Ультразвуковое измерение толщины является неразрушающим односторонним методом определения ширины материала. Он быстр, надежен, универсален и, в отличие от микрометра или штангенциркуля, не требует доступа к двум сторонам предмета. Первые коммерческие датчики, использующие принцип сонара, появились в конце 1940 годов. Небольшие переносные приборы, оптимизированные для широкого спектра применений, стали привычными в 1970-е годы. А инновации в области микропроцессорной техники позволили достичь нового уровня точности, простоты и миниатюрности.
Производством устройств занимается большое число известных компаний. Среди них – немецкая компания Siemens, американская Dakota Ultrasonics, британская Cygnus. В России приборы выпускают такие компании, как НПФ «АКС», НПК «Луч», НПЦ «МаксПрофит» и др.
Что можно измерить?
Практически любой обычный конструкционный материал может быть измерен с помощью ультразвука. Ультразвуковые датчики могут быть настроены на металлы, пластики, композиты, стекловолокно, керамику и стекло. Также возможны замеры экструдированных пластмасс и проката в процессе производства - как отдельных слоев или покрытий, так и многослойных изделий, жидкости и биологических образцов. Еще одна операция, где просто необходим ультразвуковой толщиномер, – определение толщины кирпича, конструкций из бетона, асфальта и горных пород. Такие измерения почти всегда неразрушающие и не требуют резки или разборки объекта.
Материалы, которые не подходят для обычного ультразвукового замера из-за плохой передачи высокочастотных волн, включают древесину, бумагу, бетон и вспененные продукты.
Как измерить?
Звуковая энергия может генерироваться в широком спектре частот. Слышимый звук находится в диапазоне от 20 до 20 кГц. Чем выше частота, тем выше воспринимаемый тон. Энергия более высокой частоты, за пределами человеческого слуха, называется ультразвуком. Чаще всего ультразвуковой контроль осуществляется в диапазоне частот от 500 кГц до 20 МГц, хотя некоторые специализированные инструменты достигают 50 кГц или 100 МГц. Независимо от частоты, звуковая энергия представляет собой механические колебания, проходящие в определенной среде, такой как воздух или сталь, в соответствии с основными законами физики волн.
Для измерений используют ультразвуковой толщиномер. Принцип работы устройства заключается в точном вычислении времени прохождения импульса от небольшого зонда (преобразователя) через измеряемый объект, отраженного его внутренней поверхностью или дальней стенкой. Поскольку звуковые волны отражаются от границы между разнородными материалами, это измерение обычно производится с одной стороны, в режиме «импульс/эхо».
Преобразователь содержит пьезоэлектрический элемент, который возбуждается коротким электрическим импульсом для генерации дискретных ультразвуковых волн. Они посылаются в измеряемый материал и проходят через него, пока не сталкиваются с задней стенкой или другим препятствием. Отраженная волна возвращается к датчику, преобразующему механические колебания в электрическую энергию. В сущности, толщиномеры ультразвуковые прослушивают эхо с противоположной стороны. Обычно промежуток времени между посланным и отраженным сигналом составляет всего несколько миллионных долей секунды. В прибор занесены данные о скорости звука в исследуемом материале, из которого он может затем рассчитать толщину, используя простую математическую связь: d = V t / 2, где:
- d – толщина участка;
- V – скорость звука;
- t – измеренное время прохождения звука.
Важный параметр
Важно отметить, что скорость звука в исследуемом объекте является существенной частью этого расчета. Различные материалы передают звуковые волны по-разному. Как правило, в твердых веществах она выше, а в мягких – ниже. Кроме того, она может значительно изменяться с температурой. При этом всегда необходимо калибровать толщиномеры ультразвуковые на скорость в измеряемом материале, от которой прямо зависит точность показаний прибора.
Звуковые волны в мегагерцевом диапазоне через воздух проходят плохо, поэтому для улучшения передачи звука между излучателем и образцом помещается капля соединительной жидкости. Обычно в качестве контактной жидкости используется глицерин, пропиленгликоль, вода, масло и гель. Достаточно небольшого количества жидкости, чтобы заполнить чрезвычайно тонкий воздушный зазор.
Режимы измерения
Производители ультразвуковых толщиномеров измеряют временной интервал прохождения энергии через испытываемый образец тремя способами:
- Промежуток между импульсом возбуждения, который генерирует звуковую волну и первым возвращающимся эхом за вычетом небольшого значение смещения, компенсирующего задержки в инструменте, кабеле и преобразователе.
- Интервал времени между возвращенным эхом от поверхности образца и первым отраженным эхом.
- Промежуток между двумя последовательными донным эхо-сигналами.
Выбор режима, как правило, диктует тип преобразователя, а также конкретные требования приложения. Первый режим используется с контактным датчиком и рекомендуется для большинства применений. Во втором присутствует линия задержки или погружные преобразователи, применяемые на выпуклых и вогнутых поверхностях, в замкнутом пространстве, для измерения движущегося материала или объектов с высокой температурой.
Третий режим также использует линии задержки или погружные датчики и, как правило, обеспечивает высокую точность и наилучшее минимальное разрешение толщины. Обычно применяется, когда качество измерений в первом или втором режиме неудовлетворительное. Однако последний режим подходит только для материалов, которые производят чистые множественные эхосигналы, как правило, с низким показателем затухания, как у мелкозернистых металлов, стекла, керамики.
Два типа устройств
Толщиномеры ультразвуковые, как правило, делятся на два типа: коррозионные и прецизионные. Одним из важнейших их применений является определение остаточной ширины стенки металлических труб, резервуаров, конструкционных деталей и сосудов высокого давления, которые подвержены внутренней коррозии и не могут быть видны снаружи. Толщиномеры ультразвуковые коррозионные для этого и предназначены. В них используются методы обработки сигналов, которые оптимизированы для обнаружения минимальной остаточной ширины стенок в грубых и ржавых образцах со специализированными двухэлементными датчиками.
В остальных случаях рекомендуют применять высокоточные приборы с одиночными преобразователями, – для металлов, пластмасс, стекловолокна, композитов, резины и керамики. Создано множество разнообразных датчиков прецизионных устройств, которые способны измерять с точностью ±0,025 мм и выше, что превышает показатели коррозионных измерителей.
ГОСТ толщиномеры ультразвуковые классифицирует по назначению, степени автоматизации, защищенности от воздействия внешней среды, стойкости к механическим воздействиям, а также определяет их основные показатели.
Типы преобразователей
- Контактные датчики используются при непосредственном соприкосновении с испытуемым образцом. Измерения с их помощью просты, поэтому они применяются чаще всего.
- Преобразователи с линией задержки содержат пластиковый, эпоксидный или кварцевый цилиндр в качестве промежуточного звена между активным элементом и исследуемым объектом. Главная причина их использования – измерение тонких объектов, где важно отделить импульсы возбуждения от донных эхо-сигналов. Линия задержки может служить теплоизолятором, защитой термочувствительного элемента датчика от прямого контакта с горячими материалами. Также ей можно придать форму, улучшающую сцепление при резко вогнутых или выгнутых поверхностях.
- Погружные преобразователи для подвода звуковой энергии к измеряемому элементу используют водяную колонну или ванну. Их применяют для измерений движущихся объектов, для сканирования или оптимизации сцепления при наличии острых радиусов, канавок или каналов.
- Преобразователи с двумя элементами используются в коррозионных шириномерах для определения ширины объектов с грубой, корродированной поверхностью. Состоят из отдельного передающего и принимающего элемента, установленных под небольшим углом к линии задержки, чтобы сфокусировать энергию на выбранное расстояние под поверхностью измеряемого образца. Хотя такие измерения не столь точны, как у датчиков других типов, они, как правило, обеспечивают значительно более высокую производительность.
Толщиномер ультразвуковой: инструкция
Для подготовки к проведению измерений следует подсоединить преобразователь к прибору, включить его, задать скорость звука и откалибровать. Для этого нужно нанести немного контактного вещества на калибровочный эталон, приложить датчик и включить режим калибровки. Данную процедуру необходимо обязательно выполнять после замены преобразователя либо батарей. Возможны варианты калибровки по известной толщине и скорости звука.
Для проведения измерений необходимо на поверхность объекта нанести контактное вещество и приложить датчик. Результат отобразится на дисплее. Возможно использование устройства в режиме сканирования, например, для поиска наименьшей толщины материала. Также можно настроить подачу сигнала для выявления места с размером стенки меньше установленного значения.
Для замера скорости звука необходимо измерить объект штангенциркулем или микрометром, приложить преобразователь и дождаться результата. Установив предварительно измеренное значение, нажать кнопку для сохранения данных в памяти прибора. Некоторые устройства позволяют передавать результаты на ПК.
Ультразвуковой толщиномер: отзывы
Пользователи положительно оценивают компактный размер, удобство в использовании, надежность, простоту калибровки современных приборов. Специалисты отмечают отсутствие альтернатив устройствам данного типа при оценке состояния автомобилей, качества выполнения кузовных работ. Устройство позволяет определить, перекрашивалось ли транспортное средство и участвовало ли оно в ДТП. Толщиномеры, для работы которых не требуется контактная жидкость, а также способные проводить самокалибровку, пользуются наибольшей популярностью.
Материал и диапазон
Ультразвуковой толщиномер, принцип работы которого выбирается в зависимости от состава, диапазона измерений, геометрии, температуры, требований к точности и других возможных условий, порой просто незаменим.
Тип материала и пределы измерений являются наиболее важными факторами при выборе прибора и преобразователя. Многие вещества, включая большинство металлов, керамику и стекло, проводят ультразвук очень эффективно и позволяют проводить замеры в широком диапазоне. Большинство пластмасс быстрее поглощают энергию и, следовательно, имеют более ограниченный максимальный диапазон толщины, но в большинстве производственных ситуаций измерения проблем не вызывают. Резина, стекловолокно и многие композитные материалы поглощают гораздо сильнее и требуют больших передатчиков и приемников, оптимизированных для работы на низких частотах.
Толщина определяет и тип преобразователя. Тонкие объекты измеряют на высоких частотах, а толстые или демпфирующие – на низких. Для очень тонких материалов используется линия задержки, хотя они, а также погружные преобразователи ограничены по толщине измерения из-за помех от многократного эха. В случае широких объектов или предметов, состоящих из нескольких материалов, могут понадобиться датчики разных типов.
Кривизна поверхности
С увеличением кривизны поверхности эффективность контакта между преобразователем и измеряемым объектом уменьшается, поэтому с уменьшением радиуса кривизны должен быть уменьшен размер датчика. Измерение очень малых радиусов может потребовать применения линий задержки или бесконтактных погружных преобразователей. Они также могут быть использованы для замеров в пазах, полостях и других местах с ограниченным доступом.
Температура
Контактные преобразователи, как правило, применимы при температуре объекта до 50 °C. Более горячие материалы могут повредить датчик из-за эффекта теплового расширения. В таких случаях всегда следует использовать преобразователи с термостойкой линией задержки, иммерсионные или высокотемпературные датчики с двумя элементами.
В отдельных случаях объект с низким акустическим сопротивлением (плотность, умноженная на скорость звука) соединен с материалом с более высоким акустическим импедансом. Типичные примеры – пластмассовые, резиновые и стеклянные покрытия стали или других металлов, а также полимерное покрытие стекловолокна. При этом эхо от границы между двумя материалами будет фазоинвертированным – перевернутым по отношению к эху от границы с воздухом. Это можно исправить простым изменением настройки прибора, но если ничего не предпринять, то показания будут неточными.
Погрешность
На точность измерений влияет множество факторов, в том числе поверка толщиномеров ультразвуковых, их калибровка, однородность скорости в веществе, затухание и рассеяние звука, шероховатость и кривизна поверхности, плохая связь и донная непараллельность. Точность лучше всего достигается при использовании эталонов известного размера. При правильной калибровке погрешность ультразвукового толщиномера составляет ±0,01 мм и даже ±0,001 мм. Линии задержки или иммерсионные датчики в третьем режиме также повышают точность измерений.
