Uno spessimetro a ultrasuoni non misura uno spessore: misura un tempo. L’elettronica cronometra l’intervallo fra l’impulso emesso e l’eco di ritorno dalla parete opposta, poi divide per due e moltiplica per la velocità di propagazione impostata nello strumento. Tutto il resto della catena può essere perfetto — sonda accoppiata, superficie preparata, guadagno corretto — ma se la velocità impostata è sbagliata la lettura è sbagliata nella stessa misura percentuale. È una relazione diretta, senza attenuazioni: un errore dell’1% sulla velocità del suono si traduce in un errore dell’1% sullo spessore, cioè 0,10 mm su una parete da 10 mm.
Il problema è che la velocità del suono non è una costante del metallo, ma una proprietà del pezzo che si ha in mano. Dipende dalla composizione esatta della lega, dal trattamento termico, dalla direzione di laminazione, dalla porosità residua e dalla temperatura. Su acciai al carbonio la dispersione è contenuta e le tabelle di letteratura bastano; su ghisa, ottoni, materiali sinterizzati o polimeri la variabilità può superare il 10% e la tabella diventa una fonte di errore.
Esistono cinque modi di risolvere il problema, con costi e precisioni molto diversi. Gli strumenti Dakota NDT li supportano tutti: il PMX2-DL con display grafico A-scan permette di verificare la forma dell’eco durante la taratura e memorizza velocità personalizzate per materiale, mentre lo ZX1 a display numerico gestisce taratura a uno e due punti in modo rapido su linea. Questo articolo li confronta uno a uno, indicando quando conviene fermarsi al valore nominale e quando serve scendere sul campione reale.
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Metodo A: velocità da tabella di letteratura per il materiale nominale
È il metodo a costo zero: si seleziona il materiale dalla libreria interna dello strumento e si misura. Funziona quando il materiale è noto con certezza, omogeneo e a grana fine, e quando la tolleranza richiesta è larga rispetto alla dispersione tabellare. Su acciaio al carbonio laminato l’incertezza residua sta tipicamente entro l’1%, cioè un decimo di millimetro su dieci. Il limite compare sui materiali a forte dispersione: la ghisa copre un intervallo da 4400 a 5600 m/s a seconda di forma e distribuzione della grafite, e scegliere il valore centrale può introdurre un errore superiore al 10%. Lo stesso vale per gli acciai inossidabili austenitici a grano grosso e per i polimeri, la cui velocità cambia sensibilmente con la temperatura. La tabella è un punto di partenza, non una taratura.
| Materiale | Velocità longitudinale tipica | Dispersione attesa |
|---|---|---|
| Acciaio al carbonio | ~5900 m/s | bassa |
| Acciaio inox austenitico | ~5740 m/s | media |
| Alluminio | ~6320 m/s | bassa |
| Rame | ~4700 m/s | media |
| Ghisa | 4400–5600 m/s | molto elevata |
| Polietilene | ~2340 m/s | elevata (termica) |
| PVC rigido | ~2395 m/s | elevata (termica) |
Metodo B: taratura a un punto su spessore noto dello stesso materiale
Si prende un pezzo dello stesso materiale con una zona accessibile su entrambi i lati, se ne misura lo spessore con un calibro o un micrometro, si appoggia la sonda e si corregge la lettura fino a farla coincidere con il valore meccanico. Lo strumento ricalcola internamente la velocità e la memorizza. È la procedura più usata in campo perché richiede solo un riferimento dimensionale e trenta secondi di lavoro. La condizione da rispettare è la vicinanza fra spessore di taratura e spessore da misurare: la correzione a un punto agisce come un fattore di scala e non separa il contributo della velocità da quello del ritardo di zero della sonda. Tarando a 10 mm e misurando a 1,5 mm l’errore residuo torna a crescere, perché il ritardo di zero pesa in proporzione molto maggiore sulle pareti sottili.
Metodo C: taratura a due punti su blocco a gradini
Il blocco a gradini offre due spessori certificati, uno sottile e uno spesso, che racchiudono l’intervallo di lavoro. Misurandoli entrambi lo strumento risolve un sistema a due incognite e separa ciò che il metodo a un punto confonde: la velocità del materiale e il ritardo di zero introdotto dalla linea di ritardo, dal cavo e dal protettore della sonda. È il metodo che dà l’errore più contenuto su un ampio intervallo di spessori, e l’unico che consente di diagnosticare la deriva del ritardo di zero con l’usura del protettore: se dopo qualche ora di lavoro la lettura sul gradino sottile si sposta mentre quella sul gradino spesso resta stabile, il protettore è consumato o l’accoppiamento è degradato, non è il materiale che è cambiato. Da qui la regola di verificare i due gradini a inizio turno, dopo ogni cambio sonda e almeno una volta a metà turno.
Metodo D: determinazione sperimentale della velocità sul lotto reale
Quando la dispersione del materiale è il termine dominante dell’incertezza, l’unica strada corretta è ricavare la velocità dal lotto che si sta controllando. Si sceglie uno spezzone di scarto della stessa colata o dello stesso stampaggio, se ne misura lo spessore con un micrometro tarato, si misura il tempo di volo e si calcola la velocità come rapporto fra doppio spessore e tempo; molti strumenti fanno il conto e mostrano direttamente il valore in m/s. Conviene ripetere la prova su tre o quattro punti e assumere la media, annotando il valore nel rapporto di controllo insieme al lotto. È la prassi su ghise, getti, sinterizzati, materiali compositi e semilavorati con storia termica ignota, e sui polimeri dove la velocità va determinata alla temperatura di esercizio, non a quella del laboratorio.
Velocità del suono e taratura sui materiali: confronto fra i metodi e scelta operativa
Il quinto metodo non tara nulla: lo elimina in parte. In modalità eco-eco lo strumento cronometra l’intervallo fra due echi di fondo successivi invece che fra impulso ed eco. Il percorso nella linea di ritardo, nel rivestimento e nell’accoppiante viene attraversato dagli stessi echi e si cancella nella differenza: il ritardo di zero esce dal conto e resta solo la velocità del materiale. È la scelta obbligata per misurare metallo sotto vernice senza rimuoverla, e un ottimo indicatore diagnostico, perché una discordanza fra lettura eco-eco e lettura a eco singolo segnala un problema di zero o uno strato non metallico. In cambio richiede echi di fondo puliti e paga con una perdita di sensibilità sui materiali attenuanti e sulle pareti molto corrose.
In sintesi: tabella per materiali noti e tolleranze larghe, un punto per il lavoro quotidiano su spessori simili, due punti quando l’intervallo è ampio o la parete è sottile, determinazione sperimentale sui lotti a forte dispersione, eco-eco sulle superfici rivestite. Per i valori di riferimento, le procedure di taratura e i blocchi campione si rimanda alla pagina dedicata a Velocità del suono e taratura sui materiali.
Prodotti utilizzati in questa applicazione
Qualunque dei quattro metodi si scelga, la velocità va impostata sullo strumento e verificata su un riscontro. Le schede indicano il campo di taratura e la risoluzione con cui ciascun modello Dakota NDT lo permette.
Corrosione
Dakota NDT Serie ZX
Campo di taratura della velocità da 305 a 18.542 m/s con azzeramento sul disco integrato nello strumento. Risoluzione 0,01 mm, correzione automatica del percorso a V.
Corrosione
Dakota NDT Serie CX
Taratura sul materiale reale e non sul solo blocchetto: tre livelli di dotazione, campo da 0,63 a 500 mm, datalogger e B-Scan sul CX8-DL.
Precisione
Dakota NDT Serie PMX
Per la determinazione sperimentale della velocità sul lotto: risoluzione fino a 0,001 mm, campo fino a 9144 mm, A-Scan e B-Scan, memoria da 4 GB.
Precisione
Dakota NDT PCX8-DL
Dove l’errore di velocità pesa di più, cioè sulle pareti sottili: misura da 0,15 mm con risoluzione fino a 0,01 mm.
→ Tutti i modelli, con i dati tecnici del costruttore, nella pagina di catalogo Spessimetri a ultrasuoni.
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