ITGE970086A1 - Termografia ad impulso costante. - Google Patents

Description

Descrizione

Le tecniche termografiche attualmente utilizzate a livello industriale per il controllo non distruttivo dei materiali, sono principalmente di due tipi: Termografia impulsata e Termografia lock-in.

In entrambe i casi il pezzo da ispezionare viene eccitato termicamente e la temperatura superficiale viene rilevata mediante una termocamera in modo da avere immagini dei difetti presenti sotto la superficie.

La termografìa impulsata utilizza un impulso di tipo flash della durata di pochi millisecondi, registrando le immagini successivamente acquisite e rivelando i difetti che appaiono in superficie a tempi diversi, in dipendenza dalla loro profondità, come variazioni locali di temperatura (contrasto termico tra zona sana e zona con difetto). La termografia lock-in utilizza una sorgente di eccitazione termica modulata nel tempo in maniera sinusoidale, acquisendo diverse immagini e calcolando successivamente la trasformata di Fourier dell’evoluzione temporale della temperatura di ogni singolo pixel.

Dal momento che l’eccitazione termica é di tipo sinusoidale, anche la temperatura superficiale é di tipo sinusoidale, ma modulo e fase differiscono in dipendenza dalle caratteristiche termiche del materiale e quindi dalla presenza di difetti sotto (a superficie.

Vengono costruite in questo modo due immagini: una immagine di ampiezza e una immagine di fase.

L’immagine di ampiezza risente di variazioni di emissività superficiale, del non omogeneo riscaldamento della superficie e della sua orientazione; l'immagine di fase, invece, non risente di tali problemi e permette di avere una immagine dei difetti di facile interpretazione.

Riflessioni da parte di sorgenti termiche costanti vengono eliminate nell’immagine di fase, ma riflessioni da parte della sorgente termica modulata utilizzata per l’eccitazione termica, creano un forte disturbo che può essere eliminato solo evitando la riflessione per esempio mediante filtri.

La profondità dei difetti che si riescono a rilevare dipende dal tipo di materiale e dalla frequenza di modulazione: frequenze più basse riescono a penetrare a maggiore profondità.

É possibile utilizzare un algoritmo semplificato per il calcolo delle immagini in fase e in ampiezza, ma occorre che la sorgente termica sia modulata in maniera esattamente sinusoidale.

La sorgente termica più utilizzata é costituita da una o più lampade; dal momento che é richiesta una modulazione sinusoidale e la lampada non é un sistema lineare (cioè una modulazione sinusoidale della tensione in ingresso non produce una modulazione sinusoidale della radiazione in uscita), si fa uso di un sistema di calibrazione della sorgente, il quale é in grado di determinare che forma deve avere la tensione in ingresso in modo da ottenere in uscita la modulazione sinusoidale desiderata. Tale calibrazione deve essere fatta per ogni sorgente termica e per ogni frequenza che si desideri utilizzare, con notevole dispendio di tempo.

Un sistema per il controllo non distruttivo basato su un sensore all’infrarosso ed un’eccitazione termica costante, utilizzato fino ad oggi solo in laboratorio, é la TRÌR (Time Resolved lnfrared Radiometry).

La TRIR utilizza una sorgente laser oppure una sorgente a microonde o a correnti indotte per riscaldare in maniera continua il materiale e determinare la presenza di difetti o calcolare caratteristiche quali l’effusività termica.

La TRIR é una tecnica capace della misura di un solo punto per volta.

Recentemente é stata proposta una versione bidimensionale della TRIR la quale utilizza una sorgente laser ed una termocamera (R. Osiander, J. W. Spicer, J. C. Murphy, Time-resolved infrared radiometry for subsurface interface imaging, Progress in Naturai Science, suppl. Voi. 6, Dee. 1996). Le immagini acquisite nei primi istanti vengono utilizzate per calcolare una costante che serve a normalizzare le immagini successive.

Le differenze tra questa tecnica (TRIR bidimensionale) e la termografia ad impulso costante verranno illustrate in seguito.

La termografia ad impulso costante utilizza sorgenti termiche di vario tipo, decisamente meno costose di un laser ed in grado di ispezionare ampie superfici. Essa inoltre non utilizza costose lampade flash né richiede un sistema per la modulazione della sorgente termica e la sua calibrazione, permettendo un risparmio di denaro e di tempo; la sorgente termica viene semplicemente accesa e spenta. La termografia ad impulso costante ottiene immagini paragonabili alle immagini di fase della termografia lockin, senza però la necessità di ripetere la misura per penetrare a diverse profondità nel materiale.

É possibile, inoltre, l’eliminazione di riflessi da parte della sorgente utilizzata per riscaldare il pezzo.

La termografia ad impulso costante utilizza una sorgente di calore costante nel tempo (impulso a gradino o di tipo rettangolare) o una sorgente termica con distribuzione spaziale di forma costante.

La sorgente può essere una normale lampada, oppure una qualsiasi altra sorgente termica (ad esempio aria calda, ultrasuoni, microonde).

Una forma esemplificativa di esecuzione é rappresentata in fig. 1.

Una termocamera (a), preferibilmente una FPA (focal piane array) inquadra il pezzo da ispezionare (b); una sorgente termica (c), in questo caso una normale lampada di adeguata potenza, é disposta in modo da riscaldare la superficie del pezzo.

La termocamera é collegata ad un computer (d) in grado di acquisire ed elaborare le immagini provenienti da essa. Il computer é anche in grado di comandare l'accensione della lampada, cosi come l'inizio dell’acquisizione delle immagini, che deve partire immediatamente dopo l'inizio dell’eccitazione termica del pezzo.

Un’accorgimento utile da adottare nel caso di una lampada é quello di schermare la lampada con un diaframma (e), accenderla, aspettare che si scaldi e poi all’istante comandare l'apertura del diaframma: in questo modo si evita che la lampada, scaldandosi durante la misura irraggi il pezzo in maniera non costante nel tempo. Consideriamo un impulso a gradino: a partire dall’istante tL0 il provino viene riscaldato in maniera costante.

Immediatamente dopo (istante to) il computer comincia ad acquisire le immagini provenienti dalla termocamera.

Il processo di riscaldamento continuo e acquisizione delle immagini può andare avanti per un periodo di tempo anche lungo (diversi minuti) e la potenza della sorgente termica deve essere regolata all'inizio in modo da non raggiungere temperature troppo elevate che possano danneggiare il materiale o innescare fastidiosi fenomeni convettivi. A questo scopo in fig.1 é stato disegnato un reostato (f). Il difetto all'interno del pezzo é indicato dalla lettera g.

Maggiore é la durata della misura, maggiore é la profondità dei difetti che si riescono a rilevare.

In fig. 2 é rappresentato uno schema dell’andamento della temperatura superficiale (T) in funzione del tempo (t), quando il pezzo é soggetto ad irraggiamento da parte di una sorgente costante.

La presenza di un difetto ad una certa profondità provoca un andamento della temperatura superficiale che si discosta da quello della zona sana, risultando più basso o piu alto a seconda del tipo di difetto.

Ao, Ai, A2 An sono le immagini acquisite dalla termocamera ai tempi to, t1( t2, .... t„. Se j>i, l’immagine A contiene informazioni relative a difetti più profondi, rispetto a quelle contenute in A, consentendo una vera e propria tomografia termica.

La differenza di temperatura tra i vari punti della superficie dipende anche dal non uniforme riscaldamento della superficie.

Per limitare gli effetti della conduzione laterale del calore é bene cercare di avere un riscaldamento il più possibile uniforme.

Le immagini acquisite dalla termocamera devono essere opportunamente trattate per eliminare effeti dovuti ad una non omogenea illuminazione, a variazioni di emissività superficiale, all'orientazione della superficie, alla possibile riflessione di radiazione da parte di sorgenti termiche costanti.

Un modo per affrontare il problema é quello di considerare l’eccitazione termica a gradino o retangolare come la somma di differenti segnali sinusoidali a diverse frequenze, dopo di ché si può fare un’analisi di Fourier dell’andamento temporale della temperatura di ogni pixel in modo da ricavare ampiezza e fase relative all’armonica che interessa e in fine ricostruire l’immagine di fase che risulta avere tutti i vantaggi dell’immagine di fase della termografia lock-in.

Un altro procedimento é invece illustrato di seguito.

Chiamando S(x,y,t) il segnale proveniente alla termocamera relativo al pixel individuato dalle coordinate x e y, si può dire che:

(1)

dove C(x,y) é una costante che dipende dalla distribuzione spaziale della radiazione proveniente dalla lampada, dalla emissività superficiale e dalla orientazione della superficie, E(x,y,t) é l'intensità della radiazione infrarossa emessa dalla superficie, nel caso teorico di riscaldamento uniforme e uniforme emissività superficiale, R(x,y) é i) contributo di riflessione da parte di sorgenti costanti.

I modi per depurare il segnale S(x,y,t) da C e R sono molteplici, ma devono alla fine condurre ad una sottrazione di due immagini per eliminare R e ad una divisione per eliminare C.

Nel caso si sia sicuri dell’assenza di riflessioni si può fare una sola divisione.

Le operazioni sono da intendersi pixel per pixel.

Nel caso in cui la sorgente non possa considerarsi costante, ma la forma della sua distribuzione spaziale si, la costante C può essere rappresentata nel modo seguente:

(2)

L’ indipendenza del risultato dalle coordinate spaziali x e y può comunque essere ottenuta mediante una divisione di due immagini. La dipendenza temporale del risultato ottenuto non impedisce il riconoscimento di difetti e strutture interne del materiale. In questo caso é però importante evitare riflessioni da parte di sorgenti non costanti nel tempo.

Quanto detto mostra che, nel caso di assenza di riflessioni da parte della sorgente termica utilizzata per riscaldare il pezzo, il fatto di avere una sorgente assolutamente costante nel tempo non é essenziale; un’eccitazione termica approssimativamente costante risulta tuttavia la più semplice. É invece di fondamentale importanza che la forma spaziale dell’eccitazione termica sia costante, cioè la funzione K(x,y) non deve essere dipendente dal tempo.

Chiamando Bi le immagini risultanti, un esempio di algoritmo utilizzabile, nel caso di assenza di riflessioni, é:

Nel primo caso (3) l’immagine é normalizzata rispetto alla prima rivelando via via difetti piu profondi e perdendo solo quelli superficiali già visibili nell'immagine Ao. Nel secondo caso (4) strati a profondità via via maggiore vengono visualizzati, normalizzando rispetto a immagini prese ad istanti precedenti.

Data la dipendenza della temperatura dall'inverso della radice quadrata del tempo, prendendo immagini a intervalli di tempo che crescono con legge quadratica, l’aumento della temperatura per un solido semi-infinito, nell’ipotesi di trascurare perdite radiative e convettive, si linearizza. Eventuali difetti possono essere identificati come uno scostamento dall’andamento lineare della temperatura. Anche uno spessore finito provoca uno scostamento da questo andamento lineare.

Nel caso di riflessioni da parte di sorgenti costanti, anche da parte della stessa sorgente utilizzata per riscaldare il pezzo, si può utilizzare l’algoritmo seguente:

Il significato fisico della (5) e della (6) é simile rispettivamente a quello della (3) e della (4), ma come si é detto si eliminano le riflessioni da parte di sorgenti costanti. Altra possibilità é:

Naturalmente le possibilità di elaborazione delle immagini per ottenere dati interessanti sono molteplici e quelli sopra riportati sono solo alcuni esempi.

Le riflessioni da parte della lampada utilizzata per scaldare il pezzo possono anche essere evitate mediante l'uso di un filtro in grado di eliminare la radiazione emessa dalla lampada nella banda spettrale utilizzata dalla termocamera.

Mediante la scelta di immagini acquisite a tempi diversi, é possibile penetrare a varie profondità nel materiale, consentendo cosi una ricostruzione tridimensionale (tomgrafia termica) della struttura interna.

Sono importanti la velocità di acquisizione delle immagini, soprattutto per le prime, la sensibilità termica e una bassa rumorosità delle stesse.

Attualmente sono disponibili sul mercato termocamere Focal Piane Array (FPA) le quali hanno qualità decisamente superiori (basso rumore, elevata sensibilità ed elevata velocità di acquisizione delle immagini: i modelli piu recenti fino a 1400 al secondo) rispetto alle tradizionali termocamere a scansione.

Il segnale può essere aumentato proporzionalmente alla intensità della sorgente termica.

L'esatta misura delia temperatura superficiale da parte della termocamera, e quindi l’impostazione di un corretto coefficiente di emissività termica non é importante, dato il procedimento di normalizzazione delle immagini che viene seguito.

Oltre che una sorgente a gradino si può utilizzare una sorgente con impulso rettangolare, il quale può essere pensato come la somma di sinusoidi a diverse frequenze. La risposta all’impulso rettangolare può essere analizzata mediante la trasformata di Fourier fatta sull’andamento temporale di ogni pixel: si può costruire un’immagine di fase per le sole frequenze presenti nell’impulso, oppure si può fare uso di operazioni di sottrazione e divisione che permettono di eliminare, come illustrato precedentemente, riflessioni da parte di sorgenti costanti ed effetti dovuti a non uniforme riscaldamento, variazione di emissività e orientazione della superficie. Frequenze piu basse permettono di penetrare in maggiore profondità.

In pratica i particolari di esecuzione potranno comunque variare senza uscire dall ambito del trovato e quindi dal dominio del brevetto di invenzione.

La termografia ad impulso costante presenta, rispetto alla termografia impulsata, tutti i vantaggi della termografia lockin: indipendenza dall'emissività superficiale, indipendenza da non omogeneo riscaldamento, eliminazione di riflessioni dovute a sorgenti costanti.

1 vantaggi rispetto alla trermografia lockin sono i seguenti:

- non esiste la necessita di calibrare la sorgente alle diverse frequenze.

- si hanno immagini relative a diverse profondità di penetrazione senza ripetere la misura.

- possono essere eliminate riflessioni da parte di sorgenti costanti, anche da parte della stessa sorgente utilizzata per riscaldare il pezzo.

- la durata di una misura necessaria ad ottenere l'immagine di un difetto ad una determinata profondità é decisamente inferiore a quella della termografìa lockin.

La durata notevolmente inferiore della misura é particolarmente importante nel caso della rilevazione di difetti profondi in materiali a bassa diffusività termica: in un provino in legno si é riusciti a penetrare ad una profondità di 10 mm con una misura della durata di 4 minuti, mentre mediante termografia lockin si é riusciti a penetrare ad una profondità di 4-5 mm con una misura che in tutto é durata circa 10 minuti (5 minuti per esaurire il transitorio termico e 5 minuti di durata di un ciclo).

Anche l’eliminazione di riflessioni da parte di sorgenti costanti, compresa quella utilizzata par il riscaldamento, é estremamente importante, in quanto in alcuni casi, a causa della geometria del pezzo da ispezionare, é impossibile evitare che si abbia una riflessione nella direzione della termocamera.

Altre possibili applicazioni sono la misura dello spessore di ricoprimenti, misura di proprietà termiche di materiali, rilevazione dell’orientazione di fibre a diverse profondità mediante l’uso di una sorgente puntiforme (laser).

Le principali differenze rispetto alla citata versione bidimensionale della TRIR sono le seguenti:

- la TRIR bidimensionale utilizza una sorgente laser in grado di garantire una emissione costante nel tempo.

La termografia ad impulso costante può utilizzare una o piu lampade le quali hanno il vantaggio di essere notevolmente meno costose di un laser e possono illuminare una superficie molto piu ampia.

L’emissione costante nel tempo é utile nel caso si vogliano eliminare riflessioni da parte della sorgente eccitatrice, ma può essere limitata agli intervalli temporali in cui vengono acquisite le immagini che poi devono essere sottratte.

Un'emissione sufficientemente costante nel tempo può essere ottenuta mediante una preaccensione delle lampade ed una schermatura mediante diaframma.

- La TRIR bidimensionale utilizza i dati relativi alle prime immagini per calcolare una costante comprensiva dell’effusività termica dei materiale superficiale in modo da normalizzare le immagini; anche a questo fine é assolutamente necessario utilizzare una sorgente perfettamente costante nel tempo quale il laser.

La termografia ad impulso costante utilizza un algoritmo molto più semplice che consiste in una semplice divisione pixel per pixel di due immagini.

- La TRIR bidimensionale non considera alcun metodo di eliminazione delle riflessioni, mentre la termografia ad impulso costante é in grado di eliminare le riflessioni di sorgenti costanti, comprese la sorgente utilizzata per scaldare il pezzo. - La TRIR bidimensionale, contrariamente alla termografia ad impulso costante, non considera alcun dispositivo per limitare l'intensità della radiazione incidente sulla superficie e consentire osservazioni di lunga durata limitando la temperatura superficiale e quindi effetti indesiderati di convezione.

Claims (17)

1. Rivendicazioni 1. Sistema per il controllo non distruttivo caratterizzato dal fatto che esso comprende una termocamera all' infrarosso, una sorgente di eccitazione termica, un sistema di acquisizione ed elaborazione delle immagini.
2. 2. Sistema di controllo non distruttivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di utilizzare una sorgente di eccitazione termica con distribuzione spaziale di forma costante.
3. 3. Sistema di controllo non distruttivo secondo la rivendicazione 1 e 2, caratterizzato dal fatto che la sorgente termica viene semplicemente accesa e spenta, senza richiedere modulazione di tipo particolare né calibrazione, generando un impulso a gradino o di tipo rettangolare.
4. 4. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 3, caratterizzato dal fatto che le immagini acquisite dalla termocamera vengono normalizzate mediante una divisione pixel per pixel od operazioni equivalenti.
5. 5. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 4, caratterizzato dal fatto di poter eliminare riflessioni di sorgenti costanti e quindi anche riflessioni da parte della sorgente utilizzata per il riscaldamento, mediante una sottrazione pixel per pixel od operazioni equivalenti.
6. 6. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 3, caratterizzato dal fatto di ottenere immagini di fase alle frequenze presenti in ingresso mediante l'esecuzione della trasformata di Fourier per la sequenza temporale di ogni pixel.
7. 7. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 6, caratterizzato dal fatto di consentire una tomografia termica mediante l’acquisizione di immagini a tempi diversi o l’elaborazione dell'immagine di fase a diverse frequenze.
8. 8. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 7, caratterizzato dal fatto di utilizzare una o piu lampade quali sorgente di eccitazione termica.
9. 9. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 8, caratterizzato dal fatto di poter eliminare le riflessioni da parte della lampada utilizzata per riscaldare il pezzo mediante un filtro che elimini la radiazione emessa dalla lampada nella banda spettrale in cui lavora la termocamera.
10. 10. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 9, caratterizzato dal fatto di utilizzare un preriscaldamento delle lampade.
11. 11. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 10, caratterizzato dal fatto di utilizzare un diaframma per schermare l'irraggiamento delle lampade prima dell’inizio della misura.
12. 12. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 7, caratterizzato dal fatto di utilizzare vibrazioni meccaniche o ultrasuoni quale sorgente di eccitazione termica.
13. 13. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 7, caratterizzato dal fatto di utilizzare metodi elettrici (quali correnti elettriche indotte, l’effetto Joule o l’effetto capacitivo) quali sorgenti di eccitazione termica.
14. 14. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 7, caratterizzato dal fatto di utilizzare getti di aria calda o fredda, quali sorgenti di eccitazione termica.
15. 15. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 7, caratterizzato dal fatto di utilizzare microonde quale sorgente di eccitazione termica.
16. 16. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 15, caratterizzato da! fatto di utilizzare un sistema di regolazione (reostato) per la potenza della sorgente eccitatrice in modo da evitare temperature troppo elevate e limitare fastidiosi effetti convettivi.
17. 17. Sistema di controllo non distruttivo secondo le rivendicazioni 1 - 16, caratterizzato dal fatto di poter funzionare sia in riflessione (sorgente termica e termocamera dallo stesso lato del pezzo da ispezionare) sia in trasmissione (sorgente termica e termocamera situati ai lati opposti del pezzo).