پرستو لطيفي
کارشناس نویسنده مقاله: پرستو لطيفي
1395/03/22

به نام ایزد یكتا

ضخامت سنج اولتراسونیك( Ultrasonic thickness gauge)

مقدمه:

یكی از تجهیزات مربوط به تست های غیر مخرب(NDT) كه جهت اندازه گیری ضخامت در شرایطی كه به یك سطح از جسم دسترسی داریم بكار می رود،ضخامت سنج اولتراسونیك می باشد. از ضخامت سنج های اولتراسونیك به منظور اندازه گیری ضخامت فلز، سرامیك، كامپوزیت، پلاستیك و ... بكار می رود. یكی از مهمترین و بارزترین ویژگی های ضخامت سنج های اولتراسونیك قابلیت اندازه گیری از روی روكش و بدون برداشتن پوشش می باشد كه این قابلیت باعث شده است ضخامت سنج های اولتراسونیك در صنایع كشتی سازی و خطوط لوله بسیار پركاربرد باشند.

در گذشته برای اندازه گیری ضخامت محصولاتی نظیر لوله بایستی نمونه را برش داده تا لبه های كولیس در آن جای گیرد. این عمل به خصوص در سایزهای بالاتر ضایعات بسیاری را به همراه خواهد داشت. از طرفی در خط تولید ، پس از جامد شدن نمونه می توان تنها با تراز نمودن سطح محصول، ضخامت را اندازه گیری نمود. امروزه با استفاده از امواج اولتراسونیك به راحتی می توان ضخامت جسم را در هر نقطعه ای از آن و بدون برش اندازه گیری كرد.

طرز كار ضخامت سنج های اولتراسونیك:

برای اندازه گیری ضخامت نمونه توسط این دستگاه، امواج صوت از طریق پراب ساطع شده و پس از عبور از ضخامت نمونه وارد محیط هوای داخل نمونه میگردد. هوا مانند عایق عمل نموده و سرعت عبور امواج از ضخامت با احتساب زمان آن ضخامت قطعه را بدست میدهد. به همین دلیل بایستی ضخامت نازكی از آب روی سطح قطعه قرار داده تا مانند رسانایی سبب عبور امواج گردد.

كار تمامی سنجه های ماوراء صوت بر پایه اندازه گیری بازه زمانی عبور پالس های فركانس صوتی از میان ماده مورد آزمایش است . فركانس یا گام این پالس های صوتی فراتر از حد شنوایی انسان است ، به طور كلی یك تا بیست میلیون سیكل در ثانیه ، در مقابل برای گوش انسان حد ، بیست هزار است . این امواج فركانس بالا توسط وسیله ای تولید و دریافت می شوند كه مبدل ماوراء صوت نامیده می شود ؛ كه انرژی الكتریكی را به لرزش های مكانیكی تبدیل می كند و بلعكس .

امواج اولتراسونیك بكار رفته در آزمایشات صنعتی به خوبی نمی توانند از میان هوا عبور كنند ؛ به همین دلیل از یك جفت واسط مثل پروپیلن گلیكول ؛ گلیسرین ، آب یا نفت استفاده می شود  كه اغلب بین مبدل و قطعه قرار می گیرد. بیشتر سنجه های ماوراء صوت از روش " ضربه - انعكاس " برای اندازه گیری استفاده می كنند . امواج صوتی تولید شده توسط مبدل ، وارد قطعه شده  و از بخش دیگر منعكس می شوند و به مبدل بازمی گردند .  سنجه ، بازه زمانی بین پالس مرجع یا اولیه را با انعكاس آن با دقت اندازه گیری می كند. به طور نمونه این بازه زمانی تنها یك میلیونیم ثانیه است. اگر سنجه با سرعت صوت در آن نمونه برنامه ریزی شده باشد ، می توان ضخامت را بوسیله روابط ساده ریاضی از روی این بازه زمانی محاسبه كرد.

t = VT/2

t= ضخامت قطعه      V = سرعت صوت در آن ماده               T= زمان رفت و برگشت اندازه گیری شده

نكته مهم این است كه سرعت صوت در ماده مورد آزمایش یك بخش ضروری از این محاسبه است .در مواد متفاوت سرعت انتقال صوت نیز متفاوت است ، و سرعت صوت به طور قابل توجهی با دما تغییر خواهد كرد.  بنابر این ضروری است كه ابزار ماوراء صوت با توجه به سرعت صوت در ماده مورد آزمایش كالیبره شود و دقت اندازه گیری وابسته به این كالیبراسیون است .

ضخامت سنج اولتراسونیك  را می توان طوری تنظیم كرد كه بتوان فلزات ، پلاستیك ، سرامیك ها ، كامپوزیت ها ، اپوكسی ها و شیشه را اندازه گیری كند. همچنین نمونه های بیولوژیك و مایع را نیز میتوان اندازه گیری كرد . موادی كه برای سنجه های متداول ، مناسب نیستند شامل چوب ، كاغذ ، بتن و فوم است . اندازه گیری  آنلاین یا همزمان پلاستیك های اكسترود شده  یا فلزات نورد شده ، همچنین اندازه گیری لایه ها یا پوشش در مواد چند لایه نیز ممكن است.

اجزاء ضخامت سنج اولتراسونیك عبارتند از:

یك ضخامت سنج اولتراسونیك عموما شامل یك مدار گیرنده و فرستنده ، كنترل كننده و زمان سنج منطقی ، مدار محاسباتی ، مدار نمایش گر و یك تامین كننده نیرو است. پالسر،  تحت كنترل یك میكروپروسسور، یك پالس محرك را به مبدل می فرستد . پالس ماوراء صوت بوسیله مبدل كه به نمونه تست متصل شده ، تولید می شود. انعكاس ها از انتها یا داخل سطح نمونه بوسیله مبدل دریافت و به سیگنال های الكتریكی تبدیل می شوند  . و یك آمپلیفایر دریافت كننده را تغذیه می كنند برای آنالیز كردن. میكرو پروسسور كنترل كننده و مدارهای زمان سنج منطقی پالس را منطبق كرده و و سیگنال های انعكاسی مناسب را برای اندازه گیری بازه زمانی انتخاب می كنند . وقتی كه انعكاس ها دریافت می شوند ، مدار زمان سنجی ، یك بازه برابر با رفت و برگشت پالس صوتی در نمونه تست را بدقت اندازه خواهد گرفت . اغلب این پروسه چندین بار تكرار شده تا یك مقدار متوسط و پایدار بدست آید.

سپس میكروپروسسور این بازه زمانی را همراه  با سرعت صوت و داده های ذخیره شده در حافظه دستگاه بكار می برد تا ضخامت را اندازه گیری كند.  این ضخامت سپس نمایش داده شده و به طور متناوب آپدیت می شود . ضخامت خوانده شده همچنین ممكن است در حافظه بیرونی ذخیره شود یا به پرینتر انتقال پیدا كند .

انواع ضخامت سنج های اولتراسونیك به شرح ذیل است :

اغلب ضخامت سنج های اولتراسونیك یكی از چهار نوع زیر هستند :

1.    مبدل - تماسی 

2.    خط تاخیری 

3.    شناور 

4.    دوجزئی

مبدل تماسی :

ضخامت سنج هایی كه از مبدل با تماس مستقیم استفاده می كنند به طور كلی در اجرا ساده هستند و به طور گسترده ای در اندازه گیری های صنعتی بكار می روند .بازه های زمانی عبارت اند از پالس های القایی اولیه تا اولین انعكاس منهای فاكتور تصحیح كننده ای كه حساب ضخامت از سطح ابزار مبدل را دارد و لایه كوپل شده ، همچنین تاخیر الكتریكی در ابزار سنجش . به طور ضمنی مبدل تماسی بكار گرفته می شود در تماس مستقیم با قطعه مورد تست .مبدل های تماسی برای كاربرد های سنجش بجز موارد زیر توصیه می شوند .

مبدل خط تاخیری:

مبدل های خط تاخیری از یك سیلندر پلاستیك ، اپوكسی یا سیلیكا جوش خورده تشكیل شده اند و به عنوان خط تاخیری بین جزء مبدل و قطعه كار شناخته می شوند .یك دلیل عمده برای استفاده از مبدل خط تاخیری جدا كردن انعكاس ها از پالس های محرك در ماده نازك مورد اندازه گیری هست . به عنوان یك موج بر ، خط تاخیری همچنین می تواند امواج را به قطعه ای كه بسیار داغ است بفرستد تا اندازه گیری بوسیله مبدل تماسی حساس به گرما انجام شود . خط تاخیری را می توان طوری شكل داد كه به راحتی با سطوح منحنی و فضاهای محدود كوپل شود . زمان بندی انعكاس ها در كاربردهای خط تاخیری ممكن است یكی ازاین دوحالت باشد .انتهای خط تاخیری به ابتدای انعكاس دیواره پشتی یا بین انعكاس های موفق دیواره . این نوع زمان سنجی دقت اندازه گیری مواد نازك را بهبود می بخشد و یا دقت اندازه گیری بیشتر از روش تماسی برای كاربردهای ویژه است .

مبدل شناور :

مبدل های شناور یك ستون آب را برای انتقال انرژی صوتی به داخل قطعه بكار می برند . آنها را می توان بكار برد برای اندازه گیری آنلاین تولیدات متحرك ، برای اسكن و یا اندازه گیری چرخشی ، یا بهینه سازی در شعاع های تیز  و شیارها . نوع زمان سنجی مشابه نوع تاخیر خطی است .

مبدل دو جزئی  :

مبدل های دو جزئی اصولا برای اندازه گیری سطوح زبر و خشن مورد استفاده قرار می گیرند .در آنها مبدل فرستنده و گیرنده جدا از هم هستند كه هر دو روی یك خط تاخیری سوار شده اند در یك زاویه متغییر برای تمركز انرژی یك فاصله انتخاب شده در زیر سطح قطعه . همچنین دقت عمل این نوع كمتر از انواع دیگر است .  آنها فقط برای كاربردهای زبر و خشن طراحی شده اند.

نكات مهم در انتخاب یك ضخامت سنج اولتراسونیك می بایست مد نظر قرار گیرد،عبارتند از:

  • موارد استفاده : (فلز / شیشه  / پلاستیك / سفال ها و مواد دیگر)

    •    محدوده اندازه گیری

    •    دقت اندازه گیری

    •    قابلیت تنظیم سرعت التراسونیك

    •    فركانس التراسونیك MHz  

    •    قابلیت كالیبره شدن اتوماتیك

    •    قابلیت اتصال به كامپیوتر توسط كابل

با تشكر و آرزوی موفقیت



مطالب مرتبط