نمایندگی فروش آنلاین ضخامت سنج آلتراسونیک (اولتراسونیک)

دستگاه ضخامت سنج اولتراسونیک یا آلتراسونیک

دستگاه ضخامت‌سنج اولتراسونیک، یک دستگاه اندازه‌گیری برای انجام بازرسی غیر مخرب در رابطه با ضخامت یک ماده با استفاده از امواج اولتراسونیک است.

استفاده از یک دستگاه ضخامت‌سنج اولتراسونیک برای انجام آزمایش‌های غیر مخرب به منظور بررسی خواص ماده، از جمله اندازه‌گیری ضخامت آن، در تمامی حوزه‌های اندازه‌گیری‌های صنعتی امری رایج است. توانایی این روش در اندازه‌گیری ضخامت بدون نیاز به دسترسی داشتن به هر دو طرف قطعات مورد آزمایش، موجب شده است که این فناوری کاربردهای زیادی داشته باشد. ضخامت‌سنج‌های رنگ، ضخامت‌سنج‌های اولتراسونیک پوشش، ضخامت‌سنج‌های دیجیتال و گزینه‌های بسیار زیاد دیگری هم برای آزمایش پلاستیک‌ها، شیشه‌ها، سرامیک‌ها، فلزات و سایر مواد در دسترس هستند. علاوه بر سنجش ضخامت فلزات، از این روش به طور عمده برای سنجش ضخامت شیشه‌ها، چوب و پلاستیک‌ها هم استفاده می‌شود؛ همچنین از این روش در اصلی‌ترین تجهیزات آزمایشی در صنعت برای تعیین خوردگی قطعات هم بهره گرفته می‌شود.

یک ضخامت‌سنج اولتراسونیک ، ضخامت نمونه را با اندازه‌گیری مقدار زمان مورد نیاز برای صوت به منظور عبور از پراب از میان ماده تا انتهای یک قطعه و بازگشت آن، تعیین می‌کند. در مرحله‌ی بعد، ضخامت‌سنج اولتراسونیک، داده‌ها را بر مبنای سرعت عبور صوت از میان نمونه‌ی مورد آزمایش محاسبه می‌کند.
اولین ضخامت‌سنج اولتراسونیک در سال 1967 توسط ورنر زوبک که یک مهندس لهستانی از شهر کاتوویس بود ساخته شد. نخستین ضخامت‌سنج اولتراسونیک، سرعت امواج ارسال‌شده در نمونه‌های آزمایشی خاص را اندازه‌گیری کرده و سپس با استفاده از این اندازه‌گیری سرعت، ضخامت را توسط یک معادله‌ی ریاضی کاربردی در واحد میلی‌متر به دست آورد.

دو نوع پراب یا ترنسدیوسر وجود دارد که می‌توان از آن‌ها برای یک ضخامت‌سنج اولتراسونیک استفاده کرد. این حسگرها عبارت‌اند از حسگرهای EMAT و پیزوالکتریک. هر دوی این پروب ها هنگام تهییج، امواج صوتی را به داخل ماده ارسال می‌کنند. این پراب ‌ها به طور معمول از یک فرکانس از پیش تعیین‌شده استفاده می‌کنند؛ با این حال برخی از ضخامت‌سنج‌های خاص امکان تنظیم فرکانس را فراهم می‌کنند تا بتوان طیف گسترده‌تری از مواد را بازرسی کرد. فرکانس استانداردی که توسط یک ضخامت سنج آلتراسونیک به کار گرفته می‌شود، 5 مگاهرتز است.

برای از بین بردن شکاف بین پراب و قطعه‌ی مورد آزمایش در برخی از ضخامت‌سنج‌های اولتراسونیک، باید از یک ماده‌ی واسط به شکل ژل، خمیر یا مایع استفاده کرد. پروپیلن گلیکول یکی از مواد واسط رایج است، اما گزینه‌های زیاد دیگری هم وجود دارد که می‌توان جایگزین کرد.

امروزه مدل‌های دیگری با فناوری سطح بالا در بازار موجود است. ضخامت‌سنج‌های دیجیتالی مدرن، قابلیت ذخیره‌ی اطلاعات و ارائه‌ی خروجی به انواع دیگری از ابزارهای نمودارگیر را دارند. یک کابل و نرم‌افزار مناسب تغییر تنظیمات و ذخیره‌ی اطلاعات، می‌تواند بیشترین سهولت را برای کاربران ایجاد کند. این امر حتی به کاربران تازه‌کار هم اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری‌های دقیق و مقرون ‌به ‌صرفه‌ای داشته باشند.

مزایا

• روش غیر مخرب
• به هر دو طرف نمونه‌ی آزمایشی نیاز ندارد.
• می‌توان آن‌ها را برای کار کردن با پوشش‌ها، روکش‌ها و غیره مهندسی کرد.
• می‌توان با روش‌های زمان‌بندی استاندارد، به دقت‌های بالایی (1/0 میلی‌متر یا کمتر) دست یافت.
• می‌توان به راحتی از آن‌ها استفاده کرد و به شرایط آزمایشگاهی نیاز ندارند.
• تجهیزات نسبتاً ارزانی هستند.
• دستگاه های با قابلیت ضخامت سنجی از روی پوشش ( echo to echo )می‌تواند ضخامت را از روی خوردگی‌ها و سایر پوشش‌های سطحی روی فلزات اندازه‌گیری کند و نیازی به حذف پوشش فلزات نیست.

معایب:

• معمولاً برای هر ماده به کالیبراسیون نیاز دارد.
• باید پراب دستگاه با قطعه در تماس کامل باشد.
• نمی‌تواند از روی زنگ‌زدگی، اندازه‌گیری را انجام دهد (در مورد ضخامت سنج با قابلیت ضخامت سنجی از روی پوشش ( echo to echo ) صدق نمی‌کند).
• به استفاده از مواد واسط بین پروب و سطح مورد اندازه‌گیری (ژل کوپلنت) نیاز دارد .
• تفسیر نتایج آن نیاز به تجربه دارد.

کاربردهای مرسوم

از ضخامت سنج التراسونیک برای نظارت بر ضخامت فلزات یا کیفیت جوشکاری در محیط‌های صنعتی مانند معدن استفاده می‌شود. تکنیسین های NDE تجهیزشده با پروب‌های ضخامت سنج التراسونیک قابل‌حمل به آبکاری فلزات در پهلوها، کف‌ها و روساخت‌های مخازن دسترسی دارند. آن‌ها می‌توانند به راحتی و با لمس فولاد توسط سر اندازه‌گیری (پراب ) ضخامت را به دست آورند. با حذف اولین لایه‌های خوردگی قابل‌مشاهده و سپس استفاده از ژل‌های نفتی یا سایر مواد واسط، قبل از فشردن پروب روی فلز، از برقراری تماس اطمینان حاصل می‌شود. اما در صورتی که از ضخامت سنج التراسونیک به همراه یک پراب آکوستیک الکترومغناطیسی استفاده شود، دیگر نیازی به استفاده از مواد واسط نخواهد بود. از این روش‌های آزمون برای بازرسی فلزات به منظور تعیین کیفیت و ایمنی آن‌ها، بدون ایجاد تخریب یا از بین بردن یکپارچگی مواد استفاده می‌شود.

تکنیک‌ها و فناوری‌های مرتبط با ضخامت سنج التراسونیک، ارتباط نزدیکی با استفاده از امواج اولتراسونیک در سایر زمینه‌ها از قبیل انواع مختلف اندازه‌گیری‌های اولتراسونیک صنعتی و همچنین در سونوگرافی پزشکی و تصویربرداری‌های بالینی با امواج میکرو اولتراسوند دارند. هم‌اکنون از فناوری ضخامت سنج التراسونیک به همراه انتقال داده‌ی بی‌سیم، توسط برخی از شرکت‌ها برای نظارت آنلاین بر ضخامت فلزات در نوارهای نقاله استفاده می‌شود.

در زمینه‌ی آزمون‌های صنعتی اولتراسونیک، اندازه‌گیری ضخامت اولتراسونیک (ضخامت سنج التراسونیک) روشی برای اندازه‌گیری‌های غیر مخرب ضخامت محلی یک عنصر جامد (در صورت استفاده از آزمون اولتراسوند برای مقاصد صنعتی، معمولاً این مواد از فلز ساخته شده‌اند) بر اساس زمان مورد نیاز برای بازگشت صوت از سطح است. این نوع از اندازه‌گیری معمولاً با یک ضخامت‌سنج اولتراسونیک انجام می‌شود. مشاهده شده است که امواج اولتراسونیک با سرعت ثابتی از میان یک آلیاژ خاص عبور کرده و ارتباط چندانی با عوامل دیگر مانند دما ندارند. بنابراین با توجه به این اطلاعات که سرعت موج نامیده می‌شود، می‌توان طول مسیر پیموده شده توسط موج را با استفاده از این فرمول به دست آورد:
lm = ct / 2

که در آن، lm برابر با ضخامت نمونه، c سرعت صوت در نمونه‌ی داده‌شده و t هم زمان پیمایش است.
در این فرمول از تقسیم بر 2 استفاده شده است؛ به خاطر اینکه این ابزار معمولاً امواج الکترومغناطیس را در یک سمت از نمونه ارسال کرده و ثبت می‌کنند؛ در این حالت از این واقعیت استفاده می‌شود که امواج از مرز عنصر بازتاب پیدا می‌کنند. از این رو این زمان، متناظر با دو بار پیمایش صوت از میان نمونه است.

این موج معمولاً توسط یک سلول پیزوالکتریک یا حسگر EMAT که در سر حسگرِ اندازه‌گیری تعبیه شده، فرستاده می‌شود و همان حسگر هم برای ثبت موج بازگشتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم نیست اندازه‌گیری تحت تأثیر این موارد باشد، به خاطر اینکه اولین بازگشت ثبت‌شده، معمولاً سر موج تابیده‌شده‌ی در کوتاه‌ترین فاصله است که برابر با همان ضخامت نمونه است. می‌توان از سایر امواج بازگشتی صرف‌نظر کرده و یا اینکه می‌توان آن‌ها را با استفاده از استراتژی‌های پیچیده‌تر پردازش کرد.

ضخامت سنج‌های فراصوت چگونه کار می‌کنند؟

انرژی صوتی می‌تواند در طیف فرکانسی وسیعی تولید گردد. صدای قابل شنیدن در محدوده فرکانسی نسبتاً اندکی رخ می‌دهد به طوریکه کرانه‌ی بالای آن در حدود بیست هزار چرخه در هر ثانیه (20 کیلوهرتز) است. هر چه بسامد بیشتر باشد، گامی که ما دریافت می‌کنیم بیشتر است. فراصوت برابر انرژی صوت در بسامدهای بالاتر است، فراتر از محدوده‌های شنوایی انسان. اکثر آزمایش‌های فراصوت در طیف بسامدی مابین KHz 500 و MHz 20 هستند، اگرچه برخی از ابزارهای تخصصی تا KHz 50 یا کمتر و یا تا MHz 100 را پوشش می‌دهند. بسامد هر طور باشد، انرژی صوتی متشکل از الگویی از ارتعاشات مکانیکی سازمان‌یافته است که از محیطی همچون هوا یا فولاد مطابق با قوانین پایه‌ی فیزیک امواج عبور می‌کند.

ضخامت سنج‌های فراصوت با اندازه‌گیری بسیار دقیق مدت‌زمان لازم برای مسافت یک پالس صوتی که توسط کاوشگر کوچکی به نام پراب فراصوتی تولید شده، از یک قطعه‌ی آزمایش و بازگشت از سطح داخلی یا دیوار پشتی انجام می‌پذیرد. از آنجا که امواج صوتی بازتاب یافته از مرزهای مابین امواج صوتی ناهمسان در محدوده مگاهرتز در هوا منتشر نمی‌شوند، بنابراین مایع واسطی مابین پراب و قطعه مورد آزمایش به کار می‌رود تا انتقال صوت به خوبی حاصل گردد. از جمله مواد واسط متداول می‌توان به گلیسیرین، پروپیلن گلیکول، آب، روغن و ژل نام برد. تنها مقدار اندکی از این مواد مورد نیاز هستند، به‌ اندازه‌ای که شکاف هوای به شدت نازک موجود مابین پراب و هدف را پر کنند.

حالت‌های اندازه‌گیری

سه روش متداول برای اندازه‌گیری بازه زمانی ای وجود دارند که حرکت موج صوتی را از طریق قطعه‌ی مورد آزمایش نشان می‌دهند. حالت یک متداول‌ترین حالت است، که به سادگی بازه زمانی مابین پالس تحریک را که موج صوتی را تولید می‌کند و اولین پژواک بازگشتی را اندازه‌گیری می‌کند و یک مقدار انحراف بسیار کوچک را کسر می‌کند که تأخیر ناشی از ابزار ثابت، کابل و پراب را جبران می‌کند. حالت 2 شامل اندازه‌گیری بازه زمانی مابین یک پژواک بازگشتی از سطح قطعه مورد آزمایش و اولین پژواک دیوار پشتی است. حالت 3 شامل اندازه‌گیری بازه زمانی مابین دو پژواک دیوار پشتی متوالی است.

نوع پراب و الزامات مختص کاربرد به طور معمول نوع حالت را انتخاب خواهند کرد. حالت 1 به کار رفته با پراب تماسی، یک حالت آزمون هدف عمومی بوده و برای اکثر موارد توصیه می‌شود. حالت 2 که با خط تأخیر یا پرابهای غوطه‌ور به کار می‌رود، اغلب برای اندازه‌گیری شعاع محدب یا مقعر تند و یا در فضاهای محدود با خط تأخیر با پرابهای غوطه‌ور به کار می‌رود، برای اندازه‌گیری بر خط مواد در حال حرکت یا پرابهای غوطه‌ور و برای اندازه‌گیری در دماهای بالا به همراه پرابها خط تأخیر دمای بالا. حالت 3 که با خط تأخیر یا پرابهای غوطه‌وری مورد استفاده قرار می‌گیرد، به طور معمول بیشترین دقت اندازه‌گیری و بهترین تفکیک حداقل ضخامت را در یک حالت مشخص ارائه می‌کند، در صورت نفوذ، این حالت به طور معمول زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که دقت یا الزامات تفکیک نمی‌توانند در حالت 1 یا 2 برآورده شوند. به هر حال، حالت 3 تنها می‌تواند در موادی مورد استفاده قرار گیرد که پژواک‌های پشتی متعدد تولید می‌شوند، به طوری معمول موادی با میرایی اندک همانند مواد دانه‌ای ریز، شیشه و اکثر سرامیک‌ها.

انواع گیج های ضخامت سنجی

ضخامت سنج‌های فراصوت تجاری به طور کلی به دو نوع تقسیم می‌شوند: اندازه‌گیری خوردگی و اندازه‌گیری دقیق. مهم‌ترین کاربرد دستگاه‌های اندازه‌گیری فراصوت، ضخامت دیواره‌ی باقیمانده در لوله‌های فلزی، مخازن، بخش‌های سازه‌ای و مخازن تحت فشار است که در معرض خوردگی داخلی قرار دارند و نمی‌توانند از بیرون مشاهده شوند. دستگاه‌های اندازه‌گیری خوردگی برای این حالت طراحی شده‌اند، با استفاده از روش‌های فراوری که برای تشخیص حداقل ضخامت باقیمانده در یک قطعه‌ی زبر و خورده شده بهینه شده‌اند و از پرابهای المان دوبل (دو زوج) تخصصی برای این منظور استفاده می‌کنند.
دستگاه‌های اندازه‌گیری دقیق که از پرابهای المان منفرد (تک زوج) استفاده می‌کنند، برای تمامی کاربردهای دیگر توصیه می‌شوند، از جمله فلزات صاف و نیز پلاستیک‌ها، الیاف شیشه، کامپوزیت‌ها، لاستیک و سرامیک. با توجه به وجود انواع مختلفی پراب، دستگاه‌های اندازه‌گیری دقیق به شدت متنوع بوده و در بسیاری از موارد می‌توانند دقتی در حدود 0.001 ± اینچ (mm 0.025) یا بیشتر را اندازه‌گیری کنند، که بیش از دقتی است که می‌تواند در دستگاه‌های اندازه‌گیری خوردگی حاصل گردد.

در هر برنامه سنجش فراصوتی، انتخاب دستگاه سنجش و پراب بستگی بر ماده‌ی مورد اندازه‌گیری، محدوده ضخامت، شکل هندسی، دما، الزامات دقتی و هر شرایط خاصی خواهد داشت که ممکن است حضور داشته باشند.

دقت: عوامل بسیاری بر دقت اندازه‌گیری در یک کاربرد مشخص تأثیر می‌گذارند، از جمله سنجش مناسب دستگاه، یکنواختی سرعت صوت ماده، میرایی و پراکندگی صوت، زبری سطحی، انحناء، تزویج ضعیف صوت و موازی نبودن دیوار پشتی. تمامی این عوامل باید در هنگام انتخاب دستگاه سنجش و پراب نظر گرفته شوند. اندازه‌گیری‌ها طور معمول می‌توانند به دقتی در حدود 0.001 ± اینچ و یا mm 0.01 دست یابند و در برخی از موارد، دقت می‌تواند به 0.0001 اینچ یا 0.001 میلی‌متر برسد. دقت در یک حالت مشخص می‌تواند به بهترین نحو با استفاده از استانداردهای مرجع مربوط به ضخامت با دقت مشخص شده تعیین گردد. در حالت کلی، گیج‌هایی که از خط تأخیر یا پرابهای غوطه‌ور برای اندازه‌گیری‌های حالت 3 استفاده می‌کنند، قادر هستند تا ضخامت یک بخش را کاملاً دقیق تعیین کنند.