Погрешность измерения толщины рассмотрим применительно к эхометоду. Назовем основной погрешность, возни­кающую при оптимальных условиях из­мерения: ОК с плоскопараллельными

гладкими поверхностями, перпендикуляр­ными акустической оси прямого совме­щенного преобразователя. Погрешности, связанные с особенностями объекта кон­троля (возникающие при измерении ОК с криволинейными, непараллельными, не­ровными поверхностями), будем называть дополнительными.

Основная погрешность. Оценку по­грешности выполняют, как при измерении координат дефектов прямым преобразова­телем (см. разд. 2.2.4.4). Максимальная относительная погрешность при измере­ниях и расчетах по формуле (6.1) опреде­ляется выражением

Д/г/h = Ас/с + А (t - t3)/(? - t3). (6.4)

Настройку на скорость звука выпол­няют по образцу или по участку ОК из­вестной толщины таким же способом, ка­ким измеряют толщину, поэтому погреш­ности измерения скорости и времени при­близительно совпадают по величине, в результате

Ah/h = 2(t-t3)/(t-t3) =

= 2[At/(t-t3)+At3/(t-t3)]‘

Перед вторым членом (6.4) поставлен знак плюс, поскольку рассматривается максимальная погрешность измерения. Существуют приборы с автоматической подстройкой скорости звука и начала от­счета, в которых факторы, влияющие на точность измерения скорости и толщины, отличаются. Не рекомендуется пользо­ваться табличными значениями скорости звука, поскольку скорость значительно изменяется в различных марках сходных материалов [159].

Погрешность А?3 приведет к возник­новению систематической ошибки при измерении толщины. При тщательной на­стройке отсчетного устройства на исклю­чение времени пробега импульса в за­держке At » At3, в этом случае

Д/г//г = 2Дt/t0 ,

где tQ=t-t3 - время распространения импульса в объекте контроля.

Погрешность измерения времени At складывается из погрешностей At„, обу­словленных влиянием двух факторов, а именно:

Погрешность измерительного уст­ройства толщиномера. Она включает в себя погрешности от нелинейности вре­менных разверток и ограниченной точно­сти индикаторного устройства. В сумме она обычно составляет 0,05 ... 0,1%, т. е.

Д/г, /к = 2 Ац/t0 = 0,001... 0,002 .

Погрешность, связанная с конечной длительностью ультразвукового импульса, пропорциональная периоду колебаний, рассмотренная в разд. 2.2.4.4, рис. 2.55. Она равна At2 =кТ/2, где Т - период колебаний. Если не принять спе­циальных мер, то в результате действия случайных факторов отсчет времени при двух измерениях (при настройке и собст­венно измерении толщины) может быть выполнен по двум разным периодам коле­баний. В этом случае к > 1 (для прибора с двухполупериодным выпрямителем к > 0,5), т. е. это приведет к возникновению значи­тельной погрешности, допустимой для дефектоскопа, где измерение толщины - вспомогательная операция, но не допус­тимой для толщиномеров.

Во избежание возникновения боль­ших ошибок, чаще всего измерение тол­щиномерами ведут по фронту первого периода колебаний или по фронту второго полупериода (выпрямитель делают двух- полупериодным). Для обеспечения вы­полнения этого условия амплитуду им­пульса Um (рис. 2.55, а) поддерживают постоянной, а измерение выполняют на постоянном низком уровне и0.

Желательно поддерживать постоян­ной не максимальную амплитуду импуль­са, а амплитуду первого периода колеба­ний в импульсе U, которая не связана жестко с Um, однако в техническом отно­шении обеспечить это сложнее, чем ста­билизировать Um. Напряжение U0 выби­рают возможно более низким. При этом больше крутизна фронта импульса (мень­ше к) и меньше вероятность ошибок на период колебаний. Уровень Uo, однако, должен быть выше уровня помех. Прини­маемые меры позволяют уменьшить к до 0,05. В результате абсолютная погрешность измерения толщины, равная /г2 = с к Т = кА, на частоте 5 МГц составит не более 0,05 мм (для ОК со скоростью с = 5 ... 6 мм/мкс).

Для дальнейшего повышения точно­сти стремятся увеличить крутизну фронта акустического импульса, по которому вы­полняют измерение. Для этого используют генератор, обеспечивающий крутой фронт электрического импульса, расширяют по­лосы частот усилителя и преобразователя в сторону высоких частот, от которых за­висит крутизна фронта, например, приме­няют четвертьволновую пьезопластину.

Отсюда возникает необходимость применения особо широкополосных пре­образователей. Принимаемые дополни­тельные меры позволяют уменьшить к до 0,005 и соответственно снизить погреш­ность измерений до 0,005 мм.

Применение особо широкополосных (например, апериодических) преобразова­телей приводит к понижению чувстви­тельности. Возникают трудности с регист­рацией сигналов малой амплитуды от ло­кальных коррозионных повреждений, раз­вивающихся со стороны внутренней по­верхности изделия. В результате толщи­номеры с такими преобразователями от­носят к группе А, в то время как приборы, для которых к = 0,05, пригодны для изме­рения ОК с грубыми поверхностями (ре­шение задач вида Б).

Импульсу с крутым фронтом соот­ветствует спектр с большими амплитуда­ми высокочастотных составляющих. Эти составляющие сильно затухают при рас­пространении в материале ОК, в результа­те чего фронт становится более пологим и величина к увеличивается. Это вносит значительную погрешность в измерение толщины материалов с большим затуха­нием.

В. К. Качанов и др. [421, докл. 2.110 и 2.111] установили, что наименьшее иска­жение фронта претерпевает видеоимпульс или радиоимпульс с одним периодом си­нусоиды. Также полезно применение сложномодулированного импульса и со­гласованного фильтра. Наиболее высокую точность обеспечивает определение коор­динаты нуля после главного максимума эхосигнала на выходе согласованного фильтра. На основе этих исследований разработан толщиномер для полимерных композитных материалов.

Другой способ уменьшения влияния рассматриваемой погрешности измерений состоит в том, чтобы уменьшить связан­ную с ней относительную погрешность, т. е. величину к77г. С этой целью увеличи­вают измеряемый интервал времени t. Для этого выполняют измерение не по перво­му донному сигналу, а по сигналу, про­шедшему п раз в ОК в прямом и обратном направлениях (и-му донному сигналу, как отмечалось выше). В результате относи­тельную погрешность измерения снижают в и раз: к77(иг). Здесь г - интервал време­ни, соответствующий первому донному сигналу. Способ пригоден только для ис-

А/г3 =2Мжс0/сж, где с0 и сж - скорости звука в ОК (изделии) и жидкости, а Акж - толщина слоя жидкости. Соответст­вующую погрешность можно было бы учесть как систематическую, однако тол­щина слоя жидкости изменяется из-за раз­ной шероховатости поверхности ОК и разной степени прижатия преобразователя при настройке прибора и измерениях тол­щины. Преобразователь при этом опира­ется на наиболее высокие неровности. В результате погрешность становится слу­чайной.

На процесс измерения толщины ока­зывает влияние интерференция волн в контактном слое. Согласно исследованиям С. Я. Гмырина [86], когда параметр шеро­ховатости Rz равен

амплитуда прошедшего сигнала достигает минимума, изменяется форма импульса и происходит его смещение, что увеличива­ет погрешность измерения до максимума. Здесь коэффициент q = 1 для регулярных поверхностей с прямоугольным профи­лем, q изменяется от 1 до 3 для стохасти­ческих поверхностей.

Когда параметр шероховатости меньше определяемой по формуле (6.6) величины, погрешность положительна и уменьшается с уменьшением толщины неровного слоя. При увеличении толщины слоя больше указанного значения погреш­ность также уменьшается и даже может стать отрицательной. Абсолютное значе­ние неровностей поверхности, оказываю­щих влияние на точность измерения тол­щины, составляет 0,01 мм и более на час­тоте 2 МГц.

Для уменьшения погрешности от из­менения толщины контактного слоя (осо­бенно существенной при измерении ма­лых толщин) повышают требования к чис­тоте поверхности ОК, стабилизируют прижатие преобразователя, выполняют настройку прибора и измерение на образ­цах с одинаковой шероховатостью по­верхности.

Для радикального уменьшения этой погрешности желательно исключить вре­мя пробега импульса в контактной жидко­сти из измеряемого интервала. Для этого нужно измерить интервал времени между импульсом, соответствующим отражению от поверхности ввода, и донным сигна­лом. Такую задачу можно решить с помо­щью иммерсионного УЗ-толщиномера, где слой жидкости толстый и сигнал, вводи­мый в иммерсионную жидкость, четко отличается’ от сигнала, отраженного от поверхности ввода. Иммерсионный спо­соб применяют для автоматического кон­троля толщины, т. е. в приборах группы В.

В контактных толщиномерах, приме­няемых при ручном контроле, выделить сигнал, соответствующий отражению от контактной поверхности ОК, можно толь­ко при очень малой длительности импуль­са, для получения которого нужно приме­нить широкополосный преобразователь. Желательно также применять преобразо­ватель с плоскопараллельной твердотель­ной задержкой.

Возможно для уменьшения погреш­ности от времени пробега в контактном слое использовать многократное отраже­ние импульсов в ОК. Импульсы, начиная с и = 2, соответствуют отражениям между поверхностями ОК; слой контактной жид­кости не влияет на расстояние между ни­ми. Таким образом, исключить влияния акустического контакта на точность изме­рений импульсным методом возможно только в приборах групп А и В. В контакт­ных толщиномерах выделить сигнал, со­ответствующий отражению от контактной поверхности, помогает твердотельная за­держка.

Погрешность от влияния акустиче­ского контакта исключается при исполь­зовании бесконтактных способов излуче­ния и приема акустических волн. Для этой цели применяют электромагнитно-акусти­ческие (ЭМА) преобразователи (см. разд.

1.5.2) . Их преимущества и недостатки рас­смотрены далее.

Неровность внутренней (донной) по­верхности. Согласно исследованиям С. Я. Гмырина [85], влияние неровности донной поверхности на точность измере­ния толщины начинается, когда ее пара­метр шероховатости больше Rz > 150 мкм для частоты 2 МГц. Когда параметр шеро­ховатости донной поверхности Rz = q/J4 (iq - введенный ранее коэффициент) ам­плитуда донного сигнала минимальна, а погрешность измерения толщины отрица­тельна и максимальна по модулю. При меньшем и большем значениях параметра шероховатости погрешность измерения толщины отрицательна и уменьшается по модулю с изменением высоты неровно­стей. При большом увеличении шерохова­тости погрешность может стать положи­тельной.

Погрешности, обусловленные неров­ностями поверхности ввода и донной по­верхностью, противоположны по знаку и могут частично взаимно компенсировать­ся. По величине погрешности от неровно­стей поверхности ввода больше в 2 ... 5 раз, чем от неровностей донной поверхно­сти.

Изменение температуры приводит к изменению скорости звука в ОК, что ком­пенсируют подстройкой на скорость зву­ка. Изменяется также скорость звука в материале преобразователя. Для исключе­ния этой погрешности прибор должен обеспечивать измерение времени пробега импульса между поверхностями ОК и не включать в указанный интервал время пробега в призмах и других акустических задержках.

Кривизна поверхности ОК вызывает уменьшение зоны контакта преобразова­теля с ОК и изменение направления лучей. Слой контактной жидкости становится переменным по толщине и действует по­добно расфокусирующей линзе. Количе­ственно зависимость погрешности изме­рения Ah/h от радиуса кривизны R теоре­тически и экспериментально исследована

Д. Б Дроботом и В. В. Юнниковой (г. Хаба­ровск, Дальстандарт) [128]. Установлено, что на эту зависимость влияют тип и раз­меры преобразователя, скорости распро­странения УЗ в объекте контроля и кон­тактной жидкости. Пример зависимости A h/h от R применительно к РС-преобразо - вателю для толщиномера "Кварц-6" пока­зан на рис. 6.5.

Непараллелъностъ поверхностей ОК вызывает уменьшение донного сигнала и изменение пути УЗ-лучей в ОК и призмах преобразователя, соответствующих мак­симальной амплитуде максимального эхо - сигнала. Влияние клиновидности на воз­можность и точности измерения исследо­вано В. С. Саиткуловым и В. С. Гребенни­ком. По этим работам результат измере­ния соответствует среднему значению толщины на участке акустического кон­такта преобразователя с ОК, однако точ­ность измерения снижается благодаря уменьшению крутизны фронта донного сигнала.

Экспериментальные исследования влияния непараллельности поверхностей ОК на погрешность измерения провела

В. В. Юнникова. Эксперимент выполнялся на толщиномере "Кварц-6" РС-преобра- зователем с расстоянием между точками ввода около 5 мм. При проверке были ис­пользованы непараллельные меры тол­щины из набора КМТ 176 М-1, у которых с высокой точностью определена толщина в центре меры и угол клина <р.

В табл. 6.1 приведены результаты экспериментов для средней толщины 4 мм.

Измерения проводились с разворотом преобразователя на 180°, однако на ре­зультаты разворот практически не влиял. Отмечено, что толщиномеры фирмы "Krautkramer" не работают уже при клино­видности 5 градусов.