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Misura del segnale Termo-elastico mediante termocamere IR a sensore raffreddato

Informazioni tesi

  Autore: Antonino Pirrello
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2013-14
  Università: Università degli Studi di Palermo
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria meccanica
  Relatore: Giuseppe Pitarresi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 127

Il presente lavoro propone una procedura di post-processamento del segnale termografico misurato su provini sollecitati in modo ciclico al fine di ricavare il segnale termoelastico. Dopo aver descritto la Correlazione Lock-In, usata tradizionalmente dai sistemi commerciali per ricavare il segnale termoelastico, il lavoro mostra come tale procedura sia numericamente equivalente alla determinazione delle armoniche della Trasformata di Fourier Discreta (TFD) del segnale campionato. Viene quindi proposta ed implementata una procedura di filtraggio del segnale termoelastico basata sulla applicazione diretta della TFD, che ha il vantaggio di poter in alcune circostanze fare a meno di un segnale di riferimento esterno. Il lavoro mostra quindi i risultati di una campagna sperimentali condotta su provini con campo tensionale noto, dimostrando come la procedura proposta sia semplice da implementare, versatile e robusta.

La termografia è una tecnica di analisi non distruttiva che, partendo da immagini acquisite tramite apposite strumentazioni (termocamere), consente di misurare l’energia emessa dai corpi, trasformando un’acquisizione ad infrarossi in una radiometrica e correlando di fatto l’informazione contenuta in ogni singolo pixel ad una variazione di temperatura. Soprattutto negli ultimi anni, la termografia, si sta rivelando uno strumento di grande valore per la soluzione di problemi e quesiti di carattere scientifico, e ha trovato applicazioni nei più svariati campi. Questo perché non solo permette di eseguire misure ripetibili e non invasive, ma anche e soprattutto perché consente di individuare precocemente eventuali problemi, permettendo di documentarli e correggerli prima che diventino più gravi e costosi da riparare.
In questo studio sperimentale si è portata avanti un’indagine volta alla misura dello stato tensionale di un corpo sottoposto a diverse storie di carico, tramite rilevazioni di temperatura superficiale, utilizzando una termocamera ad alta risoluzione FLIR X6540sc. I dati di temperatura misurati, sono stati post-processati previa implementazione di un algoritmo di signal processing, che ha consentito analisi di tipo FFT e di tipo Lock-In, volte all’estrazione della variazione di temperatura indotta dall’effetto termoelastico. Effetto Termoelastico che è la relazione di proporzionalità tra la temperatura di un corpo ed il carico ad esso applicato.

Per questo lavoro di tesi è stato messo a punto un setup sperimentale molto articolato, ma allo stesso tempo molto flessibile, che ha consentito l’acquisizione di dati sperimentali su tre tipologie diverse di provini realizzati in PMMA, al variare della frequenza e dell’ampiezza di carico. Si è scelto di sfruttare anche la tecnica ottica della fotoelasticità, prima di dare il via alle prove dinamiche, sia per verificare che i provini fossero posizionati correttamente (al fine di evitare problemi relativi ad una scorretta presa di carico), sia per ottenere un modello di riferimento col quale confrontare i risultati ottenuti con l’analisi termografica.
Le diverse tecniche di signal processing proposte con lo sviluppo dell’algoritmo, chiamato IRSA Unipa, hanno restituito valori molto simili tra loro, dimostrando la robustezza dello stesso, e hanno permesso di notare una buona dipendenza lineare tra il segnale termoelastico misurato e l’ampiezza del carico applicato, in perfetto accordo con quanto previsto dalla Teoria dell’Effetto Termoelastico. Un valore aggiunto è stato dato all’algoritmo, confrontandone i risultati con il software commerciale rilasciato dalla FLIR (casa produttrice della termocamera utilizzata) e, anche se dal punto di vista di velocità computazionale si è rivelato meno efficiente, i risultati numerici sono stati sorprendentemente simili, dando prova di affidabilità ed efficienza.
Il lavoro è stato diviso in cinque principali:
1. Introduzione ai concetti principali della fisica della radiazioni: sono presentati e descritti i fenomeni e le relative equazioni che stanno alla base del trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche.
2. Presentazione della Termocamera FLIR X6540sc: sono descritti i principali elementi costitutivi ed principi di funzionamento che consentono la corretta acquisizione del segnale digitale.
3. Descrizione dell’Effetto Termoelastico e della procedura di filtraggio dati Lock-In.
4. Realizzazione dei provini e messa a punto del setup sperimentale per l’acqusizione dei dati sperimentali.
5. Analisi e post-processamento dei dati acquisiti: la mole di informazioni è stata analizzata e corretta, per poter trarre le dovute conclusioni.

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Sommario         III     SOMMARIO         La  termografia  è  una  tecnica  di  analisi  non  distruttiva  che,  partendo  da  immagini  acquisite   tramite  apposite  strumentazioni  (termocamere),  consente  di  misurare  l’energia   emessa  dai   corpi,  trasformando  un’acquisizione  ad  infrarossi  in  una  radiometrica  e  correlando  di  fatto   l’informazione  contenuta  in  ogni  singolo  pixel  ad  una  variazione  di  temperatura.    In  sostanza,   la  tecnica,  consente  di  misurare  la  temperatura  superficia le  di  un  corpo  qualsiasi,  valutando   l’energia  infrarossa  emessa  dallo  stesso.     Soprattutto  negli  ultimi  anni,  la  termografia ,  si  sta  rivelando  uno  strumento  di  grande  valore   per  la  soluzione  di  problemi  e  quesiti  di  carattere  scientifico,  e  ha  trovato  appl icazioni  nei  più   svariati  campi .  Questo  perché  non  solo  permette  di   eseguire  misure  ripetibili  e  non  invasive,   ma  anche  e  soprattutto  perché  consente  di  individuare  precocemente  eventuali  problemi,   permettendo   di   documentarli   e   correggerli   prima   che   divent ino   più   gravi   e   costosi   da   riparare.     In  questo  studio  sperimentale  si  è  portata  avanti  un’indagine  volta  alla  misura  dello  stato   tensionale   di   un   corpo   sottoposto   a   diverse   storie   di   carico,   tramite   rilevazioni   di   temperatura  superficiale,  utilizzando  una  termocamera  ad  alta  risoluzione  FLIR  X6540sc.  I   dati   di   temperatura   misurati,   sono   stati   post -­‐processati   previa   implementazione   di   un   algoritmo  di  signal  processing,  che  ha  consentito  analisi  di  tipo  FFT  e  di  tipo  Lock -­‐In,  volte   all’estrazione  (ed  alla  pu lizia  da  rumore  esterno)  della  variazione  di  temperatura  indotta   dall’effetto  termoelastico.  Effetto  Termoelastico  che  è  la  relazione  di  proporzionalità  tra  la   temperatura  di  un  corpo  ed  il  carico  ad  esso  applicato,  se  questo  ha  un  comportamento   elastico   e  se   si   riesce   ad   operare   in   condizioni   adiabatiche.   Per   far   ciò,   è   necessario   sottoporre  la  struttura  analizzata  ad  un  carico  di  tipo  d inamico,  con  una  frequenza  che  deve   necessariamente  essere  superiore  ad  un  valore  limite  (che  tra  le  altre  cose  dipende  d alle   proprietà   termiche   del   materiale   e   dal   suo   spessore)   al   fine   di   evitare   fenomeni   di   dissipazione  del  calore.    

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Parole chiave

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trasformata di fourier
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thermoelastic stress analysis
correlazione lock-in
matlab routine
termocamera infrarossi

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