Spessimetri ad ultrasuoni Applicazioni tipiche

Misura dello spessore di pareti di tubi anche verniciati

Misura dello spessore di carpenteria metallica e serbatoi

Misura dello spessore di contenitori in vetro e polipropilene

Misura dello spessore di stratificazioni multiple di materiali

Misura dello spessore tubi e carpenteria pesante

Misura dello spessore in applicazioni subacquee

Misura dello spessore manufatti in materiali sintetici anche di piccole dimensioni

Introduzione


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.


RODER propone tre differenti gamme di strumenti  :


- Spessimetri ad ultrasuoni con display numerico ( adatti per applicazioni di misura di spessore e controllo della corrosione)

- Spessimetri ad ultrasuoni con display grafico ( con funzioni A-scan / B-scan e visualizzazione grafica della forma d’onda dell’ultrasuono e dei relativi echi  )

- Spessimetri per applicazioni subacque

 


Principio di funzionamento


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.


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 ).


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)  .


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 strumenti 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 strumenti 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 strumenti di misura 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, pertanto quando è necessario misurare campioni con una temperatura elevata, fino a un massimo di 350 °C, andranno utilizzate sonde concepite specificatamente per rilevamenti 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


Tutti i trasduttori che sono comunemente utilizzati con spessimetri  ad ultrasuoni incorporano un elemento ceramico risonante e differiscono per il modo in cui questo traduttore è accoppiato al materiale sottoposto a prova.


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 .




Approfondimenti

Spessimetri ad ultrasuoni con display numerico

Spessimetri ad ultrasuoni con display grafico

Spessimetri ad ultrasuoni per uso subacqueo



Prodotti

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Uso avanzato delle tecnologie di misura ed analisi con ultrasuoni


Alcuni tipi di strumenti di misura ad ultrasuoni, in particolare quelli dotati di display grafico , sono in grado di effettuare analisi dettagliate della  forma d’onda dell’ultrasuono ricevuto e quindi consentono un maggior controllo dei parametri coinvolti nella misura di spessore con ultrasuoni ( amplificazione, gain, threshold ).

Riportiamo qui sotto I dettagli di alcune rappresentazioni grafiche e numeriche dei dati ottenuti da uno strumento con caratteristiche avanzate di analisi dell’ultrasuono ricevuto.



A-SCAN - Modalità RF


La modalità RF visualizza la forma d'onda in modo simile ad uno oscilloscopio. Visualizza sia i picchi positivi che quelli negativi. Il picco (sia positivo che negativo) selezionato per la misura viene visualizzato nella parte superiore del display. Questa è la modalità preferita per la misura precisa di oggetti sottili utilizzando un trasduttore a matita. E' importante notare che la misura deve rientrare all'interno del display visibile in modo da poter vedere la forma d'onda. Tuttavia, anche se la forma d'onda è fuori dal display visibile, può comunque essere effettuata una misura e vista nella modalità digitale. Se l'onda è fuori dal display è possibile cambiare il range manualmente regolando i valori di ritardo e larghezza oppure utilizzare la caratteristica Auto Find posta nel menu UTIL.

La seguente è una lista delle caratteristiche visibili sul display :

A) Stabilità dell'indicatore di lettura : indica la stabilità dell'eco di ritorno su una scala da 1 a 6 – la barra visualizzata nell'immagine sopra riportata indica il segnale di ripetibilità. Se lo strumento sta visualizzando una lettura dalla memoria l'indicatore di ripetibilità verrà sostituito dal testo MEM

B) Indicatore del livello di batteria : il simbolo della batteria tutto colorato vuol dire che la batteria è completamente carica. Nota : nell'immagine sopra riportata la batteria è al 50%

C) Lettura dello spessore : lettura digitale dello spessore (in pollici o millimetri)

D) Indicatore di rilevamento : la linea tratteggiata verticale visualizza il punto di rilevamento del passaggio dello zero sulla forma d'onda dove la misura è stata ottenuta.  Notare che la lettura digitale dello spessore è la stessa della location dell'indicatore di rilevamento secondo i valori F riportati nell'immagine

E) Segnale Echo :Rappresentazione grafica della forma d'onda dell'eco disegnato sull'asse Y con riferimento all'ampiezza e sull'asse X con riferimento al tempo.


F) Etichette di Misura : Le etichette di misura sono calcolate in base al delay impostato ( lato sinistro dello schermo ) ed in base al parametro Width impostato ( valore di larghezza per ogni tacca di riferimento)


G) Unità di misura :  Visualizza l'attuale unità di misura .


H) Hot Menu : Ogni locazione visualizzata sotto la forma d'onda prende il nome di “hot menu” . Queste locazioni consentono una visualizzazione veloce di tutti i parametri significativi dello strumento.


A-SCAN - Modalità Rectified

La modalità A-Scan rettificata visualizza metà forma d'onda. Vengono visualizzati sia i picchi positivi che quelli negativi in base alla polarità selezionata. Questa è la visione del display migliore per le applicazioni di rilevamento degli errori. E' importante notare che la misura deve rientrare all'interno del display visibile in modo da poter vedere la forma d'onda. Tuttavia, anche se la forma d'onda è fuori dal display visibile, può comunque essere effettuata una misura e vista nella modalità digitale. Se l'onda è fuori dal display è possibile cambiare il range manualmente regolando i valori di ritardo e larghezza oppure utilizzare la caratteristica Auto Find posta nel menu UTIL.

La seguente è una lista delle caratteristiche visibili sul display :

A)
Stabilità dell'indicatore di lettura : indica la stabilità dell'eco di ritorno su una scala da 1 a 6 – la barra  visualizzata nell'immagine sopra riportata indica il segnale di ripetibilità. Se il PVX sta visualizzando una lettura dalla memoria l'indicatore di ripetibilità verrà sostituito dal testo MEM

B)
Indicatore del livello di batteria : il simbolo della batteria tutto colorato vuol dire che la batteria è completamente carica. Nota : nell'immagine sopra riportata la batteria è al 50%

C)
Lettura dello spessore : lettura digitale dello spessore (in pollici o millimetri)

D)
Indicatore di rilevamento : la linea tratteggiata verticale visualizza il punto di rilevamento del passaggio dello zero sulla forma d'onda dove la misura è stata ottenuta.  Notare che la lettura digitale dello spessore è la stessa della location dell'indicatore di rilevamento secondo i valori F riportati nell'immagine

E)
Segnale Echo :Rappresentazione grafica della forma d'onda dell'eco disegnato sull'asse Y con riferimento all'ampiezza e sull'asse X con riferimento al tempo.


F) Etichette di Misura : Le etichette di misura sono calcolate in base al delay impostato ( lato sinistro dello schermo ) ed in base al parametro Width impostato ( valore di larghezza per ogni tacca di riferimento)


G) Unità di misura :  Visualizza l'attuale unità di misura .


H) Hot Menu : Ogni locazione visualizzata sotto la forma d'onda prende il nome di “hot menu” . Queste locazioni consentono una visualizzazione veloce di tutti i parametri significativi dello strumento.




B-SCAN


La modalità B-Scan visualizza una visione trasversale della sezione del materiale da misurare. Questa visione viene comunemente usata per visualizzare il contorno inferiore o cieco della superficie del materiale. E' molto simile al fish finder. Se un difetto viene localizzato durante una scansione il B-Scan disegnerà il difetto nello schermo. Il rettangolo (E) rappresenta la sezione trasversale del materiale. Si noterà che lo spessore complessivo del materiale sarà .500” e il range del display da 0.00” a 1.00” rispettivamente. Le immagini si visualizzano ad un ritmo di 15 secondi per schermo da destra a sinistra- Notare anche che nel punto J lo spessore ha un improvviso calo.

E' importante impostare il range di misura sul display in modo ampio in modo che lo spessore massimo del materiale possa vedersi.

La seguente è una lista delle caratteristiche visibili sul display :

A) Stabilità dell'indicatore di lettura : indica la stabilità dell'eco di ritorno su una scala da 1 a 6 – la barra  visualizzata nell'immagine sopra riportata indica il segnale di ripetibilità. Se il PVX sta visualizzando una lettura dalla memoria l'indicatore di ripetibilità verrà sostituito dal testo MEM

B) Indicatore del livello di batteria : il simbolo della batteria tutto colorato vuol dire che la batteria è completamente carica. Nota : nell'immagine sopra riportata la batteria è al 50%

C) Lettura dello spessore : lettura digitale dello spessore (in pollici o millimetri)

D) Area di visualizzazione B-SCAN : Questa è l'area dove viene visualizzata la scansione B-scan


E) Grafico B-scan : Area di visualizzaizone del grafico B-scan La scansione B-scan viene visualizzata da destra verso sinistra con un ritmo di 15 secondi per scansione.


F) Etichette di Misura : Le etichette di misura sono calcolate in base al delay impostato ( lato sinistro dello schermo ) ed in base al parametro Width impostato ( valore di larghezza per ogni tacca di riferimento)


G) Unità di misura :  Visualizza l'attuale unità di misura .


H) Hot Menu : Ogni locazione visualizzata sotto la forma d'onda prende il nome di “hot menu” . Queste locazioni consentono una visualizzazione veloce di tutti i parametri significativi dello strumento.


 I) Scan Bar : La barra di scansione rappresenta graficamente il valore di spessore misurato e rappresentato nel grafico B-scan E' molto utile per la ricerca di difetti con scansioni dirette sul materiale.

J) Contorno: La visualizzazione B-scan consente di vedere il profilo del materiale dal lato opposto a quello di misura.

DIGITS


La visualizzazione DIGIT consente di visualizzare il valore di spessore attuale utilizzando caratteri grandi e facilmente visibili. La barra di scansione è stata aggiunta per consentire all'operatore di rilevare difetti e irregolarità durante le operazioni di scansione.


Questa è la lista delle caratteristiche del display in funzione digits.


A) Stabilità dell'indicatore di lettura : indica la stabilità dell'eco di ritorno su una scala da 1 a 6 – la barra  visualizzata nell'immagine sopra riportata indica il segnale di ripetibilità. Se il PVX sta visualizzando una lettura dalla memoria l'indicatore di ripetibilità verrà sostituito dal testo MEM

B) Indicatore del livello di batteria : il simbolo della batteria tutto colorato vuol dire che la batteria è completamente carica. Nota : nell'immagine sopra riportata la batteria è al 50%

C) Lettura dello spessore : lettura digitale dello spessore (in pollici o millimetri)

D) Area di visualizzazione DIGITS : Questa è l'area dove viene visualizzato lo spessore


F) Etichette di Misura : Le etichette di misura sono calcolate in base al delay impostato ( lato sinistro dello schermo ) ed in base al parametro Width impostato ( valore di larghezza per ogni tacca di riferimento)


G) Barra di scansione :  La barra di scansione corrisponde direttamente al valore di spessore. Questa schermata è molto utilizzata per la scansione del materiale con la funzione B-SCAN. E' molto semplice osservare la presenza di difetti utilizzando la barra di scansione.


H) Hot Menu : Ogni locazione visualizzata sotto la forma d'onda prende il nome di “hot menu” . Queste locazioni consentono una visualizzazione veloce di tutti i parametri significativi dello strumento.


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