Teoria del funzionamento
Siamo circondati da onde sonore consistenti in vibrazioni meccaniche veicolate da un mezzo come aria o acqua. I controlli a ultrasuoni interessano frequenze che superano il limite massimo percepibile dall'udito umano. Tali frequenze sono superiori a 20 KHz e in genere comprese tra 500 KHz e 20 MHz, sebbene siano usate anche frequenze superiori e inferiori. L'esatta frequenza di misura sarà scelta in rapporto alla specifica applicazione da gestire. Il funzionamento di tutti i misuratori di spessore a ultrasuoni si traduce nella misura molto precisa del tempo necessario a un impulso ultrasonoro generato da una sonda (trasduttore a ultrasuoni) a attraversare una componente da ispezionare. Le onde ultrasonore saranno riflesse dai limiti presenti tra materiali eterogenei (es: aria o liquido all'interno della parete di una tubazione in acciaio), così da poter eseguire questa misura da un lato in modalità "impulso-eco".
Il trasduttore contiene un elemento piezoelettrico il quale viene eccitato da un breve impulso elettrico per generare una sequenza di onde ultrasonore. Le onde ultrasonore entrano nella componente da misurare e la attraversano fino al lato inferiore o a un'altra interfaccia. Le riflessioni che ritornano al trasduttore, il quale converte l'energia sonora in energia elettrica. Sostanzialmente il misuratore acquisisce l'eco dal lato inferiore. In genere questo intervallo di tempo corrisponde solamente a pochi milionesimi di secondo. Il misuratore è programmato con la velocità di propagazione dell'onda ultrasonora nel materiale da misurare, attraverso la quale è possibile calcolare lo spessore mediante la semplice formula matematica:
T = (V) x (t/2)
dove
T = Lo spessore della componente
V = La velocità di propagazione dell'onda ultrasonora nel materiale da misurare
t = Il tempo di transito in andata e ritorno misurato
In alcuni casi viene sottratto un offset dello zero per tenere in considerazione dei ritardi fissi nello strumento e nei percorsi ultrasonori.
È importante evidenziare che la velocità di propagazione dell'onda ultrasonora nel materiale rappresenta una parte fondamentale di questo calcolo. La velocità delle onde ultrasonore varia in funzione del materiale: in genere più veloci nei materiali duri e più lente in materiali morbidi. Inoltre la velocità di propagazione dell'onda ultrasonora può variare significativamente con la temperatura. Pertanto è sempre necessario tarare un misuratore di spessori a ultrasuoni in base alla velocità di propagazione dell'onda ultrasonora nel materiale da misurare. La precisione sarà commisurata alla qualità della taratura. La taratura sarà in genere effettuata mediante un campione di riferimento di spessore conosciuto con precisione. Nel caso di misure a alta temperatura è inoltre necessario tenere in considerazione che la velocità di propagazione dell'onda ultrasonora cambia con la temperatura. Pertanto per assicurare una precisione ottimale, il campione di riferimento dovrebbe avere la stessa temperatura della componente da misurare.
Le frequenze maggiori hanno una lunghezza d'onda associata più breve, consentendo la misura di componenti più sottili. Frequenze minori con lunghezze d'onda maggiori riescono a penetrare più in profondità e sono usate per misurare componenti molto spesse o materiali (es: fibre di vetro e ghisa a elevata granulosità) che trasmettono onde ultrasonore con un'efficienza inferiore. La scelta di una frequenza di misura ottimale spesso riguarda la necessità di bilanciare le esigenze di risoluzione con quelle di penetrazione. Nell'intervallo di frequenza a ultrasuoni le onde ultrasonore sono altamente direzionali e, sebbene si trasmettano liberamente in materiali come metalli, plastiche e ceramiche, vengono riflesse dalle interfacce materiale-aria (es: parete interna o cricca).
Le onde ultrasonore nell'ambito dei megahertz non si trasmettono efficientemente attraverso l'aria, pertanto viene applicata una piccola quantità di liquido di accoppiante tra il trasduttore e la componente da misurare al fine di assicurare un'ottimale trasmissione delle onde ultrasonore. Gli accoppianti usati comunemente sono: glicerina, glicole propilenico, acqua, olio e gel. È necessaria solo una piccola quantità, sufficiente da riempire il sottilissimo volume d'aria che altrimenti sarebbe presente tra il trasduttore e il target.
Un diagramma a blocchi di un comune misuratore di spessore a ultrasuoni viene illustrato di seguito. Il pulsatore controllato dal microprocessore trasmette un impulso di corrente al trasduttore il quale genera le onde ultrasonore in uscita. Il trasduttore riceve gli echi dalla componente ispezionata e li converte in segnali elettrici che sono inviati a loro volta all'amplificatore del ricevitore e in seguito vengono digitalizzati. Mediante la logica di comando e di temporizzazione mediante microprocessore viene sincronizzato il pulsatore, selezionando gli echi idonei da usare per la misura dell'intervallo di tempo.
Se sono rilevati gli echi, il circuito di temporizzazione permetterà di misurare con precisione un intervallo di tempo in una delle modalità trattate nella Sezione 3 e, in seguito, ripeterà lo stesso processo alcune volte per ottenere una misura media. In seguito il microprocessore utilizzerà questa misura di intervallo di tempo insieme ai programmati valori di offset dello zero e della velocità di propagazione dell'onda utrasonora per calcolare lo spessore. Infine lo spessore viene visualizzato e aggiornato a una frequenza determinata.
