Ультрадыбыстық қалыңдық өлшегіш: жұмыс принципі және шектеулері

Ультрадыбыстық қалыңдық өлшегіш қабырғаға қысқа ультрадыбыстық импульс жіберіп, қарсы беттен шағылған эхоның датчикке қайту уақытын өлшейді. Қалыңдықты аспап T = V × t / 2 формуласы бойынша есептейді, мұнда V — материалдағы дыбыс жылдамдығы. Бір жақтан қолжетімділік жеткілікті, ал дәлдік калибрлеуге, датчикке және беттің күйіне байланысты.

Импульс-эхо принципі

Evident нұсқаулығы бойынша кез келген ультрадыбыстық қалыңдық өлшегіштің жұмысы уақытты дәл өлшеуге негізделген:

1. Генератор датчиктің пьезоэлементіне қысқа электр импульсін береді, элемент ультрадыбыстық толқындар шоғырын шығарады.
2. Толқын байланыс сұйықтығы арқылы материалға еніп, түп бетіне немесе басқа шекараға, мысалы құбыр ішіндегі ауаға немесе сұйықтыққа дейін жетеді.
3. Шағылған эхо қайтып келеді, датчик оны қайтадан электр сигналына айналдырады.
4. Аспап уақыт аралығын өлшейді (әдетте бұл секундтың бірнеше миллионнан бір бөлігі), орташалау үшін әдетте бірнеше рет, және қалыңдықты есептейді:

T = V × t / 2, мұнда T — қалыңдық, V — материалдағы дыбыс жылдамдығы, t — барып-қайту уақыты. Кейбір жағдайларда уақыттан аспаптағы, кабельдегі және датчиктегі кідірістерге арналған нөл түзетуі де шегеріледі.

Дыбыс жылдамдығы — есептеудің міндетті бөлігі. Типтік мәндер кестесі және калибрлеу тәртібі — «Материалдардағы дыбыс жылдамдығы: қалыңдық өлшеуге арналған кесте» мақаласында.

Жиілік. Ультрадыбыстық бақылау әдетте 500 кГц-тен 20 МГц-ке дейінгі диапазонда жүргізіледі. Жоғары жиілік (5 МГц және одан жоғары) жұқа материалдарда жақсы ажыратымдылық береді, төмен жиілік (2,25 МГц және одан төмен) — қалың, қатты әлсірететін және шашырататын материалдарға, мысалы шыны пластикке және ірі түйірлі құймаларға жақсы ену береді.

Байланыс сұйықтығы. Мегагерцтік ультрадыбыс ауа арқылы нашар өтеді, сондықтан датчик пен бөлшектің арасына глицерин, пропиленгликоль, су, май немесе гель тамызылады — жұқа ауа саңылауын толтыруға жететіндей ғана.

Коррозиялық және прецизиялық қалыңдық өлшегіштер

Evident қалыңдық өлшегіштерді екі түрге бөледі:

	Коррозиялық қалыңдық өлшегіш	Прецизиялық қалыңдық өлшегіш
Датчик	Екі элементті (бөлек-біріктірілген)	Бір элементті (біріктірілген)
Міндет	Ішкі коррозиясы бар құбырлардың, сыйымдылықтардың, қысымдағы ыдыстардың қалған қалыңдығы	Қалған барлық міндеттер: металдар, пластиктер, шыны, композиттер
Күшті жағы	Жаралар мен жергілікті жұқаруға сезімтал, ыстық беттерге төзімді	Меншікті дәлдігі жоғары
Шектеуі	V-тәрізді сәуле жолы тригонометриялық түзетуді талап етеді, нөлдің ығысуы мүмкін	Жараларды екі элементтіге қарағанда нашар табады, түйіспелі датчиктер шамамен 50 °C-қа дейін ғана

Датчик түрлері

Бір элементті датчиктің ішінде тозуға төзімді пластинамен немесе акустикалық линзамен қорғалған пьезокерамикалық элемент тұрады, ал артында импульстен кейінгі тербелісті басатын демпфер бар. Екі элементті датчик басқаша жасалған: екі элемент акустикалық экранмен бөлінген, демпфер жоқ, ал дыбыс кіріктірілген кідіріс сызықтары арқылы енгізіледі.

Датчик	Дыбысты қалай енгізеді	Қолданылатын жері
Түйіспелі	Тікелей тозуға төзімді пластина арқылы	Ең үлкен максималды қалыңдық, құймаларға, тығыздығы төмен пластиктерге, резеңкеге жақсы ену
Кідіріс сызықты	Элемент пен бөлшек арасындағы қондырма (кідіріс сызығы) арқылы	Жұқа материалдар, пластиктер мен композиттер, кіші радиустар, ыстық беттер (ыстыққа төзімді кідіріс сызығымен)
Иммерсиялық	Су қабаты немесе су бағаны арқылы	Өте кіші радиустар (фокусталған), желідегі қозғалыстағы материалды өлшеу: құбыр, кабель қабығы, табақ
Екі элементті	Кідіріс сызықтарындағы бөлек сәулелендіргіш пен қабылдағыш, V-тәрізді сәуле жолы	Коррозия: ішкі жақтан қалған қалыңдық, ыстық құбырлар

Әдетте ең тұрақты нәтижені қажетті қалыңдық диапазонын әлі де қамтитын ең жоғары жиілікті және ең кіші диаметрлі датчик береді.

Өлшеу режимдері

Бір элементті датчиктерде уақыт үш тәсілдің бірімен өлшенеді:

Режим	Не өлшенеді	Артықшылықтары	Кемшіліктері
1-режим (түйіспелі датчик)	Зондтаушы импульстен бірінші түп эхосына дейін, нөл түзетуін шегеріп	Ең үлкен максималды қалыңдық, ең жақсы ену	Ең кіші қалыңдық жоғарырақ, дәлдік түйіспеге байланысты, шамамен 50 °C-қа дейін ғана
2-режим (кідіріс сызығы немесе иммерсия)	«Датчик — бөлшек» шекарасының эхосынан бірінші түп эхосына дейін	Пластиктер мен композиттерде бет маңындағы ажыратымдылық, ыстық өлшеулер, кіші радиустар, желіде өлшеу	Максималды қалыңдық кідіріс сызығының ұзындығымен шектеледі
3-режим (кідіріс сызығы немесе иммерсия)	Екі қатарлас түп эхосының арасы	Ең жоғары дәлдік және ең кіші қалыңдық бойынша ең жақсы ажыратымдылық, жұқа бояуды есептен шығарады	Таза көп реттік түп эхолары керек: ұсақ түйірлі металдар, керамика, шыны

Екі элементті датчиктер әдетте 1-режимде кідіріс сызықтарынан өту уақытына арналған үлкен нөл түзетуімен және V-тәрізді сәуле жолына арналған түзетумен жұмыс істейді.

Дәлдікке не әсер етеді

Калибрлеу. Evident атап өткендей, дәлдік жылдамдық пен нөлді калибрлеу дәлдігінен жоғары болмайды. Калибрлеу материал немесе датчик ауысқанда және температура айтарлықтай өзгергенде қайталанады.

Материал.

• Құйма тот баспайтын болаттағы, шойындағы, шыны пластиктегі, композиттердегі түйірлер мен талшықтар шекараларында, сондай-ақ кеуектерде шашырау.
• Тығыздығы төмен пластиктер мен резеңкедегі әлсіреу: ол температурамен бірге өседі және максималды қалыңдықты шектейді.
• Біркелкі емес дыбыс жылдамдығы: құймаларда түйір құрылымының әртүрлілігінен, шыны пластикте шайыр мен талшық қатынасының өзгеруінен.
• Эхо фазасының инверсиясы, мысалы металдағы шыны немесе пластик футеровкада немесе болаттағы мыс қаптамада: детекциялау полярлығын ауыстыру керек.

Геометрия және бет.

• Кедір-бұдыр бет ең кіші өлшенетін қалыңдықты арттырады және эхоны бұрмалайды. Борпылдақ тот, қақ және қабыршақтанған бояу алынады.
• Қисық бетте датчик ортаға қойылып, бетке перпендикуляр ұсталады; радиус неғұрлым кіші болса, датчик те соғұрлым кіші болуы керек. Қисықтағы артық байланыс сұйықтығы жалған сигналдар береді.
• Қабырғалар параллель болмаса (конус, эксцентриситет), эхо әлсіреп, бұрмаланады, ал көрсеткіш сәуле дағындағы шамамен орташа қалыңдыққа сәйкес келеді.

Оператор. 1-режимде байланыс сұйықтығы қабатының қалыңдығы өлшеуге кіреді, сондықтан сұйықтық мөлшері мен басу күші бірдей болуы керек. Датчикті еңкейту эхоны бұрмалайды. Датчикті кедір-бұдыр бетпен сүйреуге болмайды.

Жабындар. Металл емес жабындардағы дыбыс жылдамдығы әдетте болаттағыдан шамамен екі есе төмен, сондықтан бояу нәтижеге жабынның екі еселенген қалыңдығына тең қате қосуы мүмкін. Бұл үшін «эхо-эхо» және THRU-COAT режимдері бар.

Әдістің шектеулері

• Байланыс сұйықтығы және дайындалған нүкте қажет: ультрадыбыс ауа саңылауынан өтпейді.
• Температура. Кәдімгі түйіспелі датчиктер шамамен 50 °C-тан жоғары зақымданады. Ыстық беттерге екі элементті датчиктер (жекелеген модельдер үшін қысқа уақыт 500 °C-қа дейін) немесе 2 және 3-режимдердегі кідіріс сызықтары мен иммерсия, ал шамамен 100 °C-тан жоғары — жоғары температуралы байланыс сұйықтығы қажет.
• Ең кіші және ең үлкен қалыңдық датчикке, режимге және материалға байланысты. Датчиктің минимумынан жұқа қабырғада жалған асырылған көрсеткіштер болуы мүмкін.
• Қатты әлсірететін материалдар (резеңке, шыны пластик, көптеген композиттер) төмен жиілікті датчиктерді және ену қабілеті жоғары аспаптарды талап етеді.
• Екі элементті датчиктер нөлдің ығысуы және V-тәрізді жолдың қателігі мүмкін болғандықтан прецизиялық өлшеуге ұсынылмайды.
• Ұзын кабельдер және суға батыру. Кабель шамамен 3 м-ден ұзын болса, оның сигналға әсерін ескеру керек. Стандартты датчиктерді таяз суға қысқа уақыт батыруға болады, ал ұзақ батыру немесе шамамен 2 м-ден тереңге батыру үшін герметикалық датчиктер қажет.
• Қалыңдық өлшегіш — дефектоскоп емес. Ол нүктедегі қалыңдықты өлшейді және жарықшақтарды, балқымауларды, қатпарлануды іздеуге және бағалауға арналмаған. Міндеттердің айырмашылығы «Қалыңдық өлшеу, дефектоскоп немесе PAUT» мақаласында түсіндірілген.

Коррозиясы бар құбырдағы өлшеудің қадамдық тәртібі — «Құбыр қабырғасының қалыңдығын ультрадыбыспен қалай өлшеуге болады» мақаласында.

Қандай аспапты таңдау керек

• Құбырлар мен ыдыстардың коррозиясын бақылау — 45MG: базада екі элементті датчиктер, опция ретінде «эхо-эхо», THRU-COAT және бір элементті датчиктер.
• Бір элементті датчиктермен дәл өлшеу, көп қабатты материалдар, жабын арқылы өлшеу — 39DL PLUS.

Модельдерді салыстыру — «Қай Olympus қалыңдық өлшегішін таңдау керек» мақаласында, міндетке сай таңдау — қалыңдық өлшегіш таңдау шеберінде. KEG TRK Қазақстанда Evident (Olympus) қалыңдық өлшегіштерін жеткізеді. Бағасы сұраныс бойынша.

Дереккөздер

• Evident. Theory of Operation.
• Evident. Types of Ultrasonic Thickness Gauges.
• Evident. Transducer Construction.
• Evident. Transducer Selection.
• Evident. How Do Ultrasonic Thickness Gauges Work? (Modes of Measurement).
• Evident. Measurements Through Coatings.
• Evident. Factors Affecting Measurement.
• Evident. How to Use Ultrasonic Thickness Gauges in Special Conditions.