Spessimetri - misurare lo spessore di rivestimentri e strati

Guida alla misurazione di spessori: Spessimetri ad ultrasuoni

Breve Storia

Lo Spessimetro a Ultrasuoni è uno strumento comunemente usato per rilevare lo spessore dei materiali conduttori di ultrasuoni in maniera non distruttiva. La creazione del primo strumento del genere risale al 1967, grazie alla brillante intuizione dell’ingegnere polacco Sobek, che al fine di individuare lo spessore di un materiale noto, utilizzò come parametro la velocità di propagazione del suono nel succitato campione.

Gli attuali Spessimetri ad Ultrasuoni, pur essendosi evoluti rispetto al loro predecessore, continuano a sfruttare il medesimo principio fisico e riescono a raggiungere precisioni nell’ordine del centesimo di millimetro, mentre quelli ancor più evoluti possono “Dialogare” con i Personal Computer e discriminare rivestimenti sovrastanti grazie a funzioni che sfruttano altri principi fisici.

Principi di funzionamento

Il principio di funzionamento di questo tipo di spessimetro è lo stesso del SONAR: viene emesso un impulso sonoro ultrasonico e si rileva il ritardo dell'eco di ritorno; conoscendo la velocità del suono nel mezzo, si può calcolare la distanza dalla superficie che ha riflesso l'impulso sonoro. Nel caso specifico lo spessimetro rileva l'eco di ritorno generata dalla superficie opposta rispetto a dove è stato posizionato il trasduttore ultrasonico.
Gli strumenti basati sul prototipo dell’Ing. Sobek determinano lo spessore di un campione tramite un’accurata misurazione del tempo impiegato da un impulso ultrasonico, generato da un trasduttore, ad attraversare lo spessore di un materiale e ritornare alla sua fonte. Il percorso di andata e ritorno dell’onda sonora viene diviso a metà e poi moltiplicato per la velocità di propagazione del suono in riferimento a quel particolare materiale.

Ambiti di utilizzo e principali applicazioni

Questo tipo di spessimetro è particolarmente utile:
- quando si deve misurare lo spessore in punti distanti dal bordo del pezzo;
- 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 Ultrasonici possono essere usati in tutto e per tutto come un normale calibro, con la differenza di poter operare in maniera non distruttiva anche su superfici problematiche come scatolati, tubature o al centro di grosse lamiere, semplificando e velocizzando notevolmente il lavoro nelle officine meccaniche, nei laboratori e nell’ambito del controllo di qualità in una qualsiasi linea di produzione.

Una delle principali applicazioni di questo genere di strumentazione è quella di poter verificare lo stato di usura o corrosione di elementi dei quali si può accedere a un solo lato o di difficile raggiungimento, tutto ciò senza necessità di smontare, distruggere o portare in altra sede le parti oggetto dell’indagine.

Spessimetri per Materiali

Questi strumenti consentono di effettuare misure di spessori, corrosioni, sdoppiature materiali e lamiere da 0.13 a 500mm ad altissima risoluzione e semplicità d'uso. Con una sola mano, senza dover danneggiare il particolare misurato, è sufficiente appoggiare la sonda su un lato del pezzo da controllare per leggerne lo spessore, leggeri ed ergonomici consentono controlli in qulasiasi zona di difficile accesso ed in qualsiasi condizione.
Indispensabili nei controlli qualità, accettazioni materiali, manutenzione impianti nelle varie industrie.

Spessimetri per Rivestimenti

Spessimetri per rivestimenti portatili completamente automatici, in grado di misurare ogni tipo di rivestimento (verniciatura, zincatura, anodizzazione, plastificazione, cromatura ecc.) sia su supporti di materiale ferroso che non ferroso.
Trovano una particolare collocazione in svariati settori, tra cui principalmente nelle verniciature industriali e galvaniche.

I parametri di base per la scelta della sonda
Gli spessimetri ad ultrasuoni si compongono in due parti:
1. apparecchiatura di lettura, che comprende almeno
1. il generatore di ultrasuoni;
2. il condizionatore di segnale per il trasduttore;
3. l'elaboratore della misura;
2. trasduttore ultrasonico, una testina che contiene almeno un cristallo piezoelettrico per la generazione e la lettura degli ultrasuoni.

Lo spessimetro ultrasonico è in grado di misurare un’ampia gamma di materiali quali metalli, vetri e plastiche. Differenti tipi di materiali necessiteranno di differenti sonde. Tale scelta è fondamentale per effettuare delle misurazioni accurate. Di seguito vengono evidenziati i principali elementi da considerare in sede di selezione della sonda.

In generale la miglior sonda per ciascun tipo di lavorazione è quella che riesce a inviare una sufficiente energia ultrasonica nel materiale considerato in maniera che lo strumento possa ricevere l’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. Tale parametro dipende principalmente dalla grandezza del componente della sonda che emette l’ultrasuono. Un’ampia superficie di emissione 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 viene in parte assorbito. Se il materiale campione ha una struttura granulare l’onda ultrasonica subirà un effetto dispersione. 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. Bisogna comunque sottolineare che non sempre è meglio utilizzare queste ultime, in quanto soggette a una minor direzionalità rispetto alle frequenze più elevate. Pertanto l’utilizzo delle più elevate sarà da preferire nel caso si vogliano identificare l’esatta posizione di piccole cavità o imperfezioni.


Geometria della sonda: In alcuni casi i vincoli fisici dell’ambiente entro il quale si effettua la misurazione determinano il grado di funzionalità di un tipo di sonda. In alcuni casi le sonde possono avere dimensioni troppo grandi per lo spazio entro il quale si deve effettuare la misurazione, in altri la superficie di contatto del campione può essere talmente ridotta da pregiudicare un corretto accoppiamento sonda/materiale. In questi casi si dovranno rispettivamente utilizzare sonde con un corpo più contenuto e con una superficie di appoggio meno ampia. Altro discorso ancora riguarda la misurazione di superfici curve, come le pareti di un cilindro, per le quali si renderà necessario l’uso di una sonda con un profilo di appoggio coincidente.


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 300C°, andranno equipaggiate sonde concepite 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 indagata e quella 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. Gli strumenti più moderni sono in grado di fare contatto anche con della semplice acqua, anche se è maggiormente indicato l’utilizzo di mezzi più densi quali glicerina o gel da ultrasuoni.

Accorgimenti nell’utilizzo dello spessimetro

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.
Uno dei principali limiti di questo genere di strumenti risiede nell’impossibilità di misurare attendibilmente tutti quei materiali che contengono, seppur in minima parte, delle discontinuità. Tale effetto viene registrato dallo strumento come un’interruzione nel materiale, andando a inficiare la bontà della misurazione.
Un misuratore di spessori ad esempio sarà in grado di misurare con altissima precisione qualsiasi tipo di PVC, mentre non riuscirà nemmeno a creare contatto con la sonda nel caso del PVC espanso a causa delle micro bolle d’aria presenti all’interno della sua struttura.
L’altra faccia di questo limite è che permette, di fronte a spessori noti – o presunti tali -, di rilevare imperfezioni che non dovrebbero essere presenti. In questo caso parliamo di strumenti denominati rilevatori di imperfezioni.