1. Come funziona una telecamera ad ultrasuoni per la rilevazione delle perdite?

Una telecamera ad ultrasuoni individua le onde sonore ad alta frequenza generate nei punti di perdita dalla fuoriuscita di aria compressa, di gas tecnici o dall’afflusso di aria ambiente nelle applicazioni sotto vuoto. Un array di microfoni effettua il calcolo della direzione della sorgente sonora sulla base dei segnali dei microfoni e sovrappone il risultato a un'immagine video sotto forma di mappa termica a colori.

Il metodo funziona in modo passivo: la telecamera non necessita di gas di prova come l’elio o il gas formier, ma rileva l’energia acustica generata dalle turbolenze nel punto di perdita. Ciò consente di localizzare le perdite durante il funzionamento, senza dover spegnere, smontare o trattare con spray per la ricerca di perdite ampie aree dell’impianto.

Il vantaggio tecnico risiede nella combinazione tra localizzazione acustica e identificazione visiva. Gli utenti non solo vedono la presenza di ultrasuoni, ma individuano nell’immagine della telecamera su quale componente, valvola, tubo flessibile, raccordo o tratto di tubo si genera la pressione sonora. Ciò riduce i tempi di ricerca, evita interpretazioni errate e facilita la documentazione delle perdite individuate.

Esempio: localizzazione di una sorgente ultrasonica su un soffitto di capannone di difficile accesso. L’hotspot evidenzia la sorgente acustica nell’immagine della telecamera.

Nella rilevazione delle perdite industriali, la distinzione tra suoni udibili e ultrasuoni è fondamentale. La maggior parte dei rumori di produzione rientra nella gamma udibile a bassa frequenza. Le perdite nelle condutture dell’aria compressa e del gas generano, in corrispondenza di piccole aperture, turbolenze a banda larga con componenti sonori ad alta frequenza. Le perdite di grandi dimensioni generano spesso anche suoni udibili; tuttavia, in ambienti di produzione questi sono spesso mascherati dal rumore delle macchine.

Gli ultrasuoni generati da una perdita non sono causati dal gas stesso, ma dalle turbolenze che si verificano al momento della fuoriuscita del gas. La differenza di pressione, la geometria della perdita e la forma dell’apertura di fuoriuscita determinano l’intensità sonora e lo spettro di frequenza delle onde ultrasoniche generate.

Le frequenze più elevate offrono una migliore risoluzione spaziale grazie alla lunghezza d’onda più corta. Tuttavia, all’aumentare della frequenza aumenta anche l’attenuazione atmosferica, riducendo così la portata di rilevamento ottenibile.

La scelta della frequenza di misura rappresenta quindi un compromesso tra risoluzione, portata e soppressione dei disturbi. In molte applicazioni industriali, una banda di frequenza intorno ai 40 kHz si è dimostrata vantaggiosa. Tuttavia, in ambienti soggetti a disturbi, una finestra di frequenza diversa può fornire risultati migliori.

Approfondimento: rilevazione perdite nonostante le fonti di disturbo e FFT

Per CS INSTRUMENTS, l'aria compressa rappresenta l'applicazione principale della rilevazione delle perdite a ultrasuoni. Il motivo è il nesso diretto tra perdite, consumo, carico del compressore e costi energetici. Ogni perdita non prevista aumenta il fabbisogno dal lato dell’utente. Una volta eliminata la perdita, è necessario produrre, essiccare e trattare una quantità minore di aria.

Individuare le perdite è il primo passo. La dimostrazione del risparmio effettivo, ottenuta con la misura del consumo prima e dopo la riparazione, ne fa una misura di efficienza affidabile. La telecamera ad ultrasuoni, l’LD 500, il Leak Reporter, la misura di portata e il monitoraggio si integrano a vicenda nelle attività di localizzazione, documentazione, definizione delle priorità e convalida.

La mappa acustica viene generata tramite beamforming. L'array di microfoni rileva i segnali ultrasonici in arrivo in posizioni definite. Sulla base delle differenze di tempo di propagazione e di fase, il sistema effettua il calcolo della posizione probabile della sorgente sonora. Per ogni pixel viene determinato un valore di pressione sonora, che viene sovrapposto all'immagine della telecamera sotto forma di mappa termica.

La mappa termica non è una fotografia della perdita, bensì una visualizzazione della sorgente sonora calcolata. Grazie alla sovrapposizione con l’immagine della telecamera, è possibile attribuire in modo univoco il punto caldo al componente responsabile.

Approfondimento: il beamformingspiegato in modo semplice

Il raggio di rilevamento di una telecamera ad ultrasuoni non è determinato da un valore fisso. Dipende essenzialmente dalle dimensioni della perdita, dalla pressione del sistema, dalla gamma di frequenze, dai disturbi ambientali, dall’angolo di visione e dall’attenuazione atmosferica. Le perdite di grandi dimensioni possono essere rilevate da una distanza notevolmente maggiore rispetto alle microperdite.

Dal punto di vista acustico non viene rilevato il tipo di gas in sé, bensì l’ultrasono generato dalla fuoriuscita del gas. La possibilità di rilevare una perdita dipende soprattutto dalla differenza di pressione, dalla geometria della perdita, dalla portata volumetrica, dalla distanza di misura e dalle condizioni ambientali. Il tipo di gas è invece rilevante soprattutto ai fini della valutazione economica, di sicurezza e qualitativa della perdita.

Molti rumori di produzione rientrano nella gamma dei suoni udibili. Tuttavia, anche i componenti degli impianti possono generare segnali ultrasonici, ad esempio i sistemi di sincronizzazione pneumatici, i sistemi di trasporto, le presse, i punti di attrito, gli ugelli di scarico, le scariche parziali elettriche o altre perdite. Grazie all’analisi FFT e alla scelta di una finestra di frequenza adeguata, è possibile identificare tali fonti di disturbo ed eliminarle in modo mirato.

I riflessi si verificano su superfici riflettenti come vetro, plexiglass, calcestruzzo, lamiera o rivestimenti lisci delle macchine. Un «hotspot» su una parete, un pavimento o un’altra superficie può quindi essere causato anche da un’eco. La fase di verifica più importante consiste nel cambiare l’angolo di osservazione: una sorgente sonora reale rimane localizzata sul componente che la genera, mentre una riflessione si sposta o scompare.

Approfondimento: Rilevazione perdite nonostante le fonti di disturbo e l’FFT