Misure non invasive su manufatti civili
Un banco automatizzato e la metodica pulse-echo

1. Introduzione

Negli ultimi anni, nell'ambito dell'ingegneria civile, si è assistito ad un interesse crescente verso lo sviluppo e l'applicazione di tecniche di "misura", non distruttive [1], [2], [3]. Tra queste si stanno consolidando - e tendono ad essere standardizzate - quelle che fanno riferimento a metodologie soniche ed ultrasoniche, in virtù del loro carattere strettamente non invasivo. Gli sforzi sono indirizzati soprattutto alla soluzione rigorosa di problemi semplici quali la localizzazione di volumi vuoti, di nervature metalliche, di discontinuità nella struttura, ed all'accertamento delle dimensioni di manufatti accessibili da un'unica direzione.

La tecnica maggiormente sperimentata è nota con il nome di pulse-echo e comprende diverse metodologie, con nomi diversi, fra loro differenziate per i mezzi di generazione dell'impulso, per le modalità di manipolazione del segnale di eco e per la banda della frequenza d'eccitazione.

È bene sottolineare che l'applicazione di queste metodiche al calcestruzzo, al CA ed al CAP, alle murature ed, in genere, ai materiali da costruzione incontra - allo stato attuale delle conoscenze - un limite nella natura eterogenea del mezzo, che favorisce i processi di diffusione delle onde sonore, con un duplice effetto negativo: la generazione di rumore e l'attenuazione del segnale.

La peculiarità di base della tecnica impact-echo [4] consiste nell'impiego di un mezzo ad impatto per la formazione dell'onda elastica. Questa viene caratterizzata da una limitata banda di frequenze, con sollecitazioni longitudinali, trasversali e di superficie che si propagano nella struttura. Gli "echi" di riflessione sono rilevati da uno o più trasduttori ultrasonici e convertiti in tensione, la cui ampiezza, nel tempo, è funzione del percorso effettuato. L'estrazione dell'informazione può avvenire sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza.

La lunghezza d'onda del segnale è, generalmente, compresa tra i 50 ed i 2000 mm ed è superiore alla massima dimensione degli inerti del calcestruzzo e delle sue imperfezioni. L'uso di lunghezze d'onda così alte produce un debole assorbimento del segnale ma limita il potere risolutivo dell'apparecchiatura.

L'AUTORE.
L'ingegnere Rinaldo Vallascas
è professore di prima fascia
nel raggruppamento disciplinare
Misure Meccaniche
presso la Facoltà di Ingegneria
dell'Università di Cagliari

tel. 070.6755.721
e-mail: rvallascas@hotmail.com

Hanno collaborato gli ingegneri Francesco Bistrussu, Pier Andrea Defelice, Ignazio Mei, Corrado Puddu e Carlo Vallascas.

Figura 1. Il banco per la diagnostica su provini

La tecnica pulse-echo [5] si caratterizza per le modalità di generazione del segnale, mediante un trasduttore piezoelettrico pilotato da un generatore di potenza, spesso programmabile. La captazione avviene utilizzando lo stesso o un secondo trasduttore in ricezione. Le frequenze massime sono normalmente inferiori a 100-200 kHz. Il potere risolutivo è, ovviamente, più elevato della tecnica precedente. Il rumore continua a manifestarsi ma, con un rapporto S/R più favorevole.

La forma più intuitiva di rappresentazione delle informazioni è quella denominata A-mode, che consiste nella visualizzazione diretta, sull'oscilloscopio, della forza elettromotrice generata, per effetto piezoelettrico, dal trasduttore. Spesso l'asse dei tempi viene preliminarmente calibrato in lunghezza, per fornire una lettura diretta delle distanze.

La caratteristica peculiare della rappresentazione A-mode consiste nell'alto contenuto d'informazione derivante da numerosi echi generati dal processo di diffusione e riflessione a seguito dell'onda, praticamente sferica, con la quale s'interroga il provino. Una seconda forma è quella denominata B-mode, la quale è generata dalla scansione unidirezionale della superficie interessata, mediante lo spostamento del trasduttore. Gli echi rilevati sono visualizzati con diversa intensità di grigio o colore e permettono una vista d'insieme dei difetti e della parete opposta.

Nella rappresentazione C-mode lo scansionamento è bidirezionale e fornisce un'immagine con vista aerea, senza informazioni sulla profondità. Solo l'adozione di tecniche combinate consente il recupero della terza dimensione. Sovrapponendo più scansioni di tipo B, ad esempio, è possibile - utilizzando l'intensità del segnale ed il suo tempo di transito - generare un'immagine tridimensionale del volume esplorato.

Alle forme di rappresentazione descritte è possibile applicare metodi d'elaborazione dei segnali al fine di incrementare il rapporto segnale/rumore. I provini in calcestruzzo, in particolare, per intrinseca disomogeneità richiedono metodologie d'indagine che presuppongono la manipolazione dei segnali. Tra queste meritano considerazione: l'analisi in frequenza [6], e le tecniche SAFT [7], con scansionamento mediante vibrometro laser [8] ed attraverso un approccio statistico [9].

Il metodo dell'analisi nel dominio di Fourier è impiegato, soprattutto, per la determinazione dello spessore del provino. Si può adottare la tecnica impact-echo, pilotando il "martello" con un segnale di periodo pari al doppio dello spessore del provino, al fine di generare onde stazionarie che risuonano, per interferenza costruttiva, in seno al provino.

Il diagramma dei moduli presenta uno o più picchi in corrispondenza della frequenza di risonanza e delle armoniche superiori. Le eventualità di equivoca interpretazione sono fugate derivando la frequenza fondamentale dalla differenza di frequenza di due picchi consecutivi.

La tecnica SAFT si basa sulla sovrapposizione di differenti registrazioni dei segnali, restituiti da una parte (apertura) della struttura in esame, ottenute in successione spaziale e temporale. Quello che nelle A-mode costituisce un inconveniente legato all'angolo di divergenza dei trasduttori ultrasonici, nella SAFT diviene un fenomeno desiderato, che permette di visualizzare il provino da più punti di vista ottenendo una sequenza di A-scan sfalsate nel tempo e sovrapposte.

La media temporale di queste rappresentazioni consente di eliminare, per la casualità di fase, una parte del rumore prodotto dalla granulometria: in presenza di difetti, i segnali interferiscono costruttivamente, mentre in assenza si verifica una interferenza distruttiva che tende a migliorare il rapporto S/R.

Attraverso la tecnica SAFT è possibile non solo ottenere una migliore visualizzazione nel tempo, con l'elaborazione di numerose A-scan, ma è anche possibile operare una ricostruzione grafica realizzando una immagine che mette in evidenza, a colori o su scala di grigio, le zone di provenienza dell'eco e la sua intensità.

La tecnologia SAFT è stata oggetto di numerose ricerche ed implementazioni che hanno portato alla realizzazione di immagini bi e tridimensionali. Una interessante variante è quella che utilizza in ricezione, al posto del trasduttore ultrasonico, un vibrometro laser che permette di scansionare la superficie della struttura di interesse senza esercitare un contatto fisico, superando i limiti dell'accoppiamento.

Non sono assenti problemi di altra natura, quali la scarsa sensibilità del sistema che conduce a un basso rapporto segnale/rumore e lo speckle prodotto dalla superficie. L'applicazione della interferometria laser permette una risoluzione teorica di circa 4000 punti per direzione, per un totale di 1,6 milioni di punti sull'area di scansione. Tuttavia, essendo necessari da 1 a 5 secondi per ogni scansione, sono evidenti le limitazioni imposte dai tempi di acquisizione.

Il rumore dei grani non può, comunque, essere del tutto eliminato con la tecnica delle medie temporali, in quanto il processo di diffusione presenta una componente tempoinvariante connessa alla forma e dimensione degli inerti ed alla disposizione spaziale.

L'approccio statistico si basa su un'ipotesi di lavoro che considera casuale il processo di deposizione degli inerti nella matrice cementizia. Le immagini formate con tecnica SAFT sono ulteriormente processate usando un algoritmo di determinazione statistica di un valore che funge da soglia di separazione del rumore formato dai "grani". Ciò consente di ottenere immagini con maggiore contrasto e migliore potere risolutivo.

Figura 2. Schema della movimentazione delle sonde attorno al provino

2. Il banco per la diagnostica

Il banco per le misure di carattere diagnostico su provini di materiali da costruzione civile (figura 1) è stato concepito con il fine di replicare le diverse fasi di posizionamento delle sonde che l'operatore compie manualmente e di rendere completamente automatizzato il processo di misura.

A tale proposito è stato realizzato un sistema di carrelli che consente la movimentazione delle sonde sul piano orizzontale, per mezzo di motori passo passo pilotati - via software - tramite una scheda ad ingresso con accoppiamento ottico, progettata sugli integrati L297 ed L298N.

Poiché si intende operare, contestualmente, da due lati opposti del provino, il sistema è stato duplicato (figura 2).

3. Il sistema di misura e controllo

Con riferimento allo schema di figura 3 ed alla foto di figura 4, si descrive l'apparecchiatura di misura e controllo. Il segnale pilota è fornito dal generatore di segnale HP33120A interfacciato al pc tramite il protocollo GPIB ed il driver di sistema. È possibile, prima di ciascun ciclo di prova, impostare i parametri desiderati per il segnale pilota che viene utilizzato per comandare il gate di un MosPower, con semplice funzione di interruttore, sulla tensione continua di alimentazione, regolabile fino a 90 Vpp.

L'uscita è ulteriormente amplificata, per via induttiva, con rapporto 1 a 2, prima di arrivare tramite un relè alla sonda trasmittente (TX1 o TX2) di interesse.

Il segnale di restituzione è captato dai trasduttori in ricezione, RX1 o RX2, quindi amplificato per via analogica, ed, eventualmente, integrato.

La rilevazione avviene tramite l'oscilloscopio HP54602A, contestualmente al segnale pilota, che funge da trigger. Il driver di gestione dell'oscilloscopio consente il trasferimento delle forme d'onda, digitalizzate, al software di elaborazione in ambiente Labview 5.1, sul pc.

Il computer, attraverso la DAQCard 1200, gestisce l'interfaccia di pilotaggio dei motori stepper per la movimentazione dei carrelli e l'interfaccia relè.

Figura 3. Schema del circuito segnali e del circuito pilotaggio motori passo passo

4. Il software di gestione

Per la gestione dell'intero sistema è stato elaborato un software dedicato il cui pannello di controllo è rappresentato qui sotto. Il pannello comprende due quadri principali, quello relativo al settaggio iniziale e quello dedicato alla presentazione dei risultati. Il sottoquadro segnale è dedicato all'impostazione dei parametri più significativi del generatore di funzioni: numero di impulsi, forma, ripetizioni, ampiezza e frequenza.

Per quanto concerne i carrelli si può selezionare quello da movimentare, si può scegliere il verso del moto, l'entità della corsa per ogni passo, il numero dei passi ed i cicli di ripetizione del programma di lavoro. Si devono impostare: la profondità del provino (se si è interessati allo scansionamento bilaterale dello stesso), la velocità di propagazione del suono, la frequenza di taglio del filtro passa alto e la soglia di lettura del tempo sui segnali ricevuti.

Il quadro dedicato alla presentazione dei risultati comprende il sottoquadro provino, che indica istante per istante la posizione delle sonde e lo stato di movimentazione dei carrelli, e gli abachi per la restituzione dei dati. Questi ultimi consentono la visualizzazione dei segnali presenti sul monitor dell'oscilloscopio ed il monitoraggio dei valori relativi alle profondità misurate del provino.

Il programma conserva, in un'appendice del pannello, i diagrammi elaborati per ogni ciclo e ne presenta la media campionaria e lo scarto standard dei punti campione rispetto alla media.

5. Sperimentazioni preliminari

Al fine di verificare i limiti di funzionamento del sistema nell'attuale configurazione, sono state eseguite numerose acquisizioni variando i parametri di impostazione. Come provino sono stati utilizzati due blocchi di malta cementizia, premiscelata, di superficie 800x800 mm2 e profondità pari a 120±1 e 220±1 mm, rispettivamente, disposti in maniera da formare un'intercapedine di profondità nota. Lo spessore complessivo del provino è stato misurato pari a pari a 362±1 mm. I risultati ottenuti sono sintetizzati negli abachi delle figure 6, 7 e 8.

Nella figura 6 (qui sopra) è riportata la registrazione relativa ad un ciclo di acquisizione, eseguito con passo di 10 mm. I punti relativi alla curva inferiore forniscono la profondità della zona del provino misurata direttamente. I punti della curva superiore sono ottenuti dalla differenza fra la profondità complessiva, impostata inizialmente, e quella misurata attraverso le sonde situate sulla superficie posteriore del manufatto. Il diagramma rappresenta in maniera qualitativa è quantitativa lo stato del provino.

Alcuni punti si discostano dall'andamento reale ma è chiara, se non altro per ragioni di congruenza, la presenza di artefatti. Da notare che la risoluzione non può essere superiore alla lunghezza d'onda con la quale s'interroga il provino, nella circostanza pari a 40 mm. I punti esterni mancano in quanto sono state oltrepassate le estremità del manufatto da parte di una delle sonde.

Le figure 7 e 8 (sopra e sotto, rispettivamente) riportano altre due misurazioni, con passo di 20 mm, eseguite consecutivamente sullo stesso provino, che sono esemplificative del funzionamento e che denotano la casualità degli artefatti, in funzione dell'accoppiamento che, punto per punto, si realizza.

6. Valutazione delle incertezze

Con riferimento alle incertezze di misura queste possono essere suddivise in incertezze strumentali ed incertezze di tipo operativo. Le prime sono soprattutto legate alla stabilità in frequenza dell'oscillatore costituente la base dei tempi. Nel caso in parola sono da ritenersi di entità trascurabile.

Le incertezze operative dipendono principalmente dalla valutazione degli istanti di start, verso la sonda trasmittente, e di stop dalla sonda ricevente. Ipotizzata trascurabile l'incertezza inerente alla digitalizzazione dei segnali, l'errore sistematico connesso allo start è stato valutato inferiore a 10 ns e, quindi, trascurabile nel contesto. L'incertezza di trigger nella fase di stop viene, abitualmente, valutata con riferimento alla pendenza del segnale e dall'ampiezza del rumore sovrapposto.

In questa analisi si individuano due differenti rumori: quello di origine stocastica, di piccola entità, dal quale non conseguono incertezze rilevanti e quello derivante dalla sovrapposizione sul segnale di picchi provenienti dalla propagazione superficiale dell'onda acustica, da sonda a sonda e dalle riflessioni sulle estremità del provino. L'ammontare di questi picchi è superiore al rumore di fondo ed è confrontabile con i primi picchi prodotti dall'onda riflessa sulla sonda ricevente.

Poiché la valutazione dell'intervallo di tempo fra i due segnali viene eseguita automaticamente dal software, sulla base di una soglia di trigger fissata dall'operatore, la determinazione della corrispondente incertezza risulta laboriosa. La procedura adottata nell'interpretazione del segnale prevede l'adozione di un valore di soglia in corrispondenza di un picco prefissato del segnale e l'introduzione di una correzione sistematica derivante da una preliminare analisi su un provino di riferimento. L'incertezza connessa con questa correzione è stata stimata attorno al ms.

Quando si passa dagli intervalli di tempo agli spessori è bene sottolineare che si è considerato trascurabile il ritardo tra l'istante di generazione del picco e quello stimolante la sonda trasmittente. L'analisi trascura, altresì, gli spessori aggiunti dal materiale di interfaccia trasduttori/provino e la relativa velocità di propagazione del suono.

Ciò premesso è determinabile l'incertezza limite sullo spessore, , attraverso la relazione:

con c velocità dell'onda, t tempo, incertezza limite sulla misura del tempo e incertezza limite sulla misura della velocità di propagazione dell'onda ultrasonora. Nel caso in esame, varia fra 4 e 6 mm in funzione degli spessori considerati. Il valore ha trovato conferma nei risultati sperimentali.

7. Considerazioni conclusive

La memoria è stata redatta a conclusione di un lavoro svolto negli ultimi tre anni e che ha interessato anche diverse dissertazioni di laurea [10], [11], [12], [13] ed una tesi di dottorato di ricerca [14].

È stato realizzato un banco automatizzato idoneo alla misura della profondità e delle imperfezioni su provini di materiali civili. Il sistema è capace di fornire misure di spessore, attraverso la tecnica pulse-echo, con incertezza inferiore al centimetro, anche in prossimità dei confini dei manufatti.

La possibilità di esplorare la struttura, contemporaneamente, da bande opposte e la restituzione delle informazioni su un singolo abaco, consente, noto lo spessore, di trarre informazione sulle irregolarità interne.

Rinaldo Vallascas