Spessimetro ad ultrasuoni
Lo spessimetro digitale ad ultrasuoni è certamente il miglior strumento per la misura di spessori quando sia accessibile una sola faccia del pezzo da misurare. Si tratta di uno strumento semplice, veloce e nella maggior parte di casi con un costo contenuto. Le varie tipologie di strumenti in commercio offrono una gamma di misura da 0 a 500mm a seconda della tipologia di sonda impiegata e si suddividono principalmente in 2 tipologie; la versione chiamata “corrosion” e la versione “precision”.
Corrosion
La prima versione ”corrosion” utilizza sonde doppie (sostanzialmente la sonda è divisa in due parti, una emette l’ultrasuono e l’altra lo riceve..lo possiamo tranquillamente notare osservando la base della sonda che presenta 2 mezze lune divise da una lamella). Generalmente la risoluzione di queste versioni oscilla tra 0,1 e 0,01 mm a seconda del modello scelto e consentono di misurare spessori da 0.65 mm a 300 mm in funzione della frequenza della sonda utilizzata. La precisione di questi strumenti è minore nei confronti dell’altra versione perché, durante la misurazione, si crea un cono che varia in proporzione allo spessore misurato e questo incide sul risultato finale che può essere limitato notevolmente attraverso una taratura preventiva vicina allo spessore del pezzo da testare. Questi strumenti vengono chiamati “Corrosion” perché il loro impiego principale è nella misurazione della corrosione di tubazioni, cisterne dove non ci sono sbalzi elevati di spessore, es. su una tubazione possiamo rilevare i 2 mm oppure i 10mm mantenendo una precisione di qualche centesimo, e difficilmente si passa a spessori di 100 mm sullo spesso particolare….Se questo accadesse l’errore dello strumento potrebbe arrivare anche ad alcuni decimi di mm oppure è consigliabile effettuare una calibrazione sullo spessore più elevato e aumentare così la precisione.
Precision
La seconda versione “Precision” utilizza sonde singole (emettono e ricevono l’ultrasuono nello stesso punto) e consentono una elevata precisione nella lettura specialmente nei bassi spessori fino a 0.2/0.3 mm dove si ha una risoluzione che arriva fino a 0.001 mm. Questi modelli sono particolarmente adatti dove si ha la necessità di rilevare spessori con estrema precisione come fosse un micrometro, perciò possono essere impiegati, oltre al normale controllo di tubi e lamiere, nel controllo qualità e in ogni situazione dove non ci sia accesso alla misurazione con strumenti meccanici Gli spessimetri ad ultrasuoni si compongono in due parti:
- L’apparecchio di lettura, che comprende la parte elettronica per l’elaborazione della misura e di visualizzazione.
- Il rasduttore ultrasonico, una testina che contiene almeno un cristallo piezoelettrico per la generazione e la lettura degli ultrasuoni.
Accorgimenti nell'utilizzo
Un aspetto critico nell'utilizzo dello spessimetro ad ultrasuoni è la definizione della velocità del suono del materiale del pezzo da misurare. Infatti ogni materiale ha una sua specifica velocità di propagazione del suono (per i metalli può variare tra 1500-6000 m/sec). Errori nella definizione di questa velocità, si ripercuotono direttamente nella precisione della misura. Esistono due modi per utilizzare lo strumento:
- Conoscere a priori la velocità di propagazione del suono (certificata da chi fornisce il materiale). In tal caso è sufficiente settare correttamente lo strumento.
- Calibrare lo strumento sullo stesso pezzo da misurare. Infatti, avendo a disposizione un bordo libero sul pezzo, è possibile regolare lo strumento su di esso, avendo preventivamente eseguito la misura con uno strumento tradizionale (es. un micrometro).
Un altro aspetto critico nell'utilizzo dello spessimetro ad ultrasuoni consiste nella possibilità di effettuare letture corrette solo su spessori omogenei; la presenza di strati di materiale differente, intercapedini o soffiature, generano falsi echi e creano errori di lettura.
Conoscere gli ultrasuoni
L’energia meccanica può trasmettersi attraverso qualunque mezzo sotto forma di onde elastiche, caratterizzate dall’ampiezza e dalla frequenza. Le frequenze comprese tra 10 Hz e 16000/20000 Hz sono percepibili dal nostro orecchio e prendono il nome di suoni, mentre le frequenze superiori, che arrivano sino a migliaia di MHz, per noi impercettibili, sono genericamente dette ultrasuoni. Gli ultrasuoni di frequenza compresa tra 0,5 MHz e 20 MHz possono essere ottenuti e rivelati facilmente utilizzando trasduttori piezoelettrici, sono altamente direzionali e si trasmettono con bassa attenuazione attraverso molti metri di materiale, per cui hanno trovato vasto impiego nella misura dello spessore, nella ricerca di difetti e nella caratterizzazione dei materiali.
Come funziona
Il cuore dello strumento è la sonda, il piccolo oggetto che viene posto a contatto del pezzo da misurare. La parte attiva della sonda è il cristallo, una sottile lamina di materiale piezoelettrico alla quale viene applicato, tramite gli elettrodi metallici applicati su due facce parallele, un breve impulso elettrico detto segnale di eccitazione (ampiezza 100 ÷ 600 V, durata: alcuni nanosecondi). Per effetto della tensione il cristallo si deforma e torna alla forma originale oscillando ad alta frequenza (2 ÷ 4 MHz). Le deformazioni si trasmettono nel pezzo attraverso il blocco di accoppiamento come onde elastiche di pari frequenza (ultrasuoni) e si propagano in linea retta nel materiale finché non incontrano la faccia opposta. Quando il fronte di onde elastiche raggiunge la faccia opposta del pezzo incontra un’interfaccia tra due materiali a diversa impedenza acustica e gran parte di esse viene riflessa. Le onde elastiche riflesse rientrano in parte nella sonda e provocano una serie di deformazioni del cristallo. L’effetto piezoelettrico è reversibile, pertanto le deformazioni generano una tensione elettrica sulle facce opposte del cristallo detto segnale di ritorno (0,1÷ 0,5 mV). All’interno dello strumento vero e proprio è posto (oltre al circuito di eccitazione e all’amplificatore del segnale di ritorno) un circuito per il conteggio del tempo intercorso tra l’emissione della tensione di eccitazione e la ricezione del segnale di ritorno. Poiché la velocità di propagazione delle onde elastiche in ogni materiale è nota e costante, è facile risalire dall’intervallo di tempo allo spessore del pezzo.
Come si usa
L’impiego degli spessimetri ad ultrasuoni, soprattutto di quelli più recenti, è semplicissimo. Se si debbono misurare spessori di acciaio è sufficiente accendere l’apparecchio, attendere che esso compia la procedura di autocalibrazione, poggiare la sonda sul pezzo interponendo un velo di opportuno fluido di accoppiamento e leggere lo spessore sul display, però ci sono alcuni particolari di cui tener conto.
Accoppiamento pezzo-sonda
Perché la misura sia corretta è necessario che la sonda poggi perfettamente sulla superficie del pezzo. Se questa è sporca va pulita, se è molto rugosa o coperta di ossidi va levigata, anche con una mola a smeriglio. In ogni caso va interposto un velo di olio o gel per ultrasuoni tra sonda e superficie di contatto.
Influenza della vernice
Se la vernice è compatta e aderente è possibile poggiare direttamente la sonda sulla superficie verniciata, ma per misure accurate è necessario tener conto del suo spessore. La velocità di trasmissione delle vernici è circa 1500 m/s, circa ¼ della velocità dell’acciaio, per cui 50 micron di vernice simulano all’incirca 0,2 mm di acciaio.
Misure
Nel caso di strutture multistrato bisogna ricordare che lo strumento dà soltanto lo spessore della lamiera con cui è contatto, nel caso in cui ci fossero più lamiere sovrapposte, si misurerebbe soltanto la prima. Nel caso di misurazione di uno spessore composto da più metalli di diversa compattezza, la misurazione risulterebbe falsata e quindi non attuabile. Quando si misurano oggetti cilindrici di piccolo diametro la curvatura della superficie può avere effetti focalizzanti sul fascio di ultrasuoni ed alterare la misura. Occorre verificare sulla scheda tecnica della sonda i suoi limiti di impiego .È evidente che per eseguire misure con lo spessimetro a ultrasuoni è sufficiente l’accesso ad una sola faccia del pezzo, ma almeno una faccia deve essere accessibile. Le strutture interrate o semi interrate non possono essere misurate direttamente.
