Principio di funzionamento degli spessimetri ad ultrasuoni

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

Velocità del suono e frequenze di oscillazione

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 .

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, fino a un massimo di 350 °C, devono essere utilizzate sonde concepite specificatamente per misure ad alta temperatura. 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

Trasduttori a contatto :

 i trasduttori a contatto sono utilizzati in contatto diretto con il provino . Una sottile “ piastrina di usura” protegge l’ elemento attivo da eventuali danni durante il normale utilizzo . Misure con trasduttori a contatto sono spesso le più semplici da realizzare e di solito sono la prima strada da percorrere per la maggior parte delle applicazioni di misura di spessore o di corrosione.

Trasduttori DELAY LINE :

i trasduttori con linea di ritardo incorporano un cilindro di plastica , solitamente di resina epossidica o silice fusa,  utilizzato come linea di ritardo tra l’elemento attivo ed il pezzo di prova . Una delle principali ragioni per il loro utilizzo è per le misure di materiali sottili , dove è importante separare i’ impulso di eccitazione da echi “backwall” . Inoltre una linea di ritardo può essere utilizzata come isolante termico , proteggendo l’elemento trasduttore termosensibile dal contatto diretto con il materiale caldo . Infine linee di ritardo possono essere sagomate per migliorare l’accoppiamento dell’ultrasuono in spazi ristretti.

Trasduttori ad immersione :

i trasduttori  ad immersione utilizzano una colonna o un bagno di acqua per l’accoppiamento al materiale. Essi possono essere utilizzati per misure on-line direttamente sulla linea di produzione o per  misurare prodotti in movimento

Trasduttori a doppio elemento :

i trasduttori a doppio elemento , o semplicemente ” duali ” , sono utilizzati principalmente per le misure effettuate su superfici ruvide o corrose . Essi incorporano trasmissione e ricezione separata , con due elementi montati su una linea di ritardo con un piccolo angolo per concentrare l’energia sonora una distanza ben precisa sotto la superficie de un pezzo di prova . Sebbene misure con trasduttori duali siano a volte meno precise rispetto a quelle effettuate con altri tipi di trasduttori , di solito forniscono prestazioni significativamente migliori nelle applicazioni di controllo di corrosione e dove sono presenti molte irregolarità nelle superfici del materiale.

Limiti degli spessimetri ad ultrasuoni

Uno dei principali limiti degli spessimetri ad ultrasuoni risiede nell’impossibilità di misurare materiali che non sono compatti oppure non sono omogenei.

La presenza di micro-bolle ( come per es. nei materiali espansi o  in alcuni tipi di fusioni di ghisa ) oppure di micro-discontinuità possono comportare un’attenuazione significativa dell’eco di ritorno e quindi l’impossibilità di determinare  con precisione la misura di spessore. In alcuni casi l’eco di ritorno non è neanche presente perchè completamente disperso nelle “micro-cavita” del materiale.

Inoltre la misura in materiali non omogenei (  laminati multipli, agglomerati bituminosi , resine caricate con fibre di vetro , cemento, legno, graniti ) pur presentando la possibilità di determinare il tempo di transito andata-ritorno dell’eco ultrasonico non consentono di determinare lo spessore del materiale in modo univoco a causa della presenza di più materiali che contribuiscono in modo differenti alla propagazione dell’eco .

Principio di base comune (pulse-echo)

Cos’è l’A-scan

L’A-scan è la rappresentazione nel dominio del tempo (o della distanza) dell’ampiezza del segnale ricevuto: asse orizzontale = tempo/avanzamento della componente ultrasonica; asse verticale = ampiezza dell’eco (tensione). È la “forma d’onda” grezza.

Cosa mostra e perché è utile

• Primo picco/eco: tipicamente il segnale d’interfaccia sonda-materiale (superficie).
• Eco successivo: tipicamente il segnale dal retroparatia (back wall) — da qui si calcola lo spessore.
• Echi intermedi: indicano discontinuità interne (inclusioni, corrosione parziale, delaminazioni).
• Forma dell’eco: fornisce informazioni su natura e geometria della discontinuità (eco netto e corto → bordo netto; eco largo/attenuato → diffusione/porosità).

Parametri e controlli tipici

• Gain: amplifica il segnale ricevuto. Usarlo per portare gli echi utili in una finestra visibile senza saturare.
• Time base / range: imposta l’estensione temporale visualizzata (es. 0–50 µs). Deve coprire il TOF previsto per il range di spessore.
• Trigger / threshold: livello di soglia per misurazioni automatiche (utile per discriminare rumore).
• Pulse width e bandwidth: impulsi più corti e banda più ampia migliorano la risoluzione assiale (capacità di separare due echi ravvicinati).
• TCG (Time-Corrected Gain) e DAC: funzioni per compensare l’attenuazione in funzione della distanza e per migliorare la ripetibilità delle misure su pareti spesse o attenuanti.
• Delay line / dead zone: alcuni trasduttori hanno una zona morta iniziale dovuta al tempo che la sonda impiega prima di poter ricevere; utile con pareti molto sottili usare trasduttori a delay line o ad alta frequenza.

Tipi di trasduttori e loro effetto

• Single-element: generano e ricevono con lo stesso elemento; buoni per misure generali.
• Dual-element (separati): uno per trasmissione, uno per ricezione, riducono la zona morta, utili per spessori sottili e superfici ruvide.
• Angolati / ad immersione / a linea di ritardo: usati per geometrie particolari, trasferimento su superfici curve, o per separare echi ravvicinati.

Artefatti e come interpretarli

• Echi multipli/reverberazioni: echi ripetuti dovuti a riflessioni tra superficie e retroparatia; distinguibili dal decremento regolare di ampiezza.
• Riverberazione interna (clutter): rumore diffuso che può mascherare echi deboli; usare filtri e ridurre gain.
• Eco laterale / backscattering: se la sonda non è ortogonale alla superficie, l’eco può essere attenuato o assente.
• Modalità di conversione (Shear/Longitudinal): presenza di onde di taglio se la sonda non è ben accoppiata o se si utilizzano angoli; riconoscere dalla diversa velocità di propagazione.

Buone pratiche operative (A-scan)

1. Tarare la velocità del suono per il materiale (es. acciaio ~5900 m/s ma varia con lega, temperatura).
2. Impostare range/time base coerente con il massimo spessore da misurare.
3. Usare A-scan per verificare la qualità dell’eco prima di affidarsi alla misura automatica: guardare la forma dell’eco, presenza di rumore, echi doppi.
4. Per superfici ruvide o rivestite, preferire sonde dual-elemento o pulire l’area.
5. Documentare l’A-scan per casi dubbiosi (aiuta l’analisi post-ispezione).

B-SCAN (Immagine a sezione)

Cos’è il B-scan

Il B-scan è una mappa bidimensionale costruita combinando molte A-scan successive lungo una linea o un’area. Asse orizzontale = posizione (spazio lungo lo spostamento della sonda), asse verticale = tempo/distanza (come l’A-scan). Il risultato è un’immagine che rappresenta le variazioni di spessore e le discontinuità lungo la traccia di scansione.

Tipologie e output

• Line scan (traccia singola): B-scan 2D lungo il percorso della sonda — utile per evidenziare profili di corrosione lungo una tubazione.
• C-scan (mappa di area): estende il B-scan su due dimensioni per ottenere una mappa planimetrica della parte ispezionata (la C-scan è spesso offerta come modalità avanzata su strumenti con encoder o scanner).
• Immagine grayscale o a falsi colori: l’ampiezza dell’eco o il tempo di arrivo vengono convertiti in intensità/colore per evidenziare feature.

Cosa permette di vedere

• Geometria della corrosione (pitting vs uniform thinning): nel B-scan un assottigliamento uniforme appare come una deviazione regolare della linea posteriore; un pitting appare come depressioni locali.
• Distribuzione spaziale delle discontinuità: aiuta a distinguere difetti puntuali da fenomeni estesi.
• Profili di scavo o saldature: la presenza di una saldatura modifica l’eco del back wall e quindi appare chiaramente.

Parametri e strumenti richiesti

• Encoder/posizionamento: il B-scan necessita di conoscere la posizione della sonda per ogni A-scan (encoder manuale o automatizzato).
• Velocità di acquisizione: deve essere sufficiente per avere densità di campionamento spaziale adeguata (es. ogni 1–5 mm a seconda del dettaglio richiesto).
• Software di post-processing: per filtri, correzione di tempo, analisi trend, e generazione di mappe colore.
• Calibrazione spaziale: conoscere la scala orizzontale per convertire pixel/posizione in mm.

Artefatti tipici e limitazioni

• Errore di posizionamento: senza encoder preciso le distorsioni spaziali possono falsare la mappa.
• Variabilità d’accoppiamento: variazione del gel o contatto può generare echi di ampiezza non omogenei che si manifestano come anomalie spurie.
• Risoluzione verticale limitata: dipende dalla frequenza/impulso; non sostituisce in tutti i casi l’analisi dettagliata A-scan per difetti molto piccoli.
• Curvature e geometrie complesse: richiedono correzione geometrica o sonde specifiche per non introdurre artefatti.

Buone pratiche operative (B-scan)

1. Usare encoder affidabili o marcatori di riferimento per garantire corretta scala spaziale.
2. Mantenere costante l’accoppiamento (striscia di gel omogenea o accoppiatori meccanici).
3. Campionamento spaziale adeguato: decidere passo in funzione della dimensione minima del difetto da individuare.
4. Effettuare scansioni incrociate (due direzioni) per confermare difetti localizzati.
5. Salvare sia A-scan che B-scan: A-scan aiuta a verificare l’origine degli echi visualizzati nel B-scan.

Confronto rapido e quando usare quale modalità

• A-scan: essenziale per diagnosi puntuale, calibrazione, verifica dettagliata dell’eco, misure su pareti sottili; fornisce la migliore informazione temporale/ampiezza.
• B-scan: essenziale per ispezioni lungo linee e per visualizzare la distribuzione spaziale della corrosione o dei difetti; ottimo per report visivi e per scegliere punti da approfondire con A-scan.
  Spesso le due modalità si usano congiuntamente: B-scan per mappare, A-scan per analisi dettagliata dei punti critici.

Parametri pratici consigliati (esempi)

• Acciaio al carbonio, spessore 2–50 mm: frequenza 2–5 MHz, single-element o dual-element per ≤3 mm, TCG attivato per >25 mm.
• Materiali plastici sottili, spessore <2 mm: 10–20 MHz, trasduttore ad alta frequenza, attenzione a dead zone.
• Compositi: scegliere velocità del suono appropriata (misurare un campione noto), preferire A-scan con gating e analisi eco multipla.
  Questi sono valori indicativi: verificare sempre con una calibrazione su standard di riferimento.

Troubleshooting rapido

• Nessun eco dal back wall → verificare accoppiamento, velocità del suono, angolazione della sonda, possibile foro o perdita del materiale.
• Eco molto attenuato → aumentare gain, usare TCG, considerare trasduttore a bassa frequenza (maggiore penetrazione).
• Più echi molto ravvicinati → usare impulso più corto/alta frequenza o trasduttore con delay line per separare echi (ridurre dead zone).
• Artefatti sporadici lungo il B-scan → controllare encoder e costanza dell’accoppiamento.

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 ad ultrasuoni è la tecnica NDT più diffusa per la misura dello spessore di pareti, tubi, serbatoi e strutture quando è disponibile l’accesso da un solo lato. Gli spessimetri DAKOTA NDT offrono una gamma completa per applicazioni dalla verifica di corrosione in campo alla misura di precisione in laboratorio, su metalli, plastiche, vetroresina, ceramica e compositi.

Le sonde trasduttori a doppio cristallo (dual element) sono ottimizzate per la misura di superfici corrose o ruvide, mentre i trasduttori single element garantiscono la massima precisione su materiali uniformi e a temperatura ambiente. La scelta della frequenza (da 1 MHz a 20 MHz) dipende dal materiale e dalla risoluzione richiesta.

Modelli e famiglie di prodotto DAKOTA NDT

Spessimetri portatili standard

La gamma di spessimetri portatili DAKOTA NDT copre le applicazioni industriali più comuni: misura su acciaio e leghe metalliche, plastica, vetroresina e compositi. I display numerici e grafici permettono la lettura diretta dello spessore e la visualizzazione della forma d’onda A-scan per la verifica della qualità del contatto e della presenza di laminazioni.

Misura in condizioni difficili

Per la misura di materiali con elevata attenuazione, superfici molto corrose o temperature elevate (fino a 500°C con sonde apposite), DAKOTA NDT offre modelli specializzati con algoritmi di misura adattivi e sonde ad alta temperatura. Applicazioni tipiche: tubazioni in esercizio, serbatoi di stoccaggio, strutture navali in fase di manutenzione.

Normative e applicazioni

Gli spessimetri DAKOTA NDT sono conformi alle procedure di ispezione secondo EN 14127, ASTM E797, ASME V art. 5. Le applicazioni principali includono: oil & gas (tubazioni e serbatoi), navale (scafi e strutture), power generation (caldaie e tubi), costruzioni metalliche (profili e lamiere).

Prodotti per la misura di spessore ad ultrasuoni