Theory of Operation
Zvukové vlny jsou všude kolem nás ve formě mechanických vibrací přenášených médiem, jako je vzduch nebo voda. Ultrazvukové testování zahrnuje frekvence nad horní hranicí lidského sluchu, tedy vyšší než 20 kHz, a nejčastěji v rozmezí od 500 kHz do 20 MHz, ačkoli někdy se používají vyšší i nižší frekvence. Přesná frekvence potřebná k provedení testu se vybere s ohledem na konkrétní použití. Všechny ultrazvukové tloušťkoměry fungují tak, že velmi přesně měří, jak dlouho trvá, než zvukový impuls generovaný sondou, zvanou ultrazvukový snímač, projde testovaným dílem. Zvukové vlny se odrazí od hranic mezi odlišnými materiály, jako je vzduch nebo kapalina na vnitřní straně stěny ocelové trubky, takže toto měření lze provést obyčejně z jedné strany v režimu „pulz/odezva-echo“.
Snímač obsahuje piezoelektrický prvek, který je buzen krátkým elektrickým impulzem pro generování pulsu ultrazvukových vln. Zvukové vlny jsou vázány s testovaným materiálem a procházejí jím, dokud nenarazí na zadní stěnu nebo jinou hranici. Odrazy pak putují zpět ke snímači, který převádí zvukovou energii zpět na elektrickou energii. Jednoduše řečeno, měřidlo poslouchá odezvy z opačné stěny materiálu. Tento časový interval je obvykle jen několik milióntin sekundy. Měřidlo je naprogramováno na rychlost zvuku v testovaném materiálu, ze které pak může vypočítat tloušťku pomocí jednoduchého matematického vztahu
T = (V) x (t/2)
kde
T = tloušťka měřeného dílu
V = rychlost zvuku v testovaném materiálu
t = změřená doba, jak dlouho trvá vlně cesta na opačnou stěnu a zpět
V některých případech se také odečte hodnota odsazení nuly, aby se zohlednila pevná zpoždění přístroje a dráhy zvuku.
Je důležité si uvědomit, že rychlost zvuku v testovaném materiálu je podstatnou součástí tohoto výpočtu. Různé materiály přenášejí zvukové vlny různou rychlostí, tvrdé materiály zpravidla rychleji a měkké pomaleji, přičemž rychlost zvuku se může s teplotou výrazně měnit. Proto je vždy nutné kalibrovat ultrazvukový tloušťkoměr na rychlost zvuku v měřeném materiálu a přesnost může být jen tak vysoká, jak dobrá je tato kalibrace. Toto se obvykle provádí na referenčním standardu, jehož tloušťka je přesně známa. V případě měření při vysoké teplotě je také nutné pamatovat na to, že rychlost zvuku se mění s teplotou, takže pro optimální přesnost by měl referenční standard mít stejnou teplotu jako testovaný vzorek.
Vyšší frekvence mají kratší vlnovou délku, což umožňuje měření tenčích materiálů. Nižší frekvence s delší vlnovou délkou proniknou hlouběji a používají se k testování velmi silných vzorků nebo pro testování materiálů jako sklolaminát a hrubozrnné lité kovy, které nepřenášejí zvukové vlny tak efektivně. Výběr optimální testovací frekvence často zahrnuje vyvážení těchto požadavků na rozlišení a penetraci. V ultrazvukovém frekvenčním rozsahu jsou zvukové vlny vysoce směrové, a i když typickými kovy, plasty a keramikou budou procházet volně, budou se odrážet od hranice vzduchu, jako je vnitřní stěna nebo trhlina.
Zvukové vlny v rozsahu megahertzů neprocházejí vzduchem efektivně, proto se k dosažení dobrého přenosu zvuku mezi snímačem a testovaným dílem používá kapka vazební kapaliny. Běžné vazebné prostředky jsou glycerin, propylen glykol, voda, olej či gel. Je zapotřebí jen malé množství, tedy jen tolik, aby vyplnilo extrémně tenkou vzduchovou mezeru, která by jinak existovala mezi snímačem a cílem.
Níže je uvedeno blokové schéma typického ultrazvukového tloušťkoměru. Generátor pulsů ovládaný mikroprocesorem generuje napěťový impuls do snímače a vytváří tak výstupní ultrazvukovou vlnu. Odražený signál přicházející z testovaného dílu je přijímán snímačem a převeden zpět na elektrický signál, který je poté přiveden do zesilovače přijímače a digitalizován. Logika řízení a měření času založená na mikroprocesoru synchronizuje generátor pulsů a vybírá příslušné odezvy-echa, které budou použity pro měření časového intervalu.
Pokud jsou detekovány odezvy, obvod časovače přesně změří časový interval v jednom z režimů popsaných v části 3 a poté tento proces obvykle několikrát opakuje, aby získal průměrnou hodnotu. Mikroprocesor poté použije toto měření časového intervalu spolu s naprogramovanou rychlostí zvuku a hodnotami odsazení nuly k výpočtu tloušťky. Nakonec se tloušťka zobrazí a aktualizuje zvolenou rychlost
