Основное назначение акустических приборов для измерения размеров ОК со­стоит в измерении толщины стенок труб, сосудов, резервуаров, корпусов морских и речных судов и других изделий, доступ к которым имеется только с одной стороны. Значительно реже акустические методы используют для измерений длин, диамет­ров ОК и расстояний. К измерению разме­ров относится вопрос применения акусти­ческих методов для контроля шероховато­сти поверхности объектов, измерения де­формаций и вибраций.

6.1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ

6.1.1. Задачи и методы измерения

Для измерения толщины используют эхометод и локальный метод собственных колебаний (ультразвуковой резонансный метод). В редких случаях используют ме­тод прохождения. При контроле методами отражения и прохождения измеряют вре­мя пробега импульса в ОК. Весьма редко измеряют амплитуду прошедшего сигнала или его фазу. При контроле методом соб­ственных колебаний измеряют резонанс­ные частоты.

Различают три вида задач при изме­рении толщины:

A. Ручной контроль изделий с глад­кими равноотстоящими (эквидистантны­ми) поверхностями, например изделий после их изготовления.

Б. Ручной контроль изделий с грубы­ми непараллельными поверхностями, например изделий, внутренняя поверх­ность которых поражена коррозией.

B. Автоматический контроль в потоке (обычно труб, листов).

При решении задач А и В основное требование - высокая точность измере­ний. При решении задачи Б важное требо­вание — высокая чувствительность, чтобы фиксировать рассеянное отражение от неровной противоположной поверхности, определять места наибольшего локального утонения стенок. Требования к точности измерения снижены. При ручном контро­ле нужно обеспечить широкий диапазон измерений, причем главная трудность в снижении минимально измеряемой тол­щины. Результаты измерений необходимо представить в наглядной форме, например на цифровом табло.

При автоматическом контроле нужно обеспечить высокую производительность измерений (т. е. выполнить возможно большее количество измерений в единицу времени) и следить за тем, чтобы толщина была не меньше и не больше заданного допуска.

В связи с существенным различием сформулированных задач их обычно ре­шают с применением разных способов измерений и разных толщиномеров. Рас­смотрим пригодность различных акусти­ческих методов для решения сформулиро­ванных выше задач измерения толщины.

Резонансные методы подробно рас­смотрены в разд. 2.4.2.2. Здесь отметим только некоторые особенности этого ме­тода с точки зрения измерения толщины. Метод позволяет выполнять измерения толщин от минимального значения

Лщт = с/(2/тах)> ГДе с ~ СКОрОСТЬ Звука В

материале изделия, fmm - максимальная частота прибора. Повышение этой часто­ты до 30 МГц позволяет измерять толщи­ну стальных изделий, начиная от 0,06 мм. Измерение таких толщин другими УЗ- методами выполнить не удается. Погреш­ность при этом 1 ...2%. Измерение объек­тов большой толщины не вызывает за­труднений. Для этого используют высшие гармоники и пониженные частоты.

Резонансный метод пригоден для контроля изделий с относительно гладки­ми поверхностями. Изменение толщины в зоне измерения не должно превышать 8 %, причем измеряется средняя толщина, а не

наименьшее ее значение. Это определяет степень пригодности контактных резо­нансных толщиномеров в качестве прибо­ров групп А и В. Однако в контактном варианте обнаруживается ряд недостатков метода: погрешность измерения не менее 2 ... 5 % вследствие смещения резонансов под влиянием нестабильного акустическо-

го контакта ОК с преобразователем; диа­метр труб, контроль которых возможен, не меньше 10 ... 12 мм. По изложенным при­чинам резонансный метод наиболее при­годен для создания приборов группы В в иммерсионном варианте.

Иммерсионно-резонансный метод (см. разд. 2.4.2.2) реализован в приборах серии "Металл", выпускавшихся ВНИ - ИНК (Кишинев). Они обеспечивают изме­рение толщины в диапазоне 0,2 ... 6 мм с погрешностью 1 ... 2 % и производитель­ностью 100 измерении в секунду. На пути повышения точности и частоты замеров возникают принципиальные затруднения, сущность которых поясняется в разд.

2.4.2.2. Там же упомянуты другие вариан­ты иммерсионно-резонансного метода.

Спектральный метод основан на анализе изменения спектра широкополос­ного импульса при прохождении через измеряемый слой или изделие (В. А. Тока­рев, И. И. Авербух). Применяется в иммер­сионном варианте. На рис. 6.1 показаны спектры импульсов для трех вариантов: а - прохождение между излучателем и при­емником в отсутствии ОК, б - прохожде­ние через стальную пластину толщиной 4 мм, в - прохождения через стальную пла­стину толщиной 1 мм. В результате про­хождения через пластину общая огибаю­щая спектра сохранилась, но выделились частоты, на которых по толщине пластины h уложилось целое число полуволн ульт­развука

h = пік/ 2,

как в резонансном методе, с которым спектральный метод имеет сходство.

Развитием спектрального метода явилось сопоставление эталонного спек­тра со спектром, отраженным или про­шедшим через исследуемый слой [146]. На рис. 6.2 показаны спектральные харак­теристики импульса, отраженного от гра­ницы вода - дюралюмин (а), пластин из дюралюмина толщиной 0,2 мм (в) и 0,6 мм (а), анализируемых суммарно со спектром радиоимпульса, максимум которого соот­
ветствовал 4 МГц, а ширина полосы от 1 до 8 МГц. Происходит смещение мини­мума в сторону более высоких частот с уменьшением толщины пластины. На рис. 6.3 представлена зависимость толщи­ны от частоты минимума. Точность измерения толщины 3 ... 6 %.

На достигнутом уровне развития ме­тод уступает резонансному методу в им­мерсионном варианте по точности изме­рений. Он пригоден для решения задач группы В. Не исключена возможность его применения для измерения покрытия на изделии.

Эхометод - основной способ измере­ния толщины. Его применяют при реше­нии всех трех видов задач, указанных ра­нее. Рассмотрим подробнее его возможно­сти и ограничения.

В случае, когда измерение выполня­ют в контактном варианте, по первому донному сигналу толщину h определяют согласно формуле

h = 0,5c(t - /3), (6.1)

где с - скорость распространения ультра­звука в материале объекта, которая счита­ется известной или она учитывается при настройке; t - измеряемое при контроле время прохождения ультразвукового им­пульса от пьезоэлемента излучающего преобразователя до дна ОК и затем к при­емнику; t3 - время прохождения импульса в прямом и обратном направлениях через акустические задержки: призмы или про­текторы плюс через слой контактной жид­кости. Это время обычно учитывают при настройке толщиномера путем введения задержки начала отсчета времени.

Прямой преобразователь имеет до­вольно большую мертвую зону. Для ее сокращения иногда применяют иммерси­онную или твердотельную плоскопарал­лельную акустическую задержку. Такие (особенно иммерсионная) задержки по­зволяют наблюдать многократные донные сигналы в ОК, если он имеет гладкие плоскопараллельные или эквидистантные поверхности. По расстоянию между дон­ными сигналами измеряют время пробега и

толщину. Далее будет рассмотрен другой путь: разработанный в МНПО "Спектр" адаптивный алгоритм корреляционной обработки сигналов многократных отра­жений ультразвука в слое контролируемо­го материала. Он позволяет создавать УЗ - толщиномеры широкого применения с совмещенными преобразователями. Одна­ко гораздо чаще применяют РС-преобра- зователь с призмами, имеющий малую мертвую зону.

Толщиномер с контактным РС-преоб- разователем позволяет решать все три ви­да задач, указанных ранее. Он незаменим при решении задачи вида Б, т. е. при кон­троле объектов с неровными поверхно­стями, особенно неровной внутренней поверхностью. Мешающий сигнал - им­пульс с небольшой амплитудой, проходя-

2g

щий между излучателем и приемником PC-преобразователя. Время его прохож­дения соответствует толщинам 0,5 ... 1 мм по стали. Для измерения малых толщин порог срабатывания толщиномера уста­навливают выше амплитуды мешающего импульса.

Другие недостатки измерения тол­щины РС-преобразователем - задержка ультразвука в призмах преобразователя и наклонное распространение ультразвука в ОК (рис. 6.4, а). В результате измеряемая толщина и время пробега ультразвукового импульса связаны более сложной законо­мерностью (рис. 6.4, б), чем следует из (6.1). Амплитуда эхосигнала изменяется, достигая максимума для толщины, соот­ветствующей фокальному расстоянию преобразователя. Его рекомендуется ори­ентировать определенным образом, на­пример при контроле труб так, чтобы из­
лучатель и приемник располагались вдоль образующей.

У совмещенного преобразователя практически строгая линейность зависи­мости времени задержки эхосигналов от толщины материала, менее резкая зависи­мость амплитуды сигналов от толщины, лучшая чувствительность в дальней зоне и большая протяженность ближней зоны акустического поля в сравнении с РС - преобразователем таких же размеров. Со­вмещенный преобразователь не нужно определенно ориентировать по отноше­нию к образующей цилиндрического из­делия, он менее чувствителен к уменьше­нию площади акустического контакта при контроле изделий с двойной кривизной, его легче выполнить с малой апертурой для локальности измерений.

Вариант эхометода с прямым преоб­разователем - измерение толщины по многократным донным сигналам. При этом в контактном варианте обычно ведут отсчет суммарного времени пробега tz интервалов между первым и и-м донными сигналами (п > 1), чтобы исключить время пробега в акустических задержках (про­текторе, слое контактной жидкости). Рас­четная формула имеет вид

h = 0,5ct1/(n-l). (6.2)

При контроле иммерсионным спосо­бом ведут отсчет суммарного времени пробега h интервалов между импульсом, отраженным от поверхности ввода (на­чальным) и и-ым донным сигналом. Рас­четная формула имеет вид

h = 0,5ct^/n. (6.3)

Используя преобразователи с плос­копараллельной задержкой можно вести контроль также, как при иммерсионном способе, однако предпочтительнее вести контроль, исключая интервал до первого донного сигнала.

При контроле бесконтактным (обыч­но ЭМА) способом считают, что началь­ный импульс совпадает с зондирующим. В действительности благодаря скин - эффекту возникает явление уменьшения
времени пробега импульса в ОК [56] (см. разд. 6.1.4).

Все толщиномеры, использующие отсчет по многократным донным сигна­лам, пригодны для решения всех задач вида А и В. В автоматических толщиноме­рах предпочтительнее использование им­мерсионного или бесконтактного спосо­бов. При больших неровностях поверхно­стей ОК сигналы многократных отраже­ний не возникают, или импульсы очень сильно расширяются, поэтому для реше­ния задач вида Б способ, использующий отсчет по многократным донным сигна­лам, непригодней.