Глава 2. Ультразвуковые толщиномеры

Ультразвуковой толщиномер предназначен для измерения толщины стенок деталей, доступных только с одной стороны. Для этого в толщиномере производится автоматическое измерение времени пробега между противоположными поверхноаями стенки детали, которое прямо пропорционально толщине стенки и обратно пропорционально скорости звука в материале контролируемого изделия. При этом предпола­гается, что материал является однородным и скорость звука в нем известна. Измеренное значение времени пробега умножается на половину скорости звука (т. к. волна проходит расстояние, равное двойной толщине) и индицируется:

,

где t - время пробега.

Для измерения толщины стенок используются два способа, различающихся по области применения, со своими специальными приборами и преобразователями.

В первом способе используются высокодемпфированные (широкополосные) преобразователи для получения очень короткого акустического импульса. Время пробега в этом способе определяется по двум или более отражениям от противоположной стенки детали (донной поверхности). Минимальное измеряемое значение толщины изделия определяется частотой зондирующего импульса и будет тем меньше, чем выше частота. Недостаток способа заключается в том, что измерение возможно в случае, когда имеется серия эхо-импульсов от задней стенки изделия, поэтому к состоянию поверхности контролируемого изделия предъявляются очень высокие требования. Измерять толщину стенки с грубыми поверхностями (например, прокорродированными) описанным способом нельзя, т.к. на неровностях поверхности, коррозионных язвах и др. происходит сильное рассеяние звука, которое не позволяет получить многократные отражения.

Во втором способе для измерения толщины используется только первый отраженный импульс. Этот способ не обеспечивает точности первого, но он обеспечивает измерения при плохом качестве поверхности. Толщиномеры, реализующие второй способ, выпускаются серийно и широко применяются на промышленных предприятиях. Поэтому ниже будет рассмотрен именно этот тип аппаратуры.

Структурная схема эхо-импульсного ультразвукового толщиномера представлена на рисунке. Синхронизатор, генератор импульсов возбуждения, ПЭП и усилитель, входящие в состав толщиномера, выполняют функции, аналогичные одноименным узлам эхо-импульсного дефекто­скопа.

Упрощенная структурная схема эхо-импульсного ультразвукового толщиномера

1. Синхронизатор

2. Генератор импульсов возбуждения

3. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП)

4. Приемное устройство

5. Измерительная схема

6. Индикатор

Измерительная схема содержит измерительный триггер, схему регулируемой задержки синхроимпульса, генератор счетных импульсов и схему совпадания.

Измерительный триггер служит для формирования им­пульса, длительность которого равна времени пробега акустического импульса между противоположными поверх­ностями стенки детали. Начало этого импульса устанавливается оператором при калибровке толщиномера, а конец опреде­ляется моментом прихода первого эхо-сигнала. Для этого на один вход триггера подается синхронизирующий импульс с регулируемой задержкой относительно импульса возбуждения ("установка нуля отсчета"), а на второй - сигналы с выхода усилителя. Импульс с выхода измерительного триггера поступает на схему совпадения, на второй вход которой поступают счетные импульсы с высокочастотного генератора. Частота генератора устанавливается оператором в соответствии со скоростью звука в материале контролируемой детали ("установка скорости"). Таким образом, на схеме совпадения происходит перемножение времени и скорости, поэтому количество импульсов на выходе схемы совпадения будет соответствовать толщине стенки. Количество импульсов подсчитывается счетчиком и отражается на цифровом индикаторе.

Таким образом, основное влияние на погрешность измерения оказывает точность установки начала отсчета и скорости звука.

Кроме того, на погрешность измерений окаэывают влияние изменения амплитуды эхо-сигнала, которые происходят из-за условий акустического контакта, непараллельности по­верхностей и их шероховатости, затухания звука в материале изделия. Это вызвано тем, что крутизна переднего фронта эхо-сигнала, по которому происходит опрокидывание измерительного триггера, соизмерима с измеряемыми интервалами при малых толщинах (2-5 мм), Например, при частоте ультразвуковых колебаний 5 МГц и скорости звука в стали около 6 мм/мкс, длина волны составляет 1,2 мм. Таким образом, при длительности переднего фронта, которая составляет четверть длины волны (0,3 мм), погрешность в указанном диапазоне толщин может достигать 10%. Поэтому на практике минимальная измеряемая толщина ограничивается значением около 0,5 мм.

Еще одной характерной причиной погрешности, которая вызывается изменением амплитуды эхо-сигнала, является дискретное изменение показаний толщиномера из-за так называемой "потери волны". Под этим термином понимают переход момента переключения измерительного триггера с первой полуволны на последующую, которая обычно имеет амплитуду больше, чем первая полуволна. Если изменение амплитуды эхо-сигнала без потери волны может привести к погрешности не более четверти волны, то большие изменения амплитуды могут дать в результате погрешности в одну и более длин волн (для приведенного выше примера это составит 1,2 мм и более).

Из сказанного выше видно, что погрешность измерений можно уменьшить за счет увеличения амплитуд эхо-сигналов. Для этого необходимо повышать амплитуду импульсов возбуждения, увеличивать коэффициент усиления, снижать порог срабатывания измерительного триггера, но указанные меры имеют предел, который определяется уровнем собственных помех преобразователей. Кроме того, можно увеличить крутизну переднего фронта эхо-сигнала за счет повышения частоты колебаний, однако эта мера приводит к увеличению затухания звука и, как следствие, к уменьшению диапазона измерений.

За счет правильного выбора параметров аппаратуры можно проводить измерения толщины в диапазоне от 0,5 мм до 1 м с достаточно высокой точностью.

Классификация ультразвуковых дефектоскопов

Ультразвуковой дефектоскоп - это электронно-акустическое устройство, предназначенное для возбуждения-приема ультразву­ковых колебаний с целью обнаружения нарушений сплошности или однородности материалов и измерения их характеристик. Дефектоскоп преобразует колебания в вид, удобный для вывода на со­ответствующий индикатор. Он снабжен сервисными устройствами для на­стройки и сохранения параметров контроля и измерения параметров при­нятых сигналов.

Согласно ГОСТ 23049, в зависимости от области применения дефектоскопы делятся на приборы общего назначения и специализированные. В зависимости от функционального назначения дефектоскопы подразделяют на следующие группы:

1. Для обнаружения дефектов (пороговые дефектоскопы, обычно вместо экрана имеют светодиодный индикатор, показывающий факт превышения сигналом порогового уровня);

2. Для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношения амплитуд сигналов от дефектов;

3. Для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения эквивалентной площади дефектов по их отражающей способности или условных размеров дефектов;

4. Для обнаружения дефектов, распознавания их форм или ориентации, для измерения размеров дефектов или их условных размеров.

По конструктивному исполнению дефектоскопы подразделяются на стационарные, переносные и портативные.

По степени участия дефектоскописта в процессе контроля различают ручные, механизированные и автоматизированные дефектоскопы.

Условное буквенно-цифровое обозначение отечественных дефектоско­пов состоит из букв УД (для дефектоскопов общего назначения) или УДС (для УЗДС), номера груп­пы назначения и порядкового номера модели. Например: УД2-12 относится ко второй группе, а УД3-103 «Пеленг» – к третьей.