8. Ультразвуковая толщинометрия.
Существуют два метода ультразвуковой толщинометрии: эхо-импульсный и резонансный.
При эхо-импульсной толщинометрии измерят временной интервал между зондирующим и одним из отраженных импульсов (или между двумя эхо-импульсами). При этом измеряемая толщина определяется из выражения:
,
где t – измеренный временной интервал; с – скорость ультразвука в данном материале.
Для импульсной толщинометрии используют прямые преобразователи или, что чаще, РС-преобразователи. Последние имеют значительно меньшую мертвую зону, что позволяет на практике, на частоте 5-10 МГц измерять изделия толщиной от 1,0 – 1,5 мм и выше. На погрешность измерений существенно влияет качество поверхности и длительность импульса.
Повышение качества поверхности (например, с Rа=20 до Ra=5 мкм) и снижение длительности импульса с обычно применяемых значений 1-1,5 до 0,05 мкс позволяет производить импульсным методом измерения металлических изделий толщиной от 0,2-0,5 мм. Относительная погрешность измерения 0,1-0,2%. Импульсные цифровые толщиномеры относительно просты по конструкции и удобны в эксплуатации. Габаритные размеры лучших их них не превышают пачку сигарет.
Резонансная толщинометрия основана на измерении частот акустических резонансов, возбуждаемых в контролируемом изделии при модулировании (изменении) частоты возбуждаемых ультразвуковых колебаний.
Если в изделии возбуждаются резонансы на частотах fm и fn, то толщину находят из выражения:
,
где m и n – номера гармоник, а с – скорость ультразвука в изделии.
В резонансных толщиномерах пьезопластина преобразователя включена в колебательный контур автогенератора, в цепи которого находится сердечник с переменной индуктивностью. Изменение индуктивности приводит к модуляции частоты колебательного контура и, следовательно, к модуляции частоты возбуждаемых ультразвуковых колебаний. Переменное намагничивание сердечника осуществляется треугольным импульсом генератора временной развертки с экспоненциально спадающей амплитудой.
При установлении акустического резонанса в стенке изделия резко изменяется постоянная тока автогенератора и срыв генерации, что фиксируется на стрелочном, цифровом или панорамном на ЭЛТ проградуированном индикаторе. Погрешность резонансных толщиномеров 2-3%. Однако, они более капризны в эксплуатации, имеют относительно большие габаритные размеры и в настоящее время применяются весьма редко.
Ультразвуковая толщинометрия легко автоматизируемый процесс. Иммерсионные толщиномеры широко применяют при сортировке труб, листов, прутков и т.д.
На погрешность ультразвуковой толщинометрии оказывает влияние отклонения геометрии контролируемого слоя от эквидистантности; непостоянство и неоднородность свойств материала, например, затухания и скорости УЗК; нарушение акустического контакта или изменение толщины контактного слоя; ошибки в настройке прибора и т.п.
Погрешность большинства контактных резонансных толщиномеров составляет 1-2% измеряемой толщины. Погрешность современных импульсных толщиномеров, например УТ-93П, составляет 0,1 мм в диапазоне толщин 0,6-300 мм и (0,001Н+0,1) мм в диапазоне толщин и100-1000 мм, где Н – толщина изделия.
Толщиномер УТ-93П комплектуется шестью типами преобразователей на номинальные частоты 2,5; 5,0; 10,0 МГц. Толщиномер УТ-93П имеет расширенный в сторону малых толщин диапазон измерений, уменьшенную погрешность измерения, повышенную устойчивость к воздействию окружающей среды.
Прибор снабжен системой автоматического включения срабатывающей через 1,5-4,5 мин после последнего измерения, а также при снижении напряжения источника питания ниже предельно допустимого значения. Измерения производят только после обеспечения акустического контакта преобразователя с поверхностью контролируемого изделия, о чем сигнализирует подсветка знака (точки) после младшего разряда цифрового индикатора. Результат последнего измерения сохраняется в цифровой памяти толщиномера и воспроизводится на индикаторе даже при снятии преобразователя с изделия.