Επιλογή γλώσσας

Μέτρηση Πάχους Υλικών με Υπερήχους

Έλεγχος Διάβρωσης

Μέτρηση Πάχους Υλικών με Υπερήχους

Η παχυμέτρηση με τη χρήση υπερήχων είναι μια ευρέως διαδεδομένη τεχνική η οποία επιτρέπει τη μέτρηση του πάχους διαφορετικών υλικών, χωρίς να απαιτεί πρόσβαση και από τις δύο πλευρές του υλικού όπως οι κλασικές μέθοδοι μέτρησης (πχ. μηχανικά παχύμετρα). Για τον λόγο αυτό και επιπλέον εξαιτίας της ακρίβειας και της ταχύτητας που παρέχει η μέθοδος, βρήκε γρήγορα πολλές εφαρμογές: Στη ναυτιλία γίνεται χρήση παχυμέτρων υπερήχου για τον έλεγχο της διάβρωσης των χαλύβδινων ελασμάτων και άλλων δομικών στοιχείων του καραβιού. Σε χημικές βιομηχανίες και στη βιομηχανία πετρελαιοειδών γίνονται εκτεταμένοι έλεγχοι της διάβρωσης στα δίκτυα σωληνώσεων και σε δεξαμενές με μέτρηση του πάχους των τοιχωμάτων με υπερήχους. Γενικά, κατασκευές που υπόκεινται σε οξείδωση, διάβρωση ή μηχανική φθορά και ο έλεγχος του πάχους του υλικού αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την αντοχή τους, απαιτούν μετρήσεις του πάχους των υλικών με τη μέθοδο των υπερήχων. Άλλες εφαρμογές είναι στην αεροναυπηγική η μέτρηση ακριβείας του πάχους αεροπορικών υλικών, στους ναυτικούς κινητήρες η μέτρηση του πάχους των χυτονίων και των στεγνωτικών δακτυλίων, μέτρηση πάχους τοιχωμάτων σε πυροσβεστήρες, σε δεξαμενές αποθήκευσης καυσίμων και άλλων προϊόντων, σε δοχεία πίεσης και πολλά άλλα. Τα περισσότερα υλικά που χρησιμοποιούνται στις μηχανολογικές κατασκευές μπορούν να μετρηθούν με υπερήχους όπως μέταλλα, πολυμερή ακόμα και κεραμικά ή σύνθετα υλικά. 

Τα σύγχρονα παχύμετρα είναι μικρές συσκευές χειρός, απλά στη λειτουργία και αξιόπιστα. Λειτουργούν με τη χρήση πιεζοηλεκτρικών στοιχείων (κρυστάλλων) που παράγουν τους παλμούς των υπερήχων σε συχνότητες συνήθως ανάμεσα σε 500 KHz και 20 MHZ (συνηθέστερα 2-5 MHz) και λειτουργούν σαν σύστημα πομπού-δέκτη (γνωστές και ως «κεφαλές» υπερήχων) . Με την πάροδο του χρόνου έχει αναπτυχθεί μια μεγάλη γκάμα κεφαλών με διαφορετικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά για να ανταποκρίνονται σε κάθε εφαρμογή. Τυπικά, χαμηλότερες συχνότητες πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση υλικών με μεγάλα πάχη, χονδρόκοκκων υλικών που προκαλούν υψηλή αποδυνάμωση του ήχου και μεγάλη σκέδαση της δέσμης υπερήχου. Αντιθέτως, υψηλές συχνότητες είναι κατάλληλες για λεπτά πάχη, και υλικά που προκαλούν μικρή αποδυνάμωση και σκέδαση της δέσμης υπερήχου και παρέχουν υψηλότερη ακρίβεια τάξης μm. 

Ένα παχύμετρο υπερήχου που χρησιμοποιεί τη μέθοδο παλμού-ηχούς, υπολογίζει το πάχος ενός υλικού μέσω του ακριβούς προσδιορισμού του χρόνου που απαιτείται ώστε ένας βραχύς παλμός υπερήχου - που παράγεται από την κεφαλή – να ταξιδέψει διαμέσου του υλικού, να ανακλαστεί στην πίσω επιφάνεια του υλικού (back-wall echo) και να επιστρέψει στην κεφαλή. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο χρόνος αυτός είναι μερικά micro-seconds. Ο μετρούμενος χρόνος διάβασης διαιρείται δια δύο αφού αντιπροσωπεύει τη διπλή διαδρομή, και πολλαπλασιάζεται με την ταχύτητα διάβασης του ήχου στο μετρούμενο υλικό. Το πάχος του υλικού S δίνεται από την παρακάτω σχέση:

S = (V * t)/2 όπου, V είναι η ταχύτητα διάβασης του ήχου στο μετρούμενο υλικό και t ο συνολικός χρόνος που «ταξιδεύει» ο ήχος στο υλικό. 

Στην πράξη ο υπολογισμός του πραγματικού χρόνου t υπολογίζεται αφού αφαιρεθεί ο χρόνος διάβασης του υπερήχου μέσα στο σώμα της κεφαλής (υλικό φθοράς, συνήθως Perspex) και στο υλικό σύζευξης (couplant), καθώς και οι χρόνοι απόκρισης των ηλεκτρονικών και οι απώλειες του καλωδίου σύνδεσης της κεφαλής. Η ανωτέρω διαδικασία που είναι γνωστή και ως “probe zero” αποτελεί μέρος της διαδικασίας βαθμονόμησης της συσκευής που είναι απαραίτητη προκειμένου να επιτυγχάνεται η μέγιστη ακρίβεια κατά την μέτρηση.

Η ανωτέρω διαδικασία υλοποιείται από κατάλληλο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Τα μετρούμενα πάχη εμφανίζονται στην οθόνη του οργάνου. Τα τελευταίας τεχνολογίας όργανα έχουν τη δυνατότητα αποθήκευσης αρκετών χιλιάδων μετρήσεων (data logging) και δεδομένων που εξασφαλίζουν την ιχνηλασιμότητά τους. Τα αποθηκευμένα δεδομένα μπορούν να ανακαλούνται στην οθόνη, να μεταφέρονται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη δημιουργία αναφορών (reporting) και περαιτέρω διαχείριση.

Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω υπάρχουν διάφοροι τύποι κεφαλών που είναι οι καταλληλότερες για κάθε εφαρμογή. Μία κατηγοριοποίηση είναι οι κεφαλές μονού ή διπλού κρυστάλλου. Στην πρώτη περίπτωση ένας κρύσταλλος λειτουργεί σαν πομπός και δέκτης της κεφαλής ενώ στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιείται ένα ζεύγος από δύο κρυστάλλους με τον ένα να λειτουργεί ως πομπός και τον άλλο ως δέκτης. Οι κεφαλές διπλού κρυστάλλου ενδείκνυνται για περιπτώσεις μετρήσεων σε επιφάνειες με έντονες «ανωμαλίες» που απαντώνται κατά κόρων σε διαβρωμένα ναυπηγικά ελάσματα. Είναι όμως λιγότερο κατάλληλες για μετρήσεις ακριβείας πολύ λεπτών μεταλλικών φύλλων όπου προτιμώνται κεφαλές μονού κρυστάλλου λόγω απουσίας του σφάλματος του V-path. Άλλος διαχωρισμός των κεφαλών είναι ανάλογα με την τεχνική και το μέσο διάδοσης των υπερήχων στο υπό εξέταση υλικό (Direct contact, delay probes, immersion probes, through transmission). 

Εκτός από την επιλογή της κατάλληλης κεφαλής υπάρχει μια σειρά παραμέτρων οι οποίες επηρεάζουν την δυνατότητα λήψης μιας μέτρησης αλλά και την άκριβεια της και πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν κατά τη διενέργεια των μετρήσεων. Οι παράμετροι αυτοί είναι:

α) H σωστή βαθμονόμηση του οργάνου σύμφωνα με τις οδηγίες του κατσκευαστή κατά την οποία η ταχύτητα πρέπει να τίθεται ανάλογα με το υπό εξέταση υλικό. Η βαθμονόμηση είναι απαραίτητο να γίνεται ανα τακτά χρονικά διαστήματα με τη χρήση πρότυπων δοκιμίων αναφοράς.

β) Η ποιότητα της επιφάνειας του υλικού. Όσο πιο καλή είναι αυτή τόσο μεγαλύτερη η ακρίβεια της μέτρησης. Μιά ανώμαλη επιφάνεια δημιουργεί προβλήματα στη σύζευξη κεφαλής και επιφάνειας και η κεφαλή «διαβάζει» πολλαπλά σήματα που προέρχονται από διαφορετικές επιφάνειες ανάκλασης.

γ) Η ποιότητα της σύζευξης της κεφαλής με την επιφάνεια μέτρησης πρεπει να είναι τέτοια που να εξασφαλίζει την διέλευση των υπερήχων από την κεφαλή μέσα στο υλικό. Η πίεση που ασκεί στην κεφαλή ο χειριστής της, το πάχος του στρώματος του υλικού σύζευξης είναι παράγοντες που επηρεάζουν τη σύζευξη.

δ) Η καμπυλότητα των μετρούμενων επιφανειών επηρεάζει τη μέτρηση. Όταν έχουμε μικρές ακτίνες καμπυλότητας όπως σε τούμπα μικρής διαμέτρου τότε ενδείκνειται η χρήση κεφαλών με μικρή επιφάνεια επαφής ώστε να «πατάνε» επαρκώς πάνω σε αυτή. Επίσης, σημαντικό είναι να υπάρχει καθετότητα της κεφαλής ως προς την επιφάνεια μέτρησης.

ε) Όσο πιο παράλληλες είναι οι επιφάνειες του μετρούμενου υλικού τόσο πιο καλή είναι η ανάκλαση των παλμών υπερήχου από την πίσω πλευρά του.

Επιπρόσθετα, υπάρχουν παράγοντες που έχουν σχέση με τις ακουστικές ιδιότητες του υλικού και επηρεάζουν την μέτρηση. Φαινόμενα όπως η σκέδαση, η απόσβεση, η ακουστική ανομοιογένεια και η αλλαγή τύπου κύματος των υπερήχων μέσα στο υλικό μπορούν να επηρεάσουν την μέτρηση. Το ίδιο προκαλεί και η χημική ανομοιογένεια και ανισοτροπία του υλικού καθώς και το μέγεθος των κόκκων του. Χονδρόκοκκα χυτά προϊόντα απαιτούν διαφορετική τεχνική μέτρησης από λεπτόκοκα υλικά.

Ως μέσο σύζευξης της κεφαλής στην επιφάνεια του υλικού συνήθως χρησιμοποιείται προπυλική γλυκόλη και σε εφαρμογές όπου απαιτείται μέγιστη διάβαση των υπερήχων διαμέσου της διεπιφάνειας σύζευξης χρησιμοποιείται γλυκερίνη η οποία ωστόσο μπορεί σε ορισμένα μέταλλα να προκαλέσει διάβρωση. Άλλα υλικά σύζευξης είναι το νερό και διάφορα βιομηχανικά λάδια και γράσα.

Διαφορετικές εφαρμογές απαιτούν τη χρήση διαφορετικών οργάνων και κεφαλών αλλά και τρόπων μέτρησης (measuring modes). Η μέτρηση θερμών επιφανειών απαιτεί κεφαλές με κατάλληλη θωράκιση, υγρό σύζευξης που να μην χάνει τις ιδιότητες του σε υψηλές θερμοκρασίες, βαθμονόμηση του οργάνου στη θερμοκρασία μέτρησης αφού η ταχύτητα του υλικού μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία.

Για μέτρηση πάχους υλικών πάνω από βαμμένες επιφάνειες απαιτείται η λειτουργία μέτρησης από παλμό σε παλμό (echo-to-echo) μεταξύ δύο ανακλάσεων μέσα στο υλικό για την απαλοιφή του πάχους της μπογιάς από τη μέτρηση. Τέτοια λειτουργία έχουν ορισμένα από τα σύγχρονα παχύμετρα. 

 

Extras

  • DM5E
  • PocketMIKE
  • DMS Go

Περισσότερα απο Τεχνικά 'Αρθρα