quindi genera la
traslazione longitudinale del carrello porta-sonda.
Sulla base del sistema è fissato il binario di scorrimento del carrello porta-sonda;
tale binario è in alluminio ed ha una sezione rettangolare di 15x5 mm per una
lunghezza pari ad 980 mm.
La barra filettata è in acciaio ed ha una lunghezza pari a 1050 mm per un diametro
esterno di 12 mm. Tutti i componenti sono fissati tramite bulloni in acciaio M5 e M3 con
testa svasata e chiusura con chiave a brugola.
4.5.2.CARRELLO PORTASONDA
Il carrello porta-sonda è costituto da una struttura in barre di alluminio di sezione
pari ad 60x10x160 mm. La traslazione longitudinale lungo l’asse del sistema porta-
carrello avviene per mezzo di otto cuscinetti a sfera in acciaio fissati alla base del
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carrello portasonda; la barra filettata del sistema porta-carrello si innesta nella
chiocciola del sistema porta-sonda consentendo la traslazione longitudinale dello
stesso.
Il movimento di avvicinamento della sonda alla parete avviene per mezzo di un
carrello-sonda che scorre, tramite otto cuscinetti a sfera in acciaio, lungo un binario in
alluminio fissato al carrello porta-sonda; la barra filettata del sistema porta-sonda si
innesta nella chiocciola del sistema del carrello-sonda consentendo la traslazione
trasversale dello stesso.
La barra filettata del sistema, che permette la trasmissione del moto, è collegata
ad un motore passo-passo tramite due pulegge dentate e una cinghia di trasmissione
ed ha una lunghezza pari a 180 mm per un diametro esterno di 12 mm.
Le due sonde montate su un apposito supporto, descritto nel seguito, collegato al
carrello-sonda tramite due bracci in alluminio di dimensioni pari a 10x10x150 mm e
fissata all’estremità mediante due viti M5.
Tutti i componenti sono fissati tramite bulloni in acciaio M5 e M3 con testa svasata
e chiusura con chiave a brugola.
4.5.3.BOX PILOTAGGIO MOTORI
Il movimento dei carrelli portasonda viene controllato per mezzo di un software
appositamente elaborato.
Il controllo dei motori passo-passo è gestito attraverso due schede di pilotaggio e
da una scheda di alimentazione contenute in un box, uno per ciascun sistema di carrelli,
in ABS antiurto facilmente trasportabile. Tale box, di dimensioni 12x20x8 cm, ha un
coperchio in alluminio fissato alla scatola tramite quattro viti. Sul fronte della scatola
sono alloggiate due prese da pannello a cinque poli (con chiusura a vite) utilizzate per il
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collegamento, tramite due prolunghe da tre metri, con i motori passo-passo e quattro
LED luminosi indicanti lo stato di funzionamento (2 LED verdi) e quello di inversione di
marcia (2 LED rossi) per ciascun motore. Sul retro del box è alloggiata una presa da
pannello a cinque poli (con chiusura a vite) utilizzata per il collegamento con il computer
ed il cavo di alimentazione alla rete elettrica con un interruttore da pannello.
4.5.4.SCHEDA PILOTAGGIO MOTORI
La scheda di pilotaggio dei motori, una per ogni motore, è stata realizzata nel
Laboratorio di “Misure Meccaniche e Termiche”; lo schema elettrico utilizzato prevede
l'utilizzo di due integrati del tipo L297 e L298N necessari per le sequenze di comando
del motore e di due integrati del tipo L200 per l’alimentazione. L'integrato L297 serve
per inviare all'integrato L298N gli impulsi di clock per far ruotare il motore a diverse
velocità.
La scheda di controllo dei motori passo - passo è alimentata da un alimentatore
che fornisce una tensione di 5 Volt con una corrente massima di 2.5 A.
L’alimentazione è fornita direttamente dalla rete elettrica a 220V che giunge al
trasformatore di tensione, con un proprio circuito stampato, che restituisce una tensione
alternata di circa 36V che poi viene inviata al circuito stampato dell'alimentatore dove
viene trasformata in tensione continua e raggiunge il valore definitivo di circa 5V
necessari all’alimentazione della scheda di controllo dei motori.
4.5.5.SUPPORTO PORTASONDE
Abbiamo descritto precedentemente i carrelli che permettono il movimento
longitudinale e trasversale delle sonda rimane ora da esaminare il modo con il quale
71
queste sonde devono essere fissate ai bracci mobili.
Per consentire questo fissaggio si è studiato e messo a punto quello che abbiamo
chiamato un supporto porta sonde. La sua influenza nel sistema, al pari
dell’accoppiamento sonda/provino, risulta determinante ai fini della riuscita della misura.
Sono state individuate due caratteristiche che essenzialmente deve possedere:
Permettere l’ancoraggio delle sonde ai bracci mobili, e nel contempo
Non impedire la naturale oscillazione dei trasduttori.
l sistema deve infatti poter sostituire la perizia, la sensibilità e la forza di un
operatore umano nell’accoppiare le sonde alla superficie me nel contempo deve evitare
possibili by-pass di trasmissione dei segnali ne deve alterare le caratteristiche
dinamiche delle sonde.
Si è quindi progettato un primo sistema di supporto che realizzasse una sorta di
sospensione delle sonde che pur vincolate restassero libere di oscillare l’una
indipendentemente dall’altra.
La soluzione adottata è stata quella di realizzare un supporto costituito da due
maschera in Plexiglas, dotate di due fori con diametro di poco superiore a quello dei
trasduttori (circa 40 mm), accoppiate a vite con interposto uno strato di caucciù sopra il
quale trovano posto sonde adagiate ed incollate per la parte superiore. Il fissaggio delle
sonde al tappeto gommoso avviene per mezzo di semplice nastro biadesivo o mediante
un adesivo del tipo di quello utilizzato per sospendere gli specchietti retrovisori al
parabrezza delle automobili. Il fissaggio delle sonde al caucciù deve essere esteso per
una zona limitata da renderne “quasi puntuale” la zona di adesione. Questo
evidentemente è di difficile realizzazione ma si è cercato di ridurre al minimo la zona di
adesione. Le dimensioni della maschera in plexiglas e lo schema del portasonde sono
riportati nelle figure 14 e 15.
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Figura 14: Dimensioni maschera in plexiglas
Figura 15: Vista assonometrica e schema del portasonde.
Con questa tipologia di collegamento non si alterano prestazioni dinamiche delle
sonde. L’esperienza ha confermato la bontà del progetto non presentando differenze
sostanziali fra i segnali prodotti nella situazione artificiale e tradizionale.
Il supporto portasonde unitamente alla flessibilità del collegamento deve garantire
solidità in fase di accoppiamento sonde/provino tale da essere in grado di resistere alle
sollecitazioni conseguenti all’accoppiamento. Infatti in fase di accoppiamento il supporto
portasonda viene spinto dai bracci mobili verso il manufatto con tale movimento le
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sonde vengono spinte sulla gomma che si deforma. In fase di disaccoppiamento invece
le sonde vengono allontanate dal manufatto con una forza tale da far vincere la forza di
adesione che si è creata a causa del mezzo di accoppiamento (molto forte nel caso
della vaselina pura, quasi nulla in caso di olio lubrificante). In questo caso le sonde
vengono “tirate” e la forza si scarica sull’adesivo sonda/gomma che deve essere tale da
resistere allo strappo. Quanto da noi realizzato pertanto consiste in un giusto
compromesso tra le esigenze di flessibilità delle sonde e solidità dell’intero supporto.
Attualmente è in studio, per gli sviluppi del sistema, un secondo sistema di
portasonda che prevede una struttura analoga ma accoppiata ad un sistema che preme
le sonde sul manufatto mediante una camera d’aria in pressione.
74
5 PROGRAMMI PER L’ELABORATORE ELETTRONICO
5.1. INTRODUZIONE
Si è sempre precisato che l’obbiettivo finale della presente sperimentazione ricada
nella realizzazione di un’apparecchiatura di misura automatizzata che permettesse il
controllo ultrasonico delle costruzioni. In tal modo non è certamente pensabile di
lasciare all’operatore il compito di eseguire “manualmente” la misura. Tutte le fasi della
misura, dal posizionamento delle sonde, all’accoppiamento delle stesse sul manufatto,
dall’invio del segnale ultrasonico alla sua ricezione e rappresentazione finale quale
misura, sono state concepite in modo da poter essere totalmente controllabili e gestibili
via software sotto il diretto controllo del tecnico che non scompare ma assume un ruolo
di coordinamento e controllo della misura.
Si è deciso di interfacciare la strumentazione utilizzata (generatore di forme
d’onda, oscilloscopio, motori passo-passo di controllo del posizionamento) con un
elaboratore elettronico realizzando appositi programmi di gestione e controllo.
Programmi che devono avere la caratteristica peculiare di essere facilmente
comprensibili ed utilizzabili dall’utente finale che, completamente a digiuno della
procedura che ha portato alla loro realizzazione, ha il solo interesse nella realizzazione
della misura.
Si è adoperato un linguaggio di programmazione che permettesse la realizzazione
di qualcosa che richiamasse un normale strumento di misura che fosse facilmente
controllabile per mezzo dei suoi pulsanti, manopole e display permettendo la messa a
punto e l’utilizzo dell’intera strumentazione ad esso collegata come se si trattasse di
tradizionali strumenti “reali” e non “virtuali”.
Si è ricorso a quelli che vengono comunemente chiamati “Strumenti Virtuali”
(anche detti VI dall’abbreviativo di Virtual Instruments) che consentono una operazione
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di misura non più gestita da astrusi messaggi codificati ma tramite delle semplici
visualizzazioni in forma grafica sul monitor del personal computer.
5.2. STRUMENTI VIRTUALI
Questo particolare tipo di elaborazione tende a facilitare notevolmente l’operatore,
per il fatto che si ritrova ad utilizzare elementi analoghi a quelli che si trovano sui
comuni strumenti di misura “tradizionali”, con la differenza sostanziale che non agirà
direttamente su questi ultimi ma su di essi attraverso il mouse ed i tasti cursore.
Lo strumento virtuale offre, inoltre, la possibilità di poter operare con più strumenti
contemporaneamente sullo stesso pannello frontale.
Esistono diverse tipologie di indicatori, tra i quali i più pratici e quindi utilizzati sono
quello di tipo numerico ed a indice. Quest’ultimo ha il vantaggio di visualizzare sullo
schermo tutta la scala di valori della grandezza presa in considerazione consentendo
all’operatore con un solo colpo d’occhio di avere un’idea della misura effettuata inserita
in una graduazione che egli stesso ha impostato. Viceversa, pur non offrendo questa
possibilità, un indicatore numerico risulta essere molto più accurato e versatile
soprattutto per quanto riguarda le opzioni che fornisce all’utente nella visualizzazione
della precisione del risultato.
Un altro aspetto rilevante e molto importante di questi strumenti di misura risulta
essere l’ampia libreria di blocchi funzionali a disposizione per rappresentare ingressi ed
uscite: se si desidera impiegarne uno è sufficiente richiamarlo dal menù principale ed
inserirlo.
Tutto ciò permette all’operatore esperto di misure, abituato ad operare con simboli
e con strumenti “reali, senza necessariamente basi di informatica di imparare ad
interagire in poco tempo con lo strumento di misura come se questo fosse reale e non
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“virtualmente” presente sullo schermo del computer.
Le potenzialità di elaborazione consentono di agevolare l’utente nell’utilizzo dello
strumento e le capacità grafiche del personal computer, unite alle moderne tecniche di
programmazione, hanno permesso di realizzare un linguaggio di programmazione nel
quale tutte le istruzioni vengono assegnate per via grafica posizionando, anziché
digitando, le istruzioni sul monitor.
5.3. CARATTERISTICHE GENERALI DEI PROGRAMMI
Per il raggiungimento dei nostri scopi si è scelto di utilizzare un linguaggio di
programmazione di tipo grafico denominato LabWIEW (Laboratory Virtual Instrument
Engineering Workbench) della National Istruments nella sua versione 5.0.1.
Questa piattaforma di programmazione, semplice nella sua impostazione e
provvista di numerose utility ed interfacce con i principali strumenti di misura, è da
diversi anni utilizzato all’interno del laboratorio di “Misure Meccaniche e Termiche” del
dipartimento di Ingegneria Meccanica per le più svariate applicazioni (dalla misura della
conducibilità termica dei mattoni in terra cruda all’applicazione sugli eco-cardiografi alle
misure ultrasoniche sui manufatti cementizi) con ottimi risultati sia in termini di
precisione che in termini di chiarezza espositiva della misura che abbandona il normale
tabulato, al quale spesso si è abituati, per assumere la presentazione che l’utente
desidera a seconda delle sue esigenze.
Tale linguaggio è organizzato in maniera tale da consentire la suddivisione del
lavoro in più operazioni semplici permettendo di fare riferimento a numerosi esempi
presenti nelle sue librerie. Tuttavia per il suo utilizzo, così come per tutti i linguaggi di
programmazione, sono necessari una completa conoscenza delle sue caratteristiche ed
una notevole applicazione.
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Ciascun programma si struttura in quattro componenti fondamentali:
1. Il Pannello Frontale. Costituisce per l’utente finale un’interfaccia interattiva, in
cui sono contenuti controllori ed indicatori. I controllori permettono di regolare
i dati di input mentre gli indicatori costituiscono i tradizionali canali per i dati in
output. Sia i controllori che gli indicatori possono assumere delle
conformazioni “visive” differenti che facilitano la lettura e l’immissione dei
dati. Tra i primi i più comuni ed utilizzati sono i pulsanti di comando, gli
interruttori, le manopole e le caselle combinate di scelta; tra i secondi invece i
led luminosi, le caselle messaggio, i grafici (con vari tipi di rappresentazione),
le barre di indicazione altre ai già citati e semplici indicatori numerici.
2. Il Diagramma a blocchi. Costituisce l’equivalente del listato delle istruzioni del
programma tradizionale ma contrariamente a questi le istruzioni sono
presenti in forma grafica. Riceve i dati in ingresso dal pannello frontale, ne
gestisce il flusso e consente l’elaborazione. In esso sono contenuti i terminali
i nodi ed i collegamenti. I terminali sono rappresentativi degli elementi che
compaiono sul pannello frontale (controllori ed indicatori) e permettono lo
scambio dei dati tra questo ed il diagramma a blocchi. I nodi sono analoghi
agli operatori, alle funzioni, alle procedure e sottoprogrammi (indicati come
subVI dal LabWIEW) di altri linguaggi di programmazione. I collegamenti
permettono di unire i terminali ai nodi consentendo il flusso dei dati dagli
elementi del pannello frontale ai nodi programma del diagramma a blocchi e
viceversa. I dati “viaggiano” lungo i collegamenti. I collegamenti assumono
conformazione e colorazione differenti a seconda dei dati che portano (interi,
reali o stringhe e vettori) ed a seconda che siano corretti o meno.
3. Le Icone. Caratterizza ogni programma (sottoprogramma, funzione o
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procedura) a cui corrisponde e consente una rapida visualizzazione della
chiamata ad un sottoprogramma o ad una funzione che compare nel
diagramma a blocchi ai quale si accede attraverso l’icona sulla quale sono
incorporati i vari ingressi ed uscite (connettori) attraverso i quali i dati entrano
ed escono dal programma.
4. I Connettori. Rappresentano gli I/O tra i vari programmi e sottoprogrammi e
sono caratterizzati da linee di differente colore e spessore che facilitano il
programmatore nella gestione ed organizzazione del flusso dei dati.
I simboli utilizzati, oltre a possedere una propria etichetta che ne specifica la
funzione (ingresso od uscita) oppure l’operazione che svolgono (addizione, confronto
etc.), possono essere dotati di una ulteriore etichetta (label) di identificazione che facilita
il programmatore.
Il principale vantaggio di una programmazione realizzata utilizzando il LabWIEW
consiste proprio nella possibilità di poter costruire l’algoritmo di misura in forma grafica
nel diagramma a blocchi, seguendo la stessa logica con la quale, solitamente, si
schematizza la procedura di misura. Così facendo non è più necessario tradurre lo
schema a blocchi di principio nel linguaggio di programmazione ma è il programma
stesso che successivamente lo compilerà automaticamente in fase di esecuzione.
5.4. DESCRIZIONE DEL PROGRAMMA DI GESTIONE SVILUPPATO
Per la gestione del sistema di misura è stato necessario realizzare appositamente
un software che permettesse di gestire e controllare le varie fasi del procedimento di
misura (inteso come sequenza di operazioni che conducono al risultato della misura)
permettendo un totale controllo della strumentazione utilizzata.
Il software sviluppato è stato organizzato in una schermata principale denominata
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“menù opzioni primarie” dalla quale si può accedere a vari sottoprogrammi che
permettono lo svolgimento di singole operazioni.
Dal menù principale è possibile selezionare le seguenti voci attraverso la “casella
Combinata:
1. Posizionamento Sonde, che gestisce il movimento dei carrelli portasonda;
2. Selezione Burst, che permette il comando del generatore d’onda;
3. Acquisizione dati, che permette l’esecuzione della completa procedura di
misurazione sul manufatto.
SELEZIONE BURST
Menù opzioni primarie Conferma sceltaSì
Termina applicazioni
Fine operazioni
Figura 16: Pannello Principale
Attraverso il pulsante “conferma scelta” si avvia il sottoprogramma relativo. Il
pulsante “Termina applicazioni” consente l’uscita dal programma.
La logica di base del “Pannello Principale” è quella che l’operatore che esegue la
misura debba prima svolgere delle operazioni preliminari quali posizionamento delle
sonde e avvio del generatore di impulsi e solamente dopo possa avviare il programma
di gestione della procedura di misura.
5.4.1.PROGRAMMA POSIZIONAMENTO SONDE
Attraverso questo programma si è in grado di controllare il movimento dei carrelli
indipendentemente dalle operazioni di misura. E’ stato sviluppato pensando alla
81
necessità di poter disporre di una utility di movimentazione per effettuare delle manovre
di messa a punto della strumentazione, come la sostituzione delle sonde o di parti
meccaniche dei carrelli, ovvero per il preventivo posizionamento delle sonde in una
determinata zona della struttura da esaminare.
Figura 17: Pannello Frontale Programma Posizionamento Sonde
Attraverso il Pannello Frontale del programma è possibile controllare
indipendentemente i due sistemi di carrelli portasonde, anteriore e posteriore, ciascuno
dei quali è costituito da due carrelli separati: il primo regola il movimento parallelamente
alla superficie del provino per mezzo del quale è possibile controllare il posizionamento
delle sonde in una posizione definita del manufatto; il secondo consente l’avvicinamento
82
e l’allontanamento delle sonde dal manufatto con un movimento ortogonale ala prima
linea di moto.
Il movimento viene regolato attraverso interruttori che permettono la selezione del
senso di marcia: destra e sinistra per il primo carrello, avanti ed indietro per il secondo
carrello.
L’entità dello spostamento imposto viene regolata per mezzo di un indicatore sul
quale è possibile regolare la corsa dei carrelli espressa in millimetri.
Fase delicata è stata la taratura della corsa. Infatti si è dovuta stabilire una
relazione tra il movimento impresso da una “unità di corsa” inviata dal programma e la
corsa effettivamente eseguita sul binario. Attraverso questa relazione, funzione del
diametro delle pulegge e della cinghia che trasmette il movimento, si è risaliti alla
costante di conversione che permette il controllo della corsa in unità decimali.
La sequenza del programma è impostata per gestire tutti e quattro i motori (due
per ogni coppia carrello portasonde) secondo le corse impostate. Se si vuole gestire un
solo motore è sufficiente impostare il valore di corsa desiderato per esso ed il verso di
percorrenza scelto lasciando uguali a zero (impostazione di default) le corse per gli altri
motori che non si intende controllare.
E’ presente il pulsante “Torna al menù principale” attraverso il quale si può
concludere la fase di posizionamento ritornando al pannello principale per successive
operazioni.
5.4.2.PROGRAMMA DI SELEZIONE BURST
Attraverso questa utility è possibile la gestione del generatore di funzioni d’onda. Il
programma si articola in un pannello principale sul quale sono presenti i principali
controlli per la generazione del segnale.
83
Il controllo del generatore di forme d’onda viene effettuato attraverso il protocollo
di comunicazione GPIB che è gestibile dal linguaggio di programmazione in LabWIEW
mediante una “stringa di comando” del generatore che contiene tutti i parametri
necessari al pilotaggio del generatore per l’invio della funzione d’onda desiderata.
Figura 18: Pannello Frontale Programma Selezione Burst
Sul pannello frontale sono presenti numerosi controllori ed indicatori che ci
permettono di “comandare” il generatore d’onda selezionando la forma d’onda
desiderata. Vediamo una breve descrizione con le relative funzioni svolte:
1. Selezione Onda. Attraverso questo controllo è possibile selezionare il tipo di
onda da generare. E’ possibile la scelta di un onda sinusoidale (sine), quadra o
triangolare, ma anche altre forme più complesse come la cardiaca che però
84
non risulta di nostro interesse. L’impostazione di default è l’onda sinusoidale
che è stata la forma d’onda da noi utilizzata.
2. Burst Phase. Definisce la fase iniziale dell’impulso e può assumere valori
compresi tra –360° e +360°. La nostra impostazione predefinita è stata di 0°.
3. Numero Impulsi. Definisce il numero di impulsi che devono essere inviato
contemporaneamente. Un impulso è costituita da una oscillazione completa di
un’onda sinusoidale. Generalmente si è operato con un solo impulso anche se
numerosi tentativi, soprattutto in fase di messa a punto della strumentazione,
sono stati eseguiti con numero di impulsi più elevato (fino a 5) ottenere
differenti conformazioni di segnale.
4. Trigger. Permette la selezione della modalità di trigger del generatore. Si è
utilizzata l’impostazione di default “0” che corrisponde al trigger interno.
5. Modo. Permette il controllo della modulazione del burst. La modalità
“Triggered” (quella utilizzata) permette la generazione di un singolo burst
avente una specifica frequenza.
6. Ripetizioni. Specifica il numero di ripetizioni del burst in un secondo. Si è
operare normalmente con 100 ripetizioni/sec. Ripetizioni più elevate, fino a
300, si sono utilizzate in fase di messa a punto e studio del segnale ricevuto
nella metodologia automatica;
7. Ampiezze Picco-Picco (AMP P-P). Determina l’ampiezza dell’impulso generato
espressa in volt picco-picco (Vpp) ovvero l’ampiezza massima dell’onda
raggiunta sul picco. Generalmente si è lavorato con 5 Vpp operando
successivamente con una amplificazione del segnale “esterna”.
8. Offset (Offs Vpp). Specifica se l’onda debba essere spostata dallo zero di una
certa quantità espressa in Volt. Si è operato con un offset nullo.
85
9. Frequenza. Permette il controllo della frequenza del burst. Il controllore è
costituito da due indicatori che permettono l’impostazione della frequenza e poi
un suo controllo “fine” per settarla alle esigenze richieste. E’ possibile agire sul
controllo della frequenza anche attraverso i controllori ad indice che
visualizzano la frequenza impostata all’interno del range specificato. Si è scelto
di lavorate con frequenze dell’ordine dei 50 52 kHz.
10.Periodo. Nota la frequenza con il calcolo di inversione si ottiene i periodo.
L’indicatore mostra il valore espresso in microsecondi (10-6 sec).
11.Torna al menù principale. Attraverso questo controllo è possibile tornare al
pannello principale per ulteriori operazioni o per avviare la procedura di misura.
5.4.3.PROGRAMMA DI ACQUISIZIONE DATI
Una volta terminate le fasi preliminari di posizionamento sonde e generazione
dell’impulso ultrasonico mediante questo programma è possibile controllare il
procedimento di misura vero e proprio.
Il procedimento di misura è realizzato in modo che il manufatto venga esaminato
dalla parte anteriore e da quella posteriore attraverso il movimento dei carrelli
portasonda posti anteriormente e posteriormente. Esso è costituito da due “operazioni
di misura” che eseguono la misura ciascuna da un lato del provino.
L’operazione di misura è costituita da “cicli di misura” che vengono ripetuti uno
dopo l’altro e successivamente per ciascun carrello. All’interno di questi cicli avviene la
misura vera e propria dello spessore del manufatto.
Ogni ciclo di misura è costituito da una serie di operazioni svolte in sequenza.
Esaminiamo in dettaglio le fasi che costituiscono il “ciclo di misura” riferito alla coppia di
sonde numero 1:
86
1. Avvicinamento della coppia sonde 1 (Trasmittente 1=TX1 e Ricevente
1=RX1) al manufatto fino al completo accoppiamento con esso;
2. Permanenza in posizione per un tempo sufficiente alla misura, quantificato in
4 secondi, comprensivo del tempo di assestamento dell’accoppiamento
sonde/provino;
3. Acquisizione della forma d’onda ricevuta dalla sonda RX1, inviata al canale 1
dell’amplificatore di segnale in ricezione e, attraverso questo, al canale 2
dell’oscilloscopio, unitamente al burst generato (che fungerà da “zero” nella
misura) che viene inviato al canale 1 dell’oscilloscopio;
4. Confronto delle due forme d’onda (burst generato e forma ricevuta) e
determinazione del “delta di tempo” che compete all’arrivo dell’eco della
parete opposta del manufatto e conseguente calcolo della profondità
corrispondente;
5. Allontanamento delle sonde dal manufatto;
6. Posizionamento della coppia di sonde 1 in una nuova posizione per
effettuare una nuova misura.
Se questo ciclo dovesse essere riferito alla coppia di sonde numero 2, nella nostra
esperienza sempre la coppia posteriore, dovremo scambiare tutti gli indici delle sonde
“1” con il “2” mentre il canale di visualizzazione del segnale generato rimane sempre il
numero 1 dell’oscilloscopio mentre il canale di visualizzazione del segnale ricevuto dalla
sonda RX2 diviene il canale 4 dell’oscilloscopio.
Attraverso la successione dei cicli di misura è possibile ottenere una rilevazione
dello spessore per una linea di scansione prefissata con “battute” di misura ad intervalli
prefissati.
Il numero dei cicli di misura da effettuare per ciascun carrello, sono impostati
87
uguali per ciascun carrello, è controllabile attraverso un controllore (“Cicli”) posto sul
pannello principale così come la corsa che è intesa come la distanza tra due posizioni
di misura. Anche la corsa può essere regolata, in millimetri, attraverso un controllore
(“Corsa”) posto sul pannello principale ed è impostata uguale per entrambi i carrelli. Il
movimento dei carrelli può essere regolato anche per quanto riguarda il verso di
percorrenza che può essere Avanti o Indietro.
Figura 19: Pannello Frontale Programma di acquisizione
Quando si passa all’operazione di misura della parte posteriore vengono
controllati i movimenti della seconda coppia di motori e di sonde. L’unica differenza
sostanziale nella fase di programmazione del secondo ciclo di misura risiede
nell’esecuzione del punto 3) del ciclo di misura predetto.
Infatti per default il canale di trasmissione del segnale è il numero 1 pertanto se si
effettuasse la misura in queste condizioni ci si troverebbe nella situazione di ricevere ed
88
acquisire i dati dalla sonda RX2 relativi alla trasmissione per mezzo della sonda TX1
posta dall’altro lato del provino!.
Affinché possa effettuarsi la misura con tecnica per riflessione “echopulse”, e
secondo la metodologia già discussa, è necessario che il segnale sia trasmesso dalla
sonda trasmittente TX2 e ricevuto dalla sonda ricevente RX2 poste dal medesimo lato
del manufatto.
A tal fine è stato realizzato il circuito di deviazione per mezzo di relè, che è stato
precedentemente descritto unitamente alla strumentazione impiegata, il quale permette
la deviazione del segnale in trasmissione dal gruppo sonde 1 al gruppo sonde 2. Il relè
viene “pilotato” attraverso un impulso elettrico da 5V che viene inviato
all’amplificatore/deviatore in trasmissione per mezzo di due canali analogici della
scheda DAQ installata sul Personal Computer e perfettamente gestibili attraverso il
LabWIEW. Sul pannello frontale trovano posto i controllori che regolano il
funzionamento del relè. L’indicatore “chan” indica il canale di trasmissione, mentre il
controllore “tempo” indica il tempo di attivazione del relè ovvero il tempo durante il quale
il segnale del burst fluisce attraverso il canale 2.
Tra gli altri controllori che sono presenti sul pannello frontale nella parte relativa
agli “aggiustamenti iniziali” vi sono i controllori importantissimi delle “soglie” e della
“Velocità del materiale”. Questi controllori sono fondamentali inquanto dal loro adeguato
settaggio si possono ottenere risultati buoni o totalmente errati.
I controllori “soglia” indicano, in volt, l’entità dei segnali che devono essere
trascurati inquanto NON significativi ai fini della misura e derivanti da “altri segnali”,
quali onda superficiale e riflessioni ai bordi, che non sono significativi ai fini della
misura. La “soglia 1” è relativa al segnale di burst generato ed è quella che deve avere
il valore più basso possibile infatti da essa dipende la precisione nella presa in conto
89
dello “zero di riferimento” dal quale poi verranno misurati i tempi.
Figura 20: Valutazione Soglia canale1
La valutazione dello “zero” è una fase delicatissima anche nella misura manuale.
In questa fase automatizzata è possibile però una sua presa in conto sempre con la
stessa precisione eliminando quindi gli errori di valutazione dell’operatore.
Le soglie 2 e 4 (relative ai rispettivi canali dell’oscilloscopio) sono applicate ai
segnali ricevuti dalle sonde. Attraverso questi controllori è possibile trascurare i picchi
relativi agli eco non significativi che, come ampiamente descritto, possono essere dovuti
all’onda superficiale, alle riflessioni multiple ai bordi nonché alle riflessioni sugli inerti.
Figura 21: Influenza delle soglie di valutazione sui segnali ricevuti
Come si evince dalla figura anche in questo caso si commette un errore che
comunque viene limitato dal fatto che il segnale cresce rapidamente rendendo quasi
verticale lo stacco dallo zero. Attraverso questa regolazione viene a trascurarsi la prima
90
anomalia dovuta ad altre cause. Al fine della messa a punto delle soglie è pertanto
necessario che l’operatore si applichi nell’osservazione preventiva del segnale al fine di
esaminare quello che deve essere trascurato.
L’altro controllore importantissimo è quello della velocità dell’onda ultrasonora nel
materiale. Da esso dipende la buona riuscita della misura. Infatti il calcolo dello
spessore del manufatto avviene mediante una applicazione inversa della nota formula
della velocità s = v t.
Lo spazio percorso dall’impulso nel manufatto, che poi fornirà lo spessore, viene
determinato a partire dalla velocità e mediante il tempo rilevato. E’ evidente quindi che
una errata valutazione della velocità del materiale porta ad una errata valutazione dello
spessore. Questo è uno dei più grandi ostacoli all’applicazione dei metodi Ultrasonici
nel senso che mediante una stessa misura ultrasonica non è possibile rilevare
contemporaneamente spessore e velocità (inquanto variabili della stessa funzione) a
partire dal tempo. Risulta pertanto necessario procedere nella preventiva
determinazione della velocità caratteristica del fascio Ultrasonico nel materiale e poi
immettere questo dato quale costante.
Il pannello frontale si compone poi indicatori che forniscono un quadro d’insieme
della procedura di misurazione. Esaminiamoli nel dettaglio:
1. Indicatori di posizione carrelli. Indicano la posizione raggiunta da ciascuno dei
due carrelli sia in termini di indicazione dello spazio percorso che attraverso il
cursore mobile che si muove sull’indicatore
2. LED luminosi. Che assumono la colorazione gialla quando l’operazione è in
corso e ritornano rossi a riposo. Sono in numero di quattro e si accendono in
sequenza indicando l’esecuzione della sequenza: movimento sonde,
accoppiamento sonde sul provino, effettuazione della misura, allontanamento
91
dal provino.
3. Finestre segnali acquisiti. Visualizzano il segnale che viene acquisito dal
programma. Dall’alto verso il basso competono al canale 1 al canale 2 ed al 4.
4. Finestra grafico finale. In questa finestra al completamento del procedimento di
misura comparirà il grafico delle misure eseguite
5. Pulsante Torna al principale. Permette il ritorno al pannello principale.
Alla fine del procedimento di misura vengono visualizzate sul grafico principale
tutte le misure effettuate. Su grafico saranno presenti due linee le quali
rappresenteranno rispettivamente le misure effettuate sul lato anteriore e quelle
effettuate sul lato posteriore. Sul grafico in figura 19 è possibile notare le due linee di
profilo rilevato (scandite attraverso i punti significativi delle misure) unitamente alle due
linee più spesse che rappresentano i profili esterni delle pareti.
Sul pannello frontale sono presenti alcuni indicatori che forniscono misure di
carattere statistico delle misure effettuate per ciascuna coppia di carrelli. Vengono
visualizzate:
1. La media dei valori rilevati;
2. I valori massimo e minimo della serie di misure;
3. La deviazione standard per ciascuna serie.
In questo modo l’operatore può, osservando il grafico e i dati, rendersi conto della
bontà della misura effettuata.
Il ruolo del tecnico non diviene superfluo ma assume un carattere di supervisione
e controllo dell’operato del sistema di misura indirizzandolo, mediante il controllo delle
soglie e degli altri parametri, ad una misura più corretta.
92
6 SPERIMENTAZIONI
6.1. MISURE PRELIMINARI
Durante la fase di progettazione si è proceduto operando una serie di misure che
permettessero di prendere “confidenza” con le forme d’onda rilevate che nel contempo
fornivano le indicazioni utili al proseguimento della progettazione e realizzazione delle
apparecchiature prima descritte.
Tra le misure effettuate rivestono un ruolo essenziale quelle operate su un
provino, assunto come riferimento, al fine di valutare l'affidabilità del metodo e di
stimare la precisione di misura.
Come elemento di riferimento si è utilizzato il provino di dimensioni nominali
48x48x12. A causa delle imperfezioni nel getto lo spessore varia nel campo da 11.5 a
12.6 cm.
Quale riferimento è stata tracciata sul provino una griglia, figura 22, costituita da
quadrati di 4 cm di lato.
Figura 22: Reticolo di riferimento.
94
La zona ispezionata è stata quella centrale, la stessa che è stata poi oggetto della
misura con la strumentazione automatica.
La procedura seguita per l'esecuzione delle misure effettuate da operatore, può
essere così schematizzata:
1. Posizionamento delle sonde sul manufatto, previa interposizione di uno strato
di vaselina di accoppiamento;
2. Pressione delle sonde fino al "completo accoppiamento"1 sonda/provino,
3. Esecuzione della misura all'oscilloscopio;
4. Distacco ed avanzamento in altra posizione di misura ripercorrendo l'intera
sequenza.
Il metodo per riflessione, richiede la conoscenza della velocità caratteristica del
materiale, necessaria per derivare gli spessori in funzione del tempo di transito.
Per il calcolo della velocità si è operato mediante la tecnica di indagine "per
trasmissione", che richiede il posizionamento delle sonde, in asse, ai due lati del
provino e valutando il tempo impiegato dall’onda di pressione per l'attraversare il
manufatto.
Noti gli spessori, rilevati, nella circostanza, mediante un calibro con nonio
ventesimale, si risale al valore della velocità.
I risultati e le elaborazioni della sperimentazione sono riportati nella tabella 3.
Nella quale le singole colonne assumono il significato:
1. pos: indica la posizione di rilevamento delle sonde. La notazione 1-6 indica che
ci si trova nella casella numero 6 della riga 1 in riferimento al reticolo di fig. 22.
2. t: rappresenta il tempo di transito, in microsecondi. L’incertezza di misura è
1 Si ottiene un “buon accoppiamento" quando le sonde permangano nella loro posizione anche su un provino posto in verticale.
95
stata quantificata al microsecondo.
3. d: indica il valore dello spessore del manufatto, in millimetri, nella posizione di
misura. L’incertezza è al millimetro.
4. V: rappresenta il valore della velocità locale espresso in m/s
Tabella 3: Misure per trasmissione.
La velocità media del provino è stata stimata2 pari a 1955 m/s con una deviazione
standard pari a 16 m/s.
2 Questo valore verrà utilizzato per tutti i provini realizzati con lo stesso materiale.
96
6.2. CALCOLO DELLO SPESSORE
Fissata la velocità del mezzo si può procedere all’applicazione della tecnica echo-
pulse al fine della determinazione dello spessore. A tal fine si procede con il
posizionamento delle sonde, quella trasmittente e quella ricevente, sul medesimo,
interessando due suddivisioni adiacenti.
Il riepilogo delle misure effettuate è proposto nella tabella 4 con riferimento alle
colonne:
1. pos: posizione di misura. La posizione viene individuata mediante due numeri ,
il primo, si riferisce alla riga di rilevamento, il secondo indica l’ubicazione della
sonda trasmittente, conseguentemente la ricevente si trova nella casella
adiacente, in senso longitudinale. Il passo fra le sonde è pari a 4 cm.
2. t: tempo [microsecondi]. Valgono le stesse considerazioni già viste per la
misura dei tempi per trasmissione.
3. dVM: indica il valore dello spessore calcolato, in millimetri, con riferimento al
valore medio della velocità precedentemente rilevato.
4. dmis: indica il valore dello spessore misurato per quella posizione. Espresso
anch'esso in millimetri.
5. || : esprime la differenza, in valore assoluto, tra il valore calcolato e quello
realmente misurato. Espresso in millimetri.
97
Tabella 4: Misure con il metodo per riflessione.
L'incertezza, qui quantificata come scostamento massimo rispetto ai valori
espressi mediante il metodo di misura diretto, è al disotto di 5 mm .
6.3. MISURA AUTOMATICA DELLO SPESSORE
Il passo successivo è stato quello di mettere a punto un sistema per la
determinazione automatica della stessa grandezza.
Per fare questo sono stati disposti all’interno dell’impalcatura porta sonde i due
provini di cui si disponeva. Tali provini sono stati posizionati in modo che tra essi ci
98
fosse una intercapedine costante di circa 2 cm per uno spessore totale di circa 36 cm.
Nella parte anteriore del sistema è stato posizionato in verticale il provino di
spessore 12 cm (lo stesso utilizzato per le misurazioni manuali), nella parte posteriore
un ulteriore provino della profondità di 22 cm.
Lo schema della sistemazione dei provini è riportata in figura 31.
Figura 23: Schema posizionamento provino. Vista posteriore.
In questa fase della sperimentazione si sta rifinendo la messa a punto
dell’automatismo. I punti ancora critici da risolvere consistono in:
A. Dosaggio della forza di accoppiamento.
B. Distribuzione della crema/liquido di interfaccia.
C. Ottimizzazione delle singole parti del carrello portasonda.
A. Al momento la spinta delle sonde verso il provino viene esercitata sfruttando la
99
coppia dei motorini di traslazione i quali per mezzo di un alberino filettato permettono
l’avvicinamento e l’allontanamento delle sonde dal provino. E’ in studio un sistema
pneumatico, aggiuntivo, di movimentazione finale delle sonde, che avrà il compito di
perfezionare il contatto, il quale agisce per mezzo di una camera d’aria in pressione,
controllata via software, mediante un relè.
B. In merito alla distribuzione della crema/liquido di accoppiamento, tra i numerosi
tentativi effettuati, anche in precedenti esperienze e già descritti nei precedenti capitoli,
due sono i metodi che si sono rivelati efficienti e quindi utilizzati:
1. Accoppiamento diretto mediante vaselina;
2. Accoppiamento mediante carta di alluminio con interposizione di uno strato di
vaselina tra carta e provino ed di olio lubrificante tra sonde e alluminio.
Il metodo mediante sola vaselina si è mostrato efficiente per un accoppiamento
eseguito “a mano” ma risulta fortemente problematico in fase automatica a causa della
forte adesione tra sonde e provino che crea grossi problemi in fase di distacco delle
sonde dal provino.
Un ottimo risultato ha invece fornito il sistema messo a punto mediante
l’accoppiamento di carta di alluminio, vaselina ed olio lubrificante. In questo modo le
sonde vengono accoppiate mediante olio su una superficie fissata, in via preliminare, al
provino mediante vaselina, che risulta essere più liscia e con minori problemi di
aderenza.
La procedura per l’applicazione del foglio di alluminio, attualmente adottata è la
seguente:
1. Preparazione del film di vaselina sulla parete in prova;
2. Applicazione del foglio di alluminio e lisciatura mediante rullo;
3. Applicazione del velo d’olio lubrificante, mediante spennellatura, sulla
100
superficie d’alluminio;
4. Avvio procedimento di misura.
Come si è rilevato questo sistema presenta una buona riuscita nella costanza
dell’accoppiamento e, di conseguenza, nella misura dello spessore.
6.4. SPERIMENTAZIONI IN AUTOMATICO
Al termine delle misurazioni preliminari che hanno consentito l’ottenimento del
parametro di interesse velocità media e di verificare l’applicabilità del metodo si sono
eseguite alcune sperimentazioni in automatico per la messa a punto del sistema.
Si è fatta eseguire dalla strumentazione una sequenza completa di misura.
I parametri della sperimentazione sono riportati nella tabella 5.
Grandezze di influenzaTemperatura 25 °C
Umidità Relativa 60%
Parametri dell’ondaFrequenza 52 kHz
N° impulsi 4
Ripetizioni 300/sec
Funzione d'onda Sinusoidale
Ampiezza 10 Vpp
Offset 0 V
N° Cicli 40
Corsa per ciclo 10 mm
Tabella 5 :Caratteristiche esperienza.
La sequenza di misura è costituita da 40 cicli durante i quali le sonde vengono
spostate per una corsa di 10 mm, e attivate per la determinazione dell’eco
101
sull’oscilloscopio. Nelle figure 24, 25, 26 sono riportati i diagrammi che mostrano gli
spessori rilevati. In figura 24 viene mostrato il risultato della misura del primo provino.
Figura 24: Misura spessore provino 1.
La figura 25 è relativa alle misure effettuate sul provino avente spessore 22 cm.
Figura 25: Misura spessore provino2.
La figura 26 mostra invece la ricostruzione della geometria dei provini ponendo in
evidenza l'intercapedine tra i due provini.
102
Figura 26: Ricostruzione modello complessivo.
Si è dovuto intervenire “manualmente” in alcuni punti là dove l’accoppiamento non
poteva definirsi ottimale.
Il grafico risultante, fig.26, lascia intravedere quali siano le potenzialità del sistema
in fase di ricostruzione bidimensionale delle sezioni dei manufatti esaminati mostrando
chiaramente le due linee di profilo rilevate che pongono in evidenza l’intercapedine
esistente. Si può riscontrare come ai bordi dei provini si presentino forti problemi in fase
di rilevamento dovuti ai disturbi causati dalle riflessioni mentre nella parte centrale, dove
questi effetti sono ridotti al minimo, si nota una buona costanza della misura ad
eccezione fatta di alcuni punti “singolari” per i quali è stato necessario intervenire
“aiutando” manualmente l’accoppiamento tra sonde e manufatto.
Nella tabella 6 sono riportate le informazioni di riepilogo, mentre in tabella 7 sono
riportati tutti i valori di spessore rilevati unitamente alle differenze che delineano
l'intercapedine tra i provini.
103
Tabella 6: Dati rilevati.
104
7 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
Il lavoro di tesi conferma la possibilità, seppur in questa fase limitata a manufatti di
natura omogenea come le malte, di automatizzare il sistema di rilievo degli spessori nei
manufatti civili con incertezze di misura comparabili a quelle ottenibili manualmente.
I problemi ancora irrisolti riguardano principalmente la transizione dall’operatore
“umano” a quello “elettromeccanico”.
La strumentazione diagnostica di base nella configurazione maturata durante la
sperimentazione: generatore di segnale, sonde, amplificatore, sistema di acquisizione
ed elaborazione del segnale appare idonea e sufficientemente collaudata.
Le conoscenze acquisite e gli studi effettuati sulle tipologie di onde restituite dal
sistema rendono la misura affidabile e ripetitiva con un elevato grado di confidenza.
Attraverso le diverse fasi del lavoro si sono dovuti affrontare e risolvere alcuni
problemi dei quali era prevedibile la comparsa ma anche altri che si sono rivelati tali nel
corso della esperienza. Soprattutto appare importante rendere affidabile il sistema di
avvicinamento delle sonde.
Si ipotizza potrà essere risolutivo un nuovo sistema di spinta, forse pneumatico di
cui si prevede la prossima realizzazione, mediante una intercapedine d’aria compressa
fra la membrana delle sonde ed il supporto.
Intanto si sottolinea il grado di incertezza nella misura degli spessori che, con
riferimento alla velocità media ed alla procedura automatica può essere definito
nell'ordine del centimetro.
Evidentemente la misura viene condizionata dall’incertezza con la quale si
conosce il valore del parametro cinematico che è fortemente influenzante l'operazione
di misura complessiva.
106
8 APPENDICE A:
ELEMENTI DI FISICA DEGLI ULTRASUONI
8.1. INTRODUZIONE
Sotto il termine ultrasuoni si definiscono vari tipi di onde elastiche che si
propagano in un mezzo per il quale sia possibile definire caratteristiche elastiche e
densità che si propagano nello stesso con velocità che è funzione delle caratteristiche
elastiche del mezzo. Tali onde sono costituite da oscillazioni elastiche delle particelle
costituenti il mezzo. Possono quindi avvenire solamente in presenza di materia
contrariamente alle onde luminose che, per la loro natura elettromagnetica, possono
esistere e propagarsi nel vuoto. Un aspetto caratterizzante degli ultrasuoni è l'elevata
direzionalità che si manifesta a frequenze elevate per effetto del quale, con alcune
condizioni limitative, essi si propagano come fasci rettilinei, come i raggi luminosi
nell'ottica geometrica.
8.2. TIPI DI ONDA
Nella materia è possibile produrre, a seconda delle modalità di eccitazione, vari
tipi di onde elastiche. In assenza della sollecitazione il mezzo di considera a riposo nel
suo stato di equilibrio nel quale le distanze medie tra le particelle sono costanti. Il
risultato della sollecitazione è l'allontanamento delle particelle dalla loro posizione di
equilibrio alla quale esse tendono nuovamente per effetto delle della reazione elastica
alla loro posizione iniziale di equilibrio. Questo è valido purché non venga superato il
limite elastico del materiale. I tipi d'onda che si producono in un materiale sono
classificabili a seconda del modo con cui le particelle oscillano, avremo:
a) Onde longitudinali o di compressione, spesso dette anche P-waves (pressure-
waves, onde di pressione) sono caratterizzate dalla successione di zone di
compressione e rarefazione all'interno del mezzo. In queste onde la direzione di
108
propagazione coincide con la direzione di oscillazione.
Figura 27: Onda longitudinale (o di compressione)
b) Onde trasversali o di taglio, spesso indicate come S-waves (Shear-waves, onde di
taglio) sono caratterizzate dall'avere la direzione di oscillazione ortogonale alla
direzione di propagazione del moto ondulatorio. Poiché i liquidi non sopportano
sforzi di taglio questo tipo di onde si propagano esclusivamente nei solidi o
eccezionalmente in alcuni tipi di grasso ad altissima viscosità nei quali si propagano
con forte attenuazione per pochi millimetri.
Figura 28: Onde trasversali (o di taglio)
c) Onde superficiali o di Rayleigh. Esse si propagano solamente entro un sottile strato
109
superficiale del solido dell'ordine di una lunghezza d'onda. Una caratteristica di
queste onde e che non si propagano in linea retta ma seguono le asperità
superficiali del materiale caratteristica che talvolta viene utilizzata per alcune prove
non distruttive. Le particelle sono soggette ad oscillare secondo due direzioni
ortogonali giacenti nel piano verticale di propagazione e pertanto descrivono delle
orbite ellittiche trasmettendo con un certo ritardo l'oscillazione alle particelle
successive.
d) Onde fessurali o di Lamb. Avvengono essenzialmente nelle lamiere quando lo
spessore e dell'ordine di una lunghezza d'onda per cui interessano l'intero spessore.
Le particelle sono soggette ad oscillazioni lungo due direzioni tra loro perpendicolari
con diversi modi che vengono indicati come simmetrico e antisimmetrico e, per uno
stesso modo, secondo diversi ordini (0, 1, 2, ecc.). In questo tipo particolare di onde
la velocità di propagazione dipende non soltanto dal mezzo ma anche dal modo e
ordine della vibrazione.
8.3. GRANDEZZE FISICHE CARATTERISTICHE
Un'onda ultrasonora viene completamente caratterizzata da alcune grandezze
fisiche che descrivono i fenomeni che accompagnano il moto, che sono:
a) Pressione;
b) Frequenza;
c) Velocità dell'onda;
d) Lunghezza d'onda;
e) Impedenza acustica;
f) Intensità;
110
Figura 29: Onda sinusoidale
8.3.1.PRESSIONE
Il passaggio di un'onda ultrasonica in un mezzo genera delle zone di
compressione e delle zone di rarefazione una di seguito all'altra. Il valore della
pressione è un parametro essenziale inquanto è questo che viene direttamente rilevato
dagli strumenti. Indicheremo con p il valore istantaneo della pressione e con P il suo
valore massimo.
8.3.2.FREQUENZA
Il tempo che impiega l'onda ultrasonica per passare da un massimo di pressione
ad un altro, per compiere un ciclo completo, è detto periodo e si indica con la lettera T.
L'inverso di T in secondi si chiama frequenza (l'inverso del periodo) ed esprime il
numero di cicli vengono compiuti in un secondo.
111
8.3.3.VELOCITÀ E LUNGHEZZA D'ONDA
La distanza tra due massimi di ampiezza si chiama lunghezza d'onda (). Divisa
per il periodo T fornisce la velocità con cui si muove l'onda ultrasonora nel mezzo:
tra la lunghezza d'onda e la frequenza esiste un rapporto di proporzionalità inversa
a meno del valore della velocità delle onde nel mezzo che nel campo di frequenze che
ci interessa può essere considerato costante e dipendente esclusivamente dal tipo di
onda .
Le onde longitudinali sono le più veloci e per questo sono le prime (infatti spesso
sono indicate come onde “prime”) ad essere rilevate quando in un fenomeno di
vibrazione sono presenti più tipi d'onda. La loro velocità viene indicata con vP.
Le onde trasversali sono più lente di quelle longitudinali la loro velocità di
propagazione vS, in funzione del modulo di Poisson , varia tra lo 0.53 e lo 0.63 di
quella delle onde di pressione vP.
Le onde superficiali sono leggermente più lente delle onde di taglio e la loro
velocità VSF può essere considerata il 98 % di quella trasversale.
La velocità può essere espressa, a seconda del tipo di onda, come:
dove E è il modulo di elasticità longitudinale, la densità e il coefficiente di
contrazione trasversale, o di Poisson, del materiale.
112
8.3.4.IMPEDENZA ACUSTICA
Si definisce impedenza acustica caratteristica il prodotto tra la velocità dell'onda
ultrasonica e la densità del mezzo che attraversa:
L'Impedenza è una caratteristica acustica del mezzo che viene attraversato dagli
ultrasuoni che condiziona la loro propagazione.
8.3.5.INTENSITÀ
L'intensità ultrasonica rappresenta la quantità di energia che attraversa in un
secondo un area unitaria, viene espressa dalla relazione:
la quale pone in relazione la pressione ultrasonora P all'impedenza acustica
caratteristica Z del mezzo attraversato.
8.4. EMISSIONE E PROPAGAZIONE DEGLI ULTRASUONI
Lo studio della generazione e propagazione degli ultrasuoni risulta essere molto
complesso dal punto di vista analitico e talvolta le conclusioni si discostano
notevolmente dai dati sperimentali. Infatti si ricorre a modelli per evitare le complicanze
di calcolo ma questo fa si che la teoria non sia perfettamente aderente alla realtà
sperimentale.
Un modello che ben si presta allo studio analitico è quello del pistone oscillante.
Infatti secondo la teoria di Huygens (delle onde sferiche elementari) la superficie del
pistone è scomposta in areole che possono essere assimilate, a causa delle loro ridotte
113
dimensioni, a sorgenti puntiformi che irradiano onde sferiche dalla cui interferenza
risulta un unico fronte d'onda.
Se si considera un pistone circolare di raggio a esso genera delle onde di
compressione con fronti piani che si propagano con la velocità caratteristica del mezzo.
In prima approssimazione la sezione del fascio d'onda risulta essere cilindrica con
diametro pari a quello del pistone per un tratto pari a:
la regione compresa nel volume cilindrico è detta campo prossimo (o zona di
Fresnel o campo di turbolenza) ed è caratterizzato, oltre che dall'aver fronti piani dal
fatto che da un punto all'altro del fronte la pressione sonora presenta dei massimi e
minimi causati proprio dall'interferenza delle singole onde elementari.
Oltre il campo prossimo i fronti d'onda tendono a modificarsi assumendo la
configurazione di calotte sferiche che irraggiano entro un cono di apertura pari a 2.
Per si intende il semi angolo per il quale la pressione sonora è ridotta di una certa
percentuale rispetto a quella sull'asse. Per una caduta di pressione del 50% si ha:
se si vuole comprendere un cono con in fascio con caduta di pressione fino al
10%:
114
Figura 30: Campo di radiazione del trasduttore
Per un pistone oscillante circolare piano di raggio a, nei nostri casi per un
trasduttore, che oscilli sinusoidalmente l'andamento della pressione sonora lungo l'asse
può essere espresso mediante la relazione:
dove x è la distanza dal trasduttore, la lunghezza d'onda e Po la pressione
iniziale per x=0. Per valori di x maggiori di 2/3 volte N la relazione può essere
semplificata come:
Lo spazio oltre il campo prossimo è detto campo lontano (o zona di Fraunhöfer)
nel quale la diminuzione della pressione l'asse diviene regolare ed anche i fronti d'onda
tendono a presentare valori più uniformi di pressione.
115
Figura 31: Andamento della Pressione sonora lungo l'asse del trasduttore
La teoria del pistone oscillante si riferisce ad una emissione continua (un pistone
che oscilla in modo sinusoidale per un tempo illimitato) mentre nel campo delle prove
non distruttive si lavora mediante impulsi questo porta ad avere delle discordanze
marcate circa la distribuzione dei massimi e minimi di pressione questo perché un
impulso, dal punto di vista analitico, deve essere considerato come composto
dall'interferenza di più onde continue distribuite secondo un certo spettro di frequenza.
8.5. FENOMENI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE
Un fascio ultrasonico che incidere sulla superficie di separazioni tra due mezzi
aventi impedenza acustica caratteristica differente subirà alcune modifiche che
comprendono fenomeni di riflessione e, per angoli di incidenza non nulli, fenomeni di
rifrazione e di conversione del tipo d'onda e variazioni di intensità dovute al fatto che il
fascio proseguirà nel secondo mezzo solamente con una frazione della sua intensità
iniziale di incidenza.
Se il fascio ultrasonico incide perpendicolarmente sulla superficie di separazione
in generale verrà in parte riflesso nel mezzo 1 ed in parte trasmesso nel mezzo 2
116
rispettivamente con impedenze Z1 e Z2.
Figura 32: Incidenza ortogonale all'interfaccia
Se Pi è la pressione sonora incidente indicato con Pr e Pt rispettivamente le
pressioni sonore riflesse e trasmesse possiamo definire un coefficiente di riflessione R,
come rapporto tra pressione riflessa e incidente, ed un coefficiente di trasmissione T,
come rapporto tra la pressione trasmessa e quella incidente, che in formule:
Il passaggio da un mezzo più denso ad uno meno denso (es. dall'acciaio
all'acqua) il fascio ultrasonico presenta un coefficiente di riflessione negativo ovvero vi è
uno sfasamento di 180° tra pressione incidente e pressione riflessa. Se il passaggio
avviene tra un mezzo meno denso ad uno più denso invece il coefficiente di
trasmissione è superiore all'unità, ovvero più è alto il rapporto tra Z2 e Z1 più è alta la
percentuale di pressione trasferita.
In prima approssimazione questa affermazione potrebbe essere interpretata come
117
una violazione della legge di conservazione dell'energia ma si deve ricordare che
l'intensità non è semplicemente la pressione al quadrato ma quest'ultima divisa per 2Z.
Infatti se esprimiamo i coefficienti di trasmissione e riflessione in termini di
intensità, quadrando R e T e dividendo per le rispettive impedenze, otteniamo:
la cui somma fornisce l'unità, in rispetto della condizione che la quantità di energia
totale è rimasta invariata.
Quando l'incidenza non è ortogonale, con analogia per quanto accade nell'ottica
geometrica, i fenomeno della riflessione verrà accompagnato dalla rifrazione e,
solamente nel caso degli ultrasuoni, da un ulteriore fenomeno detto della "conversione
del modo" ossia all'incidenza sull'interfaccia di separazione di un fascio di onde
longitudinali oltre ad un fascio riflesso e rifratto di onde pure longitudinali possono
nascere due fasci, uno riflesso ed uno rifratto, di onde trasversali.
I fasci incidente, riflesso e rifratto giacciono sempre sullo stesso piano,
perpendicolare all'interfaccia di separazione. La relazione tra i vari angoli è fornita dalla
ben nota legge di Snell:
Gli angoli sono misurati rispetto alla normale alla superficie di separazione.
Il fenomeno della rifrazione si manifesta con un cambiamento di direzione del
fascio ultrasonoro al passaggio da un mezzo all'altro.
Poiché la velocità delle onde trasversali è circa la metà di quella delle onde
longitudinali i fasci trasversali sono sempre più prossimi alla normale di quelli
118
longitudinali.
Se uno dei due mezzi è un liquido non si ha alcun fascio di onde trasversali.
Figura 33: Legge di Snell, Riflessione e Rifrazione
8.6. CARATTERIZZAZIONE DEL FASCIO ULTRASONICO
Come già spiegato il campo di radiazione del fascio ultrasonico è caratterizzato
dall'avere una zona di alta turbolenza in prossimità del trasduttore (campo prossimo) ed
una zona più stabile nella quale la pressione sonora tende a diminuire regolarmente
con la distanza (campo prossimo). In alcuni casi è opportuno caratterizzare il campo di
radiazione del fascio nel solo campo lontano dal punto di vista della sua distribuzione
angolare. Si utilizza, in questo caso, un diagramma polare con origine nel centro di
simmetria del trasduttore. Il modulo del vettore rappresenta il valore della pressione
sonora relativamente alla direzione individuata dall'angolo .
La rappresentazione polare può presentarsi come una figura solida o in piano
riprodotta per due direzioni ortogonali. In questo caso è utile ricordare che l'ampiezza
dell'angolo è maggiore relativamente al piano parallelo al lato minore.
119
Figura 34: Rappresentazione polare della pressione sonora nel campo lontano
Per un trasduttore che irradia in un solido è da notare che il mezzo reagisce in
funzione del proprio modulo elastico longitudinale e trasversale causando la comparsa
della conversione del modo e con la conseguente generazione di onde longitudinali,
trasversali e superficiali.
Se indichiamo con d il diametro del trasduttore, se inteso circolare, a seconda del
rapporto d/ avremo diverse caratteristiche di emissione:
se d/ << 1 un trasduttore che vibri in modo longitudinale produce tutti e tre i tipi d'onda
con notevole prevalenza di lobi obliqui di onde trasversali.
se d/ 1 la componente longitudinale è la predominante.
se d/ >> 1, come nei casi pratici, la componente longitudinale, che già era
predominante, diviene fortemente direzionale.
E' importante rilevare che la presenza di onde superficiali e trasversali, anche se
di entità minima, possono dare luogo a segnali spuri e disturbati che possono divenire
fastidiosi se si lavora con tecniche ad alta sensibilità.
120
Figura 35: Schematizzazione di diagrammi polari di emissività
E' altresì vero che essendo i materiali solidi costituiti da particelle vincolate da
forze di natura elastica anche la messa in vibrazione delle particelle nel solo senso
longitudinale non può prescindere dalla generazione di onde superficiali e trasversali
che si generano in conseguenza del movimento longitudinale a causa proprio delle
razioni elastiche tra le particelle del solido.
8.7. IMPULSI ULTRASONICI
Fino ad ora si è trattato il segnale ultrasonico in termini di onde continue, ovvero di
vibrazioni alternate in cui l’andamento della pressione può essere rappresentato
matematicamente come:
121
Nei controlli che utilizzano la tecnologia ultrasonica però non si opera con onde
continue ma bensì con singoli impulsi o serie di essi, ovvero composti da un numero
finito di vibrazioni e per più giunta smorzate.
Infatti se un trasduttore viene eccitato con una differenza di potenziale alternata a
questo si applica un picco di tensione di brevissima durata, dopo la deformazione subita
per effetto della tensione il trasduttore continuerà ad oscillare alla frequenza di
risonanza con moto smorzato fino all’esaurimento dell’energia immagazzinata ed al
ritorno alla posizione di riposo.
Comunque considerato che un impulso può essere considerato come la somma di
un certo numero di funzioni d’onda sinusoidali (sviluppo in serie di Fourier) è comunque
compatibile continuare a riferirci all’impulso con il termina di onda ultrasonora. Deve
restare inteso quindi che i nostri impulsi sono il risultato della sovrapposizione di un
certo numero di tali onde, dette componenti, tra le quali quella di risonanza fo e quelle
più vicine ad essa hanno ampiezze maggiori.
Tali impulsi vengono inviati nel mezzo in esame in continuazione , con un certo
intervallo di tempo l’uno dall’altro, in modo che quando parte un impulso il precedente si
sia completamente esaurito entro il mezzo in modo da non avere effetti di interferenza
indesiderati.
Il numero di impulsi inviati in un secondo nel mezzo è detta frequenza di
ripetizione, essa è variabile con lo spessore del mezzo da attraversare. Si va da circa
50 impulsi al secondo per i percorsi più lunghi fino ai circa 3000 impulsi per secondo (gli
ultrasuoni percorrono nell’acciaio circa 6cm 10 s ).
122
8.8. FENOMENO DELL'ATTENUAZIONE
Un fascio ultrasonoro nel passaggio attraverso un mezzo dopo aver percorso un
certo tratto si esaurisce. La lunghezza del percorso che il fascio può compiere dipende
dall'ampiezza iniziale dell'onda, dalla sua frequenza, dalla natura del mezzo e dalla
sensibilità degli strumenti misuratori, in ogni caso da un certo punto in poi si rileva la
totale assenza di vibrazioni meccaniche.
Questo fenomeno è attribuibile alla più o meno marcata divergenza del fascio ma
soprattutto ad un fenomeno detto di attenuazione subito a causa del mezzo
attraversato. Il fenomeno dell'attenuazione è dovuto essenzialmente a due fattori:
1. L'assorbimento dell'energia del fascio che si trasforma in calore
nell'attraversamento del mezzo;
2. A causa di fenomeni di diffusione (scattering) che sottrae energia al fascio
diffondendola in tutte le direzioni. Il fenomeno avviene sui bordi dei grani dove
esistono brusche variazioni di impedenza acustica, causate da precipitati
interstiziali, da microporosità ed eventuali inclusioni. L'orientazione casuale dei
grani e l'anisotropia interna locale (infatti la definizione di isotropia è valida solo
in media) che provoca risposte elastiche differenti nelle varie direzioni
contribuisce ad amplificare il fenomeno.
Il decremento di pressione dovuto alla sola attenuazione, per un onda piana, è di
tipo esponenziale;
dove è il coefficiente di attenuazione che determina il decremento più o meno
rapido di pressione sonora. Il coefficiente può essere espresso mediante la somma di
due parti relative una alla sola attenuazione ed una seconda relativa alla diffusione:
123
con S relativo alla diffusione ed A all'assorbimento.
Figura 36: Andamento caratteristico dei fenomeni di attenuazione
La quota di attenuazione in dovuta alla dispersione dipende dal grado di
anisotropia A del materiale e del rapporto tra diametro medio delle particelle D e della
lunghezza d'onda incidente , per cui:
se << D ;
se D ;
se >> D (caso più comune);
i coefficienti k1, k2, k3 sono costanti dipendenti dal materiale. A parità di rapporto D/ il
valore delle costanti k è fortemente influenzato dalle condizioni di contorno ai grani.
8.9. FENOMENI DI RIFLESSIONE SU OSTACOLI
I fenomeni di riflessione, trasmissione e rifrazione, enunciati e descritti come nella
legge di Snell sono descrivibili con le regole dell'acustica geometrica descrivendo la
propagazione delle onde come raggi geometrici.
124
Questo è vero fintanto che la larghezza della superficie di separazione possa
essere considerata "grande" rispetto alla lunghezza d'onda, mentre quando questo non
è più vero e le dimensioni dell'interfaccia sono simili o inferiori alla lunghezza d'onda le
regole dell'acustica geometrica non sono più valide e necessita descrivere il fenomeno
mediante la teoria delle onde sferiche.
Considerando un fascio ultrasonico che viaggia entro un mezzo nell'incontrare un
ostacolo subisce dei fenomeni che sono variabili ed in funzione delle condizioni locali e
dell'estensione dell'interfaccia. A seconda del rapporto A/ (dove A è la dimensione
dell'ostacolo in senso trasversale) possono verificarsi varie situazioni.
Se A/ >>1 le onde sono riflesse dall'ostacolo dando luogo nella regione dietro di esso
ad un'ombra ben definita. Dietro l'ostacolo la proiezione dell'ombra tende a
restringersi con un angolo trascurabile per A/ grande ma che tende a divenire
rilevante man mano che tale rapporto tende ad 1. In questa condizione l'ostacolo è
in condizioni ottimali per essere rilevato.
Se A/ 1 l'ostacolo diffrange l'oda con una distribuzione angolare di ampiezza limitata.
L'onda incidente viene di poco alterata. L'ombra dell'ostacolo non è ben definita,
sfumata e difficilmente rilevabile.
Se A/ <<1 l'ostacolo diffrange l'onda incidente divenendo a sua volta una sorgente di
onda sferica secondaria di ampiezza molto limitata che si propaga in tutte le
direzioni. L'onda incidente non è disturbata e non vi è alcuna ombra. L'ostacolo è
invisibile da rilevare. Non trascurabile è la conversione del modo per la quale viene
generata un'onda di tipo trasversale in direzione laterale.
125
Figura 37: Distribuzione angolare della radiazione riflessa
8.10. GENERAZIONE DI VIBRAZIONI ULTRASONICHE
Gli ultrasuoni sono generati, e rilevati con principio opposto, da dispositivi detti
trasduttori (o sonde) che hanno la capacità di trasformare l'energia acustica in energia
elettrica e viceversa.
Risulta quindi che il metodo più semplice per generare un impulso ultrasonico sia
quello di inviare energia elettrica ad un trasduttore che provvede a trasformarla in
energia meccanica. Questa può essere poi inviata nel mezzo in esame e poi captata,
dopo averlo attraversato, per mezzo di un analogo dispositivo (trasduttore) che
ritrasforma l’energia meccanica in energia elettrica permettendoci di amplificarla e
riprodurla in modo da poter essere osservata e misurata.
Esistono oramai in commercio vari tipi di trasduttori che differiscono
sostanzialmente per il principio di funzionamento e che sono denominati in modo
differente a seconda dell’effetto che sfruttano: avremo pertanto trasduttori piezoelettrici,
elettrostrittivi, magetostrittivi ed elettromagnetici.
126
8.10.1. TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI
L’effetto piezoelettrico fu scoperto nel 1880 dai fratelli Curie ed avviene nei cristalli
che presentano uno o più assi polari oppure che mancano di un centro di simmetria. Tra
i più noti si possono ricordare il quarzo (SiO2) ed il solfato di litio (LiSO4).
Se si taglia una lamina con le facce parallele ortogonali all’asse polare,
esercitando una forza sulle facce, in direzione dell’asse polare, su queste compaiono
cariche elettriche uguali e di segno opposto che generano una differenza di potenziale:
Dove h è la costante di deformazione piezoelettrica e dx la variazione di spessore
della lamina. Allo stesso modo se dopo averle magnetizzate si applica una differenza di
potenziale la lamina subisce una deformazione proporzionale all’intensità del campo
applicato e di verso dipendente da quello del campo.
Applicando delle oscillazioni elettriche la lamina risponde con delle oscillazioni
nello spessore; se invece la si sottopone a vibrazioni meccaniche, la lamina genererà
tra le due facce oscillazioni elettriche.
I cristalli che hanno due assi polari, come il quarzo, in dipendenza dell’asse di
taglio producono onde longitudinali oppure onde trasversali.
8.10.2. TRASDUTTORI ELETTROSTRITTIVI
L’effetto elettrostrittivo avviene in tutti i dielettrici ma in maniera trascurabile,
mentre nei materiali ferroelettrici tale effetto è molto forte. Applicando sulle facce di
questi ultimi una differenza di potenziale la lamina subisce una deformazione in
direzione dello spessore proporzionale al quadrato del campo elettrico applicato. La
polarizzazione elettrica prodotta dal campo del materiale fa in modo che gli atomi
127
interagiscano tra loro formando dei domini entro i quali le forze polari, molto intense,
deformano il reticolo cristallino nella direzione del campo. L’aumento di spessore si ha
indipendentemente dal segno del campo applicato, pertanto una alternanza di segno
produce una vibrazione meccanica che ha l’andamento di una corrente raddrizzata. Per
ottenere un comportamento lineare, invece che quadratico, i ferroelettrici vengono
polarizzati. Dal momento che sono materiali ceramici, la polarizzazione è ottenuta
durante il raffreddamento mediante un forte campo elettrico quando la temperatura è al
di sopra del punto di Curie caratteristico per ogni tipo di ceramica. Il campo elettrico
viene mantenuto fino al raffreddamento totale e permette l’allineamento dei domini
bloccandoli nella direzione del campo applicato (una ceramica siffatta prende il nome di
elettrete).
Tra le ceramiche più usate abbiamo: il titanato di bario, il metaniobato di piombo
ed il titanato-zirconato di piombo. Quest’ultima può essere polarizzata anche
parallelamente alle facce e quindi risulta in grado di produrre vibrazioni meccaniche di
taglio, onde trasversali, come il quarzo, ma più ampie a parità di eccitazione elettrica.
La resa elevata è la caratteristica che rende l’utilizzo delle ceramiche più vantaggioso di
quello dei cristalli. Tale rendimento viene quantificato attraverso un coefficiente k detto
di accoppiamento elettromeccanico.
8.10.3. TRASDUTTORI MAGNETOSTRITTIVI
La magnetostrizione è un fenomeno presente in tutti i materiali ferromagnetici. E’
dovuta alla presenza di un campo elettromagnetico che polarizza gli atomi della lamina,
come avviene nella elettrostrizione, producendo una deformazione nel senso del
campo. Questo fenomeno è reversibile e segue una legge quadratica. Per rendere il
comportamento lineare si sottopone il materiale ad una premagnetizzazione.
128
8.10.4. TRASDUTTORI ELETTROMAGNETICI
La generazione di onde ultrasonore attraverso il sistema elettromagnetico è
dovuta all’interazione tra un campo magnetico costane e le correnti ad alte frequenze
indotte, sulla superficie di un materiale conduttore, da una bobina posta a breve
distanza da esso. In questo modo si producono delle forze alternate che generano
vibrazioni meccaniche alla frequenza delle correnti indotte propagantesi verso l’interno.
Viceversa, delle vibrazioni ultrasonore nel materiale, in presenza di un campo
magnetico, generano forze elettromagnetiche che si possono rivelare con una bobina. Il
grande vantaggio di questo sistema consiste nella possibilità di operare a qualche
millimetro di distanza dalla superficie e non a contatto di essa permettendo l’esame di
superfici grezze.
8.10.5. ECCITAZIONE DEI TRASDUTTORI
Se il trasduttore viene sottoposto ad una tensione alternata le vibrazioni prodotte
sono continue e del tipo alternato con la medesima frequenza. Se invece di una
tensione alternata continua il trasduttore viene sottoposto ad una sola tensione
impulsiva di brevissima durata (pochi microsecondi) il trasduttore si ferma bruscamente
e ritorna allo stato di riposo con oscillazioni libere e smorzate che dipendono dal
coefficiente di smorzamento proprio del trasduttore che permette la dissipazione
dell’energia in ogni ciclo. Lo smorzamento deve essere accentuato e tale da permettere
il ritorno alla posizione di riposo nel più breve tempo possibile in modo da non influire
sul segnale che si vuole inviare. Per accentuare lo smorzamento si applica al
trasduttore un blocco poroso per le oscillazioni meccaniche ed una resistenza ohmica
per quanto riguarda quelle elettriche.
129
8.10.6. TIPI DI TRASDUTTORI IN RELAZIONE ALLE MODALITÀ DI IMPIEGO
I trasduttori, indipendentemente dall’effetto che genera la trasduzione del segnale,
possono essere di due tipi in relazione alle modalità con le quali vengono utilizzati.
Avremo dei trasduttori “per contatto” ed altri detti ad “immersione”.
I primi sono utilizzati posizionandoli direttamente a contatto con la superficie da
esaminare previa una interposizione di un materiale, detto mezzo di accoppiamento,
che ha il compito di trasferire la vibrazione generata all’interno del pezzo in esame.
I trasduttori sono montati entro apposite custodie per consentire la presa non la
mano. La placchetta trasduttrice, generalmente in materiale ceramico, è sostenuta da
un blocco poroso costituito da un impasto di plastica tungsteno e piombo. La sua
funzione e quella di smorzare le oscillazioni emesse dalla placchetta in fase di ritorno
nella posizione di riposo, allo stesso tempo però viene a ridursi l’ampiezza della
vibrazione generata e di conseguenza la potenza dell’impulso. Lo smorzamento deve
essere quindi tale da garantire un buon compromesso tra le due esigenze.
Figura 38: Schematizzazione di un trasduttore Piezoelettrico per contatto
I materiali elettrostrittivi offrono maggiori prestazione anche da questo punto di
130
vista inquanto possono essere smorzati maggiormente, ma soprattutto perché possono
essere sinterizzati in modo da formare una lente convessa che focalizza il fascio
ultrasonoro.
Le placchette di quarzo, invece, essendo ricavate da un monocristallo, devono
avere la facce perfettamente piane in modo da risultare normali all’asse di
cristallizzazione. La focalizzazione del fascio può essere ottenuta non lenti di materiale
rifrangente.
I trasduttori focalizzati concentrano molta energia, e di conseguenza sono molto
sensibili, in prossimità della zona focale, ma al di fuori di essa si riduce a valori molto
bassi. Pertanto sono molto usati per pezzi sottili, risentono meno di disallineamenti
angolari del fascio e rivelano meglio i difetti non ortogonali al raggio.
La forma del campo di emissione è influenzata dal blocco poroso che ha l’effetto di
dare un campo più regolare e idoneo a valutare l’entità dei difetti.
Per l’accoppiamento su superfici scabre è conveniente utilizzare una protezione in
plastica con interposte alcune gocce di olio anche se la protezione riduce la sensibilità.
I trasduttori ad “immersione” contrariamente non vengono applicati direttamente al
pezzo ma il loro accoppiamento con il materiale da esaminare avviene attraverso
l’interposizione di un mezzo permeabile agli ultrasuoni generalmente acqua. La faccia
del trasduttore viene protetta per l’azione dell’acqua e viene focalizzata per compensare
l’allargamento del fascio a causa della rifrazione. Infatti, in base alla legge di Snell,
nell’accoppiamento acqua/alluminio, per esempio, l’angolo rifratto si allontana
rapidamente dalla normale nel punto di incidenza. Se invece si utilizza un trasduttore
focalizzato, è possibile avere dei raggi normali che consentono una maggiore sensibilità
nel rilevare piccoli difetti. In seguito alla forte concentrazione di energia è possibile
rilevare la presenza di difetti che sfuggono ai trasduttori piani, a discapito però la
131
sensibilità è limitata in profondità e nella sezione trasversale rendendo necessario
ripetere la misura con esplorazioni a differenti profondità nel materiale. Per questo
esistono trasduttori a differenti profondità di focalizzazione.
132
9 APPENDICE B:
REALIZZAZIONE DEI CIRCUITI STAMPATI
Si è più volte accennato alla necessità di ricorrere alla realizzazione dei circuiti
elettrici su apposita scheda. In questa sezione viene presentata la procedura che si è
seguita per la realizzazione di ciascun circuito stampato.
Tutte le lavorazioni necessarie sono state realizzate interamente presso il
Laboratorio di “Misure Meccaniche e Termiche” del Dipartimento di Ingegneria
Meccanica secondo lo schema seguente:
realizzazione del disegno delle tracce, tramite un programma di CAD, e relativa stampa
su lucido in modo che le future tracce in rame siano totalmente nere;
il circuito stampato su lucido viene poi fissato sulla parte impressionabile della scheda
previa asportazione della pellicola protettiva;
esposizione della scheda così predisposta alla luce del Bromografo del Laboratorio per
cinque minuti, con questa procedura le tracce scure vengono impressionate sulla
scheda;
immersione della scheda impressionata in una soluzione acqua-idrossido di sodio
anidro (NaOH) per un tempo sufficiente ad asportare lo strato protettivo;
immersione della scheda in una soluzione di cloruro ferrico per un tempo sufficiente ad
asportare lo strato di rame che risulta al di fuori delle piste impressionate al fine di
tracciare le piste in rame sulla scheda. Tale fase è tata accelerata mediante l’utilizzo
di un apparecchio apposito che provvede alla vibrazione e riscaldamento del liquido
che favorisce una più rapida esecuzione;
successivamente una ulteriore esposizione della scheda nel Bromografo per altri cinque
minuti seguita da una nuova immersione nell’idrossido di sodio permette di ripulire le
tracce in rame dallo strato protettivo residuo;
la scheda così ottenuta viene poi rifilata nelle dimensioni di progetto vengono effettuate
le forature necessarie al fine di creare gli alloggiamenti per i componenti;
134
montaggio dei vari componenti ( resistenze, condensatori, diodi, cavi di collegamento …
ecc.) e degli zoccoli dei circuiti integrati mediante saldature a stagno;
collaudo e prova del circuito;
montaggio della scheda nel box di alloggiamento, cablaggio dei fili di collegamento e
connessione alla rete elettrica (se necessario) e verso l’esterno.
135
10 APPENDICE C:
DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA
DOCUMENTAZIONE FOTOGRAFICA
Nelle pagine che seguono vengono raccolte alcune fotografie che cercano di
“mostrare” quelle che sono state le realizzazioni portate avanti nel corso della presente
Tesi. Sono tutte immagini prese all’interno del laboratorio di “Misure Termiche e
Meccaniche” dove sono state realizzate tutte le apparecchiature.
Foto 1: Amplificatore/Deviatore di Segnale in trasmissione.
137
Foto 2: Amplificatore/Deviatore di Segnale in trasmissione. Particolare interno.
Foto 3: Amplificatore/Deviatore di Segnale in trasmissione. Scatola chiusa.
138
Foto 4: Amplificatore Segnale in ricezione.
Foto 5: Amplificatore Segnale in ricezione. Particolare.
139
Foto 6: Vista d’insieme apparecchiatura amplificazione segnale. Si notano i tre alimentatori.
Foto 7: Vista d’insieme strumentazione utilizzata.
140
Foto 8: Particolare Carrello portasonda in fase di accoppiamento.
Foto 9: Vista d’insieme Modello ed impalcatura.
141
Foto 10: Particolare Modello ed impalcatura.
Foto 11: Particolare portasonde in accoppiamento nella sua seconda versione.
142
BIBLIOGRAFIA
[1] J. KRAUTKRAMER, H. KRAUTKRAMER: “Ultrasonic testing of materials”. Springer-
Verlag 1990;
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