Urządzenia do pomiaru grubości ultradźwiękowe: zasady działania, instrukcje, producenci, opinie

Pomiar grubości ultradźwiękowej jest nieniszczącą jednostronną metodą określania szerokości materiału. Jest szybki, niezawodny, wszechstronny i, w przeciwieństwie do mikrometru lub zacisku, nie wymaga dostępu do dwóch stron obiektu. Pierwsze komercyjne czujniki, wykorzystujące zasadę sonaru, pojawiły się pod koniec lat czterdziestych XX wieku. Małe urządzenia przenośne, zoptymalizowane pod kątem szerokiego zakresu zastosowań, stały się powszechne w 1970 roku. Innowacje z dziedziny technologii mikroprocesorowej pozwoliły osiągnąć nowy poziom dokładności, prostoty i miniaturyzacji.

Duża liczba znanych firm zajmuje się produkcją urządzeń. Wśród nich – niemiecka firma Siemens, amerykańska ultrasonika Dakota, brytyjski Cygnus. W Rosji urządzenia są produkowane przez takie firmy jak NPF "AKS", NPK "Luch", NPC "MaxProfit" itd.

Co można zmierzyć?

Praktycznie każdy konwencjonalny materiał strukturalny może być mierzony za pomocą ultrasonografu. Czujniki ultradźwiękowe mogą być dostrojone do metali, tworzyw sztucznych, kompozytów, włókna szklanego, ceramiki i szkła. Można również mierzyć ekstrudowane tworzywa sztuczne i produkty walcowane w procesie produkcyjnym – zarówno pojedyncze warstwy, jak i powłoki oraz produkty wielowarstwowe, płyny i próbki biologiczne. Inna operacja, w której ultradźwiękowe grubościomierze jest po prostu konieczne, jest określenie grubości cegieł, konstrukcji betonowych, asfaltu i skał. Takie pomiary są prawie zawsze nieniszczące i nie wymagają cięcia ani demontażu przedmiotu.

Materiały, które nie są odpowiednie do konwencjonalnych pomiarów ultradźwiękowych z powodu złego przenoszenia fali wysokiej częstotliwości, obejmują drewno, papier, beton i produkty spienione.

Jak zmierzyć?

Energia dźwięku może być generowana w szerokim zakresie częstotliwości. Dźwięk dźwiękowy znajduje się w zakresie od 20 do 20 kHz. Im wyższa częstotliwość, tym wyższy odczuwalny ton. Energia o większej częstotliwości, poza granice ludzkiej słuchawki, nazywana jest ultradźwiękami. Najczęściej badania ultradźwiękowe przeprowadza się w zakresie częstotliwości od 500 kHz do 20 MHz, chociaż niektóre wyspecjalizowane instrumenty osiągają 50 kHz lub 100 MHz. Niezależnie od częstotliwości, energia dźwiękowa to mechaniczne oscylacje przechodzące w określonym medium, takie jak powietrze lub stal, zgodnie z podstawowymi prawami fizyki fal.

Do pomiarów użyj ultrasonograficznego miernika grubości. Zasadą urządzenia jest dokładne obliczenie czasu przejścia impulsu z małej sondy (konwertera) przez mierzony obiekt, odbijany przez jego wewnętrzną powierzchnię lub ścianę daleką. Ponieważ fale dźwiękowe są odbijane od granicy między materiałami heterogenicznymi, pomiar ten jest zazwyczaj wykonywany z jednej strony, w trybie "impuls / echo".

Przetwornik zawiera element piezoelektryczny pobudzony krótkim impulsem elektrycznym, generujący dyskretne fale ultradźwiękowe. Są wysyłane do mierzonego materiału i przechodzą przez to, aż zderzą się z tylną ścianą lub inną przeszkodą. Odbita fala powraca do czujnika, który przekształca wibracje mechaniczne w energię elektryczną. W istocie ultradźwięki grubościomierze słuchają echa z przeciwnej strony. Zazwyczaj przedział czasowy między wysłanym a odbitym sygnałem wynosi zaledwie kilka milionów sekundy. Urządzenie rejestruje prędkość dźwięku w badanym materiale, z którego może obliczyć grubość przy użyciu prostego związku matematycznego: d = V t / 2, gdzie:

• D jest grubością przekroju;
• V to szybkość dźwięku;
• T jest mierzonym czasem tranzytu dźwięku.

Ważne parametry

Ważne jest, aby pamiętać, że prędkość dźwięku w badanym obiekcie stanowi zasadniczą część tego obliczenia. Różne materiały transmitują fale dźwiękowe na różne sposoby. Z reguły w ciałach stałych jest wyższe, aw miękkich substancjach jest niższe. Ponadto może się znacznie różnić od temperatury. Konieczne jest zawsze kalibrowanie ultrasonograficznych mierników grubości na prędkość mierzonego materiału, co ma bezpośredni wpływ na dokładność odczytów przyrządu.

Fale dźwiękowe w zakresie megahercowym przechodzą słabo w powietrzu, dzięki czemu poprawia się przenoszenie dźwięku między chłodnicą a próbką umieszcza się kropel płynu łączącego. Zwykle gliceryna, glikol propylenowy, woda, olej i żel są używane jako płyn kontaktowy. Mała ilość płynu wystarcza, aby wypełnić bardzo cienką szczelinę powietrzną.

Tryby pomiaru

Producenci ultrasonograficznych mierników grubości mierzą przedział czasu dla przepływu energii przez próbkę testową na trzy sposoby:

1. Różnica między impulsem wzbudzającym, który generuje falę dźwiękową i pierwszy powrót echa, minus niewielka wartość kompensująca kompensująca opóźnienie w przyrządzie, kablu i przetworniku.
2. Odstęp czasu między powrotem echa od powierzchni próbki i pierwszego odbitego echa.
3. Różnica między dwoma kolejnymi echo dna.

Wybór trybu, co do zasady, nakazuje typ konwertera, a także specyficzne wymagania aplikacji. Pierwszy tryb jest używany z czujnikiem styku i jest zalecany dla większości zastosowań. W drugiej, na powierzchniach wypukłych i wklęsłych, w ograniczonej przestrzeni, znajduje się linia opóźniająca lub przetworniki zanurzeniowe służące do pomiaru materiału ruchomego lub przedmiotów o wysokiej temperaturze.

W trzecim trybie wykorzystywane są również linie opóźniające lub czujniki zanurzone, co do zasady zapewnia dużą dokładność i najlepszą minimalną rozdzielczość grubości. Zazwyczaj jest używany, gdy jakość pomiarów w pierwszym lub drugim trybie jest niezadowalająca. Ten ostatni tryb nadaje się tylko do materiałów, które produkują czyste echa wielokrotne, zwykle z niskim współczynnikiem tłumienia, jak w przypadku drobnych ziaren metali, szkła, ceramiki.

Dwa typy urządzeń

Mierniki grubościomierzy ultradźwiękowe są z reguły podzielone na dwa typy: żrące i precyzyjne. Jednym z najważniejszych zastosowań jest określenie szczątkowej szerokości ścian rur metalowych, zbiorników, części konstrukcyjnych i zbiorników ciśnieniowych, które są podatne na korozję wewnętrzną i nie mogą być widziane z zewnątrz. W tym celu są przeznaczone do zagęszczania korozji ultradźwiękowej. Wykorzystują techniki przetwarzania sygnałów zoptymalizowane do wykrywania minimalnej szerokości ścianki szczątkowej w grubych i zardzewiałych próbkach z wyspecjalizowanymi czujnikami dwuczęściowymi.

W innych przypadkach zaleca się stosowanie precyzyjnych przyrządów z pojedynczym przetwornikiem, do metali, tworzyw sztucznych, włókna szklanego, kompozytów, gumy i ceramiki. Powstało wiele różnych czujników urządzeń precyzyjnych, które można mierzyć z dokładnością ± 0,025 mm i większą, co przekracza wartości liczników korozyjnych.

GOST Wysokościomierze ultradźwiękowe klasyfikowane są zgodnie z przeznaczeniem, stopniem automatyzacji, ochroną przed wpływem środowiska, odpornością na wpływy mechaniczne, a także określa główne wskaźniki.

Typy przetworników

• Czujniki kontaktowe są używane do bezpośredniego kontaktu z próbką testową. Pomiary z ich pomocą są proste, dlatego są najczęściej używane.
• Konwertery z linią opóźniającą zawierają plastikowy, epoksydowy lub kwarcowy cylinder jako połączenie pośrednie między aktywnym elementem a obiektem badanym. Głównym powodem ich użycia jest pomiar cienkich przedmiotów, w których ważne jest oddzielenie impulsów pobudzenia od sygnałów echa dolnego. Linia opóźniająca może służyć jako izolator cieplny, chroniąc element wrażliwy na temperaturę czujnika przed bezpośrednim kontaktem z gorącymi materiałami. Może być również ukształtowany, aby poprawić przyczepność w przypadku ostrych wklęsłych lub zakrzywionych powierzchni.
• Zanurzalne przetworniki do dostarczania energii dźwiękowej do mierzonego elementu wykorzystują kolumnę lub wannę wodną. Służy do pomiaru poruszających się obiektów, skanowania lub optymalizacji przyczepności w obecności ostrych promień, rowków lub kanałów.
• Przetworniki z dwoma elementami są stosowane w czujnikach korozyjnych w celu określenia szerokości obiektów o grubej, skorodowanej powierzchni. Składają się one z oddzielnego elementu nadawczo-odbiorczego, zamocowanego pod małym kątem do linii opóźniającej, aby skupić energię w wybranej odległości poniżej powierzchni mierzonej próbki. Choć takie pomiary nie są tak dokładne, jak w przypadku innych typów czujników, zazwyczaj mają one znacznie wyższą wydajność.

Ultradźwięki grubościomierza: instrukcja

Aby przygotować się do pomiarów, należy podłączyć falownik do przyrządu, włączać, ustawić prędkość dźwięku i skalibrować. W tym celu zastosuj mały materiał stykowy do wzorca kalibracyjnego, podłącz czujnik i włącz tryb kalibracji. Procedura ta musi być przeprowadzona po wymianie transformatora lub baterii. Możliwe opcje kalibracji dla znanej grubości i szybkości dźwięku.

W celu przeprowadzenia pomiarów należy nałożyć na powierzchnię przedmiotu substancję stałą i przymocować czujnik. Wynik jest wyświetlany na wyświetlaczu. Możliwe jest użycie urządzenia w trybie skanowania, na przykład w celu znalezienia najmniejszej grubości materiału. Można również ustawić sygnał, aby wykryć miejsce o mniejszych rozmiarach niż ustawiona wartość.

Aby mierzyć prędkość dźwięku, musisz zmierzyć obiekt za pomocą zacisku lub mikrometru, podłącz przetwornik i poczekaj na wynik. Po ustawieniu poprzednio zmierzonej wartości naciśnij przycisk, aby zapisać dane w pamięci urządzenia. Niektóre urządzenia umożliwiają przesyłanie wyników do komputera.

Ultrasoniczny grubośćomierz: recenzje

Użytkownicy docenią niewielki rozmiar, łatwość obsługi, niezawodność, łatwość kalibracji nowoczesnych urządzeń. Eksperci zauważają brak alternatyw dla urządzeń tego typu w ocenie stanu samochodów, jakości wykonania nadwozia. Urządzenie pozwala określić, czy pojazd został przemalowany i czy był zaangażowany w wypadek. Najbardziej popularne są przyrządy do pomiaru grubości, które nie wymagają użycia cieczy kontaktowej, a także zdolne do samodzielnej kalibracji.

Materiał i zakres

Czujnik grubości ultradźwiękowej, którego działanie jest wybrane w zależności od składu, zakresu pomiarów, geometrii, temperatury, wymagań dokładności i innych możliwych warunków, jest czasami niezastąpiony.

Typ materiału i granice pomiaru są najważniejszymi czynnikami przy wyborze urządzenia i konwertera. Wiele substancji, w tym większości metali, ceramiki i szkła, wykonuje ultradźwięki bardzo skutecznie i umożliwia wykonywanie pomiarów w szerokim zakresie. Większość tworzyw sztucznych absorbuje energię szybciej, a zatem ma ograniczony zakres maksymalnych grubości, ale w większości sytuacji produkcyjnych problemy nie powodują problemów. Gumy, włókno szklane i wiele materiałów kompozytowych pochłaniają znacznie więcej i wymagają dużych nadajników i odbiorników zoptymalizowanych do pracy na niskich częstotliwościach.

Grubość określa typ konwertera. Cienkie obiekty mierzone są z dużą częstotliwością, a grube lub zwilżane przy niskich częstotliwościach. W przypadku bardzo cienkich materiałów stosuje się linię opóźniającą, chociaż, jak również przetworniki zanurzeniowe, są ograniczone pod względem grubości w wyniku zakłóceń z wielokrotnego echa. W przypadku obiektów szerokich lub obiektów składających się z kilku materiałów, mogą być potrzebne czujniki różnych typów.

Krzywizna powierzchni

Wraz ze wzrostem krzywizny powierzchni skuteczność styków między przetwornikiem a mierzonym przedmiotem maleje, więc przy zmniejszeniu promienia krzywizny należy zmniejszyć rozmiar czujnika. Mierzenie bardzo małych promień może wymagać użycia linii opóźniających lub przetworników zanurzeniach bezdotykowych. Mogą być również wykorzystywane do pomiarów w rowkach, zagłębieniach i innych miejscach o ograniczonym dostępie.

Temperatura

Falowniki kontaktowe mają zwykle zastosowanie w temperaturze obiektu do 50 ° C. Gorące materiały mogą uszkodzić czujnik z powodu rozszerzalności cieplnej. W takich przypadkach zawsze używaj przetworników z termoodporną linią opóźniającą, czujnikami zanurzenia lub wysokotemperaturowymi z dwoma elementami.

W niektórych przypadkach obiekt o małej impedancji akustycznej (gęstość pomnożona przez szybkość dźwięku) jest połączony z materiałem o większej impedancji akustycznej. Typowymi przykładami są plastyczne, gumowe i szklane powłoki ze stali lub innych metali, a także powłoka polimerowa z włókna szklanego. W tym przypadku echo z granicy między tymi dwoma materiałami będzie odwrócone fazowo – odwrócone względem echa z granicy z powietrzem. Można to poprawić po prostu zmieniając ustawienie instrumentu, ale jeśli nic się nie stanie, odczyty będą niedokładne.

Dokładność

Dokładność pomiarów zależy od wielu czynników, w tym weryfikacji ultrasonograficznych mierników grubości, ich kalibracji, jednorodności prędkości w materii, tłumienia i rozproszenia dźwięku, chropowatości i krzywizny powierzchni, słabego sprzężenia i niższego niższego. Dokładność najlepiej osiągnąć przy użyciu standardów o znanym rozmiarze. Przy prawidłowej kalibracji błąd ultradźwiękowego miernika grubości wynosi ± 0,01 mm, a nawet ± 0,001 mm. Linie opóźnień lub czujników zanurzenia w trzecim trybie zwiększają również dokładność pomiarów.