metodo di misura dello spessore ad ultrasuoni

ARROWELD - Ultrasuoni
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. Esso è di facile impiego, di basso costo e di elevata
precisione, con un campo di misura che va da 1 a 500 mm a seconda della tipologia di sonda impiegata ed è
quindi diventato un importante strumento per la valutazione della corrosione sui materiali ferrosi.
Questo tipo di spessimetro è particolarmente utile:
o quando si deve misurare lo spessore in punti distanti dal bordo del pezzo;
o quando vi è la necessità di misurare lo spessore in punti dove non è possibile accedere a tutte e
due superfici esterne del pezzo.
Gli spessimetri ad ultrasuoni si compongono in due parti:
o apparecchiatura di lettura, che comprende almeno
o il generatore di ultrasuoni;
o il condizionatore di segnale per il trasduttore;
o l'elaboratore della misura;
o trasduttore 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.
Ci sono così due maniere 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 è che si possono 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 e16000 ¸ 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).
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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 intercorrente 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.
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