Misurazione a ultrasuoni: come funziona

Le onde sonore ad alta frequenza sono direzionali e passano attraverso un mezzo (come un pezzo di acciaio o plastica) finché non incontrano un confine con un altro mezzo (come l'aria), dove vengono poi riflesse verso la loro sorgente. Analizzando queste riflessioni, è possibile misurare lo spessore di un campione e trovare segni di crepe o altri difetti interni nascosti.

Esistono due metodi per ricevere la forma d'onda ultrasonica: la riflessione e l'attenuazione.

In modalità riflessione (o eco di impulso), il trasduttore esegue sia l'invio sia la ricezione di onde di impulso mentre il "suono" viene restituito al dispositivo. L'ultrasuono riflesso proviene da un'interfaccia, come la parete posteriore dell'oggetto, o da un'imperfezione dell'oggetto. Il dispositivo diagnostico visualizza questi risultati sotto forma di un segnale, la cui ampiezza rappresenta l'intensità della riflessione e la distanza, che indica il tempo di arrivo della riflessione.

In modalità di attenuazione (o trasmissione), un trasmettitore posto sul contenitore invia ultrasuoni attraverso una superficie, mentre un ricevitore separato rileva la quantità di ultrasuoni dispersi sull'altra superficie situata all'estremità opposta del contenitore. A seconda del suono ottenuto sul ricevitore, è possibilec determinare il contenuto e la sua quantità. L'uso di un accoppiatore aumenta l'efficienza del processo, riducendo le perdite di energia delle onde ultrasoniche dovute alla separazione tra le superfici.
Oltre a evitare il taglio di un prodotto in prova, e dunque anche l'esposizione a prodotti chimici o nocivi, la misura ultrasonica permette anche di prevenire pericoli sulla struttura che contiene il fondente.
 

Misurazione a ultrasuoni: lo spessimetro

Il principio di funzionamento di uno spessimetro ad ultrasuoni consiste nel misurare uno spessore senza danneggiare il contenuto. La misurazione ad ultrasuoni (UTM) può determinare lo spessore di un materiale solido.

L'utilizzo di uno spessimetro a ultrasuoni sulle navi e in mare aperto, per esempio, ha reso più sicuro il lavoro con materiali pericolosi. Uno spessimetro per acciaio misura parti e componenti.

 

Apparecchi di misura a ultrasuoni: tipologie

Nella produzione industriale, i principi di funzionamento del misuratore di spessore ad ultrasuoni vengono spesso utilizzati per prelevare campioni e misurare lo spessore degli oggetti. La misurazione del contatto meccanico viene utilizzata per garantire che la precisione e gli standard siano rispettati e seguiti. Il dispositivo misura in maniera assolutamente affidabile film plastici, fogli, membrane e altri materiali.
 

Spessimetro laser

Lo spessimetro laser è un dispositivo di misurazione dinamico contactless, utilizzato nella produzione meccanica per osservare la microgeometria delle macchine che vengono tagliate con laser utilizzando il principio di riflessione.
 

Spessimetro a raggi X

Le apparecchiature di misurazione dinamica senza contatto, come uno spessimetro a raggi X, possono misurare lo spessore di un materiale osservando le variazioni dell'intensità dei raggi X, attraverso lo spessore del materiale.
 

Spessimetro ad ultrasuoni

Il principio di funzionamento dello spessimetro ad ultrasuoni consiste nel fatto che gli impulsi vengono riflessi dalla sonda quando sono a contatto con il materiale di un oggetto attraverso la sua superficie. Una volta riflessi gli impulsi, è possibile misurare lo spessore.
 

Misuratori a ultrasuoni: componenti

La tecnica più comune per misurare lo spessore del rivestimento è l'induzione elettromagnetica. Viene utilizzato, in pratica, un calibro per misurare lo spessore del rivestimento, poi si posiziona una sonda sulla superficie dell'oggetto. La resistenza magnetica e l'induttanza della sonda variano a seconda della distanza tra la sonda e il materiale ferromagnetico, così come il comportamento del circuito magnetico varia con la distanza.
 

Procedure

Il circuito di trasmissione, il ricevitore, il display di conteggio e la tastiera sono il cuore dello spessimetro a ultrasuoni. Quando si considerano il principio e le procedure di funzionamento di questo strumento, la sonda e il motore principale sono i due componenti più importanti. Il calcolo dello spessore dell'indicatore a cristalli liquidi richiede di moltiplicare la velocità di propagazione di un'onda sonora per la metà del tempo necessario per attraversare l'oggetto.
Il valore dello spessore di un display a cristalli liquidi si basa sulla velocità di propagazione di un'onda sonora in un oggetto moltiplicata per la metà del tempo necessario per attraversarlo.
 

Misuratori a ultrasuoni: a cosa servono

Utilizzando lo spessimetro ad ultrasuoni, è possibile misurare praticamente qualsiasi materiale tecnico con un certo grado di precisione, inclusi metalli, ceramica, vetro, polimeri, compositi e polimeri.

Lo spessimetro consente anche di misurare strati o rivestimenti specifici in costruzioni con più strati, a seconda dei requisiti di misurazione. È possibile osservare, infine, campioni biologici e livelli di fluidi. Le misurazioni ad ultrasuoni non richiedono alcun taglio o sezionamento, perciò vengono definite non distruttive.

Esistono, però, anche materiali incompatibili con questa misurazione, tra i quali legno, carta, cemento e prodotti in schiuma. Questi materiali, infatti, mancano di permeabilità sufficiente alle onde sonore ad alta frequenza per consentire la misurazione ultrasonica.

 

Misuratori a ultrasuoni: come funzionano

L'energia sonora può essere generata utilizzando un'ampia gamma di bande di frequenza. A una frequenza massima di ventimila cicli al secondo, ad esempio, si può sentire un suono udibile (20 kilohertz). Un aumento della frequenza si traduce in un incremento del tono percepito, in maniera proporzionale.
In generale, i test dello spessimetro ad ultrasuoni vengono condotti tra 500 kHz e 20 kHz, mentre alcune apparecchiature specializzate possono funzionare a 50 kHz o 100 kHz.
Il tempo impiegato da un impulso sonoro per essere riflesso dalla parete interna o esterna di una provetta viene misurato da un trasduttore a ultrasuoni quando un impulso sonoro viene generato dal trasduttore e passa attraverso la provetta. Le onde sonore vengono riflesse dai bordi di materiali diversi, determinando una modalità pulse/echo per questo tipo di misurazione.
Un elemento piezoelettrico nel trasduttore genera uno scoppio di onde ultrasoniche quando viene applicato un impulso elettrico per un breve periodo. Quando le onde sonore colpiscono una parete posteriore o un altro confine mentre attraversano il materiale, vengono disaccoppiate e ritrasmesse all'esterno della sostanza. I trasduttori convertono l'energia sonora in energia elettrica quando l'energia sonora ritorna su di loro.

Il funzionamento è simile a quello di un dispositivo di ecolocalizzazione, che ascolta i suoni. Questo evento di solito dura pochi milionesimi di secondo, ossia un lasso d estremamente breve. Il misuratore, che utilizza un semplice calcolo matematico per determinare lo spessore, lo fa misurando la velocità di propagazione del suono nel materiale.

La velocità del suono del materiale è un parametro significativo, in questo calcolo. Le onde sonore più veloci, infatti, si propagano attraverso materiali più duri, mentre quelle più lente si propagano attraverso quelli più morbidi: la velocità, inoltre, varia drasticamente in base alla temperatura. Uno spessimetro ad ultrasuoni è accurato quanto la sua calibrazione alla velocità del suono del materiale, quindi la sua precisione è limitata alla velocità del suono del materiale.

 

Classificazione degli indicatori

Gli indicatori sono classificati in diverse categorie. Il principio di funzionamento di uno spessimetro ad ultrasuoni può variare a seconda della sua applicazione. La misurazione a ultrasuoni è fondamentale per misurare lo spessore di metalli infestati dalla corrosione come tubi, serbatoi, componenti strutturali e recipienti a pressione, che sono difficili da vedere dall'esterno della struttura.
Di conseguenza, i misuratori di corrosione impiegano tecniche di elaborazione del segnale specificamente adattate a questo tipo di misurazione. Per raggiungere questo obiettivo, vengono utilizzati trasduttori a doppio elemento.
Se si lavora con materiali diversi dal metallo, invece, vengono utilizzati solo calibri di precisione dotati di trasduttori a elemento singolo.
I misuratori di precisione possono misurare con una approssimazione di +/- 0,001″ (0,025 mm) o superiore, grazie all'ampia varietà di trasduttori disponibili, al contrario dei misuratori di corrosione, che possono misurare con una precisione di +/- 0,001″ (0,025 mm) (0,025 millimetri).

 

Misuratori a ultrasuoni: norme e standard

Gli spessimetri così come ogni altro dispositivo che circoli sui Paesi dell'Unione Europea deve essere in possesso della marcatura CE. A parte questo passaporto di circolazione, gli spessimetri a ultrasuoni, al pari di tutti gli altri strumenti di misurazione, devono essere accompagnati da certificato di taratura ISO. Si tratta di un documento che descrive le caratteristiche di misura di uno strumento, definite in relazione a una norma di riferimento. Ogni strumento, dunque, deve essere sottoposto a una calibrazione, che può dare tre risultati:

                     • Il dispositivo di misurazione è conforme alle specifiche della norma: viene consegnato con il suo certificato. 
                     • Il misuratore è fuori specifica: compatibilmente con la disponibilità di parti utilizzabili, viene ripristinata la conformità                          e, in seguito, emesso il certificato
                     • Il dispositivo di misurazione viene riformato. La messa in conformità non è più possibile, l'apparecchio viene restituito                         al cliente con la menzione dei difetti riscontrati e accompagnato per quanto possibile da un'offerta di prezzo di                                          scambio standard con apparecchiatura nuova.

Le due norme di riferimento d atenere in considerazione sono la ISO 9001 e la ISO 17025. La prima riguarda i sistemi di gestione della qualità, ovvero una serie di politiche, processi, procedure documentate e registrazioni. Questa serie di documenti definisce l'insieme di norme internazionali che regolano il modo in cui un' azienda crea e distribuisce i suoi prodotti o servizi ai clienti.

La seconda, invece, si riferisce a uno standard utilizzato per specificare i requisiti che devono essere soddisfatti dai laboratori interessati alla produzione di prodotti di alta qualità.