Principio di funzionamento degli spessimetri ad ultrasuoni
Lo spessimetro ad ultrasuoni è uno strumento utilizzato per rilevare lo spessore dei materiali conduttori di ultrasuoni in maniera non distruttiva. Le prime applicazioni risalgono agli anni 60.
Gli attuali strumenti di misura ad ultrasuoni , pur utilizzando sistemi di acquisizione più moderni ed interfacce visive più evolute e complete, sfruttano lo stesso principio fisico dei primi strumenti di misura costruiti nel secolo scorso.
Gli spessimetri ad ultrasuoni determinano lo spessore di un materiale attraverso un’accurata misurazione del tempo impiegato da un impulso ultrasonico, generato da un trasduttore piezoelettrico, per attraversare lo spessore di un materiale e ritornare alla sua fonte. Il tempo impiegato per il percorso di andata e ritorno dell’onda sonora viene diviso a metà e poi moltiplicato per la velocità di propagazione del suono riferito a quel particolare materiale.
Trasduttori emettitori di ultrasuoni
Il trasduttore contiene un elemento piezoelettrico che viene eccitato da un breve impulso elettrico per generare un treno di onde ultrasoniche . Le onde sonore sono accoppiate al materiale da testare e viaggia attraverso di esso finché incontrano una parete posteriore o un altro tipo di materiale ( aria, acqua, ruggine, smalto, etc ) . Le riflessioni viaggiano poi indietro verso il trasduttore che provvede a convertire l’energia sonora in energia elettrica . In sostanza il trasduttore intercetta l’ eco dal lato opposto . In genere questo intervallo di tempo è di pochi milionesimi di secondo . Lo spessimetro ad ultrasuoni è programmato con la velocità del suono nel materiale sottoposto a prova , e può quindi calcolare lo spessore utilizzando la semplice relazione matematica
T = V x ( t / 2 )
dove
T = spessore della parete
V = la velocità del suono nel materiale di prova
t = il tempo di transito del percorso
In alcuni casi un offset di zero viene sottratto per tenere conto di ritardi fissi dello strumento e del percorso sonoro ( es. Distanza tra il traduttore ultrasonico ed il punto di accoppiamento sonda-materiale ).
Velocità del suono e frequenze di oscillazione
È importante notare che la velocità del suono nel materiale di prova è una parte essenziale di questo calcolo . Materiali diversi trasmettono onde sonore a velocità diverse , generalmente più veloci in materiali duri e più lente in materiali morbidi . Inoltre le velocità del suono possono cambiare significativamente con la temperatura . E’ quindi sempre necessario calibrare uno spessimetro ad ultrasuoni per la velocità del suono nel materiale da misurare , e la precisione può essere buona solo come questa specifica calibrazione . Questo avviene normalmente facendo riferimento ad un oggetto campione il cui spessore è conosciuto e certificato . Nel caso di misure a temperatura elevata è anche necessario ricordare che la velocità del suono diminuisce con la temperatura , quindi per la massima precisione la misura di riferimento dovrebbe essere effettuata alla stessa temperatura della prova “sul campo”.
Elevate frequenze di oscillazione del traduttore hanno una lunghezza d’onda più corta permettendo così la misurazione di materiali più sottili . Le frequenze più basse con una lunghezza d’onda più grande penetrano più lontano e sono usate per testare campioni molto spessi , o materiali più difficili da attraversare come fibra di vetro e metalli fusi a grana grossa ( es ghisa ) dove le onde sonore hanno un transito meno efficiente . La selezione di una frequenza di prova ottimale comporta spesso il bilanciamento di questi due requisiti ( risoluzione e capacità di penetrazione) .
Uso del liquido accoppiante
Onde sonore nella gamma dei megahertz non viaggiano efficiente attraverso l’aria , così una goccia di liquido di accoppiamento viene utilizzato tra il trasduttore ed il provino in modo da ottenere una buona trasmissione del suono . Accoppianti comuni sono glicerina , glicole propilenico, acqua , olio e gel . È necessaria solo una piccola quantità , quanto basta per riempire lo spazio estremamente sottile che si forma tra il trasduttore e il materiale da misurare.
Vantaggi della misura ultrasonica
Misura da un solo lato del materiale
Gli spessimetri ad ultrasuoni sono spesso impiegati in situazioni in cui l’operatore ha accesso ad un solo lato del materiale , come nel caso di tubi o condotte , o in quei casi in cui la semplice misurazione meccanica è impossibile o impraticabile per altri motivi quali dimensione eccessive del manufatto, limitazioni di accesso o impraticabilità meccanica ( es. al centro di grosse lamiere oppure su coil di lamiera dove le spire sono avvolte una sull’altra ) . Il semplice fatto che le misure di spessore con tecnologia ad ultrasuoni possano essere facilmente e rapidamente fatte da un solo lato , senza la necessità di tagliare parti , è uno dei principali vantaggi di questa tecnologia .
Misura non distruttiva
Non è richiesto alcun taglio o sezionamento di parti , risparmiando i costi dello scarto e del lavoro di preparazione del provino.
Altamente affidabile
I moderni misuratori ad ultrasuoni digitali sono molto precisi , ripetibili e affidabili ed in molti casi adatti ad essere utilizzati anche da personale non esperto.
Versatile
Quasi tutti i comuni materiali per ingegneria possono essere misurati con le opportune configurazioni : metalli , molte materie plastiche, materiali compositi , fibre di vetro , vetro, fibra di carbonio, ceramica e gomma .
La maggior parte degli spessimetri ad ultrasuoni possono essere pre-programmati con molteplici finalità d’uso
Ampio range di misura
Calibri ad ultrasuoni sono disponibili per campi di misura da 0,2 mm fino a 500 mm a seconda del materiale e del tipo di trasduttore . Si possono ottenere risoluzioni fino a 0,001 millimetri .
Facile da usare
La stragrande maggioranza delle applicazioni utilizzanti gli spessimetri ad ultrasuoni richiedono semplici configurazioni pre-programmate e solo una piccola parte di interazione dell’operatore .
Risposta immediata
La misura con ultrasuoni di solito viene effettuata in soli uno o due secondi per ciascun punto di misura e vengono visualizzati immediatamente i risultati numerici attraverso come una lettura digitale del display.
Compatibile con i programmi di registrazione dei dati e analisi statistica
La maggior parte dei moderni spessimetri ad ultrasuonni portatili offrono sia un datalogger locale per i dati di misura , sia eventuali porte USB o RS232 per il trasferimento delle misure ad un computer esterno per archiviazione e ulteriori analisi .
La scelta della sonda e dello strumento
Per ogni applicazione di misura ad ultrasuoni è fondamentale la scelta di uno strumento e di un trasduttore adeguato, basata sul tipo di materiale di prova , la sua gamma di spessore , il grado di precisione richiesta dalla misura . È anche necessario considerare geometria del pezzo , temperatura , e tutte le altre circostanze speciali che possono influenzare la configurazione di prova .
In generale la miglior sonda per ciascun tipo di misura è quella che riesce a inviare una sufficiente energia ultrasonica nel materiale , considerando che lo strumento deve ricevere un adeguato eco di ritorno. I fattori che influenzano la propagazione degli ultrasuoni sono molteplici.
Forza del segnale in uscita
Più forte è il segnale in uscita e più forte sarà l’eco di ritorno da rilevare ed elaborare. Tale parametro dipende fondamentalmente dalla grandezza del componente della sonda che emette l’ultrasuono e dalla frequenza di risonanza del trasduttore.
Un’ampia superficie di emissione , abbinata ad una ampia superficie di accoppiamento con il materiale sottoposto a test , invierà una maggior quantità di energia nel materiale rispetto a un’area di emissione più ridotta.
Assorbimento e dispersione
Quando un ultrasuono attraversa un materiale , una parte dell’energia emessa viene assorbita dal materiale stesso. Se il materiale campione ha una struttura granulare l’onda ultrasonica subirà un effetto di dispersione e di attenuazione. Entrambi i fenomeni causano una riduzione dell’energia ultrasonica e di conseguenza la capacità dello strumento di percepire l’eco di ritorno. Gli ultrasuoni ad alta frequenza subiscono maggiormente gli effetti da dispersione rispetto alle onde di frequenza minore.
Temperatura del materiale
La velocità di propagazione del suono all’interno di un materiale è inversamente proporzionale alla sua temperatura. Quando è necessario misurare campioni con una temperatura superficiale elevata, devono essere utilizzate sonde concepite specificatamente per misure ad alta temperatura, entro il campo di impiego dichiarato dal costruttore della sonda. Questi sonde particolari sono costruite usando lavorazioni e materiali speciali, che consentono di farle resistere agli stress fisici delle alte temperature senza danneggiarsi.
Accoppiamento sonda/superficie
Un altro parametro molto importante è l’accoppiamento tra la superficie sottoposta al test e la punta della sonda. Una buona aderenza tra le due superfici garantisce che lo strumento operi al meglio e fornisca una misurazione attendibile e realistica. Per tale ragione è consigliato accertarsi prima di ogni misurazione che la superficie e la sonda siano esenti da polveri, residui e sporcizia.
Per garantire un ottimo accoppiamento ed eliminare il sottile strato d’aria che si interpone fra sonda e superficie è necessario impiegare un liquido d’accoppiamento.
Tipologia di sonda
Tutte le sonde impiegate con gli spessimetri a ultrasuoni contengono un elemento ceramico risonante: quello che le distingue è il modo in cui quell’elemento viene messo in contatto acustico con il pezzo. Le costruzioni ricorrenti sono quattro.
- La sonda a contatto appoggia direttamente sul pezzo, con l’elemento protetto da una piastrina di usura. È la via più semplice, e la prima da provare nella misura di spessore e di corrosione.
- La sonda a linea di ritardo interpone un cilindro di resina epossidica o silice fusa fra elemento e pezzo: separa l’impulso di eccitazione dall’eco di fondo sui materiali sottili, isola termicamente l’elemento dal pezzo caldo e può essere sagomata per entrare in spazi ristretti.
- La sonda a immersione usa una colonna o un bagno d’acqua come mezzo di accoppiamento, per la misura in linea e su prodotti in movimento.
- La sonda a doppio elemento monta trasmissione e ricezione separate, inclinate di un piccolo angolo per concentrare l’energia a una profondità definita sotto la superficie. Sulle superfici regolari è in genere meno accurata delle altre, ma sulle superfici ruvide e corrose continua a leggere dove le altre perdono l’eco.
La scelta fra queste costruzioni, i campi di frequenza e le versioni per superfici e temperature particolari sono trattati nella pagina dedicata alle sonde e trasduttori a ultrasuoni.
Limiti degli spessimetri ad ultrasuoni
Il metodo ha un confine netto: richiede un materiale compatto e omogeneo. Nei materiali non compatti — espansi, fusioni a grana grossa, porosi — le micro-bolle e le micro-discontinuità disperdono l’energia dell’onda, l’eco torna fortemente attenuato e spesso non torna affatto. Nei materiali non omogenei — laminati multipli, agglomerati bituminosi, resine caricate con fibre di vetro, cemento, legno, graniti — il tempo di volo si misura, ma appartiene a più materiali sovrapposti con velocità di propagazione diverse, e convertirlo in uno spessore con una sola velocità impostata produce un valore che sembra buono e non lo è.
La differenza pratica è che sul materiale non compatto la misura manca, e l’assenza di eco lo segnala; sul materiale non omogeneo la misura inganna, e nulla lo segnala. Il tema è approfondito nella pagina sugli ultrasuoni su materiali non metallici.
Principio di base comune (pulse-echo)
Sia in A-scan che in B-scan lo strumento impiega il principio pulse-echo: un trasduttore genera un impulso ultrasonico che percorre il materiale; ogni discontinuità delle proprietà acustiche (superficie, interfaccia rivestimento/acciaio, retroparatia, cricca, inclusione) genera un eco che torna al trasduttore. Misurando il tempo di volo (TOF, time-of-flight) e conoscendo la velocità del suono nel materiale si ricava la distanza (spessore).
Formula fondamentale:spessore = (velocità_materiale × TOF) / 2
(la divisione per 2 è dovuta al percorso andata + ritorno).
A-scan e B-scan: le due rappresentazioni del segnale
Uno strumento che mostri soltanto un numero chiede di fidarsi. Le due rappresentazioni grafiche del segnale servono a non doverlo fare.
L’A-scan è la forma d’onda grezza: sull’asse orizzontale il tempo, cioè la profondità; sull’asse verticale l’ampiezza dell’eco. Vi si riconoscono il segnale d’interfaccia fra sonda e materiale, l’eco di fondo da cui si ricava lo spessore e gli eventuali echi intermedi, che tradiscono discontinuità interne. Anche la forma dell’eco dice qualcosa: netto e corto indica un bordo definito, largo e attenuato indica diffusione o porosità.
Il B-scan nasce dall’accostamento di molte misure A-scan lungo un percorso: il risultato è una sezione del materiale, in cui un assottigliamento uniforme appare come una deviazione regolare della linea di fondo e una vaiolatura come una depressione locale. Estendendo la scansione a due dimensioni si ottiene una mappa planimetrica dell’area ispezionata.
Le due modalità non si sostituiscono: l’A-scan serve alla diagnosi puntuale, alla taratura e alla verifica dettagliata dell’eco; il B-scan serve a vedere come la corrosione si distribuisce nello spazio e a decidere dove tornare con l’A-scan. Nella pratica si usano insieme — il B-scan per mappare, l’A-scan per capire.
I controlli dello strumento che governano il tracciato — guadagno, base dei tempi, soglia, guadagno corretto nel tempo, zona morta — gli artefatti da saper riconoscere e le buone pratiche di lettura sono trattati nella pagina sulla rappresentazione del segnale A-scan e B-scan.
Mettere a punto la misura
La scelta della frequenza è sempre un compromesso fra risoluzione e penetrazione, e i valori di partenza dipendono dal materiale e dallo spessore atteso: se ne trovano di indicativi, insieme alla relazione fra tempo di volo e spessore e all’offset di zero, nella pagina sulla misura a eco-impulso. Quando invece la misura non viene — nessun eco di fondo, eco troppo attenuato, letture che ballano sullo stesso punto — la sequenza di verifiche è raccolta nella pagina sulla misura su superfici corrose e irregolari.
Per garantire la massima precisione, lo strumento deve essere “azzerato” o calibrato su un campione del materiale da misurare prima di ogni sessione di lavoro. Innovacheck consiglia inoltre una taratura periodica annuale con rilascio di certificato per conformità alle norme di qualità ISO.
Misura dello spessore con tecnologia ultrasonora
La spessimetria a ultrasuoni è la tecnica non distruttiva più diffusa per misurare lo spessore di pareti, tubi, serbatoi e strutture quando è disponibile l’accesso da un solo lato. Copre applicazioni molto diverse fra loro — dalla verifica della corrosione in campo alla misura di precisione a banco — su metalli, plastiche, vetroresina, ceramica e compositi.
Le sonde a doppio cristallo sono adatte alla misura su superfici corrose o ruvide, mentre le sonde a cristallo singolo danno la massima accuratezza su materiali uniformi e a temperatura ambiente. La scelta della frequenza, da 1 a 20 MHz secondo il modello di sonda, dipende dal materiale e dalla risoluzione richiesta.
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Le famiglie di strumenti
Gli strumenti portatili con display numerico coprono le applicazioni industriali correnti: misura su acciaio e leghe, plastiche, vetroresina e compositi. I modelli con display grafico aggiungono la lettura della forma d’onda, che permette di verificare la qualità del contatto e di riconoscere laminazioni e doppi echi prima di accettare la misura. Accanto a questi esistono modelli specializzati per condizioni difficili: materiali fortemente attenuanti, superfici molto corrose, pezzi caldi da misurare con sonde per alta temperatura, il cui campo di impiego è quello dichiarato dal costruttore della sonda.
La gamma completa, con i dati tecnici modello per modello, è nella pagina di categoria degli spessimetri a ultrasuoni.
Norme di riferimento
Il metodo di misura è descritto da EN 14127 e da ASTM E797, mentre ASME BPVC Sezione V, Articolo 5 tratta i metodi di esame ultrasonoro per materiali e fabbricazione. Quando la misura entra in un programma di ispezione periodica il quadro di riferimento diventa quello dei codici di esercizio — API 510, 570 e 653 — che definiscono punti di misura, periodicità e documentazione. Sono riferimenti tecnici del metodo: l’applicabilità al singolo controllo va valutata caso per caso, e il quadro completo è nella sezione dedicata della pagina di categoria.
Gli strumenti che applicano questo principio
I nove spessimetri a ultrasuoni Dakota NDT a catalogo. L’etichetta indica la destinazione d’uso — corrosione, precisione o alta penetrazione — e la riga di descrizione dice quale aspetto del principio descritto in questa pagina quel modello porta più avanti.
Corrosione
Dakota NDT Serie CX
Tre livelli sullo stesso principio: il CX2 legge lo spessore totale, CX4 e CX8-DL ignorano il rivestimento in Echo Echo. Campo da 0,63 a 500 mm.
Corrosione
Dakota NDT Serie ZX
Quattro dotazioni su campo fino a 914,4 mm: si sale dalla sola lettura numerica fino a echo-echo e datalogger da 10.000 letture.
Corrosione
Dakota NDT MX2-DL
Rende visibile il segnale di cui parla questa pagina: A-Scan e B-Scan, 250 letture al secondo in scansione, 4 GB per letture e forme d’onda.
Corrosione
Dakota NDT Serie CMX
Sei modalità di misura, campo fino a 1219,2 mm, misura separata del rivestimento e compensazione della temperatura.
Corrosione
Dakota NDT CMX10-DL
Registrazione dell’onda piena: A-Scan, B-Scan e video archiviabili e richiamabili. Touchscreen a colori, campo fino a 1480 mm, IP65.
Precisione
Dakota NDT PCX8-DL
Dove la parete è sottile e il tempo di volo si accorcia: misura da 0,15 mm, risoluzione fino a 0,01 mm, memoria da 100.000 letture.
Precisione
Dakota NDT PZX1-DL
Precisione fuori dai metalli con tecnologia ThruPaint™: da 0,127 mm sulle materie plastiche, sonde a cristallo singolo da 5 a 20 MHz.
Precisione
Dakota NDT Serie PMX
Il millesimo di millimetro senza rinunciare alla portata: risoluzione fino a 0,001 mm con campo fino a 9144 mm, A-Scan e B-Scan.
Alta penetrazione
Dakota NDT PMX4-DL
Per i materiali che spengono l’eco: campo su acciaio fino a 30.500 mm, pulser fino a 400 V e sonde da 500 kHz per getti, ghise e compositi.
→ Tutti i modelli, con i dati tecnici del costruttore, nella pagina di catalogo Spessimetri a ultrasuoni.
Maggiori informazioni e contatti
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