ITBA20110067A1 - "MODULAR DEVICE FOR STRUCTURAL DIAGNOSTICS OF MATERIALS AND VARIOUS STRUCTURES, THROUGH THERMOGRAPHIC TECHNIQUES WITH MULTIPLE EXCITATIONS". - Google Patents
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Description
Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: Description of the Patent for Industrial Invention entitled:
"Dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di materiali e strutture varie, mediante tecniche termografiche ad eccitazioni multiple. " "Modular device for structural diagnostics of various materials and structures, using multiple excitation thermographic techniques."
Forma oggetto del presente trovato, un dispositivo modulare per la diagnostica strutturale di componenti e strutture di diversa natura, mediante tecniche termografiche IR. The present invention relates to a modular device for structural diagnostics of components and structures of different nature, by means of IR thermographic techniques.
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. More particularly, the device comprises a microwave exciter module together with at least one optical exciter module including optical sources, flash sources and laser source and / or at least one mechanical exciter module using an ultrasound source.
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. The device finds application, in general, in the field of non-destructive tests (NDT) and, more particularly for the analysis of coatings and other details and for the diagnostics of components and large structures with particular regard to the aeronautical, pleasure craft, industrial, manufacturing and renewable energy.
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. As is known, a technique for carrying out non-destructive and non-invasive diagnoses of a structure or of one of its components is that of thermography. This is a technique that involves the use of an infrared camera, otherwise called a thermal camera, capable of detecting the temperature of a body by measuring the intensity of heat emitted by it, without coming into physical contact with it. . There are several procedures that exploit anomalies in the thermo-physical behavior of the material / component for the identification and evaluation and identification of defects in the same materials. These procedures, called active or stimulated thermography, provide for the induction of a thermal transient in the structure under analysis through the use of exciters and the analysis with different possible methods of the trend of the surface temperature of the structure. The presence of a defect determines a different temperature trend over time compared to areas without defects, allowing the identification and measurement of discontinuities.
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. Currently, the induction of a thermal transient occurs with the use of hot air guns, flash-type optical exciters or halogen lamps or through the use of ultrasound. Each of these methodologies allows analysis for a defined range of conditions and therefore is used for a limited number of applications.
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. As regards the use of microwaves in thermographic diagnosis techniques, currently, this method is confined exclusively to the heating of a film, sensitive to this method of excitation, which is added to the surface of the component with the sole purpose of evaluating the microwave intensity in certain areas and not for detecting defects in materials.
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. Heating through optical systems generally causes a variation in surface temperature and therefore a heat wave, single or modulated, which goes from the surfaces and inwards, ultrasounds and especially microwaves instead generate heat in correspondence with the defect and therefore a heat flow that goes from the defect to the surface. In particular, microwaves allow a rapid assessment of the depth of the defect through the analysis of the thermographic signal over time with a dedicated procedure.
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. The purpose of the present invention is to provide a single instrument based on a microwave exciter which heats the water incorporated in the materials, in particular composites, and which incorporates several modules each suitable for providing a diagnosis using a different technique.
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. A further object of the present invention is the use of the data obtained by microwaves with the differentiated analysis of the heating phase and the post-excitation phase for the evaluation of the presence of the defect and its depth.
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. A further object is to avoid using several diagnostic tools each of which requires a different setting by providing a single modular device whose set-up requires a single procedure.
Un ulteriore scopo è quello di ridurre i tempi necessari per completare la diagnosi strutturale. A further object is to reduce the time required to complete the structural diagnosis.
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. Finally, a last object of the present invention is to improve the POD (Probability of Detection) through the analysis and comparison of data obtained through the use of different thermographic diagnosis procedures, each of which uses a different thermal source, compensating, in thus, to the deficiencies of traditional techniques that provide for a single thermal source not able to diagnose the wide variety of defects present in a wide typology of materials.
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. The present invention therefore has the advantage of allowing a "multispectral" diagnosis of the structure or component to be examined, as it makes use of a series of thermal exciters and the possibility of using the various data analysis procedures over time. o in frequency, coming from the sequence of thermograms over time, with the advantage of being able to analyze in a complementary way the different information deriving from the use of multiple thermal sources in order to characterize in detail any damage or defect in a wide range of materials and, consequently, increasing the probability of identifying defects or the 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. The device object of the present invention, therefore, allows simultaneous excitation through different thermal sources controlled with dedicated sensors and any feedback loops, and making use, for the analysis of the collected data, of filters in the frequency spectrum and reconstruction of the signal. thermographic with mathematical algorithms in order to distinguish the information obtained from the different sources used. Said dedicated algorithms allow the synergistic analysis of the data obtained using the various sources of thermal excitation.
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. The modularity of the device and its flexibility, as already mentioned, allow diagnosis to be made by reducing set-up times and, consequently, the test itself.
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. In particular, the device object of the present invention allows the on-site monitoring of large structures, drastically reducing the maintenance times of said large structures.
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. Furthermore, the device allows the calibrated positioning of the inspected area by means of laser pointers, identifying both the analysis area and the excitation area in order to accurately reconstruct the entire inspected area allowing an exact localization of the defective areas.
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. The invention aims to integrate a microwave exciter with traditional thermal excitation techniques, thus allowing to expand the types of defects detectable through a structural diagnostic test with thermographic techniques. In particular, the integration of a microwave exciter to the diagnosis instrument allows to detect in very short times even small defects or metallic inclusions in composite materials which, otherwise, are difficult to locate with known instruments.
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. These small defects are often unacceptable, as in the case of aircraft, as they could cause the component to break in flight; equally inadmissible are also the defects present in components exposed to the outside, such as for example wind turbines subjected both to considerable stresses and to possible freezing in the damaged area.
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. In the case of maternal composite materials known to be hygroscopic, the vapor pressure of the trapped water is sufficient to create an accumulation of water in the defect. Using microwaves at a frequency of 2.45GHz or at 4.90GHz, or at the excitation frequency of the water molecules, it is possible to diagnose the defects of a composite material using a thermal imaging camera capable of capturing the differences in surface temperatures generated by heating. water trapped in the defect.
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. The present invention therefore aims to provide a device suitable for expanding the diagnostic possibilities of current known non-destructive testing instruments, with the undoubted advantage of being able to diagnose large areas of a component by reducing the test times.
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: These and other purposes, as will become clearer from the following description, are achieved by the modular device for the structural diagnostics of various materials and structures, by means of multiple excitation thermographic techniques according to the present invention which is described below in a preferred non-limiting embodiment. of further developments within the scope of the invention itself, with the help of the attached drawing tables which illustrate the following figures:
fig. 1 una vista d'insieme del dispositivo modulare; fig. 1 an overall view of the modular device;
fig. 2 uno schema a blocchi del sistema di controllo delle varie sorgenti. fig. 2 a block diagram of the control system of the various sources.
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. As illustrated in figure 1, the device of the present invention is made up of various integrated modules 1, 2, 3, each suitable to excite the material to be diagnosed in a different way, in a specific band of the electromagnetic spectrum or with mechanical methods.
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). The excitation produced heats the material generating, more precisely, a thermal transient, inside the inspected area 11. Defects or damaged areas represent thermal barriers or obstacles to the normal thermal propagation of heat inside the specimen or they themselves become sources of heat. The areas with defects, therefore, will be thermally altered compared to the intact areas with the component analyzed. These non-homogeneous thermal behavior on the inspected area 11 can be viewed with an IR camera 4 in the various spectral bands used by them such as for example in the near (1.5-3 pm), medium (3-5 pm) or far infrared (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: As previously mentioned, the various sources of thermal excitation, as illustrated in Figure 2, are managed by a control system comprising the following components:
- 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. - a driver board 5 which controls three or more thermal exciters through ON / OFF commands and / or square and sine waves. In a preferred embodiment, the generators are of three types: an ultrasound generator 1, a microwave generator 2 and a signal generator 3 for controlling the optical users (lamps). Thermal excitation is produced by ultrasonic transducers (frequencies from 10 to 50 KHz) in the case of generator 1, by a microwave generator with Horn 10 antenna with frequencies from 2.35 GHz to 2.55 GHz or from 4.85 GHz at 4.95GHz and gain 18 dB ± 1, dB in the case of generator 2, and from optical units such as flash, halogen lamps or laser sources in the case of generator 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. - an acquisition card 6 which detects the signals generated downstream of the generators to carry out a control and possible feedback of the commands supplied via software, and the signals downstream of the exciters for controlling the emission levels of the waves produced to guarantee operation insecurity.
- 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 . - a software that manages the thermal excitation sources (PC interface-driver board 9) and the IR thermo-camera 4 (PC-thermo-camera interface), synchronizing the excitation command with the acquisition of the infrared signal, and which analyzes the data collected by the acquisition card.
- 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. - an IR thermo-camera 4 managed by the driver board 5 for the synchronization of the generators 1, 2 and 3 which communicates with a PC through the management and data analysis software.
- 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. - control sensors 7 placed downstream of the excitatory sources, which allow the control of the emission levels of the various types of waves used, by means of a feedback loop.
In particolare, il sistema di eccitazione a microonde 2 è costituito dai seguenti componenti: In particular, the microwave excitation system 2 consists of the following components:
- 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. - a magnetron microwave generator whose fundamental oscillator is coupled, with a PLL (Phase-locked loop) system, to a quartz reference compensated against thermal variations in order to guarantee high stability of the output frequency.
- 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. - an amplifier of adequate power, up to 6kW for "magnetron" systems and up to 2kW for PLL systems in which the use of solid state technology allows a very accurate construction and requires low voltage power supply (obtained through high efficiency switching converters of the electrical network). It incorporates the circuitry for regulating the power level and a protection system against reflected signals, ensuring the correct operation of the exciter 2, even in the event of incorrect positioning of the antenna or irradiation of metal surfaces with a high coefficient of reflection.
- 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. - an electronic control board that supervises the operation of the entire microwave excitation system 2 (microwave generator magnetron power amplifier) protecting, in particular, the most delicate devices from operating anomalies (lack of or insufficient ventilation, excessive absorption of current, high voltages). Furthermore, all the operating parameters are displayed on a graphic display such as: output power, reflected power, cooling fin temperature, power supply voltage and current absorbed by the transistors. The electronic card also allows the regulation of the output power level, telemetry and remote remote control via computer protocol.
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. The modular device provides for the use of one or more laser pointers 8 of which at least one associated with the microwave generator 2 for the identification of the irradiated area, and at least another associated with the IR thermo-camera 4 for the identification of the inspected area 11.
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IT000067A ITBA20110067A1 (en) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | "MODULAR DEVICE FOR STRUCTURAL DIAGNOSTICS OF MATERIALS AND VARIOUS STRUCTURES, THROUGH THERMOGRAPHIC TECHNIQUES WITH MULTIPLE EXCITATIONS". |
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IT (1) | ITBA20110067A1 (en) |
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2011
- 2011-11-29 IT IT000067A patent/ITBA20110067A1/en unknown
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