Effetti dei cavi lunghi nei controlli ad ultrasuoni con i trasduttori a singolo elemento

Un cavo del trasduttore costituisce parte integrante di qualunque sistema di rilevamento di difetti o di misura di spessori, tuttavia in genere non è oggetto di particolare attenzione da parte dell'operatore eccetto la verifica di rotture, sfilacciature o qualunque tipo di difetto. La maggior parte dei controlli ad ultrasuoni vengono eseguiti nell'ambito di un intervallo di frequenza convenzionale compreso tra 500 KHz e 20 MHz, con una lunghezza dei cavi dei trasduttori non superiore a 2 metri (6 ft). Tuttavia in applicazioni dove vengono adottate maggiori frequenze di controllo o cavi più lunghi, è importante tenere in considerazione i potenziali effetti sul controllo, adottando le regolazioni necessarie.

Questa nota applicativa tratta l'uso di cavi molto lunghi con trasduttori a frequenze di controllo pari o inferiori approssimativamente a 20 MHz. Gli aspetti specifici di cavi correlati a trasduttori a frequenze molto elevate (pari o superiore a 50 MHz) sono trattati nell'articolo tecnico, Application Considerations in Specifying High-Frequency Ultrasonic Transducers.

Fattori da considerare con l'aumento della lunghezza dei cavi

È possibile considerare quattro fattori: riflesso del cavo, attenuazione del cavo, ritardo del cavo e acquisizione del rumore del cavo. Tutti questi aspetti assumono sempre più importanza con l'incremento della lunghezza dei cavi, specialmente con cavi di lunghezza superiore a circa 20 metri (65 ft).

Riflesso del cavo

In qualunque sistema ad ultrasuoni un impulso di eccitazione o "main bang" viene trasmesso dal pulsatore dello strumento al trasduttore alla velocità che, in un tipico cavo coassiale, si avvicina alla velocità della luce. Quando l'impulso di eccitazione raggiunge il trasduttore, la maggior parte dell'energia elettrica si converte in onde sonore. Tuttavia parte dell'energia elettrica viene riflessa verso il pulsatore. Quando raggiunge il pulsatore, una parte dell'energia viene riflessa verso il trasduttore (la parte di energia riflessa ad ogni estremità del cavo è principalmente correlata alla corrispondenza o non corrispondenza dell'impedenza elettrica). Quando l'impulso riflesso raggiunge nuovamente il trasduttore, si comporta come un secondo impulso di eccitazione di minore entità che segue l'impulso originale con un intervallo temporale corrispondente al tempo di trasmissione elettrico in andata-ritorno nel cavo.

Nelle normali configurazioni dei controlli con cavi corti, questo impulso riflesso arriva molto velocemente dopo l'iniziale impulso di eccitazione e non ha un effetto significativo sulle prestazioni del trasduttore. Tuttavia, visto che il tempo di trasmissione elettrico attraverso il cavo si avvicina al periodo risonante del trasduttore (1/frequenza), l'impulso riflesso prolunga l'impulso di eccitazione e riattiva il trasduttore. Questa oscillazione addizionale limita la risoluzione in prossimità della superficie, alcune volte in modo significativo. Nel caso dei trasduttori a linea di ritardo, anche l'impulso riflesso riattiva l'eco d'interfaccia della linea di ritardo, riducendo nuovamente la risoluzione in prossimità della superficie. Nel caso di cavi molto lunghi, sarà osservato un secondo impulso di eccitazione, oltre a echi di fondo ripetuti separati da un intervallo di tempo corrispondente alla lunghezza elettrica del cavo.

In alcune applicazioni, gli effetti negativi delle riflessioni dei cavi può essere evitato sostituendo i trasduttori a singolo elemento con i trasduttori a doppio elemento. Visto che i trasduttori a doppio elemento utilizzano degli elementi separati per il trasmettitore-ricevitore e che le configurazioni dei trasduttori a doppio elemento in genere si riferiscono solamente alla prima eco in arrivo da un target, l'aumento dell'impulso di eccitazione e l'oscillazione dell'eco non rappresentano in genere un problema (sebbene possano verificarsi ancora problematiche correlate all'attenuazione, al ritardo e all'acquisizione del rumore).

In alcuni casi le riflessioni dei cavi possono essere ridotte definendo lo smorzamento a 50 ohm e accoppiando un terminatore da 50 ohm all'estremità del cavo del trasduttore. Tuttavia questo potrebbe causare degli effetti indesiderati sulla forma dell'eco e comunque, visto che tutti i comuni trasduttori NDT hanno un profilo d'impedenza elettrico, è impossibile fare corrispondere perfettamente l'impedenza elettrica con un pulsatore.

Attenuazione del cavo

La resistenza elettrica dei cavi lunghi causa una perdita del segnale che incrementa con la lunghezza. Per questa ragione, nelle configurazioni di rilevamento dei difetti dove è importante una precisa tracciatura dell'ampiezza dell'eco, la sensibilità dello strumento dovrebbe essere tarata con il cavo usato per il controllo. Le perdite dei cavi sono in genere abbastanza ridotte da poter essere compensate da una semplice regolazione del guadagno dello strumento. In casi estremi, può essere consigliato l'utilizzo di un preamplificatore all'estremità del cavo del trasduttore.

Ritardo del cavo

Il tempo di trasmissione elettrico attraverso il cavo del trasduttore è importante per la misura dello spessore o della distanza totale quando si utilizza i trasduttori a contatto e a doppio elemento, eccetto nel caso di misure di spessori in modalità echo-to-echo. I cavi lunghi possono incrementare una misura di un tempo significativo e produrre degli errori se non vengono annullati. Per questa ragione, in qualunque configurazione nella quale la misura dello spessore o della distanza si basa sull'acquisizione del tempo della prima eco di fondo dal pezzo da controllare, la taratura zero dello strumento dovrebbe essere sempre eseguita con il cavo usato per il controllo. In genere, seguendo correttamente la procedura di taratura, questa criticità viene risolta.

Acquisizione del rumore del cavo

Meno comune delle tre condizioni riportate precedentemente, l'acquisizione del rumore ambientale RF attraverso cavi lunghi può rappresentare un problema nelle applicazioni che combinano cavi molto lunghi, guadagni elevati e ambienti elettricamente rumorosi come quelli con presenza ravvicinata di motori o saldatrici. In alcuni casi il rumore del cavo può potenzialmente coprire gli echi di interesse. Delle soluzioni possibili includono cavi coassiali a doppia schermatura, preamplificatori remoti all'estremità del cavo del trasduttore e filtro del ricevitore passa-basso per filtrare le componenti di rumore a alta frequenza.

Effetti dei cavi nei controlli ad ultrasuoni: Esempio

La seguente serie di forme d'onda mostra gli effetti dell'aumento della lunghezza del cavo in una semplice configurazione del rilevatore di difetti che utilizza un trasduttore a contatto a banda larga da 10 MHz per misurare lo spessore di un blocco di riferimento di acciaio spesso 10 mm. La lunghezza del cavo viene aumentata da 1 metro (circa 3 ft) a 60 metri (200 ft) in sei incrementi. Queste forme d'onde sono finalizzate a mostrare un esempio generalizzato degli effetti dei lunghi cavi. I risultati cambieranno con la variazione della frequenza e della banda larga del trasduttore. Con frequenze superiori gli effetti saranno più evidenti mentre con frequenze inferiori saranno meno evidenti.

Cavo da 1 metro (3 ft)

Cavo da 4 metri (12 ft) L'impulso di eccitazione appare leggermente più ampio. L'eco di fondo è leggermente più ampia. La lettura dello spessore è compensata di 0,26 mm.

Cavo da 10 metri (30 ft) L'impulso di eccitazione appare significativamente più ampio. L'eco di fondo ha sviluppato un ciclo supplementare. La lettura dello spessore è compensata di 0,26 mm.

Cavo da 25 metri (80 ft) Il guadagno è stato aumentato di 6 dB per compensare la perdita del cavo. L'impulso di eccitazione oscilla significativamente. L'eco di fondo è seguito dal riflesso del cavo. La lettura dello spessore è compensata di 0,68 mm.

Cavo da 40 metri (125 ft) Ulteriore aumento dell'oscillazione dell'impulso di eccitazione. La lettura dello spessore è compensata di 1,09 mm.

Cavo da 60 metri (200 ft) L'impulso di eccitazione e l'eco di fondo sono raddoppiati. La lettura dello spessore è compensata di 1,64 mm.