ITBA20110067A1 - "dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di materiali e strutture varie, mediante tecniche termografiche ad eccitazioni multiple". - Google Patents

Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"Dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di materiali e strutture varie, mediante tecniche termografiche ad eccitazioni multiple. "

Forma oggetto del presente trovato, un dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di componenti e strutture di diversa natura, mediante tecniche termografiche IR.

Più in particolare, il dispositivo comprende un modulo eccitatore a microonde insieme ad almeno un modulo eccitatore ottico comprensivo di sorgenti ottiche, sorgenti flash e sorgente laser e/o almeno un modulo eccitatore meccanico utilizzante una sorgente a ultrasuoni.

Il dispositivo, trova applicazione, in generale, nel campo dei controlli non distruttivi (NDT) e, più in particolare per l'analisi dei rivestimenti ed altri particolari e per la diagnostica di componenti e grandi strutture con particolare riguardo nel settore aereonautico, diportistico, industriale, manifatturiero e delle energie rinnovabili.

Come è noto, una tecnica per effettuare diagnosi non distruttive e non invasive di una struttura o di un suo componente, è quella termografica. E' questa, una tecnica che prevede l'utilizzo di una telecamera a infrarossi, altrimenti denominata termocamera, in grado di rilevare la temperatura di un corpo attraverso la misurazione dell'intensità di calore da esso emessa, senza entrare in contatto fisico con lo stesso. Vi sono diverse procedure che sfruttano anomalie nel comportamento termo fisico del materiale/componente per l'individuazione e la valutazione ed identificazione di difetti negli stessi materiali. Tali procedure, dette di termografia attiva o stimolata, prevedono l'induzione di un transitorio termico nella struttura in analisi attraverso l'uso di eccitatori e l'analisi con diverse possibili metodologie dell'andamento della temperatura superficiale della struttura. La presenza di un difetto determina un diverso andamento della temperatura nel tempo rispetto a zone prive di difetti, consentendo l'individuazione e la misura delle discontinuità.

Attualmente, l'induzione di un transitorio termico avviene con l'uso di pistole ad aria calda, eccitatori ottici tipo flash o lampade alogene o attraverso l'uso di ultrasuoni. Ognuna di queste metodologie consente l'analisi per un definito range di condizioni e pertanto viene usato per un limitato numero di applicazioni.

Per quanto riguarda l'uso delle microonde nelle tecniche di diagnosi termografiche, attualmente, questo metodo è confinato esclusivamente al riscaldamento di una pellicola, sensibile a tale metodo di eccitazione, che va aggiunta alla superficie del componente con l'esclusiva finalità di valutare l'intensità delle microonde in determinate aree e non per l'individuazione di difetti nei materiali.

Il riscaldamento attraverso sistemi ottici generalmente provoca una variazione di temperatura superficiale e quindi un'onda di calore, singola o modulata, che va dalle superfici e verso l'interno, gli ultrasuoni e soprattutto le microonde generano invece calore in corrispondenza del difetto e quindi un flusso termico che va dal difetto alla superficie. In particolare le microonde consentono una valutazione rapida della profondità del difetto attraverso l'analisi del segnale termografico nel tempo con procedura dedicata.

Scopo della presente invenzione, è quello di fornire un unico strumento basato su un eccitatore a microonde che riscaldi l'acqua inglobata nei materiali, in particolare compositi, e inglobante più moduli ciascuno idoneo a fornire una diagnosi avvalendosi di una diversa tecnica.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è l'uso dei dati ottenuti tramite microonde con l'analisi differenziata della fase di riscaldamento e quella post eccitazione per la valutazione della presenza del difetto e della sua profondità.

Un ulteriore scopo è quello di evitare di utilizzare più strumenti di diagnosi ciascuno dei quali richiede un diverso settaggio fornendo un unico dispositivo modulare il cui set-up richiede una procedura unica.

Un ulteriore scopo è quello di ridurre i tempi necessari per completare la diagnosi strutturale.

Infine un ultimo scopo del presente trovato, è quello di migliorare il POD (Probability of Detection) attraverso l'analisi ed il confronto di dati ottenuti mediante l'utilizzo di diverse procedure di diagnosi termografiche ciascuna delle quali utilizza una sorgente termica differente sopperendo, in tal modo, alle deficienze delle tecniche tradizionali che prevedono un'unica fonte termica non in grado di diagnosticare l'ampia varietà di difetti presenti in un'ampia tipologia di materiali.

La presente invenzione, ha pertanto il vantaggio di consentire una diagnosi "multispettrale" della struttura o del componente da sottoporre ad esame, in quanto di avvale di una serie di eccitatori termici e della possibilità di utilizzare le diverse procedure di analisi dei dati, nel tempo o in frequenza, provenienti dalle sequenza di termogrammi nel tempo, con il vantaggio di poter analizzare in modo complementare le diverse informazioni derivanti dall'utilizzo di più sorgenti termiche al fine di caratterizzare in modo dettagliato l'eventuale danno o difetto in un'ampia gamma di materiali e, di conseguenza, aumentando la probabilità di individuazione dei difetti ovvero del POD.

II dispositivo oggetto della presente invenzione, consente, pertanto, l'eccitazione contemporanea attraverso differenti sorgenti termiche controllate con sensori dedicati ed eventuali anelli di retroazione, ed avvalendosi, per l'analisi dei dati raccolti, di filtri in spettro di frequenza e ricostruzione del segnale termografico con algoritmi matematici in modo da distinguere le informazioni ottenute dalle differenti sorgenti utilizzate. Detti algoritmi dedicati, consentono l'analisi sinergica dei dati ottenuti utilizzando le varie sorgenti di eccitazione termica.

La modularità del dispositivo e la sua flessibilità, così come già accennato, consentono di effettuare diagnosi riducendo tempi di set-up e, di conseguenza, della prova stessa.

In particolare il dispositivo oggetto della presente invenzione consente il monitoraggio on-site di grandi strutture riducendo drasticamente i tempi di manutenzione di dette grandi strutture.

Inoltre, il dispositivo, consente il posizionamento calibrato mediante puntatori laser dell'area ispezionata, identificando sia l'area di analisi che quella di eccitazione in modo da ricostruire, in maniera accurata, l'intera area ispezionata consentendo una localizzazione esatta delle zone difettate.

L'invenzione si propone di integrare, alle tecniche di eccitazione termica tradizionali, un eccitatore a microonde, consentendo così, di ampliare le tipologie di difetti rilevabili attraverso una prova diagnostica strutturale con tecniche termografiche. In particolare, l'integrazione di un eccitatore a microonde allo strumento di diagnosi, consente di rilevare in tempi molto rapidi difetti anche di piccole dimensioni o inclusioni metalliche nei materiali compositi che, diversamente, sono di difficile localizzazione con gli strumenti noti.

Detti piccoli difetti, sono spesso inaccettabili, come nel caso di aeromobili, potendo causare la rottura del componente in volo; altrettanto inammissibili sono anche i difetti presenti in componenti esposti all'esterno, quali ad esempio pale eoliche soggette sia a notevoli sollecitazioni, che ad eventuale gelività nella zona danneggiata.

Nel caso dei materiali compositi, maternali notoriamente igroscopici, la tensione di vapore dell'acqua intrappolata è sufficiente a creare un accumulo di acqua nel difetto. Utilizzando microonde ad una frequenza di 2,45GHz o a 4,90GHz, ovvero alla frequenza di eccitazione delle molecole dell'acqua, è possibile diagnosticare i difetti di un materiale composito mediante una termocamera in grado di captare le differenze di temperature in superficie generate dal riscaldamento dell'acqua intrappolata nel difetto.

La presente invenzione si prefigge, pertanto, di fornire un dispositivo idoneo ad ampliare le possibilità di diagnosi degli attuali strumenti noti di controllo non distruttivo, con l'indubbio vantaggio di poter diagnosticare zone ampie di un componente riducendo i tempi di prova.

Questi ed altri scopi come meglio appariranno dalla descrizione che segue, sono raggiunti dal dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di materiali e strutture varie, mediante tecniche termografiche ad eccitazioni multiple di cui alla presente invenzione che viene descritta nel seguito in un'esecuzione preferita non limitativa di ulteriori sviluppi neN'ambito dell'invenzione stessa, con l'aiuto delle tavole di disegni allegate che illustrano le seguenti figure:

fig. 1 una vista d'insieme del dispositivo modulare;

fig. 2 uno schema a blocchi del sistema di controllo delle varie sorgenti.

Così come illustrato in figura 1, il dispositivo di cui alla presente invenzione, si compone di vari moduli integrati 1, 2, 3, ciascuno idoneo ad eccitare in maniera differente, il materiale da sottoporre a diagnosi, in una specifica banda dello spettro elettromagnetico o con metodi meccanici.

L'eccitazione prodotta riscalda il materiale generando, più precisamente, un transitorio termico, all'interno dell'area ispezionata 11. I difetti o le zone danneggiate rappresentano delle barriere termiche o degli ostacoli alla normale propagazione termica del calore all'interno del provino o diventano essi stessi sorgenti di calore. Le aree con difetti, quindi, risulteranno termicamente alterate rispetto alle zone integre con componente analizzato. Tali disomogeneità di comportamento termico sull'area ispezionata 11 sono visualizzabili con una telecamera IR 4 nelle varie bande spettrali da esse utilizzate come ad esempio nel campo del vicino (1.5-3 pm), medio (3-5 pm) o lontano infrarosso (8-14 pm).

Come in precedenza accennato le varie sorgenti di eccitazione termica, così come illustrato nella figura 2, sono gestite da un sistema di controllo comprendente i seguenti componenti:

- una scheda driver 5 che comanda tre o più eccitatori termici attraverso comandi di tipo ON/OFF e/o onde quadre e sinusoidali. In una esecuzione preferita, i generatori sono di tre tipi: un generatore di ultrasuoni 1, un generatore di microonde 2 ed un generatore 3 di segnale per il comando degli utilizzatori ottici (lampade). L'eccitazione termica è prodotta da trasduttori ad ultrasuoni (frequenze da 10 a 50 KHz) nel caso del generatore 1, da un generatore di microonde con antenna Horn 10 con frequenze da 2,35 GHz a 2,55 GHz o da 4,85GHz a 4,95GHz e guadagno 18 dB ± 1, dB nel caso del generatore 2, e da unità ottiche tipo flash, lampade alogene o sorgenti laser nel caso del generatore 3.

- una scheda di acquisizione 6 che rileva i segnali generati a valle dei generatori per effettuare un controllo ed eventuale retroazione dei comandi forniti via software, ed i segnali a valle degli eccitatori per il controllo dei livelli di emissione delle onde prodotte per garantire l'esercizio in sicurezza.

- un software che gestisce le sorgenti di eccitazione termica (interfaccia PC-scheda driver 9) e la termo-camera IR 4 (interfaccia PC-termo-camera), sincronizzando il comando di eccitazione con l'acquisizione del segnale infrarosso, e che analizza i dati raccolti dalla scheda di acquisizione .

- una termo-camera IR 4 gestita dalla scheda driver 5 per la sincronizzazione dei generatori 1, 2 e 3 la quale comunica con un PC attraverso il software di gestione e di analisi dei dati.

- sensori di controllo 7 posti a valle delle sorgenti eccitatrici, che consentono il controllo dei livelli di emissione delle varie tipologie di onde utilizzate, mediante un anello di retroazione.

In particolare, il sistema di eccitazione a microonde 2 è costituito dai seguenti componenti:

- un generatore di microonde magnetron il cui oscillatore in fondamentale è agganciato, con un sistema PLL (Phase-locked loop), ad un riferimento quarzato compensato contro le variazioni termiche in modo da garantire un'elevata stabilità della frequenza in uscita.

- un amplificatore di potenza adeguata, fino a 6kW per i sistemi "magnetron" e fino a 2kW per i sistemi PLL in cui l'impiego di tecnologia allo stato solido permette una costruzione molto accurata e richiede l'alimentazione a bassa tensione (ottenuta tramite convertitori switching ad alta efficienza della rete elettrica). Ingloba esso, la circuiteria per la regolazione del livello di potenza ed un sistema di protezione contro i segnali riflessi, garantendo il corretto funzionamento dell'eccitatore 2, anche in caso di posizionamento errato dell'antenna o di irradiamento di superfici metalliche con elevato coefficiente di riflessione.

- una scheda elettronica di controllo che supervisiona il funzionamento dell'intero sistema di eccitazione a microonde 2 (generatore di microonde magnetron amplificatore di potenza) proteggendo, in particolare, i dispositivi più delicati dalle anomalie di funzionamento (mancata o insufficiente ventilazione, eccessivo assorbimento di corrente, tensioni elevate). Inoltre, sono visualizzate su un display grafico tutti i parametri di funzionamento quali: potenza di uscita, potenza riflessa, temperatura dell'aletta di raffreddamento, tensione dell'alimentazione e corrente assorbita dai transistor. La scheda elettronica consente, inoltre, la regolazione del livello di potenza di uscita, la telemetria ed il telecontrollo a distanza tramite protocollo informatico.

Il dispositivo modulare prevede l'impiego di uno o più puntatori laser 8 di cui almeno uno associato al generatore di microonde 2 per l'identificazione dell'area irraggiata, ed almeno un altro associato alla termo-camera IR 4 per l'identificazione dell'area ispezionata 11.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di materiali e strutture varie, mediante tecniche termografiche ad eccitazioni multiple, caratterizzato da i seguenti componenti: un gruppo di eccitazione termica composto da un generatore di microonde (2) ed almeno da un generatore di ultrasuoni (1), ed almeno un generatore termico di tipo ottico (3), una termo camera (4), radiometrica con capacità di registrazione di sequenze nel tempo, una scheda driver (5), analogica o digitale con segnale atto a generare eccitazioni mediante comandi di tipo ON/OFF e/o onde quadre e/o sinusoidali, detta scheda essendo a comando di detto gruppo di eccitazione termica (1, 2 e 3), una scheda di acquisizione (6), eventualmente integrata con la scheda driver (5), dei segnali generati a valle dei generatori, detta scheda avendo funzione di controllo ed eventuale retroazione della congruità dei comandi inviati dal software e dei segnali a valle degli eccitatori (1, 2 e 3), uno o più sensori di controllo (7) a valle degli eccitatori (1, 2 e 3) per il controllo in retroazione, uno o più puntatori laser (8) per l'identificazione dell'area da ispezionare (11), almeno un elaboratore (9) per la gestione e controllo dell'intero apparato e per l'acquisizione del segnale ed analisi dei dati.
2. 2. Dispositivo modulare di cui a rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l'eccitazione termica è fornita esclusivamente da un generatore di microonde (2).
3. 3. Dispositivo modulare di cui a rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che gli ultrasuoni di cui al generatore (1), sono prodotti da trasduttori per ultrasuoni nelle frequenze preferibilmente da 10 a 50 KHz.
4. 4. Dispositivo modulare di cui a una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il generatore (2) utilizza preferibilmente un'antenna Horn (10), dimensionata e conformata in modo tale da proiettare un fascio di microonde adeguato all'area da ispezionare (11), con frequenze intorno ai 2.45 o 4.9 GHz con guadagno adeguato.
5. 5. Dispositivo modulare di cui a una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli eccitatori termici di tipo ottico di cui al generatore (3) sono lampade alogene e/o lampade flash e/o sorgente laser.
6. 6. Dispositivo modulare di cui ad una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il generatore di microonde (2) comprende : un generatore tipo magnetron a 2,45GHz e fino a 6kW oppure preferibilmente un generatore di microonde intorno a 2450 o 4900 MHz, il cui oscillatore in fondamentale essendo agganciato con un sistema PLL ad un riferimento quarzato compensato, un amplificatore di potenza adeguato all'area da ispezionare (11) e fino ad 2 KW, - una scheda di controllo responsabile del processo di supervisione del funzionamento del generatore di microonde (2) (generatore tipo magnetron amplificatore di potenza ) consentendo la regolazione del livello di potenza di uscita e la telemetria ed il controllo a distanza tramite protocollo informatico.
7. 7. Dispositivo di cui a rivendicazione 1 e 2 caratterizzato dal fatto di comprendere uno o più puntatori laser (8), di cui almeno uno associato al generatore di microonde (2), ed almeno un altro associato alla termo camera (4).