Il setup sperimentale

3.3.1 La stazione di misura

Per la caratterizzazione sperimentale della sonda realizzata, è stata allestita una opportuna stazione di misura, che consente di eseguire i test a correnti indotte in modalità del tutto automatizzata. Tutta la stazione di misura infatti, è gestita mediante un software dedicato, in cui è sufficiente impostare i parametri della prova (corrente di eccitazione, area da investigare, parametri di acquisizione) ed avviare il test. Nel dettaglio, la stazione di misura, Fig.3.11, è composta da quattro sezioni principali:

1. la sezione EC: comprensiva della sonda EC realizzata e da un sistema di movimentazione. La sonda EC è allocata sul braccio del un sistema di movimentazione di precisione, gestito da un adeguato software di controllo. In particolare, questo sistema mobile consente di scansionare un'area di 30 cm x 30 cm con una risoluzione di 0,1 mm;

2. la sezione di generazione e alimentazione: la parte di generazione di questa unità si basa su un amplificatore operazionale bipolare (Kepco BOP 20-20) alimentato da un generatore di segnale (Fluke 397). Questa sezione consente di generare il segnale di corrente per alimentare la bobina di eccitazione della sonda EC, [73]. La forma e la frequenza dei segnali utilizzati sono descritti in dettaglio nel §3.3.2. Il valore efficace (Root Mean Square RMS) di questa

57

corrente è monitorato per mezzo di un multimetro digitale (Agilent 34401A). La parte di alimentazione è composta da un alimentatore DC (Agilent E3631) con tre porte di uscita separate, utilizzate per alimentare la bobina di polarizzazione del sensore GMR (con correnti e tensioni che dipendono dalle condizioni di lavoro, in genere 300 mA e meno di 1 V); il sensore GMR (a + 6 V) e l'amplificatore da strumentazione AD620 (a ± 16 V);

3. la sezione di condizionamento: consente di ottimizzare il segnale di uscita del sensore GMR per lo stadio di acquisizione successivo. Costituito da un amplificatore da strumentazione ad alta precisione AD620 (di Analog Device™), [65], consente sia di trattare opportunamente il segnale differenziale in uscita al sensore GMR, sia la sua amplificazione. Il guadagno dell’amplificatore viene settato mediante la resistenza di gain (RG), connessa

tra i pin 1 e 8, attraverso la relazione: 𝐺 =49.4 𝑘Ω

𝑅𝐺 + 1. Utilizzando quindi, una

resistenza pari a 5.6 kΩ, il guadagno è stato impostato a 9,82. L'AD620 è situato immediatamente dopo il sensore GMR per evitare un deterioramento del segnale lungo i cavi di collegamento con il sistema di acquisizione.

4. la sezione di acquisizione ed elaborazione dei dati. L'unità di acquisizione dati si basa sull'utilizzo di una scheda digitale, TIE-PIE Engineering Handyscope™ modello HS5-540XMS-W5. È un oscilloscopio USB ad alta velocità che combina un campionamento veloce, fino a 500 MS/s, con risoluzioni elevate fino a 16 bit. Il canale di ingresso analogico acquisisce il segnale ricevuto dall'amplificatore. L'intera stazione di misura è gestita da un personal computer (PC) che esegue un software di automazione basato su LabView™. Tramite questo software è possibile: selezionare la dimensione dell’area di scansione sulla superficie del campione; impostare la frequenza di campionamento, il numero di punti da acquisire e memorizzare i dati acquisiti.

I dati vengono elaborati utilizzando un software adeguato sviluppato in Ambiente Matlab™. Nel dettaglio, il software esegue la valutazione di: ampiezza (RMS) del segnale di tensione acquisito e del rapporto segnale-rumore (SNR), ed inoltre fornisce una mappa tridimensionale della zona analizzata.

58

Figura 3.11: Schema a blocchi della stazione di misura per EC-NDT realizzata

3.3.2 Le condizioni di prova

Le prestazioni della sonda realizzata sono state valutate considerando difetti sia annegati che superficiali su campioni in lega di alluminio (2024T3). La figura 3.12 mostra le caratteristiche principali dei campioni considerati, difetti e percorsi di scansione.

Figura 3.12: Campione rappresentativo delle caratteristiche geometriche del difetto e del percorso di scansione seguito rispetto all’asse di sensibilità del sensore MR parallelo (a) e ortogonale (b) rispetto

59

Per quanto riguarda i campioni, si tratta di piatti quadrati di 20 cm x 20 cm, aventi diversi spessori (d). Nel mezzo dei campioni sono presenti difetti certificati (cricche sottili) caratterizzati da una larghezza fissa pari a 0,1 mm, e lunghezza (l), altezza (a) e profondità (z0) diverse tra loro. Utilizzando il sistema di movimentazione automatico

descritto nel §3.3.1, i campioni vengono scansionati con la sonda EC, seguendo i percorsi mostrati in Fig.3.12. I difetti analizzati, sono caratterizzati da due differenti orientamenti: (a) con l'asse di rilevamento del sensore GMR parallelo (P) all'orientamento del difetto; (b) con l'asse di rilevamento del sensore GMR ortogonale (OR) all'orientamento del difetto. La tabella 1 riporta i valori geometrici della cricca/campione e l’orientamento del difetto (layout “P” o “OR”) rispetto al percorso di scansione eseguito.

Per ogni caso di tabella 1, sono stati effettuati prove con differenti ampiezze di corrente di eccitazione che vanno da 10 mA a 500 mA.

Dal momento che vi sono diversi spessori dei campioni e diverse profondità dei difetti (z0), anche la frequenza della corrente di eccitazione è stata ottimizzata per avere

una profondità di penetrazione (δ) della corrente indotta superiore allo spessore del difetto. In particolare, sono state considerate tre diverse frequenze di eccitazione: 100 Hz (δ=12 mm) per i difetti sepolti sul campione con spessore di 10 mm (casi n.13, n.14), 2 kHz (δ=2,7 mm) per i difetti sepolti sul campione con spessore da 2 mm (casi n.1, n.3, n.5, n.7, n.9, n. 11) e 5 kHz (δ=1,7 mm) per i difetti superficiali (casi n.2, n.4, n.6, n.8, n.10, n.12).

Tabella 1:I campioni considerati e le relative caratteristiche dei difetti

Case #

Specimen

thickness (d) [mm]

Crack characteristics Excitation Frequency [kHz] l [mm] a [mm] z0 [mm] Layout 1 2 1 1 1 OR 2 2 2 1 1 0 OR 5 3 2 1 1 1 P 2 4 2 1 1 0 P 5 5 2 5 0.4 1.6 OR 2 6 2 5 0.4 0 OR 5 7 2 5 1 1 OR 2 8 2 5 1 0 OR 5 9 2 5 0.4 1.6 P 2 10 2 5 0.4 0 P 5 11 2 5 1 1 P 2 12 2 5 1 0 P 5 13 10 10 5 5 OR 0.1 14 10 10 2.5 7.5 OR 0.1

60

Per motivi di chiarezza, il caso n.1 è correlato a un campione con un'altezza di 2 mm che presenta una cricca di 1 mm di lunghezza collocata ad 1 mm di profondità sotto la superficie del campione; la cricca è orientata ortogonalmente rispetto all'asse di sensibilità del sensore e la frequenza del segnale di eccitazione è di 2 kHz.