Ultrazvukové měření tloušťky pro měření tloušťky stěny s jednostranným přístupem k objektu na webu Diagnost

Ultrazvukové tloušťkoměry jsou široce používaná zařízení pro měření tloušťky stěny s jednostranným přístupem k ovládanému objektu. Koncem 40. let se na trhu objevily první komerční ultrazvukové přístroje pracující na principu sonaru. Malá, přenosná zařízení určená pro různé aplikace se rozšířila v 20. letech 70. století. Nedávné pokroky v mikroprocesorové technologii posunuly inteligenci a snadnost použití malých zařízení na novou úroveň. Co je ultrazvuk?
Zvuková energie může být generována v širokém frekvenčním rozsahu. Například slyšitelný zvuk je omezen na nízkofrekvenční rozsah s horní hranicí 20 kHz. Ultrazvuk (US) je zvuk, jehož frekvence je za horní hranicí frekvenčního rozsahu vnímaného lidským uchem. Tloušťkoměry pro průmyslové použití pracují v rozsahu megahertzů, typicky od 1 MHz do 20 MHz (1 MHz = 1000 kHz).
Proč ultrazvuk?
Vysoká frekvence má díky velmi krátké vlnové délce ultrazvukových vibrací nespornou výhodu, protože s jejich použitím je možné měřit tloušťku většiny průmyslových materiálů s velkou přesností. I velmi důležitá měření lze provádět pouze s jednostranným přístupem k kontrolovanému produktu, protože ultrazvukové vlny šířící se uvnitř materiálu se odrážejí od protilehlého povrchu (jako ozvěna). Měření tloušťky lze tedy provádět okamžitě a přesně, i když neexistuje žádný přístup nebo potíže s přístupem na druhou stranu produktu, aniž by bylo nutné vyříznout část produktu pro zajištění přístupu. Nedestruktivní měření šetří materiál, čas a práci.
Jak provést měření?
Všechna ultrazvuková vyšetření vyžadují dvě součásti: elektronické zařízení (samotný tloušťkoměr) a ultrazvukový piezoelektrický měnič (UPT). Během procesu měření tloušťky vysílá emitor tloušťkoměru elektrický signál (snímací impuls) do PEP, kde je přeměněn na vysokofrekvenční elastické vibrace, které se ve formě elastické vlny šíří materiálem testovaného produktu, dokud se neodrazí od protilehlého povrchu produktu (spodní plocha). Poté se odražený ultrazvukový impuls šíří v opačném směru ke vstupnímu bodu a dosahuje stejné PEP. PEP v podstatě vnímá ozvěnu z opačné strany produktu. PEP poté převádí elastické vibrace na elektrickou energii pulzů. Elektronický obvod tloušťkoměru přesně měří časový interval mezi okamžikem vyslání snímacího pulzu a okamžikem příchodu odraženého signálu (echo pulzu) z opačné strany (ze zadního čela).
Obvykle je tento časový interval miliontiny sekundy. Tloušťkoměr pak vypočítá skutečnou tloušťku testovaného materiálu vynásobením naměřeného časového intervalu rychlostí zvuku v materiálu a následným dělením 2 pro kompenzaci zdvojené dráhy šíření ultrazvukových vibrací (od vstupní plochy ke spodní ploše a zpět). Je třeba poznamenat, že rychlost zvuku v testovaném materiálu je významným faktorem v těchto výpočtech. Různé materiály přenášejí zvuk různými rychlostmi a rychlost zvuku se výrazně mění se změnami teploty nebo složení sledovaného materiálu. Proto je nutné neustále kalibrovat ultrazvukový tloušťkoměr pomocí rychlosti zvuku. Přesnost měření bude pouze tak vysoká, jako je důkladnost kalibrace. Je prakticky nemožné efektivně přenášet ultrazvukové vibrace z PT na zkoumaný objekt bez vytvoření vhodného vazebního média, obvykle nazývaného kontaktní médium, které zajišťuje spolehlivý a stálý akustický kontakt mezi PT a testovaným výrobkem. Velmi často se jako kontaktní média pro ultrazvukové měření tloušťky používá voda, olej, glycerin, propylenglykol a speciální gely. V praxi je malé množství kontaktního média umístěno mezi emitující povrch PET a povrch kontrolovaného objektu. Jaké materiály lze měřit?
Pomocí ultrazvuku lze zkoumat téměř jakýkoli průmyslový materiál. Ultrazvukové tloušťkoměry lze nakonfigurovat pro práci s kovy, plasty, keramikou, kompozitními materiály, epoxidovými pryskyřicemi a sklem. Lze také měřit hladiny tekutin a zkoumat biologické vzorky. Mezi materiály, které je obtížné měřit pomocí ultrazvuku, patří dřevo, papír, beton a pěnové výrobky. Často je možné provádět měření při výrobě lisovaných plastů (v procesu vytlačování) nebo při procesu válcování kovů, stejně jako měřit vrstvy a povlaky materiálů s vrstvenou strukturou.

Režimy měření

Režim 1
Jak již bylo zmíněno výše, ultrazvukové měření tloušťky je v principu založeno na měření časového intervalu mezi snímacím impulsem a impulsem echa odraženým od spodní plochy. Olympus (Panametrics) klasifikuje taková měření jako režim 1.
Pro taková měření se obvykle používají PE typu kontaktu. Ultrazvukové měření tloušťky pomocí kontaktních sond je obecně nejjednodušší na implementaci a lze jej použít v mnoha oblastech. Tuto techniku ​​měření lze doporučit pro většinu aplikací s výjimkou případů popsaných níže. Režim 2
Zpožďovací vedení nebo ponorné sondy přenášejí zvukovou energii přes konec zpožďovacího vedení nebo vodního sloupce, pokud je v kontaktu s povrchem testovaného předmětu. V tomto bodě, jako od rozhraní mezi dvěma médii (materiálem zpožďovací linky nebo imerzní kapaliny a materiálem ovládaného objektu), se zvuková energie bude odrážet ve formě echo signálu z přední strany OK zpět do PEP. Zbytek zvukové energie se bude šířit do ovládaného objektu a bude se odrážet od zadní strany.
Měření tloušťky časovým intervalem mezi dvěma pozorovanými echo signály, z nichž jeden se odrážel od přední plochy a druhý od zadní plochy, se obvykle nazývá měření v režimu 2. Tento režim se používá ve speciálních případech, kdy je například nutné použít zpožďovací linku se zakřiveným povrchem nebo horký povrch neumožňuje použití kontaktního PT, nebo je vyžadováno speciální nastavení. Režim 3
Ve skutečnosti se ultrazvukový puls bude dále šířit uvnitř produktu a bude se opakovaně odrážet od přední a zadní strany, dokud nedojde k úplnému zeslabení nebo rozptýlení a PEP již nereaguje na elastické působení. Po každém cyklu dvojitého průchodu ultrazvukového pulzu v kontrolovaném materiálu (od přední hrany dolů a zpět) dorazí do PEP další pulz, který periodicky vytváří podmínky pro měření časového intervalu. Časový interval mezi dvěma echo signály pak lze měřit bez rušivého vlivu interference s impulsem sondy. Tato technika měření se obvykle provádí pomocí ponorných sond nebo sond se zpožďovací linkou a Olympus (Panametrics) klasifikuje tuto techniku ​​jako režim 3.
Tato technika se používá v případech, kdy je pro měření tloušťky vyžadován vysoký stupeň rozlišení nebo má kontrolovaný objekt velmi malou tloušťku. Je třeba poznamenat, že velké množství echo signálů je pozorováno pouze u materiálů s nízkým útlumem, jako jsou kovy, sklo, keramika a materiály s rovnoběžnými a hladkými povrchy. Samostatně kombinovaný PEP
Speciální třída ultrazvukového výzkumu a měření používá odděleně kombinované PEP. Konstrukčně jsou to vysílací a přijímací piezoelektrické desky spojené společným zpožďovacím vedením. Dvě piezoelektrické destičky jsou umístěny pod úhlem k sobě a poskytují trajektorii ve tvaru V pro šíření ultrazvukových vibrací v ovládaném objektu.
Přestože měření pomocí dvouprvkových sond není tak přesné jako měření pomocí jiných typů sond, jsou velmi účinná při práci na drsných nebo zkorodovaných površích.

<strong>Faktory ovlivňující měření</strong>

Pro jakékoli ultrazvukové vyšetření závisí volba přístroje a PEP na vlastnostech kontrolovaného materiálu, rozsahu měřených tlouštěk, požadované přesnosti měření, geometrických parametrech výrobku, teplotě a dalších speciálních podmínkách a požadavcích. Níže, v pořadí podle důležitosti, je stručný popis některých faktorů, které je třeba vzít v úvahu. Materiál
Vlastnosti materiálu jsou nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím konečnou volbu tloušťkoměru a PET. Většina kovů, skla a keramiky jsou materiály, které velmi dobře vedou ultrazvukové vibrace, a proto lze k jejich studiu použít širokou škálu ultrazvukových metod a PET s širokým frekvenčním rozsahem. Jiné materiály, jako je plast, intenzivně pohlcují zvuk a rozsah měření tloušťky je u nich velmi omezený. Akustické studie těchto materiálů se obvykle provádějí pomocí kontaktních sond. Pryž, sklolaminát a kompozitní materiály absorbují ultrazvuk ještě silněji a jejich sledování často vyžaduje nízkofrekvenční měniče a speciální transceivery, které zajistí hluboký průnik ultrazvukových vibrací do sledovaného objektu.
Tloušťka
Rozsah měřených tlouštěk určuje také volbu typu tloušťkoměru a PEP. Tenkostěnné výrobky zpravidla vyžadují použití vysokofrekvenčních PT pro měření tloušťky, zatímco tlusté a zvuk pohlcující výrobky vyžadují použití nízkofrekvenčních PT. Tloušťka stěny velmi tenkých výrobků nemůže být v rozsahu měření tloušťkoměru pracujícího s kontaktními PT. V tomto případě je nutné použít PEP se zpožďovacím vedením. Stejně tak je rozsah naměřených tlouštěk zařízení využívajícího zpožďovací vedení PT nebo ponorné PT zpočátku omezen shora kvůli možné interferenci více odražených povrchových impulzů.
Geometrie
Kontaktní sonda je upřednostňována pro většinu ultrazvukových vyšetření a měření s výjimkou případů, kdy má testovaný výrobek velké zakřivení nebo je velmi malých rozměrů, což vylučuje spolehlivý akustický kontakt. S rostoucím povrchovým zakřivením výrobku klesá účinnost akustického kontaktu PEP se vstupní plochou ultrazvuku. Zpravidla by se s rostoucím zakřivením povrchu měla velikost použité kontaktní sondy zmenšit. Velmi velké zakřivení nebo nepřístupnost ultrazvukového vstupního povrchu vyžaduje použití systémů se zpožďovacím vedením nebo ponornými sondami.
teplota
Kontaktní PEP lze s úspěchem použít na povrchy s teplotou do 50°C. Měření tloušťky kontaktním PT na površích s teplotou vyšší než je specifikovaná může vést k jeho porušení. Pro použití na horkých nebo vyhřívaných površích se doporučují PET se zpožďovacími linkami odolnými vůči vysokým teplotám.
Změna fáze o 180
Někdy je třeba řešit situaci, kdy je materiál s nízkou akustickou impedancí (součin hustoty materiálu a rychlosti zvuku v něm) v akustickém kontaktu s materiálem s vysokou akustickou impedancí. Například plast na skle, guma na oceli nebo barva na sklolaminátu. V tomto případě bude mít ultrazvukový signál odražený od rozhraní mezi materiály opačnou polaritu než signál odražený od rozhraní materiál-vzduch. V důsledku toho bude měření tloušťky nepřesné. Tento problém lze úspěšně vyřešit použitím elektronického obvodu pro reverzaci fáze.
Přesnost
Je nutné vzít v úvahu, že existuje mnoho faktorů, které ovlivňují přesnost měření: útlum a rozptyl zvuku, změna rychlosti zvuku, slabá akustická vazba (špatný akustický kontakt), drsná kontaktní plocha, nerovnoběžnost hran výrobku, polarita echo impulsu atd. Výběr nejlepší kombinace tloušťkoměru a PET závisí na zohlednění všech těchto faktorů. Při správné kalibraci přístroje na rychlost zvuku lze obvykle dosáhnout přesnosti asi ±0.01 mm. U některých aplikací lze měření provádět s přesností 0,001 mm. Zařízení využívající sondy zpožďovací linky nebo ponorné sondy v režimu 3 jsou zpravidla schopny měřit tloušťku výrobků s nejvyšší přesností. To je možné díky eliminaci tak nestabilních faktorů, jako je tloušťka kontaktní vrstvy a drsnost kontaktní plochy, které mají negativní vliv na dosažení požadované přesnosti.
Diagnostics dodává celou řadu ultrazvukových přístrojů pro průmyslové použití. Ačkoli v mnoha případech mohou specialisté a manažeři společnosti poskytnout potřebná doporučení a vysvětlení k použití zařízení, někdy je potřeba předvést vzorky produktů a provést testy. Chcete-li vyřešit všechny tyto problémy a získat další informace, kontaktujte prosím diagnostika.

Používá se s dvoudutinovými snímači k měření ztenčování stěn zkorodovaných trubek, zahrnuje režimy THRU-COAT a Echo-echo.