CONTROLLI NON DISTRUTTIVI E APPLICAZIONI IN AMBITO ELETTROTECNICO

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1 CONTROLLI NON DISTRUTTIVI E APPLICAZIONI IN AMBITO ELETTROTECNICO Carlo Santulli Università di Roma La Sapienza Dipartimento di Ingegneria Elettrica carlo.santulli@uniroma1.it Prove non distruttive (PnD) Dettagli su alcune tecniche PnD (vibrometria Laser, emissione acustica, termografia, ultrasuoni) Studio di casi per ogni singola tecnica

2 PROVE NON DISTRUTTIVE Obiettivi: Rilevazione (esistenza di un difetto) Localizzazione (posizione del difetto) Caratterizzazione (dimensione e geometria del difetto) Limiti: Risoluzione (minimo difetto rilevabile) Accuratezza (riconoscimento del difetto) (rischio di falsi allarmi)

3 RILEVAZIONE DI DIFETTI: CASI CHE POSSONO VERIFICARSI Difetto esistente e rilevato (positivo reale) Difetto non esistente ma rilevato (positivo falso) Difetto esistente ma non rilevato (negativo falso) Difetto non esistente e non rilevato (negativo reale)

4 CATENA SPERIMENTALE Sensore (rilevazione) Elaborazione dati Interpretazione risultati Utilizzo di più tecniche

5 VARIABILI AFFIDABILITA' PnD POD = Probability of detection PFI = Probability of false indication ROC = Relative operating characteristics La POD dipende anche dal rapporto segnale/rumore (S/N)

6 POD E DIMENSIONE DEL DANNEGGIAMENTO

7 ROC ED AFFIDABILITA' DELL'ISPEZIONE

8 POD, DIMENSIONE DIFETTO E USO DI PIU' TECNICHE

9 PRINCIPI DELLA FUSIONE DEI DATI (uso di più tecniche)

10 TECNICHE NON DISTRUTTIVE Indagine visiva/ottica (microscopia) Liquidi penetranti Ultrasuoni (anche tomografia, shearografia) Tecniche Laser (olografia, interferometria, microscopia confocale, vibrometria) Tecniche elettromagnetiche (correnti indotte, magnetoscopia) Emissione acustica Radiografia (raggi X, neutronica) Georadar Tecniche termiche (es., termografia infrarossa)

11 ALCUNE APPLICAZIONI ELETTROTECNICHE Rilevazione di: Difetti nei conduttori Arborescenze nei dielettrici Porosità critiche o difetti negli isolanti ceramici Irregolarità di vibrazione nei motori elettrici Sovraccarichi di origine meccanica nei sezionatori Scarica parziale nei trasformatori

12 INTERESSE DEL CONTROLLO NON DISTRUTTIVO LINEE ALTA TENSIONE I guasti più comuni delle linee di alta tensione includono rottura degli isolatori, rottura delle funi di guardia, non ancoraggio dei conduttori di terra, perdita di contatto tra gli spaziatori e falso contatto o rottura dei conduttori per le vibrazioni dovute al vento. Le linee sono di solito ispezionate sia da terra che con l'ausilio di elicotteri. Queste ultime ispezioni possono essere particolarmente pericolose per abbagliamento del sole, presenza di nuvole basse, prossimità alle linee in tensione.

13 PRATICA DEL CONTROLLO NON DISTRUTTIVO Identificare la risposta data nella tecnica di controllo non distruttivo utilizzata da un materiale/sistema il cui comportamento sia del tutto e sicuramente accettabile ( fondoscala dell'indagine o firma della situazione ottimale) Rilevazione deviazioni dallo stato ottimale Valutazione gravità Rilevazione della causa (eziologia)

14 VIBROMETRIA LASER Il vibrometro è basato sul principio del rilevamento dell'effetto Doppler della luce coerente (con unica frequenza) del Laser, che viene diffusa da una piccola area del materiale testato Il materiale diffonde o riflette la luce dal raggio laser e la variazione della frequenza dovuta all'effetto Doppler serve per misurare la componente della velocità lungo la direzione del raggio Laser Dato che la luce del laser ha una frequenza molto alta (4.74 x1014 Hz), la diretta demodulazione della luce non è possibile. Si usa quindi uno schema di interferometria ottica per mescolare la luce diffusa coerentemente con un raggio di riferimento Un fotorilevatore misura l'intensità della luce mista, la cui frequenza è uguale alla differenza tra il braccio di riferimento e quello di misura

15 SISTEMA DI MISURA I due bracci di riferimento e di misura del raggio Laser consentono di misurare la distanza puntuale alla quale si trova l'oggetto rispetto allo specchio. La corrispondente fase ottica dei raggi nell'interferometro è: Riferimento ΦR = 2kxR Misura ΦM = 2kxM ove k = 2π/λ. Si può porre Φ(t) = ΦR - ΦM La fase Φ(t) = 2π L/λ dove L è lo spostamento vibrazionale dell'oggetto e λ la lunghezza d'onda della luce del Laser. Per un continuo cambiamento di L, l'intensità luminosa I(t) varia in modo periodico, sicché c'è uno sfasamento tra i due raggi. La variazione nel tempo della fase è proporzionale alla variazione nel tempo della posizione dell'oggetto, che è poi la velocità vibrazionale della superficie. Questo porta alla formula per la frequenza di Doppler: fd = 2 v/λ

16 SCHEMA DETTAGLIATO

17 VANTAGGI DELLA VIBROMETRIA Metodo CnD senza contatto Non aggiunge massa all oggetto in vibrazione Piccola dimensione del raggio Laser ( Ø µm) E possibile misurare le vibrazioni sui materiali fino al di sotto del livello del nanometro (circa fino a 3 pm) Metodo rapido e versatile Possibilità di applicazione per scansioni 3-D del materiale (indicazioni anche sulla fase dello spostamento ottenuto)

18 ECCITAZIONE ALTE ARMONICHE PER RILEVAZIONE DIFETTI IN VIBROMETRIA Il difetto può essere rilevato, come noto dall'interferometria, con un segnale in frequenza di tipo rumore bianco. Eccitando le armoniche superiori, in cui gli spostamenti sono inferiori, il difetto ha una diversa mappa degli spostamenti

19 CONTROLLO SU SINGOLI CAVI ELETTRICI CON VIBROMETRIA LASER I grafici a destra mostrano una zona difettata, dove, specie ad alti livelli di frequenza, si osservano degli incrementi della velocità, corrispondenti a modi di vibrazione del difetto. Esistono vibrometri a scansione, adatti ad ispezionare un'area, anche se non in tempo reale (fuori servizio)

20 MOTORE CORRETTAMENTE FUNZIONANTE (frequenza vs. tempo all'accensione)

21 MOTORE DIFETTOSO (frequenza vs. tempo all'accensione)

22 ANALISI TEMPORALE Motore correttamente funzionante Motore difettoso

23 ANALISI IN FREQUENZA Motore correttamente funzionante Motore difettoso (presumibile difetto di eccentricità)

24 CONTROLLO CON ULTRASUONI (pulse-echo) L'ampiezza e la velocità dell'eco dipendono da: # Potenza e direzione di trasmissione # Dimensione e proprietà superficiali (es. rugosità) dell'oggetto in esame # Posizione ed orientamento dell'oggetto in esame # Dimensione ed orientazione della sonda ricevente # Perdita di segnale alla sonda ricevente per riflessione multipla e difetto di accoppiamento # Attenuazione sonora (assorbimento e diffusione) # Effetti d'ombra (per esempio per presenza di difetti che causano echi equivalenti)

25 RILEVAZIONE DI VUOTI NEGLI ISOLANTI CON TECNICA ULTRASONORA (PULSE-ECHO)

26 ULTRASUONI IN 3-D: C-SCAN C-scan su provini in fibra di vetro danneggiati per impatto C- scan cavi superconduttivi

27 CONTROLLO CAVI CON ULTRASUONI Rilevazione del danneggiamento sul campo su cavi di potenza fino a 10kV con ultrasuoni. In particolare, si rilevano i danneggiamenti locali del cavo, compresi quelli che non causano bruciatura, in presenza di alta resistenza e "scivolamento" del danneggiamento lungo la linea, ed i danneggiamenti locali dei rivestimenti del cavo. La rilevazione con ultrasuoni ha il notevole vantaggio di essere indipendente dal materiale del cavo e del rivestimento.

28 CONTROLLO DI ISOLATORI

29 RETI NEURALI ISOLATORI PORCELLANA

30 PRINCIPI TERMOGRAFIA INFRAROSSA La termografia infrarossa misura, attraverso un sistema radiometrico, l'energia emessa da un corpo nella regione dell'infrarosso, tipicamente tra i 3 ed i 12 micron di lunghezza d'onda. In corrispondenza di un corpo, la radiazione può essere assorbita (e quindi emessa), riflessa o trasmessa: la somma dei tre coefficienti, emissività, riflettività e trasmittività, è ovviamente uguale ad 1 (e + r + t = 1). Una misura dell'emissività è ottenibile, per es., puntando una sorgente di nota energia (raggio Laser) sull'oggetto, e misurando la quantità di energia riflessa. La radiazione emessa dal corpo forma l'oggetto dello studio termografico, in quanto è dipendente dalla temperatura locale delle singole regioni del corpo, che dipende a sua volta dalle proprietà geometriche e meccaniche della regione stessa. La radiazione emessa (densità di flusso di energia) da un corpo nero (cioè con emissività e=1) è L(T) = σt4 ove σ= W/m2 K4 (legge di Stefan-Boltzmann). In realtà la legge di S.B. vale anche per il cosiddetto "corpo grigio" la cui superficie ha un coefficiente di assorbimento, e quindi un'emissività costante ed indipendente dalla temperatura. Nel caso più generale, la temperatura "infrarossa" misurata sul corpo non è uguale a quella reale, tuttavia la misura differenziale della temperatura nelle varie regioni consente ugualmente lo studio. Il massimo di emissione del corpo nero avviene in corrispondenza di una lunghezza d'onda, in metri, data dalla legge di Wien: λmax = b/t ove T è espressa in K e b è una costante uguale a x10 3 m K.

31 TIPI DI ISPEZIONE TERMOGRAFICA ATTIVA: superficie riscaldata con un flash o una piastra. Si osserva il transitorio di raffreddamento fino al raggiungimento dell equilibrio termico (si parla anche di termografia del transitorio, o impulsata) PASSIVA: monitoraggio in tempo reale dell evoluzione delle variazioni di temperatura sulla superficie durante l applicazione di una sollecitazione Più recentemente, la termografia consente anche l'acquisizione della fase, oltre che dell'ampiezza dell'onda elettromagnetica emessa (lock-in thermography)

32 ESEMPI TERMOGRAFIA ATTIVA E PASSIVA

33 PRINCIPIO ISPEZIONE TERMOGRAFICA Caso di un surriscaldamento su un giunto di una linea ad alta tensione, osservabile dalla presenza di punti caldi

34 ANALISI DATI TERMOGRAFICI

35 ESTRAZIONE DELLE CARATTERISTICHE (termogrammi) A volte viene richiesta analisi dell'immagine (confronto, somma e/o differenza di immagini, per esempio) per evidenziare le caratteristiche del difetto rispetto al materiale circostante

36 STUDIO DEL TRANSITORIO OTTIMALE C'è un momento durante il transitorio di raffreddamento in cui le differenze di temperatura sono maggiori e quindi il contrasto è massimo

37 TERMOGRAFIA AT/MT (Ricca-Corrado 2004) A Sbarre MT interruttore 2 kv in aria B Sezionatore AT a due colonne fase laterale C Morsa calata su sezionatore fase centrale D Portalino MT trasformatore (tenuta bulloneria) E Connessione cavo-trafo di potenza F Sezionatore ingresso linea fase laterale (due viste) G Sezionatore 150 kv ingresso linea H Sezionatore 380 kv codolo interno

38 EMISSIONE ACUSTICA Energia rilasciata dal materiale quando avviene un fenomeno irreversibile. In realtà onda di tensionamento meccanico (stress wave emission). E una tecnica totalmente passiva (sonde solo riceventi), richiede una sollecitazione (che può essere anche soltanto ambientale, o dovuta ad un fenomeno avente luogo durante il monitoraggio) L onda superficiale di pressione viene rilevata, amplificata ed elaborata nelle sue variabili (EA classica) oppure studiata con metodi di riconoscimento della forma del segnale (EA modale) Frequenze di lavoro: 20 khz-1 MHz (di solito l'intervallo è molto più ristretto, spesso circa khz)

39 VARIABILI EMISSIONE ACUSTICA CLASSICA Il rilascio di forma d'onda dell'emissione acustica viene suddiviso artificialmente in segnali, dei quali si misurano le oscillazioni l'ampiezza integrale (conteggi), la massima, l'energia dell'inviluppo del durata, come segnale ottenuto. Le informazioni di frequenza richiedono l'acquisizione dell'emissione acustica con un segnale a larga banda (100 khz-1 MHz) con risposta all'incirca piatta.

40 ESEMPIO PROCEDURA PER ANALISI MODALE DATI EMISSIONE ACUSTICA

41 RETI NEURALI E ALGORITMI GENETICI Passare da una rete neurale ad un algoritmo genetico significa passare da un processo iterativo migliorato per tentativi (almeno da un punto di vista iniziale) ad un processo iterativo ottimizzato con considerazioni di teoria dell'evoluzione.

42 RILEVAZIONE DI ARBORESCENZE CON EMISSIONE ACUSTICA Disposizione sperimentale

43 RILEVAZIONE SCARICHE PARZIALI EA La scarica parziale comincia di solito a causa di vuoti, cricche od inclusioni all'interno di un dielettrico liquido. Dato che le scariche parziali sono limitate solo ad una porzione del dielettrico, quindi l'effetto pratico è una riduzione della distanza tra gli elettrodi. La scarica parziale può anche avvenire all'interfaccia tra due dielettrici. La maggior parte dei metodi per la rilevazione delle scariche parziali nei conduttori operano soltanto ad impianto spento. L'emissione acustica, essendo scarsamente affetta dal rumore elettromagnetico a frequenze oltre i khz permetterebbe l'identificazione dei casi di scarica parziale, specie con l'ausilio dei tecniche di analisi dei dati, come le reti neurali o gli algoritmi genetici. Allo scopo, sono stati simulati quattro casi di scarica parziale in olio: 1. Scariche punto-terra 2. Scariche di superficie 3. Scariche da bolle di gas 4. Scariche da particelle in movimento

44 TIPI DI SIMULAZIONE SCARICHE PARZIALI Tipo 1 Tipo 3 Tipo 2 Tipo 4

45 SCARICHE PARZIALI: STUDIO IN FREQUENZA CON EA (TIPO 1) In conseguenza della scarica parziale, avviene un rilascio di energia ultrasonora, come risultato delle interazioni tra I materiali. Queste sono osservate per un ciclo intero positivo e negativo (4 ms)

46 STUDIO EA TIPI DI SCARICHE PARZIALI (TIPI 2,3 E 4) Sono stati isolati tre tipi di scarica parziale in trasformatore ad olio, a seconda del tipo di segnale di emissione acustica rilevato, per servire al riconoscimento della forma d'onda del segnale come emissione acustica modale

47 APPROFONDIMENTI PnD (NDT) Siti: (Associazione Italiana PnD) (International Committee for NDT) (American Society for NDT) (database delle prove non distruttive) Riviste: NDT&E International Nondestructive evaluation Materials evaluation Insight (e specifici, p.es. Journal of Acoustic Emission, Ultrasonics)