دستگاه ضخامت سنج التراسونیک با استفاده از فناوری ارسال امواج صوتی با فرکانس بالا به داخل ماده، میزان زمانی که امواج در داخل ماده طی میکنند را اندازه گیری میکند.
بر اساس این زمان رفت و برگشت، ضخامت دقیق لایه یا قطعه محاسبه و نمایش داده میشود. این روش امکان اندازه گیری ضخامت بدون نیاز به تخریب سطح را فراهم میکند و برای مواد فلزی، پلاستیکی، و حتی کامپوزیتی بسیار کاربردی است .
برای درک بهتر نحوه کار با ضخامت سنج، باید ابتدا با ساختار دستگاه، عملکرد امواج فراصوت و نحوه ی تفسیر داده ها آشنا شد.
ضخامت سنج التراسونیک چیست؟
ضخامت سنج اولتراسونیک دستگاهی است که از امواج صوتی با فرکانس بالا برای اندازه گیری ضخامت مواد استفاده می کند. این دستگاه با ارسال پالس های صوتی به سطح قطعه و دریافت بازتاب آن ها از مرزهای داخلی، فاصله ی رفت وبرگشت موج را محاسبه کرده و بر اساس سرعت صوت در آن ماده، ضخامت واقعی را نمایش می دهد.
این روش در صنایع مختلف برای بررسی خوردگی لوله ها، مخازن تحت فشار، ورق های فلزی و حتی قطعات پلاستیکی به کار می رود. بزرگ ترین مزیت استفاده از این روش، غیرمخرب بودن آن است؛ یعنی بدون نیاز به برش یا آسیب، می توان ضخامت بخش های مختلف را در محل واقعی و در لحظه اندازه گیری کرد.
نحوه کار با ضخامت سنج به گونه ای طراحی شده که حتی اپراتورهای تازه کار نیز با کمی آموزش می توانند نتایج دقیق و قابل اعتمادی به دست آورند.
قطعات دستگاه ضخامت سنج و معرفی آنها
ضخامت سنج التراسونیک از چند بخش اصلی تشکیل شده که هر کدام نقش مهمی در عملکرد دقیق و قابل اطمینان دستگاه ایفا میکنند :
- صفحه نمایش (Display): نمایشگر دستگاه، اطلاعات مربوط به ضخامت اندازه گیری شده، سرعت صوت، و دیگر تنظیمات را به صورت واضح و قابل فهم نشان میدهد .
- پراب التراسونیک (Ultrasonic Probe): این قطعه وظیفه ارسال و دریافت امواج صوتی را بر عهده دارد. پرابها معمولاً از جنس کامپوزیت سرامیک هستند و بسته به کاربرد و نوع ماده، در ابعاد و فرکانس های متفاوت تولید میشوند.
- واحد پردازش (Processing Unit): مغز دستگاه که سیگنالهای دریافتی از پراب را پردازش کرده و ضخامت واقعی را محاسبه میکند .
- کلیدها و دکمه های کنترلی (Control Buttons): این دکمه ها برای تنظیمات مختلف مانند انتخاب ماده،کالیبراسیون، تغییر واحد اندازه گیری و ذخیره سازی داده ها به کار میروند .
- درگاههای ورودی و خروجی (Input/Output Ports): شامل پورتهای USB یا کارت حافظه برای انتقال داده ها به کامپیوتر و یا شارژ دستگاه .
- باتری یا منبع تغذیه (Power Supply): تامین انرژی دستگاه که معمولاً باتریهای قابل شارژ یا باتریهای قلمی هستند .
- کابل پراب (Probe Cable): اتصال بین پروب و واحد اصلی که سیگنال های صوتی را منتقل میکند .
نحوه کار ضخامت سنج التراسونیک
درک نحوه کار با ضخامت سنج نیازمند آشنایی با اصول فیزیکی امواج فراصوت است. این دستگاه بر پایه ی زمان رفت و برگشت موج درون ماده عمل می کند و از طریق پردازش این بازتاب ها، ضخامت واقعی را محاسبه می نماید. عملکرد آن مشابه اکو در طبیعت است: موج ارسال می شود، به مانع برخورد می کند و بازتاب آن ثبت می شود.
اصل عملکرد بر پایه امواج صوتی
پایه ی اصلی کار ضخامت سنج بر اثر پیزوالکتریک است. پراب هنگام دریافت پالس الکتریکی، موج صوتی با فرکانس بالا (معمولاً بین ۱ تا ۱۰ مگاهرتز) را به درون ماده ارسال می کند. این موج در مسیر حرکت خود با مرز داخلی یا عیب درون ماده برخورد می کند و بخشی از آن بازتاب می یابد.
دستگاه با اندازه گیری زمان بین ارسال و دریافت موج، ضخامت ماده را محاسبه می کند. هرچه فاصله ی بین دو پالس بیشتر باشد، ضخامت نیز بیشتر است. این روش امکان بررسی دقیق حتی کوچک ترین تغییرات در ساختار ماده را فراهم می کند.
روش ارسال و بازتاب امواج
در فرآیند اندازه گیری، ابتدا سطح قطعه تمیز می شود و کوپلنت بین پراب و سطح قرار می گیرد. سپس اپراتور پراب را روی نقطه ی موردنظر می گذارد تا موج فراصوت وارد ماده شود. پس از بازتاب موج از سطح پشتی یا هر لایه ی داخلی، پراب سیگنال برگشتی را دریافت می کند.
دستگاه این سیگنال را به نمودار یا عدد تبدیل می کند که نشان دهنده ی ضخامت واقعی است. در برخی مدل های پیشرفته، علاوه بر مقدار عددی، شکل موج (A-Scan) نیز نمایش داده می شود تا اپراتور بتواند محل دقیق عیوب یا ناپیوستگی ها را شناسایی کند.
در محیط های صنعتی که ضخامت نقاط مختلف باید به صورت پیوسته اندازه گیری شود، از اسکنرهای خودکار التراسونیک استفاده می شود. این سیستم ها پراب را روی سطح حرکت می دهند و داده ها را به صورت نقشه ی رنگی (C-Scan) ثبت می کنند.
فرمول محاسبه ضخامت
در ساده ترین حالت، ضخامت ماده از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
T = (V × t) / 2
در این فرمول:
T ضخامت ماده (میلی متر)،
V سرعت صوت در ماده (متر بر ثانیه)،
t زمان رفت وبرگشت موج (ثانیه) است.
ضریب ۲ به این دلیل در فرمول وجود دارد که موج مسیر رفت و برگشت را طی می کند. برای مثال، اگر سرعت صوت در فولاد ۵۹۲۰ متر بر ثانیه باشد و زمان رفت و برگشت موج ۱ میکروثانیه اندازه گیری شود، ضخامت حدود ۲.۹۶ میلی متر خواهد بود.
در جدول زیر نمونه ای از سرعت صوت در مواد مختلف آورده شده است که برای تنظیم دستگاه در هنگام کار استفاده می شود:
| نوع ماده | سرعت صوت (m/s) | کاربرد متداول |
| فولاد | 5920 | لوله ها، سازه های فلزی |
| آلومینیوم | 6320 | بدنه هواپیما، قطعات سبک |
| مس | 4700 | سیم و تجهیزات الکتریکی |
| پلاستیک | 2300 | قطعات عایق و سبک |
| شیشه | 5570 | صنایع اپتیک و بسته بندی |
منوی اصلی و دکمه های ضخامت سنج التراسونیک
در اکثر مدل های ضخامت سنج التراسونیک، منوی اصلی دستگاه به گونه ای طراحی شده که کاربر بتواند به راحتی و با
سرعت به تنظیمات و گزینه های مختلف دسترسی داشته باشد. بخش های معمول منوی اصلی عبارتند از :
- انتخاب ماده (Material Selection): انتخاب نوع ماده ای که قرار است ضخامت آن اندازهگیری شود(مانند فولاد، آلومینیوم، پلاستیک و غیره)برای تنظیم سرعت صوت مناسب .
- کالیبراسیون (Calibration): برای افزایش دقت ضخامت سنج، کاربر میتواند دستگاه را با استفاده از استانداردهای ضخامت تنظیم کند .
- تنظیم واحد اندازهگیری (Units): انتخاب واحدهای ضخامت(میلیمتر، اینچ و غیره).
- ذخیره سازی داده ها (Data Storage): امکان ذخیره نتایج اندازهگیری برای بررسی های بعدی یا انتقال به کامپیوتر .
- تنظیمات پروب (Probe Settings): شامل تنظیم فرکانس و حساسیت پروب .
- نمایشگر موج (Waveform Display): مشاهده سیگنال های دریافتی برای بررسی صحت اندازه گیری دکمه های کنترلی متداول و کاربرد آنها.
- دکمه روشن/خاموش (Power): برای روشن و خاموش کردن دستگاه .
- دکمه منو (Menu): ورود به منوی اصلی دستگاه .
- دکمه انتخاب (Select/OK): تایید گزینه های انتخاب شده در منو .
- دکمه جهت ها (Arrow Keys): حرکت در منوها و انتخاب گزینه ها .
- دکمه کالیبراسیون (Cal): اجرای فرایند کالیبراسیون سریع .
- دکمه ذخیره (Save): ذخیره داده های اندازهگیری شده .
- دکمه بازگشت (Back): بازگشت به منوی قبلی یا لغو انتخاب .
آموزش گام به گام کار با ضخامت سنج التراسونیک
یادگیری نحوه کار با ضخامت سنج به صورت مرحله به مرحله به اپراتور کمک می کند تا اندازه گیری دقیق، تکرارپذیر و بدون خطا انجام دهد. اگرچه کارکرد کلی دستگاه ساده به نظر می رسد، اما هر مرحله از فرآیند از آماده سازی سطح تا خواندن نهایی داده در دقت نهایی تأثیر مستقیم دارد.
در ادامه روند کامل کار با دستگاه ضخامت سنج التراسونیک را شرح می دهیم تا بتوان آن را در هر محیط صنعتی یا آزمایشگاهی با اطمینان به کار برد.
آماده سازی سطح قطعه
اولین و مهم ترین گام پیش از شروع اندازه گیری، آماده سازی سطح است. هرگونه آلودگی، زنگ زدگی، چربی یا رنگ روی سطح قطعه می تواند مانع از عبور مناسب امواج صوتی شود و نتیجه را نادرست نشان دهد. بنابراین باید سطح موردنظر کاملاً تمیز، خشک و صاف باشد. در بسیاری از صنایع از سمباده ی نرم یا برس فلزی برای حذف لایه های اکسید استفاده می شود.
در سطوح خمیده یا زبر، استفاده از مقدار بیشتری کوپلنت ضروری است تا سطح تماس کامل تری میان پراب و قطعه ایجاد شود. هرچقدر سطح تمیزتر و صاف تر باشد، سیگنال بازگشتی قوی تر و اندازه گیری دقیق تر خواهد بود.
انتخاب پراب مناسب
در مرحله ی دوم باید نوع پراب متناسب با جنس و ضخامت قطعه انتخاب شود. انتخاب پراب اشتباه می تواند خطاهای چند دهم میلی متری در نتایج ایجاد کند. برای فلزات ضخیم، پراب های فرکانس پایین (مثلاً ۲ تا ۵ مگاهرتز) مناسب ترند زیرا امواج آن ها عمق نفوذ بالایی دارد. برای قطعات نازک یا ظریف از پراب های فرکانس بالا (۵ تا ۱۰ مگاهرتز) استفاده می شود تا وضوح اندازه گیری افزایش یابد.
در قطعات دارای انحنا یا لبه های زاویه دار، بهتر است از پراب های دو عنصری یا زاویه ای استفاده شود تا موج بتواند به صورت مورب به سطح داخلی برسد و بازتاب مناسبی داشته باشد. اپراتورهای حرفه ای معمولاً پیش از کار اصلی، چند نمونه تست آزمایشی انجام می دهند تا بهترین پراب را برای شرایط کاری پیدا کنند.
تنظیم سرعت صوت در دستگاه
یکی از کلیدی ترین مراحل در نحوه کار با ضخامت سنج، تنظیم سرعت صوت در دستگاه است. هر ماده سرعت انتشار صوت مخصوص به خود را دارد و اگر دستگاه بر اساس ماده ی دیگری تنظیم شود، عدد ضخامت اشتباه خواهد بود. برای مثال، سرعت صوت در فولاد حدود ۵۹۲۰ متر بر ثانیه و در آلومینیوم ۶۳۲۰ متر بر ثانیه است.
در منوی دستگاه، کاربر باید جنس ماده را انتخاب کند یا سرعت صوت را به صورت دستی وارد نماید. در برخی مدل های پیشرفته، امکان کالیبراسیون خودکار وجود دارد؛ به این صورت که دستگاه با اندازه گیری ضخامت معلوم از روی نمونه مرجع، سرعت دقیق صوت را برای همان جنس محاسبه و ذخیره می کند.
استفاده از کوپلنت
در مرحله ی بعد، باید بین پراب و سطح قطعه کوپلنت مناسب قرار گیرد تا انتقال صوت بدون افت انرژی انجام شود. ضخامت لایه ی کوپلنت نباید زیاد باشد، زیرا در این حالت بخشی از موج در خود کوپلنت جذب می شود. هدف از این مرحله حذف لایه ی هوای بین پراب و سطح است، زیرا وجود هوا بزرگ ترین مانع برای عبور امواج صوتی است.
کوپلنت را به آرامی روی سطح بزن و پراب را با فشار یکنواخت روی نقطه مورد نظر قرار بده. هنگام حرکت پراب روی سطح، اگر صدای هشدار یا قطع سیگنال شنیدی، به معنای ناپیوستگی تماس است و باید دوباره کوپلنت اضافه شود.
خواندن و تفسیر نتایج
پس از اعمال پراب و دریافت بازتاب موج، عدد ضخامت روی نمایشگر ظاهر می شود. در برخی دستگاه ها، شکل موج بازگشتی نیز روی نمودار دیده می شود که به آن A-Scan می گویند. در صورت وجود چند موج بازگشتی، باید سیگنال مربوط به سطح پشتی یا مرز واقعی ماده انتخاب شود.
اپراتور حرفه ای قادر است از فاصله ی زمانی میان پالس ها برای تشخیص لایه های مختلف در قطعات چند لایه یا کامپوزیتی استفاده کند. در صورت مشاهده ی اختلاف در نقاط مختلف، معمولاً دلیل آن وجود خوردگی یا حفره های داخلی است. در بازرسی های تخصصی تر، داده ها ذخیره شده و به صورت نقشه ی ضخامت (C-Scan) تحلیل می شوند تا مناطق آسیب دیده به وضوح مشخص شود.
نکات مهم در نگهداری دستگاه ضخامت سنج
برای اینکه دستگاه ضخامت سنج همیشه نتایج دقیق ارائه دهد، باید به صورت منظم کالیبره و نگهداری شود. کالیبراسیون یعنی تنظیم دستگاه بر اساس نمونه های استاندارد تا مطمئن شویم مقدار نمایش داده شده برابر مقدار واقعی است. این کار معمولاً با استفاده از بلوک های مرجع با ضخامت مشخص انجام می شود.
در هنگام کارهای روزمره، دستگاه باید از ضربه، گردوغبار و رطوبت محافظت شود. کابل پراب ها نیز یکی از نقاط حساس هستند؛ خم شدن یا کشیده شدن مداوم باعث پارگی داخلی و تضعیف سیگنال می شود. بهتر است پس از پایان کار، پراب با دستمال نرم تمیز و خشک شود و کوپلنت باقی مانده کاملاً پاک گردد تا از زنگ زدگی و رسوب جلوگیری شود.
همچنین باتری دستگاه باید همیشه در سطح شارژ مناسب نگهداری شود، زیرا افت ولتاژ می تواند بر دقت سیگنال اثر بگذارد. در صنایع حساس، معمول است که دستگاه ها هر شش ماه یک بار در آزمایشگاه های معتبر کالیبره شوند تا دقت اندازه گیری حفظ گردد.
در صورتی که هنگام کار عدد ضخامت به صورت ناپایدار نمایش داده شود یا سیگنال ضعیف باشد، باید صحت اتصال پراب، تمیزی سطح، و سلامت کابل بررسی شود. نگهداری منظم ، سرویس دوره ای و استفاده از روش های کالیبراسیون ضخامت سنج باعث می شود ضخامت سنج سال ها با دقت اولیه عمل کند.
کاربرد ضخامت سنج التراسونیک در صنایع مختلف
روش التراسونیک به دلیل غیرمخرب بودن، دقت بالا و قابلیت استفاده در شرایط مختلف، در بسیاری از صنایع جایگزین روش های سنتی شده است. نحوه کار با ضخامت سنج تقریباً در تمام حوزه هایی که نیاز به کنترل کیفیت یا تشخیص خوردگی وجود دارد، کاربرد دارد. در صنعت نفت و گاز، ضخامت سنج برای بررسی خوردگی خطوط لوله، تانک ها و مخازن تحت فشار استفاده می شود.
این روش بدون نیاز به باز کردن سیستم، امکان پایش سریع و دقیق ضخامت دیواره ها را فراهم می کند و در نتیجه خطر نشت یا شکست تجهیزات به حداقل می رسد. در حوزه ی خودروسازی و حمل ونقل، از ضخامت سنج برای کنترل ضخامت بدنه، جوش ها و قطعات موتور استفاده می شود. در صنایع هوافضا نیز این دستگاه برای بررسی پره های توربین، مخازن سوخت و سازه های کامپوزیتی کاربرد حیاتی دارد.
در صنایع فلزی و ساخت وساز، ضخامت ورق ها، تیرها و صفحات فولادی باید دقیق اندازه گیری شود تا از انطباق آن ها با استانداردهای مهندسی اطمینان حاصل شود. حتی در صنایع پلاستیک و بسته بندی نیز از ضخامت سنج های با فرکانس بالا برای اندازه گیری دیواره بطری ها یا فیلم های نازک استفاده می شود.
در واقع، هر جا که دانستن ضخامت ماده بدون آسیب به آن ضروری باشد، ضخامت سنج التراسونیک ابزاری بی رقیب است. ترکیب دقت بالا، سرعت و سهولت استفاده باعث شده این فناوری به یکی از ستون های اصلی بازرسی غیرمخرب تبدیل شود.
سخن پایانی
شناخت دقیق نحوه کار با ضخامت سنج التراسونیک نه تنها برای اپراتورها، بلکه برای مهندسان کنترل کیفیت، تعمیرات و ایمنی صنعتی یک ضرورت است. این دستگاه کوچک اما قدرتمند، توانسته جایگزین بسیاری از روش های سنتی و زمان بر در اندازه گیری ضخامت شود. ویژگی اصلی آن، دقت بالا و عدم نیاز به تخریب قطعه است؛ یعنی می توان ضخامت بخش های مختلف سازه را بدون باز کردن یا برش، به صورت لحظه ای اندازه گیری کرد.
درک اصول عملکرد دستگاه بر پایه امواج فراصوت، انتخاب پراب مناسب، استفاده ی صحیح از کوپلنت و تنظیم دقیق سرعت صوت از جمله عواملی هستند که به طور مستقیم بر دقت نتایج تأثیر می گذارند. هرچه اپراتور دانش بیشتری نسبت به نحوه ی عملکرد فیزیکی امواج، جنس ماده و تنظیمات دستگاه داشته باشد، احتمال خطا در اندازه گیری کاهش می یابد.
سوالات متداول نحوه کار با ضخامت سنج
- آیا ضخامت سنج التراسونیک برای هر نوع ماده ای قابل استفاده است؟
بله، این دستگاه برای بیشتر مواد جامد از جمله فلزات، پلاستیک، شیشه، سرامیک و ترکیبات کامپوزیتی قابل استفاده است. تنها شرط لازم، عبور امواج فراصوت از درون ماده است. اگر ماده ساختاری متخلخل یا فیبری داشته باشد، ممکن است کیفیت سیگنال کاهش یابد و به پراب های مخصوص نیاز باشد. - تفاوت ضخامت سنج التراسونیک با میکرومتر یا کولیس چیست؟
میکرومتر و کولیس ابزارهای تماسی هستند که فقط برای سطوح قابل دسترس استفاده می شوند. اما ضخامت سنج التراسونیک قادر است ضخامت سطوح غیرقابل دسترس، لایه های داخلی یا حتی دیواره های درونی لوله ها را بدون تخریب اندازه گیری کند. بنابراین دقت بالا در کنار قابلیت غیرمخرب، تفاوت اصلی این دو روش است. - آیا دستگاه ضخامت سنج نیاز به کالیبراسیون دارد؟
بله، قبل از هر استفاده باید دستگاه بر اساس جنس قطعه کالیبره شود تا خطاهای ناشی از تفاوت سرعت صوت حذف گردد. معمولاً از بلوک های مرجع با ضخامت معلوم برای این منظور استفاده می شود. در صنایع حساس، کالیبراسیون رسمی هر شش ماه یک بار توصیه می شود. - چرا گاهی عدد ضخامت ناپایدار یا متغیر نمایش داده می شود؟
ناپایداری عدد ممکن است به دلیل تماس نامناسب پراب با سطح، نبود کوپلنت کافی، وجود زنگ زدگی یا تنظیم اشتباه سرعت صوت در دستگاه باشد. همچنین خرابی کابل یا پراب نیز می تواند باعث ایجاد نویز در سیگنال و خطای اندازه گیری شود. - آیا دمای قطعه در دقت اندازه گیری تأثیر دارد؟
بله، دما بر سرعت انتشار صوت در ماده اثر می گذارد. در دماهای بالا، سرعت صوت کاهش یافته و اگر دستگاه برای آن جبران سازی نکند، ضخامت کمتر از مقدار واقعی نمایش داده می شود. بنابراین برای محیط های گرم باید از پراب و کوپلنت مقاوم به حرارت استفاده شود. - چگونه می توان از دستگاه برای کنترل خوردگی استفاده کرد؟
در بازرسی خطوط لوله و مخازن، دستگاه در فواصل مشخص نقاطی از سطح را اندازه گیری می کند. کاهش ضخامت در طول زمان نشان دهنده ی خوردگی است. با ثبت داده ها در دوره های منظم، می توان نرخ خوردگی را محاسبه و زمان تعمیر یا تعویض را به صورت دقیق تعیین کرد.
