دستگاه ضخامت سنج چیست؟

انواع پراب ضخامت سنج التراسونیک

انتخاب پراب مناسب تأثیر مستقیمی بر محدوده اندازه گیری، حداقل ضخامت قابل اندازه گیری و کیفیت سیگنال دریافتی دارد. پراب های مورد استفاده در ضخامت سنجی التراسونیک را می توان به چند گروه اصلی تقسیم کرد.

پراب تماسی مستقیم

پراب تماسی یا Contact Transducer مستقیماً روی سطح قطعه قرار می گیرد و یکی از رایج ترین گزینه ها برای اندازه گیری ضخامت عمومی است. این نوع پراب برای بسیاری از قطعات فلزی و غیر فلزی با سطوح نسبتاً صاف مناسب است و استفاده از آن ساده و سریع است.

پراب خط تاخیری

در پراب خط تاخیری یا Delay Line Transducer یک لایه از جنس پلاستیک، اپوکسی یا مواد مشابه بین المان فعال و قطعه قرار دارد. این طراحی به جدا کردن پالس تحریک از اکوهای نزدیک به سطح کمک می کند و به همین دلیل برای اندازه گیری قطعات نازک کاربرد دارد. همچنین در برخی کاربردها خط تاخیری باعث کاهش اثر حرارت روی المان حساس پراب می شود.

پراب غوطه وری

در پراب های غوطه وری یا Immersion Transducer از یک ستون یا محیط آب برای انتقال انرژی صوتی به قطعه استفاده می شود. این روش بیشتر در اندازه گیری های اسکن شده، خطوط تولید و قطعاتی با هندسه خاص کاربرد دارد.

پراب دو المانه

پراب دو المانه یا Dual Element Transducer دارای یک المان فرستنده و یک المان گیرنده مجزا است و به طور ویژه برای سطوح زبر، خورده و دارای خوردگی داخلی کاربرد دارد. این پراب ها در بازرسی خوردگی معمولاً عملکرد مناسبی دارند، هرچند ممکن است دقت آنها با شرایط کاربرد و نوع پراب متفاوت باشد.

عملکرد امواج آلتراسونیک در اندازه گیری ضخامت

در ضخامت سنجی هدف صرفاً اندازه گیری ضخامت و آگاهی از میزان کاهش آن است. موج التراسونیک یک موج مکانیکی است و برای انتشار به یک محیط مادی (سیال یا جامد ) نیاز دارد. این موج در خلأ منتشر نمی شود. ماهیت این موج مانند صوت است، با این تفاوت که فرکانس آن بیشتر از صوت می باشد. صوت به موج مکانیکی با گستره فرکانسی ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز گفته می شود. این گستره ای است که بشر با قوه شنوایی آن را دریافت می کند . امواج مکانیکی با فرکانس بیشتر از ۲۰ کیلو هرتز فراصوت یا التراسونیک (Ultrasound ) نام دارند اما برای ضخامت سنجی یا عیب یابی به روش التراسونیک عمدتاً از پراب هایی با فرکانس ۱۰۰ کیلو هرتز تا ۲۰ مگاهرتز استفاده می شود. در ضخامت سنجی های متداول در صنعت این بازه محدود تر می شود (معمولاً از ۱ تا ۱۰ مگاهرتز) رایج ترین فرکانس ها برای ضخامت سنجی۴ یا ۵ مگاهرتز هستند.

عوامل موثر بر سرعت موج اولتراسونیک

موج التراسونیک مانند سایر امواج مکانیکی از قوانین فیزیکی تبعیت می کند؛ انتشار، بازتابش و شکست آن در هر محیط و ماده به صورت پارامتریک قابل بررسی است. انتشار موج التراسونیک نیازی به جابه جا شدن ذره ندارد و صرفاً موج با ارتعاش ذرات حول محور دوران خود انتقال پیدا می کند. ذرات عملاً با فشار و کشش موج را میان خود عبور می دهند. در یک دمای خاص می توان سرعت موج التراسونیک را درون یک ماده محاسبه کرد، برای یک ماده کاملاً همگن و یکنواخت این مقدار همواره ثابت است. سرعت موج التراسونیک فقط به خواص ذاتی ماده وابسته است:

  ۱ – چگالی   ۲- مدول یانگ    ۳ – ضریب پواسون

 بنابراین سرعت موج التراسونیک در دمای مشخص برای هر ماده خاص، ثابت است و به عامل ایجاد موج یا فرکانس ارتباطی ندارد .

 c = f.λ

عوامل موثر بر دقت ضخامت سنجی التراسونیک

دقت اندازه گیری فقط به کیفیت خود دستگاه وابسته نیست و شرایط قطعه، پراب و نحوه انجام بازرسی نیز می تواند روی نتیجه تأثیر بگذارد. مهم ترین عوامل عبارتند از:

وضعیت سطح قطعه

وجود زنگ زدگی، پوسته، آلودگی، چربی، گردوغبار یا جوش پاشش شده می تواند انتقال امواج را کاهش داده و باعث ناپایداری یا خطا در اندازه گیری شود. به همین دلیل آماده سازی مناسب سطح پیش از ضخامت سنجی اهمیت زیادی دارد.

زبری سطح

سطوح زبر می توانند باعث کاهش سطح تماس پراب و افزایش مسیر صوتی شوند. در صورت زبری زیاد، اکو نیز ممکن است دچار تغییر شکل شود و عدم قطعیت اندازه گیری افزایش پیدا کند. این مسئله به ویژه در بازرسی قطعات دچار خوردگی اهمیت دارد.

دمای قطعه

تغییر دما می تواند سرعت انتشار امواج صوتی را تغییر دهد و در نتیجه بر مقدار ضخامت محاسبه شده اثر بگذارد. در اندازه گیری های دقیق، دمای قطعه و شرایط کالیبراسیون باید مورد توجه قرار گیرد. برای قطعات داغ نیز استفاده از پراب و کوپلنت مناسب دمای بالا ضروری است.

جنس و ساختار ماده

دستگاه باید برای جنس مورد آزمایش تنظیم شود، زیرا سرعت انتشار موج در مواد مختلف یکسان نیست. موادی با ساختار ناهمگن، دانه بندی خاص، تخلخل یا میرایی صوتی بالا ممکن است سیگنال ضعیف تری ایجاد کنند و انتخاب پراب و فرکانس مناسب در آنها اهمیت بیشتری دارد.

شکل و هندسه قطعه

سطوح غیرموازی، منحنی، باریک یا دارای شیار می توانند شرایط انتشار و بازتاب موج را تغییر دهند. استاندارد ASTM E797/E797M نیز روش دستی Pulse-Echo را عمدتاً برای قطعات با سطوح موازی مناسب می داند و برای سطوح غیرموازی محدودیت هایی در نظر می گیرد.

آماده سازی سطح برای ضخامت سنجی

پیش از قرار دادن پراب، محل اندازه گیری باید تا حد امکان برای انتقال مناسب امواج آماده شود. آلودگی هایی مانند چربی، گردوغبار، پوسته های سست، زنگ زدگی و مواد اضافی روی سطح می توانند باعث کاهش کیفیت کوپلینگ و ناپایداری عدد نمایش داده شده شوند. در صورت وجود زنگ زدگی یا پوسته های سست، باید تا حد امکان قسمت های جداشونده از سطح پاک شوند. البته در بازرسی خوردگی نباید با آماده سازی نامناسب، ضخامت واقعی دیواره را تغییر داد. هدف از آماده سازی، ایجاد شرایط مناسب برای انتقال صوت است، نه برداشتن بخشی از فلز.

روش های اندازه گیری در ضخامت سنج های التراسونیک

دستگاه وظیفه ارسال پالس الکتریکی به پروب، اندازه گیری فواصل زمانی دریافت پالس های برگشتی (یا اکو های برگشتی) و در گام بعدی انجام محاسبات را دارد تا بتواند خروجی لازم را ارائه دهد. دستگاه ضخامت سنج التراسونیک با اندازه گیری زمان ارسال و دریافت پالس های الکتریکی و بر حسب شدت سیگنال های دریافتی ، اکوی مربوط به دیواره پشتی را تشخیص داده و ضخامت مرتبط با آنرا نمایش می دهد. دیواره پشتی سطح مقابل نقطه قرارگیری پراب است و سطحی است که موج را بازتاب می دهد. برای ضخامت سنجی باید این دو سطح موازی باشند. دستگاه های ضخامت سنج التراسونیک به سه متد محاسبات را انجام می دهند:

 Pulse-Echo / P-E متد پالس اکو یا

 Echo to Echo / E-E متد اکو اکو یا

 Triple Echo /Multiple Echo متد مالتیپل اکو یا

Pulse-Echo

درمتد P-E اولین اکوی بازگشتی که شدت کافی برای دریافت را داشته باشد توسط دستگاه ضخامت سنج به عنوان اکوی بازگشتی از دیواره پشتی محسوب شده و با اندازه گیری اختلاف زمانی دریافت آن و زمان ارسال t و نصف کردن آن، زمان لازم برای رفت یا برگشت موج درون قطعه مشخص می شود. با کم کردن مقدار فاصله زمانی یا تأخیر (Delay) ناشی از حرکت پالس الکتریکی و حرکت موج در پرسپکس یا کفشک پراب، زمان مورد نظر محاسبه می شود.

Echo-Echo

 در متد E-E فاصله زمانی میان دو اکوی اول دریافتی از دیواره پشتی توسط دستگاه ضخامت سنج محاسبه می شود، این روش برای ضخامت سنجی از روی رنگ و روکش مناسب است و برای ضخامت سنجی قطعات خام توصیه نمی شود. هم چنین ضخامت لایه رنگی که می توان از روی آن ضخامت سنجی کرد نیز دارای محدودیت است.

بسته به کیفیت و جنس رنگ، عمده دستگاه ها در حالت E-E از روی حدودا حداکثر 1 میلی متر رنگ یا پوشش، ضخامت سنجی انجام می دهند. توجه داشته باشید که این روش برای روکش های هموژن و یکنواخت که میرایی صوت کمتری دارند مناسب است.

Multiple-Echo

در متد Multiple Echo فاصله زمانی میان ارسال و دریافت اولین اکو و فاصله زمانی دو اکوی ناشی از دیواره پشتی اندازه گیری می شود. دقت این روش بسیار بالا بوده و کار با این سیستم ها نیز برای کارشناسان و بازرسین بسیار راحت تر است. این روش برای فلزات خام یا دارای رنگ و روکش حتی پوشش های ضخیم مناسب است . در متد Multiple Echo موج با عبور از روکش داخل مرزهای فلز بازتاب می شود و هر بار اکوی آن از روکش عبور کرده و پراب آن را دریافت می کند . دستگاه ضخامت سنج سری Multigauge ساخت شرکت  Tritex NDT انگلستان دارای سیستم Multiple Echo هستند و با سیستم صحت سنجی خوانده ها یا AMVS  (Automatic Measurement Verification System) در صورتی که اکوی های دوم و سوم در فواصل زمانی برابر دریافت نشوند با نمایش ۲ الی ۳ خط در نمایشگر اپراتور را آگاه می کنند. در این وضعیت ضخامت نادرست نمایش داده نشده و از گزارش ضخامت غیر واقعی جلوگیری می شود. اما زمانی که ضخامت به صورت ثابت نمایش داده می شود و نوار کاپلینگ هم پر است سیستم صحت خوانده را کنترل کرده و آن را تأیید می کند .

محدودیت های ضخامت سنج التراسونیک

با وجود مزایای زیاد، ضخامت سنج التراسونیک برای همه شرایط اندازه گیری بدون محدودیت نیست. کیفیت نتیجه به شرایط سطح، جنس و ساختار قطعه، شکل هندسی، دمای قطعه، انتخاب پراب، فرکانس و کیفیت کوپلینگ وابسته است. در سطوح بسیار زبر یا خورده، اکو ممکن است ضعیف یا دچار اعوجاج شود و عدم قطعیت اندازه گیری افزایش پیدا کند. همچنین در قطعاتی که سطوح مقابل آنها موازی نیست، مسیر انتشار موج می تواند با شرایط استاندارد فاصله داشته باشد. مواد دارای میرایی صوتی بالا، ساختار ناهمگن یا ضخامت بسیار کم نیز ممکن است به انتخاب دقیق تر پراب و تنظیمات دستگاه نیاز داشته باشند. بنابراین اگر یک دستگاه در یک کاربرد خاص نتیجه مناسبی ارائه نمی دهد، لزوماً به معنی خرابی دستگاه نیست و باید سازگاری دستگاه، پراب و روش اندازه گیری با شرایط قطعه بررسی شود.

کالیبراسیون ضخامت سنج التراسونیک

کالیبراسیون یکی از مهم ترین مراحل برای دستیابی به اندازه گیری قابل اعتماد است. دستگاه باید با توجه به جنس، محدوده ضخامت و شرایط قطعه تنظیم شود تا سرعت صوت و سایر پارامترهای مورد نیاز با شرایط واقعی اندازه گیری هماهنگ باشند. برای کالیبراسیون معمولاً از بلوک یا نمونه مرجع با ضخامت مشخص استفاده می شود. در حالت ایده آل، جنس و ساختار بلوک مرجع باید تا حد امکان به قطعه مورد آزمایش نزدیک باشد و محدوده ضخامت آن نیز با محدوده اندازه گیری مورد نظر تناسب داشته باشد. استاندارد ISO 16809 بر استفاده از نمونه یا بلوک مرجعی متناسب با ابعاد، جنس و ساختار قطعه تأکید دارد. کالیبراسیون یا کنترل صحت دستگاه بهتر است در شرایط کاری و در فواصل مناسب تکرار شود. تغییر پراب یا کابل، تغییر جنس قطعه، تغییر قابل توجه دمای قطعه یا تغییر تنظیمات اصلی دستگاه می تواند نیاز به کنترل مجدد اندازه گیری را ایجاد کند. در دستگاه های پیشرفته، امکاناتی مانند Zero Calibration، Velocity Calibration، Auto Calibration و ذخیره تنظیمات می توانند فرآیند آماده سازی دستگاه را ساده تر کنند؛ با این حال وجود قابلیت کالیبراسیون خودکار به معنی بی نیاز بودن از کنترل با نمونه مرجع نیست.

هنگام خرید ضخامت سنج التراسونیک به چه نکاتی توجه کنیم؟

اگر قصد خرید ضخامت سنج التراسونیک دارید، انتخاب دستگاه باید بر اساس کاربرد واقعی انجام شود. مهم ترین فاکتورها عبارتند از:

راهکار ضخامت سنجی قطعات با پوشش یا رنگ

در صنعت همواره با بسیاری از قطعات دارای رنگ و پوشش سر و کار داریم. برای ضخامت سنجی این قطعات چه راه حل هایی وجود دارد؟ ۱ . برداشتن رنگ و پوشش از روی سطح ۲ . استفاده از سیستم های مناسب با قابلیت ضخامت سنجی فلز از روی روکش اگر برای ضخامت سنجی قطعات از روی رنگ از متد P-E استفاده بکنیم همواره ضخامت بیشتری گزارش می شود. برای استفاده از این سیستم باید رنگ و روکش برداشته شود . با توجه به سرعت صوت پایین در رنگ ها و پوشش ها که حدود یک سوم سرعت فلزات است این مقدار خطا در پوشش های ضخیم بسیار قابل توجه است. برای پوشش هایی تا حدود ۲۰۰ میکرون این خطا کم بوده و بسته به شرایط قابل چشم پوشی است. در شکل زیر اگر ضخامت رنگ ۱ میلیمتر بوده و هدف ضخامت سنجی فلز زیرین با سرعتm/s ٥٩٢٠ باشد ضخامت لایه رنگ توسط دستگاه در حالت P-E به عنوان۳ میلیمتر فلز اندازه گیری می شود . یکی از راه حل ها برداشتن رنگ است که با ایجاد دسترسی به فلز خام ضخامت سنجی  را میسر می سازد، اما همیشه امکان پذیر نیست. برداشتن رنگ به معنی سایش، خراش یا بلست کردن است، در هر صورت مقداری از فلز نیز هر بار از دست می رود و این خود کاهش ضخامت را به دنبال دارد. زمان و هزینه لازم برای این کار اندک نیست. پوشش یا رنگ در بسیاری موارد نقش محافظتی دارد و برداشتن آن سبب می شود فلز بدون محافظ باشد، اعمال مجدد پوشش نیز دشواری هایی دارد و در اغلب موارد کیفیت اولیه را نخواهد داشت. برداشتن موضعی رنگ سبب شروع خوردگی فلز می شود و برداشتن کامل یا مساحت زیادی از رنگ نیز در پاره ای از اوقات امکان پذیر نیست. راه حل دیگر؟

استفاده از متد E-E برای ضخامت سنجی از روی رنگ و پوشش

این متد برای رنگ های نازک مناسب است اما برای پوشش های ضخیم جوابگو نخواهد بود . بهترین راه حل استفاده از سیستم Multiple Echo است. این روش برای فلزات خام و هم چنین برای ضخامت سنجی از روی انواع رنگ و پوشش های ضخیم یا نازک مناسب است. این ویژگی سبب می شود تا دستگاه با حداقل تنظیمات و بدون نیاز به تغییر متد همواره ضخامت فلز را از روی پوشش (تا ۲۰ میلیمتر) اندازه گیری کند. در هر دو متد E-E و Multiple Echo جنس ، ضخامت و وضعیت فیزیکی رنگ یا پوشش بسیار تعیین کننده است . امتیاز روش Multiple Echo  نسبت به P-E و E-E  در ضخامت سنجی : اگر قطعه دارای ناپیوستگی یا عیب باشد اکوی ناشی از آن سبب می شود متد  هایP-E  و E-E  نتوانند ضخامت واقعی گزارش کند به یاد داشته باشید هدف ما اندازه گیری ضخامت جداره است.

سخن پایانی

دستگاه ضخامت سنج آلتراسونیک را به عنوان ابزاری پیشرفته برای اندازه گیری دقیق ضخامت مواد جامد (مانند فلزات، پلاستیک ها و لوله ها) معرفی می کند. این دستگاه با ارسال امواج فراصوتی و تحلیل زمان بازگشت آن ها، دقت بالایی تا ۰.۱ میلی متر را بدون آسیب رسانی به سطح فراهم می آورد. کاربردهای اصلی آن در صنایع نفت و گاز، کشتی سازی و کنترل کیفیت گسترده است. مزایای کلیدی شامل سرعت بالا، روش غیرمخرب و قابلیت حمل است؛ هرچند نیازمند سطح صاف و کالیبراسیون دوره ای می باشد. در مجموع، این فناوری استاندارد طلایی بازرسی های صنعتی محسوب می شود.