УЗ толщиномеры представляют собой широко используемые приборы для измерения толщины стенки при одностороннем доступе к контролируемому объекту. Первые коммерческие УЗ приборы, работающие по принципу гидролокации, появились на рынке в конце 40-х годов 20-го века. Небольшие портативные приборы, предназначенные для разнообразного применения, стали широко распространенными в 70-х годах. Последние достижения в микропроцессорной технологии подняли на новый уровень интеллектуальные возможности и простоту использования малогабаритных приборов.
Что представляет собой ультразвук?
Звуковая энергия может генерироваться в широком частотном диапазоне. Слышимый звук, например, ограничивается низкочастотным диапазоном с верхним пределом в 20 КГц. Ультразвук (УЗ) — это звук, частота которого находится за верхним пределом частотного диапазона, воспринимаемого человеческим ухом. Толщиномеры для промышленного использования работают в мегагерцовом диапазоне, обычно от 1МГц до 20 МГц (1 МГц = 1000 КГц).
Почему именно ультразвук?
В связи с очень малой длиной волны УЗ колебания высокой частоты имеют несомненное преимущество, так как с их использованием можно проводить измерения толщины большинства промышленных материалов с большой точностью. Даже очень ответственные измерения могут производиться при наличии лишь одностороннего доступа к контролируемому изделию, так как УЗ волны распространяясь внутри материала, отражаются от противоположной поверхности (подобно эхо). Таким образом, измерения толщины могут быть немедленно и точно проведены даже при отсутствии доступа или затруднениях в доступе к другой стороне изделия, при этом отпадает необходимость вырезать часть изделия для обеспечения доступа. Неразрушающие измерения сохраняют материал, время и трудозатраты.
Как проводить измерения?
Все УЗ исследования требуют два компонента: электронный прибор (собственно толщиномер) и УЗ пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП). В процессе проведения измерений толщины излучатель толщиномера посылает электрический сигнал (зондирующий импульс) на ПЭП, где он преобразуется в высокочастотные упругие колебания, которые в виде упругой волны распространяются в материале контролируемого изделия до момента отражения от противоположной поверхности изделия (донной поверхности). Далее отраженный УЗ импульс распространяется в обратном направлении к точке ввода и попадает на тот же ПЭП. По существу, ПЭП воспринимает эхо от противоположной стороны изделия. Затем ПЭП преобразует упругие колебания в энергию электрических импульсов. Электронная схема толщиномера точно измеряет интервал времени между моментом посылки зондирующего импульса и моментом прихода отраженного сигнала (эхо-импульса) от противоположной стороны (от задней грани).
Обычно этот интервал времени составляет миллионные доли секунды. Далее толщиномер рассчитывает действительную толщину контролируемого материала путем умножения измеренного временного интервала на скорость звука в материале с последующим делением на 2 для компенсации удвоенного пути распространения УЗ колебаний (от поверхности ввода до донной поверхности и обратно). Необходимо отметить, что скорость звука в контролируемом материале является существенным фактором в этих вычислениях. Различные материалы передают звук с различными скоростями и скорость звука значительно изменяется с изменениями температуры или состава контролируемого материала. Таким образом, необходимо постоянно калибровать УЗ толщиномер по скорости звука. Точность измерений будет настолько высока, насколько тщательно была проведена калибровка. Практически невозможно осуществить эффективную передачу УЗ колебания от ПЭП к исследуемому объекту без создания соответствующей связующей среды, обычно называемой контактной средой, которая обеспечивает надежный и постоянный акустический контакт ПЭП с контролируемым изделием. Очень часто для УЗ толщинометрии такой контактной средой являются вода, масло, глицерин, пропилен-гликоль и специальные гели. На практике небольшое количество контактной среды размещается между излучающей поверхностью ПЭП и поверхностью контролируемого объекта.
Какие материалы могут быть измерены?
Практически УЗ может быть исследован любой промышленный материал. УЗ толщиномеры могут быть настроены для работы по металлам, пластикам, керамике, композиционным материалам, эпоксидным смолам и стеклу. Также может быть измерен уровень жидкости и исследованы биологические образцы. К материалам, плохо поддающимся УЗ измерениям могут быть отнесены дерево, бумага, бетон и пенообразные продукты. Часто бывает возможным проведение измерений в процессе производства прессованных пластиков (в процессе экструзии) или в процессе прокатки металлов, а также измерение слоев и покрытий материалов со слоистой структурой.
Режимы измерения
Режим 1
Как было упомянуто выше, УЗ толщинометрия, в принципе, основана на измерении временного интервала между зондирующим импульсом и эхо-импульсом, отраженным от донной поверхности. Olympus (Panametrics) классифицирует такие измерения как Режим 1.
При таких измерениях обычно используются ПЭП контактного типа. УЗ толщинометрия с использованием контактных ПЭП, как правило, наиболее проста в осуществлении и может быть применена в многочисленных областях. Подобная методика измерений может быть рекомендована для большинства приложений за исключением случаев, описанных ниже.
Режим 2
ПЭП с линией задержки или иммерсионные ПЭП передают звуковую энергию через конец линии задержки или столб воды до тех пор, пока имеется контакт с поверхностью контролируемого объекта. В этой точке, как от границы раздела двух сред (материала линии задержки или иммерсионной жидкости и материала контролируемого объекта) будет происходить отражение звуковой энергии в виде эхо-сигнала от передней грани ОК обратно на ПЭП. Остальная часть звуковой энергии будет распространяться внутрь контролируемого объекта и отразится от задней грани.
Измерение толщины по временному интервалу между двумя наблюдаемыми эхо-сигналами, один из которых отразился от передней грани, а другой — от задней грани, принято называть измерением в Режиме 2. Этот режим используется в особых случаях, когда, например, необходимо применить линию задержки с искривленной поверхностью или горячая поверхность не позволяет применить контактный ПЭП, или требуются специальные настройки.
Режим 3
В действительности УЗ импульс будет продолжать распространяться внутри изделия, многократно отражаясь от передней и задней граней до тех пор, пока он не испытает полного затухания или рассеивания, при этом ПЭП уже не реагирует на упругое воздействие. После каждого цикла двойного прохождения УЗ импульса в контролируемом материале (от передней грани до нижней и обратно) на ПЭП приходит следующий импульс, периодически создавая условия для измерения временного интервала. Далее временной интервал между двумя эхо-сигналами может быть измерен без мешающего влияния интерференции с зондирующим импульсом. Эта методика измерения обычно применяется с использованием иммерсионных ПЭП или ПЭП с линией задержки и Olympus (Panametrics) такую методику классифицирует как Режим 3.
Подобная методика применяется в случаях, когда при измерениях толщины требуется высокая степень разрешения или контролируемый объект имеет очень маленькую толщину. Необходимо отметить, что большое число эхо-сигналов наблюдается только для материалов с малым затуханием, таких как металлы, стекло, керамика и имеющие при этом параллельные и гладкие поверхности.
Раздельно-совмещенные ПЭП
Специальный класс УЗ исследований и измерений использует раздельно-совмещенные ПЭП. Конструктивно они представляют собой передающую и приемную пьезопластины, объединенные общей линией задержки. Две пьезопластины размещены под углом друг к другу, обеспечивая V-образную траекторию распространения УЗ колебаний в контролируемом объекте.
Хотя измерения с использованием раздельно-совмещенных ПЭП не такие точные, как измерения с другими типами ПЭП, они весьма эффективны при работе по грубым или корродированным поверхностям.
Факторы, влияющие на измерения
Для любых УЗ исследований выбор прибора и ПЭП зависит от свойств контролируемого материала, диапазона измеряемых толщин, необходимой точности измерений, геометрических параметров изделия, температуры и других специальных условий и требований. Ниже в порядке значимости дано краткое описание некоторых факторов, которые должны приниматься во внимание.
Материал
Свойства материала являются наиболее важным фактором, влияющим на окончательный выбор толщиномера и ПЭП. Большинство металлов, стекло, керамика являются материалами, которые очень хорошо проводят УЗ колебания и поэтому для их исследования применим широкий ряд УЗ методов и ПЭП с большим диапазоном частот. Другие материалы как, например, пластик интенсивно поглощают звук и диапазон измеряемых толщин для них сильно ограничен. Акустические исследования этих материалов обычно проводятся с использованием контактных ПЭП. Резина, стекловолокно и композиционные материалы еще сильнее поглощают УЗ и для их контроля часто требуются низкочастотные ПЭП и специальные приемопередающие устройства, обеспечивающие глубокое проникновение УЗ колебаний в контролируемый объект.
Толщина
Диапазон измеряемых толщин также обусловливает выбор типа толщиномера и ПЭП. Как правило, тонкостенные изделия для измерения толщины требуют применения высокочастотных ПЭП, а толстые и звукопоглощающие — низкочастотных. Толщина стенки очень тонких изделий не может находиться в диапазоне измерений толщиномера, работающего с контактными ПЭП. В этом случае необходимо использовать ПЭП с линией задержки. Точно также диапазон измеряемых толщин прибора, использующего для работы ПЭП с линией задержки или иммерсионные ПЭП, изначально ограничен сверху из-за возможной интерференции многократно отраженных поверхностных импульсов.
Геометрия
Контактный ПЭП предпочтителен для большинства УЗ исследований и измерений за исключением случаев, когда контролируемое изделие имеет большую кривизну или очень маленький размер, исключающие надежный акустический контакт. При увеличении поверхностной кривизны изделия эффективность акустического контакта ПЭП с поверхностью ввода УЗ уменьшается. Как правило, при увеличении поверхностной кривизны размер используемого контактного ПЭП должен быть уменьшен. Очень большая кривизна или недоступность поверхности ввода УЗ требуют применения систем с линией задержки или иммерсионных ПЭП.
Температура
Контактные ПЭП могут успешно использоваться на поверхностях с температурой до 50°C. Измерение толщины контактным ПЭП на поверхностях, имеющих температуру выше указанной, могут привести к его выходу из строя. Для использования на горячих или нагретых поверхностях рекомендуются ПЭП с линиями задержки, стойкими к высокой температуре.
Изменение фазы на 180
Иногда приходится сталкиваться с ситуацией, когда материал с низким акустическим импедансом (произведение плотности материала на скорость звука в нем) находится в акустическом контакте с материалом с высоким акустическим импедансом. Например, пластик на стекле, резина на стали или краска на стекловолокне. В этом случае УЗ сигнал, отраженный от границы раздела материалов будет иметь полярность, обратную по отношению к сигналу отраженному от границы материал-воздух. В результате измерение толщины будет неточным. Эта проблема может быть успешно решена использованием электронной схемы фазового реверсирования.
Точность
Необходимо считаться с тем, что имеется много факторов, влияющих на точность измерений: затухание и рассеяние звука, изменение скорости звука, слабая акустическая связь (плохой акустический контакт), грубая поверхность контакта, непараллельность граней изделия, полярность эхо-импульса и т.д. Выбор наилучшей комбинации толщиномера и ПЭП зависит от учета всей совокупности этих факторов. При соответствующей калибровке прибора по скорости звука обычно может быть достигнута точность порядка ±0.01мм. Для некоторых видов применения измерения могут выполняться с точностью 0,001 мм. Как правило, приборы, использующие ПЭП с линией задержки или иммерсионные ПЭП в режиме 3 способны измерять толщину изделий с наивысшей точностью. Это возможно благодаря устранению таких нестабильных факторов как толщина контактного слоя и шероховатость поверхности контакта, которые оказывают негативное воздействие на достижение необходимой точности.
Диагност поставляет полный набор УЗ приборов для промышленного применения. Несмотря на то, что во многих случаях специалисты и менеджеры компании могут дать необходимые рекомендации и разъяснения по вопросам применения приборов, иногда возникает потребность в демонстрации образцов продукции и проведении испытаний. Для решения всех этих вопросов и получения дополнительной информации обращайтесь в Диагност.
