Товщиноміри ультразвукові: принцип роботи, інструкція, виробники, відгуки
Ультразвукове вимір товщини є неруйнівним одностороннім методом визначення ширини матеріалу. Він швидкий, надійний, універсальний і, на відміну від мікрометра або штангенциркуля, не вимагає доступу до двох сторін предмета. Перші комерційні датчики, які використовують принцип сонара, з`явилися в кінці 1940 років. Невеликі переносні прилади, оптимізовані для широкого спектру застосувань, стали звичними в 1970-і роки. А інновації в області мікропроцесорної техніки дозволили досягти нового рівня точності, простоти і мініатюрності.
Содержание
Виробництвом пристроїв займається велика кількість відомих компаній. Серед них - німецька компанія Siemens, американська Dakota Ultrasonics, британська Cygnus. У Росії прилади випускають такі компанії, як НПФ «АКС», НПК «Луч», НВЦ «МАКСПРОФ» і ін.
Що можна виміряти?
Практично будь-яка звичайна конструкційний матеріал може бути визначений за допомогою ультразвуку. ультразвукові датчики можуть бути налаштовані на метали, пластики, композити, скловолокно, кераміку і скло. Також можливі виміри екструдованих пластмас і прокату в процесі виробництва - як окремих шарів або покриттів, так і багатошарових виробів, рідини і біологічних зразків. Ще одна операція, де просто необхідний ультразвуковий товщиномір, - визначення товщини цегли, конструкцій з бетону, асфальту і гірських порід. Такі вимірювання майже завжди руйнівні і не вимагають різання або розбирання об`єкта.
Матеріали, які не підходять для звичайного ультразвукового виміру через погану передачі високочастотних хвиль, включають деревину, папір, бетон і спінені продукти.
Як виміряти?
Звукова енергія може генеруватися в широкому спектрі частот. Чутний звук знаходиться в діапазоні від 20 до 20 кГц. Чим вище частота, тим вище сприймається тон. Енергія більш високої частоти, за межами людського слуху, називається ультразвуком. Найчастіше ультразвуковий контроль здійснюється в діапазоні частот від 500 кГц до 20 МГц, хоча деякі спеціалізовані інструменти досягають 50 кГц або 100 МГц. Незалежно від частоти, звукова енергія являє собою механічні коливання, які відбуваються в певному середовищі, такий як повітря або сталь, в відповідності з основними законами фізики хвиль.
Для вимірювань використовують ультразвуковий товщиномір. Принцип роботи пристрою полягає в точному обчисленні часу проходження імпульсу від невеликого зонда (перетворювача) через вимірюваний об`єкт, відбитого його внутрішньою поверхнею або далекої стінкою. оскільки звукові хвилі відбиваються від кордону між різнорідними матеріалами, це вимір зазвичай виробляється з одного боку, в режимі «імпульс / відлуння».
Перетворювач містить п`єзоелектричний елемент, який збуджується коротким електричним імпульсом для генерації дискретних ультразвукових хвиль. Вони посилаються в вимірюваний матеріал і проходять через нього, поки не стикаються із задньою стінкою або іншим перешкодою. Відбита хвиля повертається до датчика, перетворюючого механічні коливання в електричну енергію. По суті, товщиноміри ультразвукові прослуховують відлуння з протилежного боку. Зазвичай проміжок часу між посланим і відбитим сигналом становить всього кілька мільйонних часток секунди. У прилад занесені дані про швидкість звуку в досліджуваному матеріалі, з якого він може потім розрахувати товщину, використовуючи просту математичну зв`язок: d = V t / 2, де:
- d - товщина ділянки;
- V - швидкість звуку;
- t - виміряний час проходження звуку.
важливий параметр
Важливо відзначити, що швидкість звуку в досліджуваному об`єкті є суттєвою частиною цього розрахунку. Різні матеріали передають звукові хвилі по-різному. Як правило, в твердих речовинах вона вище, а в м`яких - нижче. Крім того, вона може значно змінюватися з температурою. При цьому завжди необхідно калібрувати толщиномери ультразвукові на швидкість в вимірюваному матеріалі, від якої прямо залежить точність показань приладу.
Звукові хвилі в мегагерцовому діапазоні через повітря проходять погано, тому для поліпшення передачі звуку між випромінювачем і зразком поміщається крапля сполучної рідини. Зазвичай в якості контактної рідини використовується гліцерин, пропіленгліколь, вода, масло і гель. Досить невеликої кількості рідини, щоб заповнити надзвичайно тонкий повітряний зазор.
режими виміру
Виробники ультразвукових товщиномірів вимірюють часовий інтервал проходження енергії через зразок, який випробовують трьома способами:
- Проміжок між імпульсом збудження, який генерує звукову хвилю і першим повертаються луною за вирахуванням невеликого значення зсуву, компенсуючого затримки в інструменті, кабелі та перетворювачі.
- Інтервал часу між повернутим луною від поверхні зразка і першим відбитим луною.
- Проміжок між двома послідовними донним луна-сигналами.
Вибір режиму, як правило, диктує тип перетворювача, а також конкретні вимоги програми. Перший режим використовується з контактним датчиком і рекомендується для більшості застосувань. У другому присутній лінія затримки або заглибні перетворювачі, застосовувані на опуклих і увігнутих поверхнях, в замкнутому просторі, для вимірювання рухається матеріалу або об`єктів з високою температурою.
Третій режим також використовує лінії затримки або заглибні датчики і, як правило, забезпечує високу точність і найкраще мінімальний дозвіл товщини. Зазвичай застосовується, коли якість вимірювань в першому або другому режимі незадовільний. Однак останній режим підходить тільки для матеріалів, які виробляють чисті множинні ехосигнали, як правило, мають низький показник загасання, як у дрібнозернистих металів, скла, кераміки.
Два типи пристроїв
Товщиноміри ультразвукові, як правило, діляться на два типи: корозійні і прецизійні. Одним з найважливіших їх застосувань є визначення залишкової ширини стінки металевих труб, резервуарів, конструкційних деталей і посудин високого тиску, які схильні до внутрішньої корозії і не можуть бути видні зовні. Товщиноміри ультразвукові корозійні для цього і призначені. У них використовуються методи обробки сигналів, які оптимізовані для виявлення мінімальної залишкової ширини стінок в грубих і іржавих зразках зі спеціалізованими двоелементною датчиками.
В інших випадках рекомендують застосовувати високоточні прилади з поодинокими перетворювачами, - для металів, пластмас, скловолокна, композитів, гуми і кераміки. Створено безліч різноманітних датчиків прецизійних пристроїв, які здатні вимірювати з точністю ± 0,025 мм і вище, що перевищує показники корозійних вимірників.
ГОСТ толщиномери ультразвукові класифікує за призначенням, ступенем автоматизації, захищеності від впливу зовнішнього середовища, стійкості до механічних впливів, а також визначає їх основні показники.
типи перетворювачів
- Контактні датчики використовуються при безпосередньому зіткненні з випробуваним зразком. Вимірювання з їх допомогою прості, тому вони застосовуються найчастіше.
- Перетворювачі з лінією затримки містять пластиковий, епоксидний або кварцовий циліндр як проміжна ланка між активним елементом і досліджуваним об`єктом. Головна причина їх використання - вимір тонких об`єктів, де важливо відокремити імпульси збудження від донних ехосигналів. Лінія затримки може служити утеплювачем, захистом термочутливого елемента датчика від прямого контакту з гарячими матеріалами. Також їй можна надати форму, поліпшує зчеплення при різко увігнутих або вигнутих поверхнях.
- Занурювальні перетворювачі для підведення звукової енергії до вимірюваного елементу використовують водяну колону або ванну. Їх застосовують для вимірювань рухомих об`єктів, для сканування або оптимізації зчеплення при наявності гострих радіусів, канавок або каналів.
- Перетворювачі з двома елементами використовуються в корозійних шіріномерах для визначення ширини об`єктів з грубої, корродированою поверхнею. Складаються з окремого передавального і приймаючої елемента, встановлених під невеликим кутом до лінії затримки, щоб сфокусувати енергію на вбрання відстань під поверхнею вимірюваного зразка. Хоча такі вимірювання не настільки точні, як у датчиків інших типів, вони, як правило, забезпечують значно більш високу продуктивність.
Товщиномір ультразвуковий: інструкція
Для підготовки до проведення вимірювань слід під`єднати перетворювач до приладу, включити його, задати швидкість звуку і відкалібрувати. Для цього потрібно нанести трохи контактного речовини на калібрувальний еталон, докласти датчик і включити режим калібрування. Дану процедуру необхідно обов`язково виконувати після заміни перетворювача або батарей. Можливі варіанти калібрування за відомою товщині і швидкості звуку.
Для проведення вимірювань необхідно на поверхню об`єкта нанести контактна речовина і докласти датчик. Результат відобразиться на дисплеї. Можливе використання пристрою в режимі сканування, наприклад, для пошуку найменшою товщини матеріалу. Також можна налаштувати подачу сигналу для виявлення місця з розміром стінки менше встановленого значення.
Для виміру швидкості звуку необхідно виміряти об`єкт штангенциркулем або мікрометром, докласти перетворювач і дочекатися результату. Встановивши попередньо виміряне значення, натиснути кнопку для збереження даних в пам`яті приладу. Деякі пристрої дозволяють передавати результати на ПК.
Ультразвуковий товщиномір: відгуки
Користувачі позитивно оцінюють компактний розмір, зручність у використанні, надійність, простоту калібрування сучасних приладів. Фахівці відзначають відсутність альтернатив пристроїв даного типу при оцінці стану автомобілів, якості виконання кузовних робіт. Пристрій дозволяє визначити, перефарбовувати транспортний засіб і чи брала участь воно в ДТП. Товщиноміри, для роботи яких не потрібно контактна рідина, а також здатні проводити самокалібрування, користуються найбільшою популярністю.
Матеріал і діапазон
Ультразвуковий товщиномір, принцип роботи якого вибирається залежно від складу, діапазону вимірювань, геометрії, температури, вимог до точності і інших можливих умов, часом просто незамінний.
Тип матеріалу і межі вимірювань є найбільш важливими факторами при виборі приладу і перетворювача. Багато речовин, включаючи більшість металів, кераміку і скло, проводять ультразвук дуже ефективно і дозволяють проводити виміри в широкому діапазоні. Більшість пластмас швидше поглинають енергію і, отже, мають більш обмежений максимальний діапазон товщини, але в більшості виробничих ситуацій вимірювання проблем не викликають. Гума, скловолокно та багато композитні матеріали поглинають набагато сильніше і вимагають великих передавачів і приймачів, оптимізованих для роботи на низьких частотах.
Товщина визначає і тип перетворювача. Тонкі об`єкти вимірюють на високих частотах, а товсті або демпфирующие - на низьких. Для дуже тонких матеріалів використовується лінія затримки, хоча вони, а також заглибні перетворювачі обмежені по товщині вимірювання через перешкоди від багаторазового відлуння. У разі широких об`єктів або предметів, що складаються з декількох матеріалів, можуть знадобитися датчики різних типів.
кривизна поверхні
Зі збільшенням кривизни поверхні ефективність контакту між перетворювачем і вимірюваним об`єктом зменшується, тому зі зменшенням радіусу кривизни повинен бути зменшений розмір датчика. Вимірювання дуже малих радіусів може зажадати застосування ліній затримки або безконтактних заглибних перетворювачів. Вони також можуть бути використані для замірів в пазах, порожнинах і інших місцях з обмеженим доступом.
температура
Контактні перетворювачі, як правило, можуть бути застосовані при температурі об`єкта до 50 ° C. Більш гарячі матеріали можуть пошкодити датчик через ефект теплового розширення. У таких випадках завжди слід використовувати перетворювачі з термостійкої лінією затримки, імерсійним або високотемпературні датчики з двома елементами.
В окремих випадках об`єкт з низьким акустичним опором (щільність, помножена на швидкість звуку) з`єднаний з матеріалом з більш високим акустичним імпедансом. Типові приклади - пластмасові, гумові і скляні покриття стали або інших металів, а також полімерне покриття скловолокна. При цьому відлуння від кордону між двома матеріалами буде фазоінвертірованним - перевернутим по відношенню до луни від кордону з повітрям. Це можна виправити простим зміною настройки приладу, але якщо нічого не зробити, то показання будуть неточними.
похибка
На точність вимірювань впливає безліч факторів, у тому числі перевірка товщиномірів ультразвукових, їх калібрування, однорідність швидкості в речовині, загасання і розсіювання звуку, шорсткість і кривизна поверхні, поганий зв`язок і донна непаралельність. Точність найкраще досягається при використанні еталонів відомого розміру. При правильному калібруванні похибка ультразвукового товщиноміра становить ± 0,01 мм і навіть ± 0,001 мм. Лінії затримки або імерсійним датчики в третьому режимі також підвищують точність вимірювань.
