IL METAL DETECTOR Struttura e funzione Il Metal Detector è un apparato elettronico che trasmette onde radio; è costituito da una struttura formata da una centralina dati e da una piastra di rilevamento; nella cosiddetta “piastra” o “piatto” è contenuta una bobina che ha la funzione di antenna. Più bobina c’è al suo interno e più corta e l’onda radio emessa e ricevuta. Normalmente si parla di unità di misura in KHZ. Il Metal Detector trasmette e contemporaneamente riceve il segnale radio appena inviato sul terreno, e se non trovano metalli durante il percorso, le onde radio si disperdono; viceversa rimbalzano sul metallo e vengono rilevate e interpretate con suoni o indicati sul display digitale con la simbologia propria di ogni macchina. Centralina comandi Piastra/piatto/bobina
Impugnatura ergonomica per l’avambraccio
Braccio/struttura
A seconda delle capacità del trasmettitore, non tutti i metalli rispondono al segnale inviato, pertanto alcuni possono anche non essere rilevati. La penetrazione delle onde elettromagnetiche è facile e perfetta in aria, in acqua dolce, legno, vetro, ma nel terreno le cose cambiano a causa dei molteplici minerali che contaminano il suolo. La mineralizzazione del terreno produce falsi segnali e ostacoli per il rivelamento durante la penetrazione nel terreno. Questo è uno dei motivi che inducono il metaldetector ad avere innanzitutto un circuito (discriminatore) che possa filtrare il segnale proveniente da questi elementi indesiderati: questa è la regolazione del bilanciamento di terra o effetto suolo; fino a qualche anno fa avveniva manualmente, ora anche questa funzione è affidata ad un circuito elettronico, che continuamente legge la mineralizzazione presente nel terreno e autoregola.
Bobine TRASMITTENTI
Bobine RICEVENTI
Avvolgimento bobina allinterno della piastra
All'interno della piastra di ricerca ci sono due o tre bobine distinte: 1) Bobina trasmittente: solitamente più esterna rispetto a quella ricevente, possono anche essercene due o tre; la corrente è trasmessa lungo il filo, prima in un senso poi in un altro, per migliaia di volte al secondo e appunto il numero di volte con cui la corrente cambia senso di percorrenza identifica la frequenza a cui opera il Metal Detector. 2) Bobina ricevente: solitamente più interna a quella trasmittente, funziona da antenna per ricevere ed amplificare i segnali provenienti dagli oggetti nella terra. Funzionamento: La bobina trasmittente crea un campo magnetico che determina un relativo campo temporaneo nell’oggetto sepolto. Questo campo magnetico indotto nell’oggetto sollecita la bobina ricevente e crea una una corrente di induzione, la quale sarà analizzata dal circuito del metal detector. Alcune osservazioni di base! • In questo modo si possono spiegare anche i famosi disturbi che spesso rendono difficoltose le ricerche infatti, mentre il campo magnetico pulsa avanti e indietro nella terra, interagisce con tutti gli oggetti conduttivi che incontra, portando a generare deboli campi magnetici al loro interno che inevitabilmente vengono rilevati dalla bobina ricevente! • La polarità del campo magnetico indotto dell'oggetto è opposta al campo magnetico della bobina trasmittente. • La bobina ricevente è protetta dal campo magnetico generato dalla bobina trasmettente, ma non lo è dai campi magnetici che vengono dagli oggetti nella terra. Di conseguenza, quando la bobina ricevente passa sopra un oggetto che genera un campo magnetico, una piccola corrente elettrica attraversa quest’ultima. • Il rivelatore di metallo può determinare approssimativamente la profondità dell’oggetto sepolto in base all’analisi del segnale di risposta rispetto al campo magnetico generato. Più un oggetto è vicino maggiore è il segnale. Oltre una certa profondità, l'intensità del campo che arriva in superficie è così debole che è inosservabile dalla bobina ricevente. Il raggio di penetrazione dell’onda nel terreno può variare a seconda del tipo di piastra e della sua conformazione. Vediamo di seguito due esempi di tipologie di piastra:
Visione FRONTALE piastra
Visione LATERALE piastra
Visione FRONTALE piastra
Visione LATERALE piastra
Discriminazioni, Impulsi e Frequenze ALTA FREQUENZA Sono metal detector che comunemente si utilizzano e che si trovano sul mercato. Il principio dei metal detector ad alta frequenza consiste nella regola che maggiore è la frequenza, migliore sarà la sensibilità su oggetti minuscoli e/o sottili. Questa è la diretta conseguenza della Legge di Lenz e dello “Skin Effect”. Quando si sente parlare di Metal “Specifici per l’Oro” bisogna pensare all’oro naturale, le piccole pepite, le pagliuzze e le vene minerali aurifere e NON ai gioielli, monete e anelli d’oro. Di solito sono Metal Detector o che lavorano ad alta frequenza (perchè più sensibili alle pagliuzze e alle minuscole pepite d’oro) o sono Pulse Induction (per lavorare al meglio nei terreni altamente mineralizzati ed in presenza di sabbie nere, ove statisticamente è più facile trovare depositi naturali d’oro). Inoltre i Metal ad alta frequenza non solo sono più sensibili agli oggetti minuscoli ma hanno una migliore capacità di distinguere meglio tra pezzetti di carta stagnola e oggetti in oro sottile. Questo perchè la differenza del cosiddetto ritardo di fase rilevato utilizzando frequenze elevate è molto più ampia rispetto a quella di metal detector con frequenze più basse. Ciò NON significa che MATEMATICAMENTE si sia in grado di discriminare una linguetta d’alluminio da un anello d’oro... Significa però che in molti casi, il valore (VDI o AUDIO) sarà ben diverso tra un frammento di carta stagnola e una catenina d’oro. Da non dimenticate che il range di ritardo di fase proveniente dagli oggetti in alluminio è molto ampio e collide in gran parte con quello dei più comuni oggetti in oro. Una distanza più corposa, ripeto per l’ennesima volta, c’è invece tra la cosiddetta stagnola e gli oggetti sottili in oro UTILIZZANDO FREQUENZE CRESCENTI. Attenzione però! All’aumentare della frequenza ci si scontra con una crescente sensibilità alla mineralizzazione alkalina dell’acqua di mare. Questo per via della incrementata conducibilità elettrica dovuta appunto all’acqua salata. In questo caso i metal a frequenze alte verranno ingannati in misura maggiore rispetto a quelli a bassa e bassissima frequenza. Se infatti andate a guardare le specifiche tecniche della maggior parte dei metal VLF MONOFREQUENZA acquatici o subacquei, noterete un utilizzo di frequenze molto più basse di quelli “TERRESTRI”. Questo proprio per tentare di contrastare gli effetti negativi della mineralizzazione salina. La discriminazione si basa su un fenomeno conosciuto come sfasamento che è la differenza tra la duratadella frequenza della bobina del trasmettitore e la frequenza dell’oggetto. Questa differenza è soggetta a due varianti: - Induttanza: in quanto un oggetto che conduce facilmente l'elettricità (induttivo) è lento a reagire ai cambiamenti di corrente. Un oggetto con alta induttanza avrà più sfasamento,questo perché richiederà più tempo per alterare il proprio campo magnetico. - Resistenza: perché un oggetto che non conduce facilmente l‘elettricità (resistente) è rapido a reagire ai cambiamenti di corrente. Un oggetto con alta resistenza avrà invece uno sfasamento più piccolo. La maggior parte dei metalli variano sia nell’induttanza che nella resistenza, un rivelatore di metallo di VLF “Very Low Frequencies” (frequenze molto basse: da 1 a 30KHz) esamina lo sfasamento, utilizzando due circuiti elettronici (demodulatori di fase) realizzando una media che verrà poi associata ad particolare di metallo. Ma non sempre è possibile avere una risposta univoca perciò solitamente si parla digamma di metalli alla quale l‘oggetto può appartenere. In questo modo analizzando il livello di sfasamento molti rivelatori di metallo permettono di filtrare (discriminare) gli oggetti, generando segnali di risposta solo in base alle impostazioni dell’utente. (Funzione “notch”). I Metal Detector più avanzati usano diversi filtri insieme.
Alcuni esempi di metal detector ad ALTA frequenza
Metal Detector PI - induzione di impulso (PI: Pulse Induction): I sistemi a PI possono usare una singola bobina sia come trasmittente che ricevente, alcuni modelli possono avere due o persino tre bobine che funzionano contemporaneamente. I Pulse Induction non hanno discriminazione, se non in pochi casi e sono sono all-metal. Sono utilizzati nella ricerca subacquea per esempio. Funzionamento: I metal a PI inviano un segnale intervallato (ON/OFF) con onde potenti e corte di impulsi di corrente attraverso la bobina; nella modalità ON, cioé il momento in cui la bobina invia gli impulsi, ogni impulso genera un breve campo magnetico nell‘oggetto. Quando l'impulso si conclude, il campo magnetico nell'oggetto inverte la polarità e poi si annulla improvvisamente, con un segnale elettrico molto netto. Questo segnale elettrico, dura alcuni microsecondi e dà origine ad un’altra corrente che attraversa la bobina, che in questo momento non trasmette alcun segnale. Nel momento OFF, cioè in cui la bobina non invia alcun segnale, si ascolta il segnale di ritorno dal terreno e nel caso dell‘oggetto metallico. Questa corrente, che viene analizzato dal metal detector, è denominata “impulso riflesso”, ha una durata molto breve (circa 30 microsecondi). Un rivelatore di metallo PI trasmette circa 100 impulsi al secondo, ma il numero può variare notevolmente da modello a modello. In un Metal Detector PI vi è un circuito di campionamento (sampling circuit) che controlla la lunghezza dell'impulso riflesso confrontandolo con la durata prevista o pre-impostata, il circuito di campionamento può determinare se un altro campo magnetico ha spinto l'impulso riflesso a svanire più lentamente.e questo indica la presenza di un oggetto di metallo che interferisce. Il circuito di campionamento trasmette questi piccoli e deboli segnali ad un dispositivo un chiamato integratore chelegge i segnali dal circuito di campionamento, gli amplifica e li converte in corrente continua che è collegata ad un circuito audio che cambia segnale in base all'oggetto trovato (in genere il tono audio). - I rivelatori PI in genere non hanno discriminazione perché la lunghezza riflessa dell'impulso dei vari metalli non viene facilmente separata. - Nelle zone che presentano materiale altamente conduttivo nel terreno come in acqua salata i VLF sono inutilizzabili e ci si affida solo ai PI. - Inoltre, i sistemi PI possono rilevare metalli più in profondità rispetto altri sistemi.
Tecnologia di BFO (beat-frequency oscillator): in questi Md si fa il confronto tra le frequenze di un oscillatore di riferimento e quelle di un oscillatore di ricerca che include un sensore induttivo nel suo circuito di sintonia. Il confronto di solito è effettuato unendo ("mixando") i segnali dei due oscillatori. Gli oggetti ferrosi e non ferrosi che si trovano vicino al sensore, la bobina di ricerca, cambieranno la loro induttanza la quale a sua volta cambierà la frequenza dell'oscillatore di ricerca. Il risultato della differenza tra le due frequenze, di riferimento e ricerca, sarà il risultato in uscita che potrà essere ascoltato con le cuffie o visualizzato sul display a seconda del tipo di metal. La semplicità dei sistemi BFO permette ai metal detector basati su questa tecnologia di essere prodotti e venduti ad un costo molto basso. Questi rivelatori però non forniscono un livello di controllo e d'esattezza pari ai sistemi PI o VLF.
Alcuni esempi di metal detector a BASSA frequenza
Tecnica di utilizzo di base La maggior parte degli apparecchi moderni, con l’eccezione degli apparecchi ad impulsi, funzionano con il sistema MOTION, questo significa che, per poter ottenere il segnale di rilevamento, il piatto ricercante deve essere mosso rispetto al terreno, la velocità di movimento del piatto ricercante sarà di circa 50/100 cm al secondo. Quando il segnale verrà rivelato, incrociando più lentamente sul segnale stesso sarà possibile effettuare una centratura sufficientemente precisa del punto di scavo. Gli apparecchi più sofisticati dispongono anche del pulsante di centratura (PINPOINT), cioè di un pulsante che quando viene premuto in vicinanza del rilevamento genera un segnale sonoro continuo fra l’oggetto e la piastra. Anche in mancanza di movimento, il segnale aumenta in prossimità dell'oggetto e diminuisce quando ci si allontana. In questo modo è possibile effettuare una centratura precisa al centimetro.
Passaggio della piastra sul terreno in 3 direzioni diverse per centrare meglio il target segnalato
METODO CORRETTO PER MUOVERE LA PIASTRA SUL TERRENO
METODO ERRATO PER MUOVERE LA PIASTRA SUL TERRENO
Il regolatore della discriminazione permette di evitare il rintraccio di oggetti non desiderati, la regolazione è continua, più si alza la discriminazione e più grossi saranno gli oggetti ferrosi non rilevati, mentre rimarrà la risposta dell'apparecchio agli altri metalli, anche se di dimensioni minime. Quindi regolando il discriminatore sarà possibile ad esempio eliminare i piccoli oggetti ferrosi, lasciando il riconoscimento per gli oggetti ferrosi più grandi che potrebbero essere comunque interessanti, oppure escludere completamente il ferro lasciando, come detto prima, la sensibilità per altri metalli. Tutti gli apparecchi possono immergere in acqua la testa ricercante, lasciando ovviamente all'asciutto la scatola controlli. Il modo “All Metal” (chiamato anche modo “NORMAL” o “D.C.”) è chiamato perciò “NON MOTION MODE”. Potrebbero crearsi alcune confusioni in questo argomento. Alcuni metal detector sono equipaggiati con una caratteristica funzione chiamata “SELF ADJUSTING THRESHOLD”, o S.A.T. (Soglia Auto Regolabile), che serve a tenere il livello audio emesso ad un valore appena percettibile, in assenza di segnali dovuti ad oggetti sepolti. Questo aiuta ad attenuare le variazioni audio causate dal terreno o da un inadeguato bilanciamento. Il S.A.T. può essere molto veloce o molto lento a seconda del modello di metal detector e da come è regolato ed implica il modo operativo “motion”. Ciò spiega perché si dice che alcuni metal detectors hanno un modo operativo “TRUE NON MOTION” (Vero Non Movimento); significa, naturalmente, un modo “ALL METAL” senza la funzione S.A.T. Un’altra cosa abbastanza confusa è il fatto che alcuni discriminatori permettono una regolazione al di sotto del punto dove vengono rilevati tutti i metalli: in poche parole è un discriminatore che non discrimina. Esso è qualcosa di molto diverso dal modo ALL METAL precedentemente descrittto. Per questa ragione spesso lo si definisce come un ZERO DISC mode.
GEORADAR Struttura e funzione Il termine georadar o G.P.R. (Ground Penetrating Radar), identifica una apparecchiatura radar dedicata all’indagine del sottosuolo, delle strutture e dei manufatti in genere. La parola radar deriva dalla denominazione inglese “radio detection and ranging” (radiorilevamento e misura della distanza), adoperata universalmente per indicare le apparecchiature con le quali si effettuano, a mezzo di onde elettromagnetiche, rilevamenti della posizione di oggetti con tecnica analoga a quella del rilevamento ottico mediante fasci luminosi. Più precisamente, un radar emette un fascio di onde elettromagnetiche che viene diretto contro un bersaglio da rilevare e da questo viene riflesso; un ricevitore, collocato in prossimità del trasmettitore, raccoglie una piccola frazione dell’energia riflessa e fornisce le informazioni necessarie al rilevamento. La distanza dell’oggetto da rilevare è data dall’intervallo di tempo che separa l’istante di emissione di un impulso dall’istante di ricezione dell’eco relativa.
La posizione dell’oggetto da rilevare è individuata dalla distanza di questo dal trasmettitore e dalla direzione del fascio che lo raggiunge. Il GPR è un sistema di controllo diagnostico non invasivo che si basa sullo stesso principio dei radar convenzionali, ma con alcune differenze significative: in un radar convenzionale l’onda elettromagnetica irradiata si propaga attraverso l’aria, mentre nel radar per introspezione del suolo si propaga nel suolo o in altri materiali solidi; i radar convenzionali possono rivelare bersagli a distanza di molti chilometri, mentre il radar per introspezione del suolo opera generalmente a distanze di pochi metri; la risoluzione dei radar convenzionali è dell’ordine delle decine o centinaia di metri, mentre il radar per introspezione del suolo ha risoluzioni dell’ordine delle decine di centimetri. In questi ultimi anni l’utilizzo delle tecniche GPR per le prospezioni geofisiche, hanno assunto una sempre maggiore diffusione, si è assistito infatti ad un notevole aumento di interesse nei confronti di questa tecnica geofisica dipendente in gran parte dall’ economia dei costi e dei tempi di esecuzione, nonché dal carattere non distruttivo dell’indagine e dalla semplice interpretabilità dei risultati. Il georadar è uno strumento versatile che consente di ottenere con alta precisione un profilo continuo del mezzo investigato, che sia terreno naturale, muratura o pavimentazione stradale, dal quale è possibile ottenere in tempi rapidi numerose informazioni. L’utilizzo di questa tecnologia consente infatti di rilevare e localizzare la presenza nel mezzo investigato di oggetti, strutture sepolte, cavità o comunque di qualsiasi discontinuità presente.
Modi di impiego L’applicazione del Georadar sul terreno può spaziare in settori diversificati tra di loro. Ingegneria e cantieristica: è questa una rilevazione che riguarda l’indagine di strutture sepolte sotto edifici da ristrutturare, armature metalliche, strutture dentro a pareti o sotto a pavimenti oppure rilevamento di rifiuti o contenitori sepolti per un eventuale bonifica del territorio. Geologia: mediante l’utilizzo di antenne con basse frequenze (50 - 200Mhz), è possibile rilevare la localizzazione e geometria di forme carsiche sotterranee, effettuare indagini in aree interessate da dissesto idrogeologico, valutare variazioni di stratificazioni geologiche, fratturazioni e spessori di terreni di riporto, nonché individuare vari tipi di discontinuità (faglie, fratture, giunti). Oppure con antenne radar da foro è possibile eseguire prospezioni all’interno di fori pilota al fine di monitorare e/o rilevare la presenza di oggetti sepolti, piani di fondazione profondi, fratturazioni e cavità carsiche negli ammassi rocciosi, con elevata risoluzione. Archeologia e Cultura: una precisa indagine per rivalutare e restaurare opere d’arte, per identificare eventuali insediamenti storici sepolti, tombe, manufatti, gallerie e grotte. Indagini giudiziarie: utilizzo particolare per il rilevamento di refurtive nescoste, nascondigli, cadaveri, ecc...
Quali sono i limiti operativi per un georadar? Essendo quella del Georadar una prospezione geofisica indiretta ed in quanto tale presenta la possibilità di non conseguire in tutte le occasioni risultati perfettamente attendibili, può verificarsi per esempio una mancata e/o falsa interpretazione dei segnali rilevati. Ciò può essere dovuto a presenze “intruse” nel terreno di ricerca (accentuata asperità delle superfici, armature metalliche della superficie, presenza di cavi conduttori di segnali e onde elettromangetiche, presenza d’acqua in superficie) oppure geologiche (composizione argillosa-limosa umida del terreno, falde acquifere subsuperficiali, ecc...).
Dati tecnici Il georadar emette onde elettromagnetiche che attraversando il suolo riflettono sugli elementi che incontrano e tornano indietro alla centralina di elaborazione dati. Le emissioni delle radiofrequenze variano nella maggior parte dei casi da 1Mhz fino a 100Ghz. Ogni volta che il mezzo di propagazione mostra una variazione delle caratteristiche elettromagnetiche Una riflessione dell’onda elettromagnetica. La capacità di RIFLESSIONE di un bersaglio è espressa dal parametro S.E.R. (Superficie Equivalente Radar), la cui valutazione è funzione di una molteplicità di parametri: • la forma dell’oggetto • la dimensione dell’oggetto • il materiale di cui è composto • il materiale ad esso circostante • la frequenza e la polarizzazione dell’onda e.m. incidente • la distanza dell’oggetto dall’antenna La diminuzione progressiva dell’onda che penetra nel terreno, dovuta all’aumentare della profondità prende il nome di ATTENUAZIONE. Questa attenuazione di segnale è dovuta alle particelle di molecole di acqua nel terreno oppure il tipo di materiale eventulamente conduttivo che devia e assorbe energia all’onda elettromagnetica.
Emissione segnale
Ritorno segnale
La penetrazione dell’onda elettromagnetica per tanto è strettamente legata all’ATTENUAZIONE.
La velocità di propagazione è essenziale per misurare correttamente la profondità degli oggetti; essa è funzione della costante dielettrica del mezzo, e può variare di quasi 10 volte in funzione della natura del suolo; la velocità di propagazione è espressa, nel sistema MKS, in m/sec. Per semplicità di notazione in campo radar la velocità di propagazione è spesso espressa in cm/nsec: • velocità nel vuoto (ed in aria): 30 cm/nsec • velocità nel marmo: 11 cm/nsec • velocità in suoli tipici urbani: 7-12 cm/nsec • velocità nell’acqua: 3.3 cm/nsec
es. segnalazione di una tubazione
TIPOLOGIE di antenne E’ molto importante utilizzare il tipo di antenna a seconda della prospezione che si desidera andare ad effettuare o meglio del target e della sua profondità (presunta). Le antenne hanno caratteristiche di costruzione e capacità penetrativa differenti per ogni marca di georadar e le possiamo suddividere in tre prime categorie.
ANTENNA MONOSTATICA
TX
Nella disposizione monostatica, la parte trasmittente (trasmettitore TX) e la parte ricevente ricevitore (RX) sono assemblati in un’unica struttura, permettendo di ottenere informazioni in tutta l’area indagata e di determinare la profondità di bersagli. Questa tipologia di antenna è consigliata per scansioni superficiali quali sottoservizi e ricerche archeologiche; si utilizzanoin genere antenne con una frequenza medio-alta (500-1000 MHz).
ANTENNA BISTATICA
Questa tipologia di disposizione, la parte trasmittente (trasmettitore TX) e la parte ricevente ricevitore (RX) sono separati e messi ad una certa distanza l’uno dall’altro. Questo fa sì che il dettaglio sia più preciso nelle zone più profonde, mentre lo svantaggio consiste nell’assenza di risposta in una porzione di terreno (Y) funzione della distanza reciproca dei due componenti. Tale disposizione è consigliata per attività geologiche di zono molto profonde ed è generalmente impiegata con antenne a frequenza medio-bassa (80-300 MHz).
TX
RX
y
RX
y
ANTENNA MONOSTATICA
Con la disposizione cross-polare,la parte trasmittente (trasmettitore TX) e la parte ricevente ricevitore (RX) sono ortogonali tra loro. Tale disposizione risulta particolarmente utile nel riconoscimento di bersagli inclinati/obliqui rispetto alla direzione di trascinamento delle antenne ed inoltre per particolari applicazioni scientifiche.
Rilevamento tubi in metallo
Rilevamento tubi in metallo Rilevamento tubi in plastica
Un’altra catalogazione per le antenna dei GPR è data dalla frequenza dell’antenna stessa; e con ogni caratteristica propria dell’antenna si possono andare a fare i giusti tipi di rilevamento nel terreno.
Bassa frequenza
Media frequenza
Alta frequenza
Le antenne a bassa frequenza (40-300 MHz) sono maggiormente indicate per indagini in profondità, poiché generano un’alta capacità di penetrazione ed una bassa risoluzione. In particolare queste antenne vengono impiegate per la ricerca di:
Le antenne a media frequenza (300-500 MHz) vengono utilizzate per indagini più superficiali per laricerca di:
Le antenne ad alta frequenza (900-1000 MHz) vengono utilizzate per indagini che richiedono un elevato dettaglio:
Sottoservizi
Stato di manufatti e opere d’arte
Ricerche archeologiche
Orizzonti stratigrafici Cavità Falde Zone di fratturazione
Resti archeologici
LA SCELTA DELL’ANTENNA E’ INVERSAMENTE PROPORZIONALE ALLA PROFONDITA’ DI RICERCA Frequenza centrale MHz
Penetrazione (m)
Risoluzione verticale (m)
Dimensioni (m)
31
16
1,6
4,8
125
4
0,4
1,2
63
250 500
1000 2000
8 2 1
0,5
0,25
0,8 0,2 0,1
0,05 0,03
2,4 0,6 0,3
0,15
0,075