Тепловизоры
Охранные тепловизоры
Медицинские тепловизоры
Ультразвуковые дефектоскопы, толщиномеры
Ультразвуковой анализатор дефектов
Ультразвуковые расходомеры
Прибор для контроля и анализа вибрации проводов линий электропередачи
Измерители физических величин
Гелиевые и галогенные течеискатели
Прибор для определения степени коррозии трубопроводов
Георадар для поиска и идентификации подземных объектов
Системы вибромониторинга, вибродиагностики и управления производственными фондами
Пирометры
Черные тела (АЧТ)
ультрафиолетовый дефектоскоп филин
Электроизмерительные приборы
Прибор для контроля элегазовых выключателей
Корреляционные и акустические течеискатели для подземных коммуникаций
Твердомеры
Трубо-кабелеискатели
Газоанализаторы дымовых газов
Beta Laser Mike
Тепловизоры
Пирометры, линейные сканеры и ИК-камеры
Толщинометрия и дефектоскопия
Ультрафиолетовый дефектоскоп Филин
Электроизмерительные приборы
Корреляционные и акустические течеискатели для подземных коммуникаций
Прибор для определения степени коррозии трубопроводов
Системы вибромониторинга, вибродиагностики и управления производственными фондами
MIKRON (США)
PANAMETRICS-NDT™, США
FUJI TECOM (Япония)
CHAUVIN ARNOUX (Франция)
L. H. Testing Instruments Co., Ltd.
НОВОСТИ КОМПАНИИ
НОВОСТИ NDT
новые пирометры серии MI-N500
Новые тепловизоры от фирмы GUIDE
тепловизоры модели IR913
новые модели одно- и 3- фазных цифровых TRMS ваттметров
????????, ???????????
Печать

  ТЕОРИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕЦИЗИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ


Принципы измерения толщины

Ультразвуковой неразрушающий контроль, позволяющий проводить измерение толщины материалов, обнаруживать наличие в них дефектов и получать данные об их физических свойствах с помощью высокочастотных звуковых волн, стал широко распространенным методом обеспечения качества продукции. Ультразвуковые средства позволяют получать быстрые и надежные результаты измерений толщины без необходимости доступа к обеим сторонам объекта контроля. В некоторых случаях возможна очень высокая точность измерений, составляющая ± 1 микрон. С помощью ультразвука можно измерять толщину большинства конструкционных материалов (включая металлы, пластмассы, керамику, композиты, эпоксидные смолы и стекло), некоторых биологических образцов, а также определять уровень жидкости в трубах и закрытых резервуарах. Ультразвуковыми средствами можно проводить измерения в поточной линии толщины пластмассовых изделий в процессе их производства методом экструзии и толщины металлического проката. Кроме этого, с помощью ультразвука можно измерять толщину покрытий или отдельных слоев многослойных материалов. При всем разнообразии функций современные ручные ультразвуковые толщиномеры высоконадежны и просты в эксплуатации.

Прецизионные ультразвуковые толщиномеры обычно работают на частотах от 500 КГц до 100 МГц с использованием пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), генерирующих ультразвуковые импульсы при возбуждении активного элемента ПЭП электрическими импульсами. Для соответствия различным требованиям промышленности разработан целый ряд ПЭП с различными акустическими характеристиками. Низкочастотные ПЭП обычно используются при необходимости улучшить проникновение ультразвука в изделия большой толщины, выполненные из материалов с высоким затуханием ультразвука. В свою очередь, высокочастотные ПЭП рекомендуются для повышения разрешающей способности при измерениях объектов контроля малой толщины, выполненных из материалов, не ослабляющих и не рассеивающих ультразвук.

Ультразвуковые толщиномеры, работающие в эхо-импульсном режиме, позволяют измерить толщину объекта контроля, точно измеряя время, которое затрачивает короткий ультразвуковой импульс, генерируемый ПЭП, на прохождение через материал объекта контроля, отражение от его противоположной или донной поверхности и возвращение обратно на ПЭП. В большинстве случаев это время не превышает нескольких микросекунд. Полученное время прохождения ультразвукового импульса до отражающей поверхности и обратно делится на 2 и умножается на значение скорости ультразвука в данном материале. Таким образом, эти расчеты выполняются с использованием хорошо известного уравнения:

d = Vt / 2 где d = толщина объекта контроля
V = скорость ультразвука в материале, из которого выполнен объект контроля
t = время прохождения ультразвукового импульса до отражающей поверхности и обратно


Кроме этого, в реальных условиях из значения времени прохождения ультразвука обычно вычитается значение сдвига нуля. Это необходимо для учета электронных и механических задержек электрического и ультразвукового импульсов. При проведении обычных измерений с использованием прямого контактного ПЭП сдвиг нуля компенсирует время прохождения ультразвукового импульса через износостойкий протектор ПЭП и слой контактной жидкости, а также позволяет учесть время возрастания ультразвукового импульса и задержки при прохождении электрического сигнала через кабель. Реальное значение сдвига нуля устанавливается в процессе настройки толщиномера, обеспечивая максимальную точность и линейность результатов измерений.

Рисунок 1 Принципиальная схема стандартного толщиномера


На рисунке 1 представлена принципиальная схема современного ультразвукового толщиномера на базе микропроцессора. Генератор импульсов, управляемый микропроцессором, обеспечивает подачу однонаправленного электрического сигнала на высокодемпфированный широкополосный ультразвуковой ПЭП. ПЭП, находясь в контакте с объектом контроля, генерирует широкополосный ультразвуковой импульс, проникающий в объект контроля обычно через слой контактной жидкости. Отраженный эхосигнал принимается ПЭП и преобразуется снова в электрический сигнал, который в свою очередь поступает на приемник с функцией автоматической регулировки усиления. Логические схемы управления и измерения, управляемые микропроцессором, синхронизируют работу генератора импульсов и приемника, а также выделяют эхосигналы, использующиеся для измерения времени прохождения ультразвукового импульса через объект контроля.

Если за определенный период эхосигналы не зафиксированы, толщиномер отключается, обеспечивая энергосбережение, и автоматически включается с началом нового цикла измерений. Если эхосигналы зафиксированы, толщиномер точно измеряет временной интервал между эхосигналами (выбор эхосигналов зависит от установленного режима измерения), повторяя этот процесс несколько раз, что обеспечивает устойчивое усредненное показание. После этого микропроцессор использует полученное значение времени вместе с информацией о скорости ультразвука и сдвиге нуля, сохраненной в оперативной памяти, для расчета толщины. Полученное значение толщины отображается на жидкокристаллическом дисплее (ЖКД) и обновляется в соответствии с установленной частотой.

Большинство современных толщиномеров оснащены встроенными регистраторами данных, способными сохранять до нескольких тысяч показаний толщины с идентификаторами, а также установочную информацию. Впоследствии эти данные могут быть вызваны на дисплей толщиномера или переданы на принтер или компьютер для анализа.

Режимы измерения толщины и выбор ПЭП

Режимы ультразвукового измерения толщины могут быть классифицированы в соответствии с типом используемого ПЭП. Кроме этого, они могут быть классифицированы по эхосигналам, между которыми производится измерение временнoго интервала. Для прецизионного измерения толщины используются ПЭП следующих типов:
  1. Прямые контактные ПЭП
  2. ПЭП с линией задержки
  3. Иммерсионные ПЭП

В зависимости от эхосигналов, между которыми производится измерение временнoго интервала, существует следующие три основных режима:

Режим 1: В режиме 1 производится измерение временнoго интервала между зондирующим импульсом и первым донным эхосигналом. В этом режиме используются контактные ПЭП. Это основной режим измерения, который рекомендуется в большинстве случаев. При проведении измерения в модифицированном режиме 1 предусматривается использование только ПЭП М2008.

Режим 2: В режиме 2 производится измерение временнoго интервала между эхосигналом границы сред (эхосигналом от поверхности ввода объекта контроля) и первым донным эхосигналом. В этом режиме используются иммерсионные ПЭП и ПЭП с линией задержки. Режим 2 чаще всего применяется при измерениях толщины изделий с сильно вогнутыми или выпуклыми поверхностями, а также при ограниченном доступе к объекту контроля. При этом используются обычные ПЭП с линией задержки. Этот режим может применяться и при измерениях толщины движущихся в поточной линии изделий с использованием иммерсионных ПЭП, а также для измерения толщины изделий, имеющих высокую температуру поверхности, с использованием ПЭП, оснащенных высокотемпературными линиями задержки.

Режим 3: В режиме 3 производится измерение временнoго интервала между двумя последовательными донными эхосигналами. В этом режиме также используются иммерсионные ПЭП и ПЭП с линией задержки. Данный режим может быть использован только при наличии нескольких четких донных эхосигналов, что обычно ограничивает область применения этого режима материалами с относительно низкой степенью рассеяния ультразвука и с высоким акустическим импедансом, такими как мелкозернистые металлы, стекло и керамика. Режим 3 обычно обеспечивает наиболее высокую точность измерений и наилучшую разрешающую способность при измерении минимальной толщины, поэтому он используется, если необходимую точность и/или разрешающую способность нельзя получить в режимах 1 и 2.

Классификация режимов измерения представлена в таблице 1. В таблице также приведены изображения эхосигналов и указаны типы ПЭП для каждого режима.

Таблица 1. Режимы прецизионного ультразвукового измерения толщины
РЕЖИМ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭХОСИГНАЛОВ ТИПЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПЭП ДИАПАЗОН ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ (СТАЛЬ)* ПРИБЛИЗИТ. ПОГРЕШНОСТЬ
1 ПРЯМОЙ КОНТАКТНЫЙ ОТ 0,3 мм ДО 2,5 М ± 0,01 мм
2 С ЛИНИЕЙ ЗАДЕРЖКИ, ИММЕРСИОННЫЙ ОТ 0,5 ММ ДО 10 СМ ± 0,002 мм
3 С ЛИНИЕЙ ЗАДЕРЖКИ, ИММЕРСИОННЫЙ ОТ 0,1 ММ ДО 4 СМ ± 0,002 мм

* ПОДРАЗУМЕВАЕТСЯ, ЧТО ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТОЛЩИНЫ В УКАЗАННОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА СОСТАВЛЯЕТ ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО 0,5 СМ/МКСЕК, А МАКСИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ДИАПАЗОНА НЕ ОГРАНИЧЕНО ЗАТУХАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА В МАТЕРИАЛЕ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ.

Примечание: Кроме указанных типов ПЭП существуют раздельно-совмещенные ПЭП. Однако эти ПЭП чаще используются при ультразвуковом измерении толщины корродированных объектов контроля, которые в данной статье не рассматриваются. Как показывает название, в раздельно-совмещенном ПЭП используется два разделенных пьезоэлектрических элемента. Один из них служит для передачи зондирующих импульсов, а другой - для приема эхосигналов. Эти пьезоэлементы разделены акустическим экраном и установлены на отдельных линиях задержки. Измерения толщины с использованием раздельно-совмещенных ПЭП выполняются в модифицированном режиме 1. Раздельно-совмещенные ПЭП обычно выполняются в прочных корпусах и могут выдерживать воздействие высоких температур. Благодаря высокой чувствительности, они позволяют уверенно обнаруживать изъязвления или области локального уменьшения толщины на поверхности объекта контроля. Однако эти ПЭП не рекомендуются для прецизионных измерений толщины по причине возможных ошибок из-за смещения сдвига нуля и нарушения синхронизации при коррекции V-образной траектории распространения ультразвука. Более подробную информацию об использовании раздельно-совмещенных ПЭП вы можете получить у представителя компании GE Panametrics.

Проведение измерений

Режим измерения 1 с использованием прямых контактных ПЭП является самым простым и может быть использован в большинстве случаев. Он обеспечивает самую высокую степень проникновения ультразвука от ПЭП в объект контроля. При этом должны быть соблюдены следующие условия: минимальная толщина материала не должна составлять менее 0,12 мм (для пластмасс) или 0,25 мм (для металлов), требуемая точность не превышать 12,5 микрон, а температура поверхности объекта контроля должна равняться примерно комнатной температуре. Кроме этого, форма объекта контроля должна обеспечивать плотный контакт ПЭП с поверхностью. Измерения в режимах 2 и 3 с ПЭП с линией задержки или иммерсионными ПЭП, как указано выше, в целом рекомендуются, когда условия измерения исключают использование режима 1.

Выбор ПЭП, соответствующего конкретным условиям измерения толщины, зависит от диапазона и необходимой разрешающей способности измерения, а также от акустических свойств материала (материалов) и формы объекта контроля. Лучше всего ПЭП выбирать экспериментальным путем, используя образцы из материала объекта контроля, толщина которых соответствует ожидаемому диапазону измерений. В любом случае рекомендуется использовать ПЭП с как можно более высокой частотой и с наименьшей площадью рабочей поверхности, обеспечивающие надежные результаты в нужном диапазоне толщин. ПЭП с малой площадью рабочей поверхности обеспечивают наилучший контакт ПЭП с объектом контроля и позволяют использовать самый тонкий слой контактной жидкости. В свою очередь высокая частота ПЭП обеспечивает ультразвуковые импульсы с более коротким временем возрастания, что увеличивает точность измерений. С другой стороны, акустические свойства материала или состояние поверхности объекта контроля могут вызвать необходимость использования низкочастотных ПЭП с большой площадью рабочей поверхности. Такие ПЭП позволяют улучшить степень проникновения ультразвука в объект контроля или устранить потери сигнала, имеющие место из-за высокого затухания ультразвука в данном материале. В некоторых случаях при выборе оптимального ПЭП может потребоваться компромисс между степенью проникновения ультразвука в объект контроля и сохранением разрешающей способности (в частности, при измерении толщины тонких материалов) или наоборот. Для обеспечения измерений толщины во всем необходимом диапазоне с учетом всей совокупности вышеперечисленных факторов иногда приходится использовать два или более ПЭП.

Факторы, влияющие на характеристики и точность измерений

а) Настройка толщиномера: Точность любых ультразвуковых измерений зависит от тщательности настройки толщиномера. Все прецизионные ультразвуковые толщиномеры предусматривают ручную настройку скорости ультразвука и сдвига нуля в соответствии с условиями измерения. Настройка должна выполняться и периодически проверяться в соответствии с указаниями производителя. Значение скорости ультразвука зависит от материала, из которого выполнен объект контроля, а значение сдвига нуля обычно зависит от типа ПЭП, длины кабеля ПЭП и используемого режима измерения.

б) Состояние поверхности объекта контроля: Наиболее точные результаты измерений могут быть получены, если поверхность ввода и донная поверхность объекта контроля являются гладкими и параллельными. При контакте ПЭП с грубой поверхностью объекта контроля минимальная измеряемая толщина возрастает из-за реверберации ультразвука в более толстом слое контактной жидкости. Неточность результатов измерения может быть вызвана колебаниями толщины слоя контактной жидкости под ПЭП. Кроме этого, неровности поверхности ввода и донной поверхности объекта контроля могут привести к искажениям донных эхосигналов из-за образования нескольких траекторий отражения ультразвука, что также приводит к неточности результатов измерения.

в) Степень контакта ПЭП с поверхностью объекта контроля: При измерениях толщины в режиме 1 с использованием прямого контактного ПЭП измеряется также толщина слоя контактной жидкости. Это значение компенсируется сдвигом нуля. Для достижения максимальной точности измерений необходимо обеспечить плотный контакт ПЭП с поверхностью объекта контроля. Это достигается использованием разумного количества контактной жидкости с достаточно малой вязкостью и постоянным давлением ПЭП на поверхность. Небольшая практика позволит Вам научиться легко определять усилие прижатия (от умеренного до сильного), обеспечивающее правильные показания. В целом, ПЭП с меньшей площадью рабочей поверхности требуют меньшего усилия прижатия.

Во всех режимах при наклоне ПЭП эхосигналы искажаются, что также приводит к неточным показаниям, о чем будет упомянуто ниже.

г) Кривизна поверхности объекта контроля: На степень контакта ПЭП с поверхностью объекта контроля влияет также форма объекта контроля. При измерениях толщины объектов контроля с искривленными поверхностями важно размещать ПЭП как можно ближе к центральной оси объекта контроля и держать ПЭП как можно более вертикально. В некоторых случаях может оказаться удобным использовать пружинный V-образный держатель. В целом, при уменьшении радиуса кривизны поверхности объекта контроля следует уменьшать площадь рабочей поверхности ПЭП. При очень малых радиусах кривизны поверхности необходимо использовать иммерсионный метод измерения толщины. В некоторых случаях, для выработки у оператора навыка правильно располагать ПЭП может потребоваться вывод изображений эхосигналов на экран компьютерного осциллографа (PC-скопа).

Для получения удовлетворительных результатов измерения толщины объектов контроля с искривленными поверхностями важно не превышать минимально необходимое количество контактной жидкости. Избыток контактной жидкости может вызвать реверберацию ультразвука, что приведет к формированию ложных эхосигналов и потере точности показаний.

д) Схождение и расхождение поверхностей (эксцентриситет) объекта контроля: Если поверхности объекта контроля сходятся или расходятся относительно друг друга, эхосигнал может быть искажен в результате колебания длины траектории распространения ультразвука. Точность показаний при этом снижается. В некоторых случаях измерения становятся невозможны.

е) Акустические свойства материала объекта контроля: Некоторые особенности конструкционных материалов могут сильно ограничивать точность и диапазон ультразвуковых измерений толщины:

1. Рассеяние звука: Особенности строения некоторых материалов (кристаллическая структура металлических отливок или несовпадение акустического импеданса составных материалов матрицы и основы композитов) вызывает рассеивание ультразвуковой энергии. Это рассеяние препятствует надежному выделению донного эхосигнала, что ограничивает возможности ультразвукового измерения толщины. В некоторых случаях это явление можно устранить при помощи настройки чувствительности, однако, при этом диапазон измерений уменьшается.

2. Ослабление и поглощение звука: Многие органические материалы, например, пластики с малой плотностью или резина, очень быстро поглощают ультразвук. По этой причине максимальная толщина измерения таких материалов уменьшается.

3. Колебания скорости звука в материале: Ультразвуковые измерения толщины будут точны только в том случае, если значение скорости ультразвука, на которую настроен толщиномер, совпадает со скоростью ультразвука в объекте контроля. В некоторых материалах наблюдаются значительные колебания скорости звука от точки к точке. В металлических отливках такой эффект возникает из-за разнозернистости, вызывающей изменения в направлении распространения ультразвука. В некоторых материалах, например пластмассе и резине, на изменение скорости ультразвука влияет температура объекта контроля. При измерении толщины изделий из этих материалов настройку скорости звука следует проводить при температуре реальных измерений.

ж) Инверсия или изменение фазы эхосигналов: Фаза или полярность эхосигналов определяется относительными акустическими импедансами (плотность материала х скорость ультразвука) двух граничащих материалов. Большинство толщиномеров, выпускаемых промышленностью, обеспечивают измерения толщины в случае, когда донная поверхность объекта контроля граничит с жидкой или воздушной средой, у которой акустический импеданс ниже, чем у металлов, керамики или пластмасс. Однако в некоторых случаях (например, при измерениях толщины пластиковых или стеклянных покрытий на металлах или медных покрытий на стали) отношение акустических импедансов различных материалов меняется, вызывая так называемую инверсию фазы эхосигналов. Для поддержания точности измерений в этих случаях следует изменить полярность эхосигналов или, если это не позволяет тип прибора, установить значение сдвига нуля, компенсирующее ошибку синхронизации на один полупериод.

Более сложные ситуации могут возникнуть при измерении толщины таких материалов, как крупнозернистая сталь (в отливках) или композиты. В этих случаях, из-за особенностей кристаллической структуры материала, ультразвук может распространяться по нескольким траекториям, что вызывает искажение фазы эхосигналов. Это проявляется в том, что полученные эхосигналы не являются четко положительными или отрицательными. Рекомендуется поэкспериментировать с образцами из материала объекта контроля для изучения факторов, влияющих на точность измерений. Если указанное явление проявляется постоянно, его можно устранить установкой соответствующего значения сдвига нуля. Однако, если не удается добиться устойчивой формы эхосигнала, прецизионное измерение толщины может оказаться невозможным.

Контактные жидкости

При ультразвуковых измерениях толщины могут использоваться контактные жидкости различных типов. Специалисты компании GE Panametrics считают, что в большинстве случаев в качестве контактной жидкости лучше всего использовать пропиленгликоль. В сложных случаях, когда требуется максимальная степень передачи ультразвука в объект контроля, рекомендуется использовать глицерин. Однако глицерин вызывает коррозию некоторых металлов, поэтому его использование может оказаться нежелательным. Другими контактными жидкостями, которые можно использовать при ультразвуковом измерении толщины, объектов контроля с нормальной температурой поверхности, являются вода, различные масла, смазки и гели, а также силиконовые жидкости.

В некоторых случаях, если поверхность объекта контроля является гладкой, вместо контактной жидкости между рабочей поверхностью ПЭП или линии задержки и объектом контроля можно использовать тонкую эластичную мембрану (например, из полиуретана). При этом часто необходимы соответствующие изменения значений параметров работы толщиномера и большее усилие прижатия ПЭП к поверхности объекта контроля.

Как будет отмечено ниже, при измерении толщины объектов контроля с высокой температурой поверхности необходимо использовать высокотемпературные контактные жидкости со специальным химическим составом.

Измерения толщины объектов контроля с высокой температурой

Измерения толщины объектов контроля с высокой температурой (выше 50° С) относятся к отдельной категории. Во-первых, важно иметь в виду, что обычные контактные ПЭП при воздействии высокой температуры выходят из строя или разрушаются. Это происходит из-за различия коэффициентов теплового расширения материалов, из которых выполнены ПЭП, что приводит к нарушению связи между ними. Кроме этого, ПЭП, нагретый выше определенной температуры, невозможно удерживать незащищенными пальцами.

Таким образом, измерения толщины объектов контроля с высокой температурой могут быть проведены только в режимах 2 или 3 с использованием ПЭП, оснащенных специальными высокотемпературными линиями задержки или иммерсионных ПЭП. Скорость ультразвука в материале меняется в зависимости от температуры, обычно увеличиваясь при охлаждении и уменьшаясь при нагревании. Особенно резкие скачки скорости ультразвука происходят при замерзании материала или его переходе в жидкое состояние. Этот эффект более четко наблюдается в пластмассах и резинах, чем в металлах. Для обеспечения максимальной точности измерений настройку скорости ультразвука следует проводить при температуре, соответствующей температуре, при которой будут производиться измерения. Измерения толщины объектов контроля с высокой температурой после настройки толщиномера на стандартных образцах с комнатной температурой приводят к значительным ошибкам.

В завершение следует упомянуть, что для измерений при температурах свыше примерно 100° С рекомендуется использовать специальные высокотемпературные контактные жидкости.

Измерения толщины в поточной линии

Ультразвуковые измерения толщины большинства изделий из конструкционных материалов могут быть выполнены в поточной линии, обеспечивая непрерывный контроль процесса производства. В частности таким измерениям подлежат пластиковые изделия, изготавливаемые методом экструзии, или металлические листы и трубы. Обычно измерения толщины в поточной линии проводятся с передачей ультразвука в объект контроля через слой воды, обеспечиваемый локальной иммерсионной ванной, струей воды, или погружением в иммерсионную ванну. Измерения толщины в этом случае выполняются в режимах 2 или 3, хотя в некоторых специальных случаях возможен режим 1 с использованием контактного ПЭП. Для получения точных результатов ультразвуковых измерений толщины в поточной линии температура объекта контроля должна оставаться постоянной, чтобы избежать ошибок из-за колебания скорости ультразвука. Поверхность объектов контроля должны быть достаточно гладкими, обеспечивая равномерный контакт ПЭП. Для обеспечения равномерности контакта ПЭП и поверхности объекта контроля в некоторых случаях могут потребоваться специальные фиксаторы различных типов.

Длина кабелей

В определенных случаях, например при измерениях толщины под водой, требуются кабели большой длины, соединяющие толщиномер и ПЭП. Чаще всего это относится к измерениям толщины корродированных объектов контроля, которые в данной статье не рассматриваются. Однако в некоторых случаях кабели большой длины могут потребоваться и при проведении прецизионных измерений толщины. Длина кабеля, которая оказывает значительное влияние на работу толщиномера, определяется условиями измерения и зависит от частоты ПЭП, а также от требований к точности и минимальному диапазону измерений. При частоте ПЭП 20 МГц на форму эхосигналов оказывает длина кабеля, составляющая более 1 м. При более низких частотах ПЭП могут быть использованы кабели большей длины. Влияние длины кабеля должно быть определено экспериментальным путем, в зависимости от условий измерения, в частности, когда длина кабеля превышает приблизительно 3 м. При измерениях в режиме 1 электрические отражения кабеля могут увеличивать длительность зондирующего импульса и ограничивать минимальную измеряемую толщину. Для компенсации времени прохождения электрических импульсов по кабелю следует установить соответствующее значение сдвига нуля. В режимах 2 и 3 электрические отражения кабеля могут вызвать искажения эхосигнала границы сред и донного эхосигнала, а в крайних случаях (при длине кабеля 30 метров и более) могут даже привести к появлению больших ложных эхосигналов, следующих за истинными эхосигналами с интервалами, равными времени прохождения электрического сигнала в кабеле.

Дополнительные замечания по режимам измерения

Режим 1: Измерение временнoго интервала между зондирующим импульсом и первым донным эхосигналом

Ультразвуковые измерения толщины с использованием прямых контактных ПЭП в целом представляют собой самый простой тип измерений и могут применяться в самых разнообразных случаях. Контактный метод измерения обеспечивает самую высокую эффективность передачи ультразвука от ПЭП в объекты контроля, выполненные из большинства конструкционных материалов. Для измерений толщины с использованием прямых контактных ПЭП рекомендуется использовать режим 1, где только позволяют условия измерения.

Как показано в таблице 1, контактный метод измерения может быть использован при минимальной толщине объекта контроля 0,5 мм (для металлов) и 0,125 мм (для пластмасс). Необходимая точность при этом не должна превышать ± 0,025 мм. Как уже было упомянуто выше, не следует использовать прямые контактные ПЭП, если температура объекта контроля превышает 50° С, так как при этом возникает вероятность термического повреждения ПЭП.

Таблица 1. Сводная таблица условий измерения толщины, при которых рекомендуется использование прямого контактного ПЭП (режим 1)
ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ СТАНДАРТНЫЙ ДИАПАЗОН ТОЛЩИНЫ (ПРИБЛИЗ.) СТАНДАРТНАЯ ТОЧНОСТЬ (+/-) РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПЭП ПРИМЕЧАНИЯ
Плоская пластина (металл или керамика) От 1,25 до 500 мм От 0,02 до 0,25 мм B, D Точность зависит от состояния поверхности объекта контроля
Плоская пластина (пластик) От 6 до 50 мм От 0,02 до 0,25 мм D, B Точность ограничена неравномерностью температуры и степенью ослабления ультразвука
Плоский лист (металл или керамика) От 0,5 до 6 мм 0,01 мм H Высота микронеровностей поверхности – не более 1 микрон
Плоский лист (пластик) От 0,15 до 6 мм От 0,01 до 0,04 мм F, H Ослабление ультразвука может ограничить диапазон измерений. Колебания температуры ограничивают точность.
Труба (металл) От 1 до 12,5 мм 0,02 мм F Грубая поверхность объекта контроля может ограничить диапазон и точность измерений
Труба (пластик) От 1 до 20 мм 0,04 мм D, F Колебания температуры объекта контроля могут ограничить точность измерений
Трубы (металл, стекло) От 0,5 до 3 мм 0,02 мм H Мин. диаметр – 1,5 мм.
Стержни, валы От 6 до 250 мм От 0,02 до 0,2 мм D, F, H Выбор ПЭП зависит от диаметра объекта контроля
Емкости (стекло) От 0,5 до 6 мм 0,02 мм F, H Минимальный радиус кривизны поверхности 6 мм
Емкости большие (пластик) От 0,5 до 6 мм 0,02 мм F Поверхности должны быть приблизительно параллельны. Колебания температуры могут ограничить точность измерений
Емкости малые (пластик) От 0,15 до 2 мм 0,02 мм H С минимальным радиусом кривизны поверхности 1 мм
Отливки (чугун, нержавеющая сталь) От 2 до 25 мм От 0,04 до 0,25 мм B, E Поверхность отливки может быть обработана песком или землей
Точные отливки (лопатки турбин и лопасти) От 0,5 до 5 мм 0,04 мм H Поверхности должны быть приблизительно параллельны.
Волокнит (покрытия) От 1 до 20 мм 0,2 мм C, D, E Зависит от гомогенности материала
Покрытия (пластмасса, резина) От 0,3 до 20 мм 0,04 мм D, F Может проявляться перевертывание фазы эхосигналов
Резина (беговые дорожки, протекторы) От 5 до 20 мм 0,2 мм B, A Обычно высокая степень ослабления ультразвука в резине
Втулки (пластиковые трубчатые) От 1 до 6 мм 0,04 мм G Измерения изнутри


В этом режиме измерения толщины к временнoму интервалу между зондирующим импульсом и первым донным эхосигналом добавляется дополнительное время прохождения ультразвукового импульса через износостойкое донышко ПЭП и слой контактной жидкости, а также время задержек электрического импульса в кабеле и время возрастания эхосигнала. Для устранения этих факторов толщиномеры оснащены функцией установки сдвига нуля, которая позволяет выделять только необходимый временной интервал. Сдвиг нуля следует устанавливать каждый раз при изменении частоты ПЭП. Для этого используется стандартный образец известной толщины и с известным значением скорости ультразвука, или, если скорость ультразвука неизвестна, два стандартных образца с различными известными толщинами, которые могут быть использованы как для определения скорости ультразвука, так и значения сдвига нуля.

КОД ПЭП ОПИСАНИЕ
A 1 МГц, с диаметром пьезоэлемента 13 мм
B 2,25 МГц, с диаметром пьезоэлемента 13 мм
C 2,25 МГц, с диаметром пьезоэлемента 25 мм
D 5 МГц, с диаметром пьезоэлемента 13 мм
E 5 МГц, с диаметром пьезоэлемента 6 мм
F 10 МГц, с диаметром пьезоэлемента 6 мм
G 10 МГц, с диаметром пьезоэлемента 3 мм
H 20 МГц, с диаметром пьезоэлемента 3 мм

При выборе прямого контактного ПЭП, соответствующего условиям измерения, необходимо учитывать акустические свойства материала объекта контроля, а также его толщину и форму. В целом, наиболее надежные и устойчивые результаты измерений будут получены при использовании ПЭП с самой высокой частотой и самой малой площадью рабочей поверхности, которые обеспечивают надежные результаты измерений в нужном диапазоне толщин. ПЭП с малой площадью рабочей поверхности лучше всего обеспечивают передачу ультразвука в объект контроля и позволяют использовать минимальное количество контактной жидкости. Кроме этого, ПЭП с более высокой частотой генерируют сигналы с более коротким временем возрастания, что позволяет увеличить точность измерений. С другой стороны, акустические свойства или состояние поверхности объекта контроля могут вызвать необходимость использования низкочастотных ПЭП, позволяющих оптимизировать степень передачи ультразвука в объект контроля и/или снизить затухание ультразвука в объекте контроля.

При проведении контактным способом измерений толщины изделий с искривленными поверхностями, размер активного элемента ПЭП обычно следует уменьшить при уменьшении радиуса кривизны поверхности объекта контроля. Кроме этого, количество контактной жидкости между ПЭП и поверхностью объектом контроля должно быть сведено до минимума, так как реверберация, возникающая в скоплениях контактной жидкости, вызывает шум.

Таблица 1 представляет собой попытку обобщить основные условия, при которых рекомендуются или предпочитаются измерения в режиме 1 с использованием прямых контактных ПЭП. Диапазон толщин, точность и рекомендации по выбору ПЭП носят ориентировочный характер и не должны рассматриваться как однозначное руководство к действию. Из-за возможных отклонений акустических свойств материала от нормы и из-за влияния геометрии изделия, точный диапазон и точность в каждом конкретном случае измерения должны всегда проверяться на стандартных образцах из материала объекта контроля. В некоторых случаях измерения будут возможны в большем диапазоне и с более высокой точностью, чем указано в таблице, а в других случаях – меньше. И хотя в таблице приводятся рекомендации по выбору ПЭП, для получения точных результатов измерения во всем диапазоне толщины в некоторых случаях может потребоваться два или более различных ПЭП.

Режим 2: Измерение временнoго интервала между эхосигналом границы сред и первым донным эхосигналом

В режиме 2 измеряется временной интервал между двумя эхосигналами, непосредственно следующими за зондирующим импульсом. Обычно первым из этих эхосигналов является эхосигнал границы сред, т.е. эхосигнал, отраженный от границы контакта линии задержки или воды с поверхностью ввода объекта контроля, а вторым – донный эхосигнал, отраженный от донной поверхности объекта контроля.

При измерениях толщины в режиме 2 следует иметь в виду, что эхосигнал границы сред и донный эхосигнал должны быть истинными. Во-первых, необходимо убедиться в наличии эхосигнала границы сред. Эхосигнал границы сред может практически отсутствовать при иммерсионных измерениях толщины некоторых материалов, акустический импеданс которых, например мягких пластиков и кремнийорганических соединений, очень близок к акустическому импедансу воды. Аналогичная ситуация возникает при использовании раздельно-совмещенного ПЭП для измерений толщины изделий из полимеров, так как их акустический импеданс почти совпадает с акустическим импедансом материала линии задержки. При использовании ПЭП с линией задержки эта проблема может быть решена установкой линии задержки из другого материала. Когда эта проблема возникает при иммерсионных измерениях, простое решение найти гораздо труднее, так как в качестве иммерсионной среды редко можно использовать не воду, а другие жидкости. (В отдельном случае такого совпадения акустических импедансов при контроле изделий, изготовляемых методом экструзии и имеющих высокую температуру, эту проблему можно решить перемещением ПЭП чуть дальше вдоль линии охлаждения до точки, где пластик частично охлаждается, и его акустический импеданс возрастает.)

Необходимо также отслеживать полярность эхосигнала границы сред и донного эхосигнала и устанавливать соответствующий режим детектирования и/или значение сдвига нуля, обеспечивающие устранение влияния инверсии фазы эхосигналов. Чаще всего эта необходимость возникает при измерении толщины пластиков и металлов с использованием ПЭП с линией задержки. При контакте пластмассовой линии задержки с металлическим объектом контроля образуется граница низкого и высокого акустического импеданса, в то время как при контакте той же линии задержки с многими полимерными материалами может образоваться граница относительно высокого и низкого акустического импеданса. Полярность эхосигнала границы сред во втором случае меняется на противоположную, что (если толщиномер не настроен правильно) приводит к ошибочным результатам измерений. Это может произойти, если толщиномер с ПЭП с линией задержки был настроен на металлическом стандартном образце, а используется для измерения толщины пластикового объекта контроля. При иммерсионных измерениях толщины объектов контроля с искривленными поверхностями также могут произойти искажения фазы эхосигнала границы сред и донного эхосигнала, так как форма ультразвукового луча и степень кривизны поверхности ввода и донной поверхности объекта контроля оказывают значительное влияние на форму эхосигналов. В таких случаях очень важно провести настройку толщиномера на стандартных образцах, повторяющих реальную форму объекта контроля, во время которой устранить любые искажения фазы эхосигналов установкой соответствующего значения сдвига нуля или режима детектирования.

Режим 3: Измерение временнoго интервала между двумя последовательными эхосигналами, следующими за эхосигналом границы сред

Измерение временного интервала в режиме 3 производится между двумя последовательными эхосигналами, следующими непосредственно за эхосигналом границы сред. Этот режим обычно используется в случаях, когда материал объекта контроля имеет относительно малую толщину и требуется самая высокая точность измерений. В режиме 3 лучше всего измерять толщину конструкционных материалов, имеющих акустический импеданс не менее 1 х 106 гр/см–2-сек (сюда относятся большинство металлов, керамика и стекло). В материалах этого типа все последовательные эхосигналы имеют одинаковую полярность, а их относительная амплитуда определяется коэффициентом передачи ультразвука из материала в полистирол (из которого выполнена линия задержки) или воду. Так как оба этих материала имеют относительно низкий акустический импеданс, соотношение амплитуд последовательных эхосигналов составляет обычно более 0,5 или –6дБ. В Приложении I приведена таблица ожидаемых значений частичных потерь акустической энергии между последовательными эхосигналами в воде и в линиях задержки из полистирола. При проведении измерений толщины изделий из материалов с сильно различающимися значениями акустического импеданса, для обеспечения максимальной точности необходимо установкой соответствующего значения сдвига нуля обеспечить компенсацию изменений амплитуд последовательных эхосигналов. Однако из таблицы видно, что ошибки не слишком значительны, пока акустический импеданс не опускается ниже значения 3 х 106.

Во многих отраслях промышленности при измерении толщины в режиме 3 удобнее использовать не иммерсионный ПЭП, а ПЭП с линией задержки. ПЭП с линией задержки могут быть использованы для проведения измерений толщины приблизительно в диапазоне от 0,075 мм до 12,5 мм, в зависимости от частоты ПЭП и длины линии задержки. Как и при измерениях с прямым контактным ПЭП, размер активного элемента ПЭП с линией задержки или площадь рабочей поверхности линии задержки должен быть уменьшен при уменьшении радиуса кривизны поверхности. Однако при радиусе кривизны поверхности объекта контроля, составляющем приблизительно 3 мм и менее, оптимальную степень передачи ультразвука в объект контроля обеспечивают именно иммерсионные ПЭП, поэтому в этом случае их использование оказывается предпочтительным.

Если требуются точные результаты измерения толщины объектов контроля с поверхностями, имеющими среднюю высоту микронеровностей 3 микрона, режим 3 с использованием ПЭП с линией задержки дает более надежные показания, чем измерения прямым контактным ПЭП в режиме 1. Это происходит потому, что в режиме 3 чаще всего не учитывается толщина слоя контактной жидкости, который увеличивает временнoй интервал, измеряемый с использованием прямого контактного ПЭП в режиме 1. Тот же самое относится к измерениям толщины слоя краски, где последовательные эхосигналы относятся к металлам или другим материалам с высоким акустическим импедансом, на которые нанесена краска, а не к самой краске. Однако, существуют факторы, ограничивающие использование режима 3, в частности слишком грубая поверхность объекта контроля или наличие толстого слоя коррозии на ней. При измерениях толщины в режиме 3 необходимо получить не менее двух четких эхосигналов, а из-за потерь ультразвука, вызванных грубой (корродированной) поверхностью, второй эхосигнал может не проявиться.

При использовании иммерсионных ПЭП для измерений в режиме 3 во время начальной настройки толщиномера всегда необходимо отслеживать эхосигналы при помощи компьютерного осциллографа (PC-скопа). Часто могут появляться ложные или нежелательные эхосигналы и, если их не обнулить электронными средствами, проведение точных измерений становится невозможным. Возможные ситуации проиллюстрированы на рисунке 3

Рисунок 3 Изображения эхосигналов при измерениях в режиме 3.

Рисунок 3а - Правильное измерение



На рисунке 3а изображены эхосигналы, полученные при правильном измерении толщины с использованием фокусирующего иммерсионного ПЭП. Преимущество фокусирующих иммерсионных ПЭП по отношению к нефокусирующим, имеющим ту же частоту и размер активного элемента, заключается в том, что при их использовании угол расхождения ультразвукового луча не играет значительной роли, а степень проникновения ультразвука в изогнутые по радиусу объекты контроля значительно улучшается.

Рисунок 3б - Ошибка – измерение временного интервала между максимумами одиночного эхосигнала

На рисунке 3б изображено измерение временного интервала, проведенное не между последовательными донными эхосигналами, а между максимумами первого донного эхосигнала. Эта ошибка возникает при искажении эхосигналов, которое может быть следствием отсутствия контакта или неправильной фокусировки ПЭП.

Рисунок 3в - Ошибка – измерение временного интервала между первым донным эхосигналом и преобразованным эхосигналом поперечной волны


Рисунок 3в иллюстрирует ошибочное измерение интервала времени между первым донным эхосигналом и преобразованным эхосигналом поперечной волны. Такое преобразование может произойти в случае, когда используется фокусирующий иммерсионный ПЭП, а участок траектории распространения ультразвука в воде является слишком длинным. Для получения нескольких четких эхосигналов фокусирующий иммерсионный ПЭП следует разместить по отношению к объекту контроля на расстоянии, которое гораздо меньше фокусного расстояния. Если ПЭП размещен примерно на фокусном расстоянии от объекта контроля, обычно появляются промежуточные эхосигналы поперечной волны. (Обратите внимание на то, что эта проблема возникает только при измерениях в режиме 3. В режиме 2 эхосигналы, следующие за первым донным эхосигналом, интереса не представляют.) Похожее явление может возникнуть в некоторых других случаях, когда поверхности объектов контроля, сильно изогнутые по радиусу, вызывают рефракцию и/или изменение составляющих ультразвукового луча, направленного к ним под углом, отличным от нормального. Для определения позиции ПЭП, обеспечивающей самые четкие последовательные эхосигналы, рекомендуется поэкспериментировать с различными комбинациями фокусного расстояния и длины траектории распространения ультразвука в воде.



Таблица 2: Сводная таблица условий измерения толщины, где рекомендуется использование ПЭП с линией задержки или иммерсионного ПЭП (режим 3)

ОБЪЕКТ КОНТРОЛЯ СТАНДАРТНЫЙ ДИАПАЗОН ТОЛЩИНЫ (ПРИБЛИЗ.) СТАНДАРТНАЯ ТОЧНОСТЬ (+/-) РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПЭП

А. ПЭП с линией задержки

Тонкие листы/пластины (металл, стекло, керамика) От 1,25 до 500 мм 0,002 мм B, D
Трубы с тонкими стенками (металл, стекло, керамика) От 6 до 50 мм 0,002 мм D, B
Трубы с тонкими стенками (малого диаметра) От 0,5 до 6 мм 0,002 мм H
Плоские или слегка изогнутый лист (пластмассовый) От 0,15 до 6 мм 0,002 мм F, H

Б. Иммерсионные ПЭП

Листы (металл, стекло, керамика) От 1 до 12,5 мм 0,005 мм F
Листы (металл, стекло, керамика) От 1 до 20 мм 0,005 мм D, F
Трубы (металл, стекло, керамика) мин. диаметр 50 мм От 1 до 6 мм 0,01 мм H
Трубы (металл, стекло, керамика) мин. диаметр 25 мм От 1 до 3 мм 0,01 мм D, F, H
Трубы (металл, стекло, керамика) мин. диаметр 15 мм От 0,5 до 2 мм 0,002 мм F, H


КОД ПЭП ОПИСАНИЕ
A С линией задержки, 10 МГц, с диаметром пьезоэлемента 6 мм
B С линией задержки, 15 МГц, с диаметром пьезоэлемента 6 мм
C С линией задержки, 20 МГц, с диаметром пьезоэлемента 3 мм
D Иммерсионный, 10 МГц, с диаметром пьезоэлемента 6 мм, с фокусным расстоянием 50 мм
E Иммерсионный, 20 МГц, с диаметром пьезоэлемента 3 мм, с фокусным расстоянием 25 мм


Заключение

Данный документ содержит обзор некоторых основных аспектов прецизионной ультразвуковой толщинометрии. Более подробную информацию вы можете получить, обратившись к представителю компании GE Panametrics.

ПРИЛОЖЕНИЕ I

ПОТЕРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ МЕЖДУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ ЭХОСИГНАЛАМИ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ СНИЖЕНИЕ ИХ АМПЛИТУДЫ

    Воздушная среда со стороны донной поверхности    
МАТЕРИАЛ КОНТРОЛЯ Z* ПОЛИСТИРОЛ ВОДА ВОДА ОБЕ СТОРОНЫ
    E2/E1 A2/A1 E2/E1 A2/A1 E2/E1 A2/A1
Вольфрам 10 0,89 0,94 0,97 0,98 0,94 0,97
Молибден 6,4 0,83 0,91 0,95 0,97 0,90 0,95
Сталь 4,6 0,78 0,88 0,94 0,97 0,88 0,94
Медь 4,3 0,76 0,87 0,93 0,96 0,86 0,93
Латунь (70-30) 3,7 0,73 0,85 0,92 0,96 0,85 0,92
Цирконий 3,0 0,67 0,82 0,90 0,95 0,81 0,90
Титан 2,7 0,64 0,80 0,86 0,93 0,74 0,86
Алюминий 1,7 0,50 0,71 0,84 0,92 0,71 0,84
Кремний 1,5 0,46 0,68 0,82 0,91 0,67 0,82
Магний 1,0 0,30 0,55 0,74 0,86 0,55 0,74
* Х 106г/см2-сек (приблизительно)