CAPITOLO 4. OTTIMIZZAZIONE DELLA SONDA PER EC-NDT
4.2 I sensori TMR
Definita la possibilità di poter introdurre un sensore triassiale, all’interno della sonda realizzata, è stata condotta una accurata analisi delle soluzioni presenti sul mercato. Purtroppo, i risultati ottenuti, si sono rilevati poco soddisfacenti soprattutto per la specifica applicazione richiesta.
Infatti, ad oggi non esistono sensori integrati triassiali, in grado di misurare il campo magnetico nello stesso punto dello spazio, che offrono le stesse caratteristiche di risoluzione spaziale, sensibilità e soprattutto di dimensioni ridotte, richieste nei EC- NDT.
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L’unica soluzione disponibile in commercio viene fornita dalla casa produttrice MultiDimension, che prevede l’impiego di tre sensori mono-assiali, TMR 2305, orientati ortogonalmente tra loro, Fig.4.1.
Il sensore TMR 2305 appartiene alla categoria di sensori magnetico-resistivi, in particolare sono sensori di campo magnetico basati sull'effetto Tunnel (TMR - Tunneling Magneto-Resistance).
I sensori TMR si basano su una particolare giunzione multistrato (TMJ - Tunneling Magnetic Junction) composta da due strati ferromagnetici separati da una barriera tunnel non magnetica. Il primo strato ferromagnetico è caratterizzato da una direzione magnetica "free", nel senso che può assumere una polarizzazione magnetica con direzione dipendente dal campo magnetico esterno. Il secondo strato ferromagnetico, invece, è "pinned", ovvero la direzione di polarizzazione è fissa e non dipende, entro certi limiti, dal campo magnetico esterno.
Figura 4.1: Layout del sensore di campo magnetico tri-assiale prodotto dalla MultiDimension
Applicando un campo magnetico esterno, la polarizzazione dello strato libero viene modificata secondo la direzione e l’intensità del campo magnetico applicato, determinando una variazione della resistenza di giunzione complessiva. La figura 4.2
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mostra la caratteristica di uscita della TMJ verso le polarizzazioni degli strati ferromagnetici, in funzione del campo magnetico applicato, [68]-[70].
Figura 4.2: Caratteristica di uscita della TMJ verso le polarizzazioni degli strati ferromagnetici, in funzione del campo magnetico applicato
I sensori TMR forniscono una variazione di resistenza maggiore rispetto a quella fornita dai sensori AMR e GMR e non richiedono circuiti di compensazione. Inoltre, rispetto ad un elemento sensibile AMR o GMR, un elemento TMJ presenta una sensibilità più elevata, meno energia di consumo e un intervallo lineare più ampio, [61]-[70].
Queste caratteristiche identificano i sensori TMR, come una soluzione ottimale per applicazioni non distruttive a correnti indotte.
Tabella 2: Caratteristiche metrologiche dei sensori di campo magnetico analizzati
SENSOR Linear range [G] Saturation [G] Sensitivity [mV/V/G] non-linearity [% FS] Max Temp. [°C] TMR 2305 4 10 25 2 150 TMR 2905 4 10 From 50 to 60 2 150 GMR AAH002-02 From 0.6 to 3 6 From 11 to 18 4 150
Infatti, osservando le caratteristiche principali del sensore TMR 2305, riportate in tabella 2, si evidenzia come questo sensore offre un range lineare ed una sensitività maggiori rispetto al sensore GMR AAH002-02, attualmente adottato nella sonda a doppio avvolgimento realizzata. Inoltre, grazie alla sua caratteristica bipolare, non necessità della polarizzazione per l’ottimizzazione del punto di lavoro.
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Questa prima analisi porterebbe a considerare fattibile l’impiego della soluzione offerta dalla casa produttrice MultiDimension, come sensore di campo triassiale. Tuttavia, risulta necessario effettuare qualche considerazione sul layout del sensore.
Osservando con attenzione i dati riportati in Fig.4.1, si può evidenziare come i tre sensori si trovino in posizioni differenti e con posizione dei rispettivi punti di sensibilità non riportate all’interno del datasheet fornito dalla casa costruttrice, [66]. Questo aspetto è di notevole importanza all’interno dei EC-NDT, in quanto misurare il campo magnetico in posizioni differenti senza la possibilità di poter risalire al punto esatto della misura, compromette in modo considerevole l’identificazione della posizione esatta dell’eventuale difetto rilevato. Inoltre, l’assemblaggio finale dei tre sensori, come risulta evidente in Fig.4.1, impone un lift-off differente per ciascuno di essi, con l’impossibilità di poter ottimizzare la sensibilità della sonda. Anche questo aspetto risulta molto importante nel contesto EC-NDT, in quanto come dimostrato in diversi lavori scientifici, [41]-[43], piccole variazioni del lift-off, anche dell’ordine di qualche millimetro, porta a perdite di sensibilità non trascurabili.
Quindi, anche se inizialmente il sensore triassiale, realizzato dalla casa produttrice MultiDimension, basato sull’impiego di tre sensori mono-assiali TMR 2305, sembrava poter essere una soluzione adatta, analizzando in maniera accurata le specifiche del dispositivo, sono emerse delle problematiche che hanno evidenziato come l’impiego di questo sensore porterebbe delle complicazioni rilevanti per il contesto applicativo dei EC-NDT.
Scartata quindi la possibilità di utilizzare il sensore triassiale della MultiDimension, e vista l’assenza di ulteriori soluzioni attualmente presenti in commercio, è nata l’idea di progettare e realizzare un sensore di campo magnetico triassiale, opportunamente sviluppato ed ottimizzato per la sonda a doppio avvolgimento realizzata.
Prima di procedere con la progettazione del sensore triaassiale, è stato necessario identificare il sensore di campo magnetico che meglio si presta a questa soluzione.
In questo contesto, l’utilizzo del sensore GMR AAH002-2, non sarebbe una scelta ottimale, in quanto richiede un circuito di controllo esterno in grado di garantire costantemente un punto di magnetizzazione di riferimento adeguato, dovuto alla loro caratteristica unipolare, e una compensazione dell'offset del segnale di uscita, [62], [64]. Questo aspetto, porta con sé delle forti limitazioni, soprattutto quando si considerano soluzioni realizzative che prevedono l’impiego di due o più sensori.
La categoria di sensori TMR però, come analizzato in precedenza, sembra assolvere queste problematiche, offrendo anche prestazioni più performanti dei sensori GMR.
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Analizzando le varie soluzioni commerciali disponibili, il sensore mono-assiale TMR 2905 della MultiDimension, sembra essere uno dei sensori più idonei a questo scopo. Le sue caratteristiche principali, tabella 2, mostrano come questo sensore offre un range lineare nell’intervallo 4 G ed una sensitività che varia da 50 a 60 mV/V/G, prestazioni teoricamente migliori rispetto al sensore GMR AAH002-02, considerando inoltre che grazie alla sua caratteristica bipolare, non necessità della polarizzazione del punto di lavoro.
I dati riportati nel datasheet fornito dal costruttore però, non sono sufficienti per identificarne l’applicabilità nel contesto dei EC-NDT, in quanto non vengono riportate informazioni importanti, come le caratteristiche operative nella misura di campi magnetici dinamici, [63]. Inoltre, a causa della recente introduzione sul mercato, il sensore TMR 2905 non è ben noto in termini di prestazioni metrologiche ed inoltre non esistono trattazioni scientifiche che analizzino le prestazioni di tale sensore.
Per tali ragioni, al fine di verificare la possibilità di utilizzare in modo efficiente il sensore TMR 2905 nel contesto dei EC-NDT, è stato necessario eseguirne una caratterizzazione metrologica.