Modalità di misura dei trasduttori a singolo elemento
Modalità di funzionamento dei misuratori di spessori a ultrasuoni
Sia nel caso che si voglia apprendere gli elementi di base dei misuratori di spessore a ultrasuoni, sia che si desideri acquisire una conoscenza più approfondita di questi strumenti, questa guida tratta i dettagli tecnici, le modalità di misura e gli aspetti principali. I misuratori di spessore a ultrasuoni possono essere usati per misurare diversi materiali, in modo da comprenderne la modalità di funzionamento e il modo con cui possono contribuire alla realizzazione di misure più precise e efficienti.
Modalità di misura degli spessori da parte dei misuratori di spessori
I misuratori di spessore si avvalgono dei principi di fisica delle onde ultrasonore per misurare lo spessore di una componente da misurare. Effettuano questa operazione analizzando lo schema con cui delle vibrazioni meccaniche organizzate si trasmettono attraverso i metalli, le plastiche e altri materiali industriali, acquisendo in seguito il tempo che intercorre dalla trasmissione di un impulso ultrasonoro attraverso la componente da misurare alla riflessione da parte di una superficie interna o del lato inferiore. In genere il tempo intercorso è direttamente proporzionale allo spessore della componente. Questi strumenti a ultrasuoni impiegano delle frequenze di energia ultrasonora che risultano molto più elevate rispetto a quelle udibili dall'uomo. In genere i suoni udibili hanno una frequenza approssimativa di 20 KHz, tuttavia i misuratori di spessore a ultrasuoni funzionano con frequenze che possono arrivare a valori di 500 KHz o perfino valori superiori.
I trasduttori che trasmettono gli impulsi ultrasonori contengono degli elementi piezoelettrici che sono eccitati da brevi impulsi elettrici. Questi generano delle onde ultrasonore che passano attraverso la componente da misurare e vengono riflesse dal trasduttore. Una volta riflesso, l'impulso ultrasonoro viene convertito in energia ultrasonora. Il misuratore utilizza l'energia ultrasonora per calcolare lo spessore in base alla seguente equazione:
T = (V) x (t/2)
T = Lo spessore della componente
V = La velocità di propagazione dell'onda sonora nel materiale da misurare
t = Il tempo di transito in andata e ritorno misurato
Modalità di misura
Trasduttore a singolo elemento: Modalità 1, Modalità 2 e Modalità 3
Una volta che è stato generato un impulso ultrasonoro e gli echi sono stati ricevuti l'intervallo di tempo può essere misurato in diversi modi. La Modalità 1, la Modalità 2 e la Modalità 3 sono i tre comuni metodi di misura dell'intervallo di tempo che rappresenta il percorso dell'onda ultrasonora attraverso la componente da misurare quando si utilizzano i comuni trasduttori a contatto, a linea di ritardo e a immersione. In genere il tipo di trasduttore e le esigenze applicative determinano quale modalità scegliere.
La Modalità 1 è l'approccio più comune. Misura l'intervallo di tempo tra l'impulso di eccitazione che genera l'onda ultrasonora e la prima eco di ritorno. In seguito sottrae un ridotto valore dell'offset dello zero per la compensazione dei ritardi dello strumento fisso, del cavo e della soletta anti-usura del trasduttore.
La Modalità 1 rappresenta la modalità di misura standard quando si utilizzano i trasduttori a contatto. Il suo vantaggio principale è rappresentato dalla capacità di misura dello spessore più elevato. Visto che per questa modalità è necessaria una singola eco di fondo, assicura anche la migliore capacità di penetrazione in materiali di difficile gestione come la ghisa, le plastiche a bassa densità e la gomma. Gli svantaggi della Modalità 1 sono riconducibili al fatto che lo spessore misurabile minimo sarà superiore rispetto alle altre modalità e la precisione sarà leggermente inferiore a causa delle variazioni di accoppiamento. Inoltre, i trasduttori a contatto associati alla Modalità 1 possono essere utilizzati su componenti con una temperatura superficiale inferiore a 50° C o 125° F, pertanto è impossibile effettuare misure con alte temperature.
La Modalità 2 presuppone la misura dell'intervallo di tempo tra il ritorno dell'eco d'interfaccia dalla superficie prossima della componente da misurare e la prima eco di fondo, rappresentando un percorso in andata e ritorno nella componente da misurare. Questa modalità in genere richiede l'utilizzo di trasduttori a linea di ritardo o ad immersione.
La Modalità 2 viene spesso utilizzata per:
- Ottimizzare la risoluzione in prossimità della superficie in plastiche e materiali compositi
- Eseguire misure a alte temperature con trasduttori a linea di ritardo a alta temperatura
- Acquisire misure su raggi stretti mediante trasduttori a immersione focalizzati e trasduttori a linea di ritardo focalizzata o curva
- Eseguire misure in linea di produzione di componenti in movimento mediante trasduttori a immersione
Il principale svantaggio delle misure in Modalità 2 è rappresentato dal fatto che lo spessore massimo è limitato dalla lunghezza della linea di ritardo.
La Modalità 3 presuppone la misura dell'intervallo di tempo tra due echi di fondo successivi, rappresentando un percorso in andata e ritorno nella componente da ispezionare, utilizzando i trasduttori a linea di ritardo o a immersione.
La Modalità 3 in genere offre una maggiore precisione di misura e una migliore risoluzione dello spessore minimo, sebbene la misura dello spessore massimo sia limitata. Questa modalità richiede due o più echi di fondo multipli e chiari che in genere ne limitano l'impiego con materiali a relativamente bassa attenuazione e alta impedenza acustica come metallo a granulosità fine, ceramica e vetro. Le misure possono essere realizzate a alte temperature con delle idonee linee di ritardo per alte temperature. La Modalità 3 inoltre offre il vantaggio di poter sottrarre i sottili rivestimenti non-metallici (es: vernice) dalla misura di spessore dei metalli rivestiti.
Trasduttori a doppio elemento
I trasduttori a doppio elemento integrano degli elementi trasmittenti e riceventi separati che sono installati su linee di ritardo. Queste fungono da guida onda, per orientare il fascio ultrasonoro in modo che segua un percorso ultrasonoro a forma di V, e da isolanti termici, per proteggere l'elemento attivo durante le misure a alta temperatura. La definizione dell'intervallo di tempo dell'eco viene spesso eseguita in Modalità 1 con un ampio offset dello zero, da sottrarre al tempo di transito dell'impulso per le linee di ritardo, e con una correzione trigonometrica per la compensazione del percorso ultrasonoro a forma di V nella componente da misurare.
Considerazioni sulla misura con misuratori di spessori a ultrasuoni
Quando si effettuano delle misure attraverso dei misuratori di spessori a ultrasuoni, si devono considerare numerosi fattori esterni per assicurare delle condizioni di precisione e sicurezza. Per maggior informazioni, consultare le seguenti pagine per una panoramica sui fattori che influenzano le condizioni di ispezione e di controllo a ultrasuoni:
