Το παχύμετρο υπερήχων είναι η ηλεκτρονική συσκευή που η αρχή η λειτουργίας στηρίζεται στην εκπομπή και τη λήψη ηχητικών κυμάτων για τη μέτρηση του πάχους ενός δεδομένου υλικού.

Η βασική αρχή λειτουργίας ενός παχύμετρου με την χρήση υπερήχων έγκειται στη χρήση ενός μετατροπέα ενέργειας (ultrasound transducer), ο οποίος μετατρέπει μια μορφή ενέργειας (συνήθως ηλεκτρική) σε μηχανική ενέργεια (υπερηχητικό κύμα). Ο μετατροπέας αυτός τοποθετείται στην επιφάνεια, του υπό εξέταση υλικού και έχει ως αποτέλεσμα τη διάδοση της ηχητικής ενέργειας στο εσωτερικό του υλικού, ενώ η καταγραφή του ανακτώμενου σήματος μπορεί να γίνει είτε χρησιμοποιώντας τον ίδιο μετατροπέα, είτε χρησιμοποιώντας έναν άλλο μετατροπέα. Ανεξάρτητα από τον τρόπο διάδοσης και ανάκτησης των υπερηχητικών κυμάτων, κατά την καταγραφή σήματος η μηχανική ενέργεια του κύματος μετατρέπεται σε κατάλληλη μορφή ενέργειας για την ανάλυση των αποτελεσμάτων..

Ένα παχύμετρο υπερήχων αποτελείται από δύο κύρια μέρη, το κυρίως σώμα της συσκευής και τον μετατροπέα ενέργειας. Ο μετατροπέας ενέργειας συνδέεται στο σώμα με ηλεκτρικό καλώδιο, το οποίο στέλνει και λαμβάνει τα απαιτούμενα δεδομένα από το σώμα. Το ίδιο το σώμα περιέχει ευαίσθητο και περίπλοκο υπολογιστικό εξοπλισμό, ο οποίος προγραμματίζεται εκ των προτέρων με όλα όσα χρειαζόμαστε για τη μέτρηση πάχους.

Αρχή λειτουργίας του παχύμετρου υπερήχων.

Η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στη μέθοδο της παλμοηχούς (pulse echo method) η οποία είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική ελέγχου και βασίζεται στη διάδοση και καταγραφή υπερηχητικών κυμάτων χρησιμοποιώντας τον ίδιο μετατροπέα, ο οποίος λειτουργεί ως πομπός και ως δέκτης ταυτόχρονα. Ο ηχητικός παλμός που παράγεται από την κεφαλή διαδίδεται στο εσωτερικό του υλικού και όταν αυτός φτάσει στην πίσω επιφάνεια του δείγματος, ανακλάται. Έτσι, η ηχώ που εκπέμπεται από την πίσω επιφάνεια φτάνει στον δέκτη μετά από χρόνο t με τη μέθοδο αυτή η υπερηχητική δέσμη διατρέχει το υλικό δυο φορές (εμπρός και πίσω) πράγμα που προκαλεί κάποια αποδυνάμωση.

Εικόνα 1: Αναπαράσταση της προσαρμογής του αισθητήρα στο δοκίμιο και η διάδοση του ήχου μέσα σε αυτό. Στο διάγραμμα φαίνεται η ένταση του σήματος εκπομπής και η εξασθενημένη ηχώ.

Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό πως ο υπολογισμός του πάχους προκύπτει από τον τύπο: (1)

T: το πάχος του δοκιμίου

V: η ταχύτητα του ήχου μέσα στο δοκίμιο

t: ο χρόνος της εκπομπής και επιστροφής

Βήματα που πρέπει να ακολουθήσουμε για την μέτρηση πάχους ενός δοκιμίου με το παχύμετρο υπερήχων;

Mια σημαντική παρατήρηση για τον υπολογισμό του πάχους ενός υλικού είναι ότι η διάδοση του ήχου έχει διαφορετική ταχύτητα σε κάθε υλικό, αυτό σημαίνει ότι ο ήχος ταξιδεύει μέσω διαφορετικών υλικών με διαφορετικές ταχύτητες..

Για να υπολογίσουμε επομένως με ακρίβεια το πάχος ενός δοκιμίου, η συσκευή πρέπει να γνωρίζει την ταχύτητα του ήχου μέσα στο υλικό που μετράτε. Επειδή αυτό θα είναι μοναδικό για κάθε υλικό, είναι σημαντικό να βαθμονομηθεί η συσκευή που θα χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του πάχους του υλικού.

Παρακάτω αναφέρονται μερικά από τα κοινά υλικά και οι αντίστοιχες σχετικές ταχύτητες του ήχου μέσα σε αυτά..

Μετά τη βαθμονόμηση, η συσκευή μας είναι έτοιμη να μετρήσει το δείγμα με ακρίβεια.

Το δεύτερο σημείο που θέλει προσοχή κατά την μέτρηση είναι να προσδιοριστεί εάν η επιφάνεια του υλικού που θα μετρηθεί το πάχος του είναι επιστρωμένη με κάποιο υλικό. Ως επίστρωση θεωρείται οποιοδήποτε υλικό που καλύπτει την επιφάνεια και εμποδίζει την άμεση επαφή μεταξύ του αισθητήρα και του ίδιου του υλικού. Η βρωμιά, η σκόνη, η σκουριά, το χρώμα, το βερνίκι κτλ. είναι κάποια παραδείγματα επιστρώσεων του δοκιμίου που μπορεί να συναντήσουμε.

Εάν δεν γνωρίζετε το προς μέτρηση υλικό;

Μετρήστε το πάχος του υλικού σε ένα σημείο (π.χ. με αναλογικό παχύμετρο) και σημειώστε το πάχος. Τώρα μετρήστε το πάχος στο ίδιο σημείο με τη προηγούμενη μέτρηση με το μετρητή και αλλάξτε την ταχύτητα του ήχου μέχρι η εμφανιζόμενη τιμή να είναι ίδια με αυτή που σημειώσατε. Καταγράψτε την ταχύτητα του ήχου που έχει ρυθμιστεί για το υλικό. Εάν θέλετε να κάνετε περαιτέρω μετρήσεις του τρέχοντος υλικού, πρέπει να ρυθμίσετε την καθορισμένη ταχύτητα ήχου πριν ξεκινήσετε μια μέτρηση.

Μέθοδοι μέτρησης του πάχους με παχύμετρο υπερήχων.

Εάν χρησιμοποιείτε συσκευή εξοπλισμένη με Single Echo, τότε οι επιστρώσεις που καλύπτουν την επιφάνεια θα προκαλέσουν ασυμφωνία στις μετρήσεις και θα μας δώσουν ανακριβή αποτελέσματα. Σε αυτό το σενάριο, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι η επιφάνεια είναι καθαρή και πρέπει να χρησιμοποιηθεί μονωτικό τζελ για να εξασφαλιστεί μια καθαρή επαφή μεταξύ του αισθητήρα και της επιφάνειας

Εικόνα 2: Φαίνεται το δοκίμιο και η κίνηση του ηχητικού σήματος μέσα σε αυτό. Στο πάνω μέρος φαίνεται το σήμα που στέλνεται και το οποίο ορίζει και την αρχή του χρόνου εκκίνησης , μετά από χρόνο T1 λαμβάνεται το σήμα από ανάκλαση.

Για συσκευές που χρησιμοποιούν μεθόδους Echo-Echo και Multiple Echo, τότε η επίστρωση είναι λιγότερο πρόβλημα για την μέτρηση. Το Echo-Echo επιτρέπει στον υπερηχητικό μας μετρητή πάχους να αγνοεί μια επίστρωση πάχους έως και 1mm. Η πρωτοποριακή μέθοδος Multiple Echo μπορεί να αγνοήσει επίστρωση πάχους έως και 6 mm και με ενεργοποιημένη τη λειτουργία Deep Coat, μπορεί να αγνοηθεί η επικάλυψη μέχρι και 20 mm.

Οι Echo-Echo και Multiple Echo χρησιμοποιούν δύο και τρεις χρονισμούς αντιστοίχως για την εξάλειψη του πάχους της επικάλυψης και την επίτευξη ακριβούς αποτελέσματος για το πάχος του δείγματος

Εικόνα 3: : Φαίνεται το δοκίμιο και η κίνηση του ηχητικού σήματος μέσα σε αυτό. Στο πάνω μέρος φαίνεται το σήμα που στέλνεται και το οποίο ορίζει και την αρχή του χρόνου εκκίνησης, μετά από χρόνο T1 λαμβάνεται το σήμα από ανάκλαση της πίσω πλευράς και μετά από χρόνο Τ2 λαμβάνεται το σήμα που ξεκινά από το όριο της επίστρωσης και του δείγματος.

Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, ο δεύτερος κύκλος του ηχητικού κύματος ξεκινά από το όριο μεταξύ της επίστρωσης και του δείγματος. Αυτός είναι και ο βασικός παράγοντας για την εξάλειψη της επικάλυψης από τη μέτρηση, επειδή σημαίνει ότι ο χρονισμός Τ1 και ο χρονισμός Τ2 θα είναι ελαφρώς διαφορετικοί.

Το Multi Echo έχει ένα τρίτο χρονισμό για χρήση, γεγονός που αυξάνει την ακρίβεια της μέτρησης όταν η επικάλυψη είναι παχύτερη. Για αυτό, οι χρονισμοί T2 και T3 είναι συνήθως ίδιοι ή ελάχιστα διαφορετικοί, έτσι ώστε το υπολογιστικό υλικό και το λογισμικό της διάταξης του μετρητή να μπορούν να εξαλείψουν την επίστρωση και να καταγράψουν μόνο το πάχος του δείγματος.

Η διαδικασία μέτρησης περιλαμβάνει τη συσκευή που παράγει έναν υπερηχητικό παλμό, ο οποίος στέλνεται μέσω του υλικού που θέλουμε να μετρήσουμε. Ο χρονισμός ξεκινά όταν ο παλμός εκπέμπεται αρχικά από τον αισθητήρα και τελειώνει όταν ανιχνεύεται η ηχητική επιστροφή, η οποία προκύπτει από την ανάκλαση του ηχητικού σήματος στο πέρας του δοκιμίου.

Οι τρεις τύποι αισθητήρων που χρησιμοποιούνται σε μετρητές πάχους υπερήχων.

Οι αισθητήρες επαφής είναι γενικής χρήσης για παχύμετρα υπερήχων. Αυτοί, όπως όλοι οι αισθητήρες υπερήχων, πρέπει να έρχονται σε άμεση επαφή με το υπό δοκιμή υλικό και εκπέμπουν ηχητικά κύματα κάθετα στην επιφάνεια του υλικού δοκιμής.

Οι μετρητές καθυστέρησης γραμμής χρησιμοποιούνται για τη δοκιμή πολύ λεπτών υλικών, καθώς ενσωματώνουν ένα μικρό πλαστικό κυματοδηγό ή μια γραμμή καθυστέρησης μεταξύ του ενεργού στοιχείου και του τεμαχίου δοκιμής που βελτιώνει την ανάλυση κοντά στην επιφάνεια.

Οι αισθητήρες διπλού στοιχείου είναι οι καλύτεροι για τη βελτίωση της ανάλυσης όταν οι επιφάνειες δοκιμής είναι ακατέργαστες.

Εικόνα 4: Τα μέρη μετατροπέα ενέργειας μονού και διπλού στοιχείου.

Τύποι απεικόνισης

Τα δεδομένα που λαμβάνονται μπορούν να παρουσιαστούν στην οθόνη της συσκευής σε διάφορες μορφές/τύπους. Ο κάθε τύπος παρουσίασης προσφέρει μια διαφορετική οπτική γωνία στην εξέταση και αξιολόγηση του εξεταζόμενου υλικού.

Σάρωση τύπου Α

Η σάρωση τύπου Α (A-Scan) είναι το συνηθέστερο σύστημα. Απεικονίζει το ποσό της ανακλώμενης ενέργειας σε μία οθόνη με μορφή. Ο οριζόντιος άξονας της οθόνης παριστάνει το χρόνο που διανύει μέσα στο υλικό ο υπέρηχος μέχρι να επιστρέψει στην κεφαλή, ενώ ο κατακόρυφος άξονας το εύρος/πλάτος σήματος, δηλαδή την ηχητική ενέργεια που επιστρέφει στην κεφαλή.

Σάρωση τύπου Β

Η σάρωση τύπου Β (B-Scan) μας δίνει την απεικόνιση της τομής του δοκιμίου κάτι το οποίο γίνεται με σάρωση κατά μήκος της επιφάνειας του. Στην οθόνη, ο οριζόντιος άξονας αναπαριστά την απόσταση που διανύει η κεφαλή κατά τη σάρωση, ενώ ο κάθετος άξονας το πάχος του δοκιμίου.