Эхо-метод ультразвуковой толщинометрии - Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Вернуться   Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист > Форум Дефектоскопист > Статьи о дефектоскопии


Старый 15.04.2015, 19:41   #1
В мире НК
Гость
 
Сообщений: n/a
По умолчанию Эхо-метод ультразвуковой толщинометрии

Эхо-метод ультразвуковой толщинометрии

Об авторе


Семеренко Алексей Владимирович
Руководитель подразделения Olympus NDT компании ЗАО «Панатест НК»,
специалист III уровня по УЗК.

Ультразвуковые эхо-импульсные толщиномеры на базе ПЭП работают на частотах 0,5 - 100 МГц и измеряют время t между зондирующим импульсом и одним из отраженных от донной поверхности эхо-импульсом (или между двумя эхо-импульсами). При известной скорости с продольной ультразвуковой волны в изделии измеряемая толщина h изделия определяется соотношением h = ct/2. В зависимости от конфигурации и состояния поверхностей объекта используют толщиномеры одной из следующих групп:

- группа А: для ручного контроля изделий с гладкими (шероховатость Rz ≤ 40 мкм) параллельными поверхностями;

- группа Б: для ручного контроля изделий с грубыми непараллельными поверхностями;

- группа В: для автоматического контроля в потоке.

Основное требование, предъявляемое к приборам групп А и В, - высокая точность измерения, к приборам группы Б - высокая чувствительность, необходимая для фиксации рассеянного отражения от неровной противоположной поверхности и определения места наибольшего локального утонения стенок; требования к точности измерения в этом случае снижены.

Приборы группы А перекрывают диапазон измерений от 0,1 до 1000 мм, имеют абсолютную погрешность измерений ± 0,005 и ± (0,01 + 0,001h) мм в диапазоне 0,1 - 1,0 мм и 1 - 1000 мм соответственно. Приборы группы Б начинают работать только с 0,5 мм и в диапазоне 0,5 - 10 мм имеют погрешность ± 0,1 мм, а в остальных поддиапазонах (до 1000 мм) погрешность равна ± (0,1 + 0,01h), где h - измеряемая величина.

Рассмотрим факторы, влияющие на точность измерений, применительно к толщиномерам групп А и В и средства, позволяющие минимизировать влияние этих факторов.


Рис. 1. Блок-схема толщиномера

На рис. 1 представлена блок-схема микропроцессорного ультразвукового толщиномера. Блоки автоматической и временной регулировки усиления поддерживают постоянной амплитуду Umax донного сигнала, что важно для повышения точности измерения. Логические схемы управления и измерения, управляемые микропроцессором, синхронизируют работу генератора импульсов и приемника, а также выделяют эхо-сигналы, используемые для измерения времени t двойного прохождения ультразвукового импульса в ОК.

Микропроцессор использует полученное значение времени t вместе с информацией о скорости с ультразвука и сдвиге нуля, сохраненной в оперативной памяти, для расчета толщины h. Полученное значение h отображается на дисплее и обновляется в соответствии с установленной частотой. Для измерения толщины используют прямые совмещенные ПЭП, ПЭП с линией задержки, иммерсионные ПЭП. Оператору же необходимо правильно определить режим, в котором будут проводиться измерения.

Для выполнения измерений с использованием указанных ПЭП необходимо, чтобы толщиномер имел три режима измерения временных интервалов.


Рис. 2. Измерение толщины прямым совмещенным ПЭП

Режим 1. В этом режиме проводится измерение временного интервала между зондирующим импульсом и первым донным эхо-сигналом с использованием прямого совмещенного ПЭП (рис. 2). Это основой режим измерения, который рекомендуется в большинстве случаев.

Как показано в табл. 1, такой режим измерения может быть использован при минимальной толщине ОК 0,5 мм (для металлов) и 0,125 мм (для пластмасс). Точность при этом не превышает ± 0,01 мм.

В этом режиме измерения толщины необходимо учитывать время прохождения ультразвукового импульса через протектор ПЭП и слой контактной среды, а также время задержек электрического импульса в кабеле и время нарастания переднего фронта эхо-сигнала.


Данные табл. 1 носят ориентировочный характер и не должны рассматриваться как справочный материал и руководство к действию. В каждом конкретном случае измерения всегда должны проверяться на стандартных образцах из материала ОК.
Изображения
Тип файла: jpg 00.jpg (4.9 Кб, 156 просмотров)
Тип файла: jpg 01.jpg (18.6 Кб, 154 просмотров)
Тип файла: jpg 02.jpg (18.8 Кб, 155 просмотров)
Тип файла: jpg t11.jpg (127.3 Кб, 162 просмотров)
  Ответить с цитированием
Старый 15.04.2015, 19:45   #2
В мире НК
Гость
 
Сообщений: n/a
По умолчанию


Рис. 3. Измерение толщины ПЭП с локальной иммерсионной ванной


Рис. 4. Измерение толщины с использованием ПЭП с призмой

Режим 2. В этом режиме проводится измерение временного интервала между эхо-сигналом от контактной поверхности изделия и первым донным эхо-сигналом. Здесь используются иммерсионные ПЭП (рис. 3) и ПЭП с призмой (рис. 4). Чаще всего этот режим применяют при измерениях толщины изделий с большим радиусом кривизны поверхности (с сильно вогнутыми или выпуклыми поверхностями), а также при ограниченном доступе к ОК. Режим 2 может применяться и при измерениях толщины в поточной линии, с использованием иммерсионных ПЭП, а также для измерения толщины изделий с температурой на поверхности до 500 °С (используются высокотемпературные призмы).

При измерениях толщины в режиме 2 следует иметь в виду, что эхо-сигнал от контактной поверхности изделия может практически отсутствовать при иммерсионных измерениях толщины материалов, акустический импеданс которых близок к акустическому импедансу воды. Аналогичная ситуация возникает при использовании совмещенного ПЭП с призмой для измерения толщины изделий из полимеров, так как их акустический импеданс почти совпадает с акустическим импедансом материала призмы. Необходимо также отслеживать полярность эхо-сигнала от контактной поверхности изделия и донного эхо-сигнала и, в случае необходимости, соответствующими настройками прибора смещать измерительный строб на один полупериод.

Режим 3. В этом режиме производится измерение временного интервала между двумя последовательными донными эхо-сигналами. Здесь также используются иммерсионные ПЭП и ПЭП с призмой. Такой режим может быть использован только при наличии нескольких четких донных эхо-сигналов, что ограничивает его область применения материалами с высоким коэффициентом затухания и высоким акустическим импедансом. Режим 3 обычно используется, если необходимую точность и/или разрешающую способность нельзя получить в режимах 1 и 2.

В режиме 3 лучше всего измерять толщину конструкционных материалов малой толщины, имеющих акустический импеданс не менее 1 х 106 гсм-2/с (большинство металлов, керамика и стекло). В этих материалах все последовательные эхо-сигналы имеют одинаковую полярность, а их относительная амплитуда определяется коэффициентом передачи ультразвука из материала в полистирол (из которого выполнена призма) или воду. Так как оба этих материала имеют относительно низкий акустический импеданс, соотношение амплитуд последовательных эхо-сигналов Л2/Д1 составляет обычно более 0,5 или 6 дБ.

ПЭП с призмой могут быть использованы для проведения измерений толщины в диапазоне от 0,075 до 12,5 мм (в зависимости от частоты ПЭП и длины призмы). Размер пьезоэлемента (или площадь контактной поверхности призмы) должны быть уменьшены при уменьшении радиуса кривизны поверхности. Однако при радиусе кривизны поверхности ОК 3 мм и менее наилучшую передачу ультразвука в ОК обеспечивают иммерсионные ПЭП, поэтому в этом случае их использование оказывается предпочтительным. Существуют факторы, ограничивающие использование режима 3, которые не позволяют получить необходимое количество донных эхо-сигналов, - очень грубая поверхность изделия или наличие сильной коррозии на ней. При проведении измерений в режиме 3 для наблюдения за формой сигнала во время настройки толщиномера желательно использовать компьютерный осциллограф (PC-скоп) или программу отображения А-скана на дисплее прибора. С помощью этих средств удается отфильтровать сигналы-помехи.


Данные табл. 2 носят ориентировочный характер и не должны рассматриваться как справочный материал и руководство к действию.


В таблице 3 приведены изображения эхо-сигналов и указаны типы ПЭП для каждого режима.

Выбор ПЭП, соответствующего конкретным условиям измерения толщины, зависит от диапазона и необходимой разрешающей способности измерения, а также от акустических свойств материала и формы ОК. Лучше всего ПЭП выбирать экспериментальным путем, используя образцы из материала ОК, толщина которых соответствует ожидаемому диапазону измерений. В любом случае рекомендуется использовать ПЭП как можно с более высокой частотой и с наименьшей площадью рабочей поверхности, обеспечивающие надежные результаты в нужном диапазоне толщин. ПЭП с малой площадью контактной поверхности обеспечивают наилучший контакт с ОК и позволяют использовать тонкий слой контактной среды. В свою очередь, высокая частота ПЭП обеспечивает ультразвуковые импульсы с меньшей длительностью переднего фронта, что увеличивает точность измерений. С другой стороны, акустические свойства материала или состояние поверхности ОК могут вызвать необходимость использования низкочастотных ПЭП с большой площадью контактной поверхности. Такие ПЭП позволяют улучшить степень проникновения ультразвука в ОК или устранить потери сигнала, имеющие место из-за высокого затухания ультразвука в материале. В некоторых случаях при выборе оптимального ПЭП может потребоваться компромисс между степенью проникновения ультразвука в ОК 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 перечисленных факторов иногда приходится использовать два или более ПЭП.

Проанализируем причины, вызывающие погрешность, и дадим рекомендации по ее уменьшению.

Погрешность измерения является основным количественным показателем измерительного прибора. Оценим погрешность измерения толщины эхо-методом, которая определяется как Ah/h = Ac/c + At/t. Исходя из этого, погрешность измерения с помощью эхоимпульсных толщиномеров вызывается следующими основными причинами.

Влияние акустического контакта (для контактных приборов). При измерениях толщины в режиме 1 с использованием прямого совмещенного ПЭП измеряется также толщина слоя контактной среды. Толщина слоя меняется вследствие изменения параметров шероховатости поверхности изделия, разного усилия прижатия преобразователя. Для уменьшения этой погрешности (особенно существенной при измерении малых толщин) повышают требования к качеству поверхности изделия, стабилизируют усилие прижатия ПЭП, выполняют настройку прибора и измерение на образцах с одинаковой шероховатостью изделия.

Однако радикальным способом устранения этой погрешности является исключение времени прохождения ультразвука в контактной жидкости из измеряемого интервала. Выделить сигнал, соответствующий отражению от контактной поверхности изделия, для контактного толщиномера очень сложно, поэтому можно использовать многократное отражение импульсов в изделии. Импульсы, начиная с n = 2 (режим 3), соответствуют отражениям между поверхностями контролируемого изделия; на расстояние между ними слой контактной жидкости не влияет.

Погрешность, обусловленная влиянием акустического контакта, исключается бесконтактным способом излучения и приема акустических волн. Для этой цели можно применять электромагнитно-акустические преобразователи, широкополосность которых позволяет формировать импульсы полуволновой длительности, что также важно для достижения высокой точности.
Изображения
Тип файла: jpg 03.jpg (19.2 Кб, 155 просмотров)
Тип файла: jpg 04.jpg (16.8 Кб, 152 просмотров)
Тип файла: jpg t2.jpg (97.5 Кб, 155 просмотров)
Тип файла: jpg t3.jpg (53.6 Кб, 153 просмотров)
  Ответить с цитированием
Старый 15.04.2015, 19:48   #3
В мире НК
Гость
 
Сообщений: n/a
По умолчанию

Ошибка настройки и измерения.
Ошибка при калибровке прибора вызывает систематическую погрешность при последующих измерениях. Для уменьшения этой ошибки рекомендуется после калибровки по контрольному образцу несколько раз повторить измерения и убедиться, что среднеарифметическое значение измеренной толщины близко к истинному.


Рис. 5. Увеличение погрешности измерения при изменении уровня сигнала: a - уровень срабатывания, t0 - ошибка измерения

Изменение уровня сигнала. В процессе контроля амплитуда электрических импульсов меняется. Для толщиномеров, не отображающих А-скан, это может привести к потере одного полупериода при неизменном уровне срабатывания (рис. 5). Погрешность значительно снижается при введении в прибор систем автоматической и временной регулировки чувствительности, а также при недетектированном сигнале.

Изменение длительности переднего фронта эхо-импульса. Погрешность возникает в связи с тем, что затухание ультразвуковых колебаний в акустическом тракте зависит от частоты. В первую очередь затухают высокочастотные составляющие спектра импульса, образующие его передний фронт. Для повышения точности измерений зондирующий импульс должен быть с возможно более крутым передним фронтом, а полоса пропускания усилителя и ПЭП расширена в область высоких частот, чтобы обеспечить прохождение импульсов с таким фронтом. Для этого используют генератор, обеспечивающий крутой передний фронт зондирующего импульса. Расширяют полосу частот усилителя и искателя в сторону высоких частот, от которых зависит крутизна переднего фронта. В связи с этим возникает необходимость применения особо широкополосных ПЭП.

Погрешность индикаторного устройства. Определяется классом точности индикатора.

Акустические свойства материала ОК. Некоторые особенности конструкционных материалов могут сильно ограничивать точность и диапазон ультразвуковых измерений толщины.

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

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

- Изменение скорости звука вследствие неоднородности химического состава материала, разброса средней величины кристаллитов (для металлов) и свойств поверхностных слоев (для чугуна в особо неблагоприятных условиях до 5 %).


Рис. 6. Использование пружинного V-образного держателя

Кривизна поверхности ОК. При неустойчивом положении ПЭП эхо-сигналы искажаются, что также приводит к неточным показаниям. Иногда удобно использовать пружинный V-образный держатель (рис. 6), который нормирует прижатие и осуществляет правильную ориентацию ПЭП к поверхности изделия.

При уменьшении радиуса кривизны поверхности ОК следует уменьшать площадь контактной 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 эхо-сигналов на экран компьютерного осциллографа (PC-скопа) или использование толщиномеров с отображением ультразвукового сигнала на дисплее прибора. В режиме 1 контролируют трубы диаметром более 20 мм. Трубы значительно меньшего диаметра (до 3 мм) контролируют в иммерсионном режиме (режимы 2 или 3).

Инверсия или изменение фазы эхо-сигналов. Фаза или полярность эхо-сигналов определяется акустическими импедансами двух граничащих материалов. Большинство выпускаемых толщиномеров обеспечивают измерения толщины в случае, когда донная поверхность ОК 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 эхо-сигналов.

Для поддержания точности измерений в этих случаях следует изменить полярность эхо-сигналов 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 эхо-сигналов. Это проявляется в том, что полученные эхо-сигналы не являются четко положительными или отрицательными. Рекомендуется поэкспериментировать с образцами из материала ОК для изучения факторов, влияющих на точность измерений. Если указанное явление проявляется постоянно, его можно устранить установкой соответствующего значения сдвига нуля.

Изменение температуры. 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 переходе в жидкое состояние. Этот эффект более четко наблюдается в пластмассах и резине, чем в металлах. Для обеспечения максимальной точности измерений настройку скорости ультразвука следует проводить при температуре, при которой будут производиться измерения. Некоторые современные толщиномеры оснащены режимом коррекции скорости в зависимости от изменения температуры. В прибор с клавиатуры или автоматически через интерфейс RS232 вводится текущая температура ОК, и прибор сам выполняет перерасчет скорости ультразвука. Измеренное значение толщины и температуры сохраняется в памяти толщиномера.

Длина кабеля. В некоторых случаях могут потребоваться кабели большой длины. 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 эхо-сигналов оказывает влияние кабель длиной 1 м и больше. При более низких частотах ПЭП могут быть использованы кабели большей длины. Влияние характеристик кабеля должно быть определено экспериментальным путем. При измерениях в режиме 1 влияние кабеля может 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 влияние кабеля может вызвать искажения эхо-сигнала от границы сред и донного эхо-сигнала, а в крайних случаях (при длине кабеля 30 м и больше) может даже привести к появлению больших ложных эхо-сигналов, следующих за истинными эхо-сигналами с интервалами, равными времени прохождения электрического сигнала по кабелю.

Литература

1. Fowler K. A., Elfbaum G. M., Smith K. A., Nelligan T. J. Theory and application of precision ultrasonic thickness gaging. - NDTnet. 1997. V. 2. No. 10.

2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий /Справочник в 7 т. / Под ред. В. В. Клюева. Т. 2. 1986.

3. Методы акустического контроля металлов / Под ред. Н. П. Алешина - М.: Машиностроение, 1989.

4. Козлов В. В. Поверка средств неразрушающего контроля. - М.: Издательство стандартов, 1989.

Публикуемая статья является адаптированным переводом с английского языка статьи [1]. Перевод сделан с разрешения Olympus NDT. Оригинал опубликован в Интернете: http://www.ndt.net/article/wt1097/panam/panam.htm
Изображения
Тип файла: jpg 05.jpg (19.2 Кб, 152 просмотров)
Тип файла: jpg 06.jpg (17.8 Кб, 150 просмотров)
  Ответить с цитированием
Старый 16.04.2015, 07:24   #4
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 2,543
Благодарил(а): 58 раз(а)
Поблагодарили: 276 раз(а)
Записей в дневнике: 3
Репутация: 233
По умолчанию

Семеренко А.В. Эхо-метод ультразвуковой толщинометрии. − В мире НК. – Июнь 2008 г. − № 2 (40). − С. 06–10. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.
Вложения
Тип файла: pdf 40_06_10.pdf (1.46 Мб, 61 просмотров)
admin вне форума   Ответить с цитированием
Благодарность от:
Антошка (10.07.2017)
Ответ
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
Разряды дефектоскопистов? Giblib Общие вопросы 80 09.06.2016 11:21
Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталоснтых трещин В мире НК Статьи о дефектоскопии 3 11.06.2015 14:00
Новый метод выявления коррозионных повреждений труб В мире НК Статьи о дефектоскопии 3 01.03.2015 11:17
Ультразвуковой метод контроля биметалла brio89 Ультразвуковой контроль 1 03.10.2014 05:07
Обсуждаем метод эхо Ультразвуковой контроль 11 03.09.2012 11:42


Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход

VK Defektoskopist OK Defektoskopist Facebook Defektoskopist Instagram Defektoskopist YouTube Defektoskopist


Текущее время: 18:27. Часовой пояс GMT +3. Copyright ©2000 - 2018. Перевод: zCarot.
Внимание, коллеги! В целях нормальной работы форума администрация оставляет за собой право на обработку персональных данных зарегистрированных пользователей. В случае вашего несогласия просьба написать жалобу на defektoskopist.ru@gmail.com