Meccanica Sperimentale dei Materiali e delle Strutture

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1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile Meccanica Sperimentale dei Materiali e delle Strutture martedì 22 marzo 2016 Docente del Corso: Prof. Ing. Giacinto Porco

2 7 Lezione Strumenti per la misura dei

3 ULTRASUONI: IMMAGINI STORICHE REFLECTOSCOPE KRAUTKRAMER 1949

4 COMPONENTI DI UN SISTEMA AD ULTRASUONI SONDE CAVO COASSIALE CENTRALINA MEZZO DI ACCOPPIAMENTO

5 COMPONENTI DI UN SISTEMA AD ULTRASUONI SONDA

6 SISTEMA AD ULTRASUONI: SCOPI Le più importanti applicazioni degli ultrasuoni, sono le seguenti: rivelazione e localizzazione di corpi sottomarini (sonar); indagine sulla struttura della materia mediante la misura dei parametri della propagazione (velocità dell'ultrasuono, assorbimento) e dei parametri elastici dei mezzi solidi, liquidi, aeriformi con metodi a risonanza o interferometrici; rivelazione dei difetti dei materiali, che vengono fatti attraversare da radiazioni ultrasonore continue, di cui si misura l'attenuazione, o a impulsi, misurando gli eventuali effetti di eco dovuti a incrinature, cavità; rilevazione di possibili difetti nelle saldature o in processi termici; trattamenti dei metalli e delle leghe fuse, allo scopo di disaerarli o affinarli per effetto della cavitazione dovuta a radiazione ultrasonora; gli ultrasuoni vengono utilizzati anche nella misurazione di spessori di materiali (spessimetria), utile anche nella valutazione della corrosione; valutazione della portata in condotte.

7 SONDA DRITTA A CONTATTO AD ULTRASUONI Trovano impiego in quelle indagini che per tipologia di materiale e geometria richiedono un contatto diretto tra il trasduttore ed il prodotto in esame. Disponibili in due versioni: una concepita per impiegare una protezione in materiale antiusura ad elevata trasparenza ultrasonora, da interporre e trattenere mediante una ghiera con fissaggio a vite: la protezione è rinnovabile; un altra protetta mediante uno strato in allumina che, stanti le proprie caratteristiche di durezza, prolunga la vita operativa del trasduttore sottostante. MATERIALE Piezo ceramica FREQUENZA DI LAVORO MHz DIMENSIONE CRISTALLO mm

8 SONDA DRITTA DOPPIA AD ULTRASUONI Le sonde diritte doppie sono indicate per la conduzione degli esami defectologici e di spessimetria dove è richiesta una elevata risoluzione nelle zone prossime alla superficie di contatto. L elevata risoluzione laterale permette una ottima misurazione del tempo di volo con specifici vantaggi in occasione di superfici corrose. E disponibile per bassi spessori, in miniatura, per operare in condizioni estreme di temperatura. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezo ceramica MHz mm

9 SONDA AD ULTRASUONI AD IMMERSIONE Sonda ad onde longitudinali per controlli automatici in immersione, focalizzata o non, ad alto smorzamento. Concepite per l impiego in condizioni ambientali critiche. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO FUOCO Piezo ceramica MHz mm Sferico o cilindrico CONNESSIONE BNC - Lemo 00 - Lemo 1

10 SONDA AD ULTRASUONI PIANA A PUNTO Sonda a penna per controlli di spessori e micro difettologie. Linea di ritardo a cono da 10 mm. con parte d'appoggio di 3 mm. di diametro. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Corpo in acciaio inox 10/15 MHz 6 mm ELEMENTI 1 ANGOLO 0 CONNESSIONE Microdot.

11 SONDA MULTIPLA ROTANTE AD ULTRASUONI PER IL CONTROLLO DI ASSILI FERROVIARI E TECNICHE Sonda multipla rotante ad ultrasuoni di nuova concezione tipo PRA 1433 con connettore rotante per controllo assili e corona avente la possibilità di alloggiare fino a 4 sensori (per disco Ø max 100 mm) o 6 sensori (per disco Ø maggiore di 100 mm) posti ad angolazioni diverse e a frequenze diverse. I sensori messi in rotazione controllano l assile a profondità diverse garantendo quindi l ispezione delle parti critiche del pezzo. E possibile visualizzare i segnali in formato B-Scan utilizzando la sonda multipla con encoder. Le gradazioni dei sensori variano in base alle caratteristiche dell assile e alle zone da ispezionare.

12 SONDA AD ULTRASUONI ANGOLATA 14X14 Sonda angolata serie 14x14 per controlli manuali a contatto. Le sonde angolate sono particolarmente indicate per tutti quei controlli che richiedono una trasmissione del fascio ultrasonoro inclinato rispetto alla perpendicolare della superficie di contatto. Il controllo di saldature su strutture piane o circolari, la ricerca di cricche o difettosità orientate richiedono l impiego di sonde angolate. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezo ceramica MHz 14x14 ANGOLO CONNESSIONE Lemo 00 Lemo 1

13 MICROSONDA AD ULTRASUONI ANGOLATA 5X5 Micro sonda angolata serie 5x5 per controlli manuali in campo aeronautico. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezo ceramica 5 MHz 5x5 ANGOLO CONNESSIONE Microdot

14 SONDA ANGOLATA DOPPIA AD ULTRASUONI Sonda angolata tipo DA a doppio elemento. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezoceramica 1,8 2 4 MHz 3.5 x 10 5x10 10x22 mm ANGOLO FUOCO CONNESSIONE Lemo 00 Lemo 1

15 ARCHETTO A COLONNA D ACQUA A 739 Viene utilizzato per il controllo di materiali multistrato o fibra di carbonio nel campo aeronautico. La colonna d acqua che si crea tra le due sonde permette di avere il massimo accoppiamento con il pezzo da analizzare. Oltre al collegamento con lo strumento è necessario collegare l archetto ad una pompa per il circolo dell acqua. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezoceramica MHz 6-10 mm ANGOLO

16 SONDA BASCULANTE AD ULTRASUONI Micro sonda angolata per controlli manuali di vari tipi di materiali e saldature di piccoli spessori. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezoceramica MHz 3x ,35x6,35 mm ANGOLO CONNESSIONE Lemo 0 Lemo 00

17 SISTEMI AD ULTRASUONI EVOLUTI PHASED ARRAY Una serie di elementi ultrasonori, disposti parallelamente su di un asse vengono inseriti in un solo contenitore. Questo contenitore prende il nome di sonda Phased Array. La sonda emette impulsi caratteristici mediante l impiego di specifici ritardi. Ogni elemento genera quindi un proprio fascio ultrasonoro divergente. Impiegando ritardi variabili nel tempo e adeguatamente calcolati, i fasci ultrasonori possono essere generati e distribuiti nel materiale, tali da potere essere focalizzati a profondità specifiche e con una serie d angoli desiderati. Contemporaneamente possono essere generate sia onde longitudinali che onde trasversali. Le caratteristiche principali di una sonda Array sono: 1) numero d elementi che la compongono (disponibili fino a 64 elementi in fase) 2)numero di canali che gestiscono i segnali emessi e ricevuti (fino a 128 canali che gestiscono l eccitazione di n 64 elementi in modo parallelo) 3)dimensioni d ogni singolo elemento 4)ritardo del primo elemento e posizione sullo zoccolo in perspex in termini d altezza 5)distanza d interasse e distanza tra le pareti d ogni singolo elemento 6)dimensioni totali in lunghezza come somma di tutti gli elementi 7)frequenza (disponibili fino a 14 MHz)

18 SISTEMI AD ULTRASUONI EVOLUTI PHASED ARRAY

19 SISTEMI AD ULTRASUONI EVOLUTI TOFD La tecnica TOFD, applicata agli ultrasuoni, si basa sul fenomeno della diffrazione delle onde, causata dagli apici di una discontinuità e dalla rielaborazione dei segnali in radiofrequenza con misura del tempo di volo (TOFD : Time of flight diffraction). Questa tecnica può essere applicata con sistemi automatici o manuali, in particolar modo per il controllo dei giunti saldati, in sostituzione dell esame radiografico. SONDA AD ULTRASUONI TODF Sonda piana ad onde longitudinali corredata di zoccolo e adatta per controlli TOFD. MATERIALE FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO Piezoelettrico composto MHz mm ANGOLO CONNESSIONE Microdot

20 BOROSONDA AD ULTRASUONI Questa linea di sensori è stata sviluppata appositamente per il controllo ultrasonoro di assili cavi. Esistono in diverse configurazioni, per diversi diametri. Grazie alle cave superficiali, il liquido di accoppiamento rimane sul sensore, garantendo il corretto accoppiamento, senza dover utilizzare sistemi di adduzione particolari. La testa, è dotata di due connettori sulle estremità per permettere l'inversione dell'uscita del fascio ultrasonoro. DIAMETRO BOROSONDA FREQUENZA DI LAVORO DIMENSIONE CRISTALLO ANGOLO 30, 45, 56, 65, 85, 90 mm MHz 8x9,14x14, 14x20, 20x22 mm (in base al diametro della borosonda) da 35 a 70, (oppure 70 secante);

21 MEZZO DI ACCOPPIAMENTO Per ottenere un buon accoppiamento tra la sonda ed il materiale da esaminare è necessario eliminare l'aria che vi si interpone, cosa che viene ottenuta mediante l'utilizzo di un mezzo di accoppiamento da interporre tra la sonda e la superficie da esaminare. Il mezzo di accoppiamento deve avere buone caratteristiche di bagnabilità, ed una buona trasparenza agli ultrasuoni. Il mezzo di accoppiamento deve essere scelto in modo da non danneggiare la superficie del particolare. In base all'esigenza tale mezzo può essere scelto tra: - Olio tipo SAE 30 - Gel per ultrasuoni - Acqua - Glicerina E' importante usare lo stesso mezzo di accoppiamento sia per la taratura della macchina che durante il controllo.

22 STRUMENTI AD ULTRASUONI PER LA MISURA DELLA PORTATA DIAMETRI PRECISIONE mm +/- 0.7% da 10 al 100% del fondoscala. RIPETIBILITÀ migliore dello 0, 25% CAMPO DI MISURA GRADO DI PROTEZIONE da 0-1 m/s a 0-10 m/s di velocità del liquido. IP67 Il suo principio di funzionamento si basa sulla differenza dei tempi di transito di un impulso ultrasonico attraverso un liquido: tale impulso, emesso dal misuratore, fornisce un segnale in uscita direttamente proporzionale alla velocità del liquido e quindi alla portata istantanea, senza bisogno di ulteriori dispositivi di elaborazione. Il calcolo del tempo differenziale e un particolare dispositivo di elaborazione, permettono di rendere la misura di portata assolutamente indipendente dalla velocità di propagazione del suono nel liquido.

23 STRUMENTI PER LA MISURAZIONE DI SPESSORI PER RIVESTIMENTI Misura su acciaio / ferro e metalli non ferrosi. Sonda integrata nel misuratore di spessore che si pulisce con facilità Display retroilluminato Display LCD Funzione di calibratura Spegnimento automatico RANGE DI MISURA µm mils RISOLUZIONE 0,1 mils / 1 µm PRECISIONE ±4 digit da ,8 mils ±7 digit da 0 a 199 µm ±3 % + 4 digit da 7, mils / 200 a 1000 µm DISPLAY display LCD da 3 1/2 digit CONDIZIONI AMBIENTALI DI C LAVORO ALIMENTAZIONE 1 x batteria da 9 V DIMENSIONI DELLO 148 x 105 x 42 mm STRUMENTO PESO 157 g con batteria inclusa

24 STRUMENTO AD ULTRASUONI PER IL CONTROLLO DI MATERIALI COMPOSITI Le applicazioni tipiche sono: il controllo di giunti saldati, il rilevamento di corrosione, l ispezione di materiali compositi, forgiati e fusioni, tutti gli impieghi in cui è richiesto il controllo ultrasonoro compreso l utilizzo di trasduttori EMATS.

25 STRUMENTO AD ULTRASUONI PER IL CONTROLLO DI SALDATURE E TECNICHE Strumento ad ultrasuoni appositamente progettato e realizzato per il controllo automatico per saldature e per saldature ad angolo. Un robot multigiro per scansione elicoidale con passo fisso 0,5 mm e profondità di scansione massima di 30 mm Sistema automatico di iniezione acqua direttamente nel tubo da ispezionare Unità di controllo movimentazione programmabile via software Sonde a doppio cristallo progettate appositamente in funzione della tipologia della saldatura. Consente di eseguire scansioni multigiro a passo elicoidale fisso di 0,5 mm, su una corsa massima complessiva di 30 mm (60 giri).

26 STRUMENTO AD ULTRASUONI PER APPLICAZIONI IN AMBITO CIVILE Le indagini ultrasoniche consentono la determinazione delle caratteristiche elastiche dei materiali quali in particolare il calcestruzzo e murature. Per il calcestruzzo, con questo apparecchio si possono determinare il grado di omogeneità, la presenza di fratture o vuoti, il modulo di elasticità e la stima della resistenza a compressione. La velocità di propagazione dell impulso ultrasonico in un mezzo dipende dalla densità e dalle proprietà elastiche, che sono correlabili alla qualità e resistenza. Per le murature invece, è fornito un trasmettitore di tipo meccanico (martello), e prove soniche sono quindi in grado di fornire dati qualitativi sulle caratteristiche elastiche del materiale ed informazioni quantitative sui rapporti di variazione di tali caratteristiche tra punti diversi della struttura

27 STRUMENTO AD ULTRASUONI PER APPLICAZIONI IN AMBITO CIVILE TRASMETTITORE RICEVITORE CENTRALINA