Сучасні ультразвукові товщиноміри. Особливості вибору.

В настоящее время на рынке средств неразрушающего контроля представлено довольно значительное количество (несколько десятков) различных моделей ультразвуковых толщиномеров различных фирм производителей, в том числе и отечественных. В этом многообразии различных моделей потребителю порой трудно сориентироваться и выбрать нужную модель с оптимальным соотношением функциональные возможности/цена.
При выборе модели толщиномера потребителю приходится сталкиваться с обширным набором параметров, определяющих их технические характеристики.
1. Диапазон измерений. Обычно у большинства толщиномеров он лежит от 0,5…1,5 до 200…500 мм, что вполне достаточно для решения большинства задач ультразвуковой толщинометрии.
2. Минимальная цена деления. У большинства толщиномеров 0,01…0,1 мм
3. Минимальная инструментальная погрешность измерений – ±0,05…0,1 мм. При этом не следует путать инструментальную грешность измерений с технологической. Первая обеспечивается при условии соблюдения технологических требований:

• измерение производится на плоской поверхности с шероховатостью не хуже Rz40;
• измерения производятся в температурном интервале 10…25°

В случае нарушения одного или одновременно нескольких требований появляется дополнительная технологическая погрешность, вызванная технологическими условиями, и суммарная погрешность измерений будет складываться из инструментальной и технологической, и всегда будет больше первой.
Большинство традиционных толщиномеров работает по алгоритму «импульс-эхо». При этом алгоритме измеряется время между импульсом излучения и эхо-сигналом, отраженным от донной поверхности изделия (первый донный сигнал). В этом случае используются раздельно – совмещенные преобразователи, при этом перекрывается диапазон измерений от 0,3…0,6 до 500 и более мм.
Вместе с тем значительная группа толщиномеров наряду с режимом «импульс-эхо» могут работать по алгоритму «эхо-эхо». В этом случае измеряется время между первым и вторым отражениями от донной поверхности, т.е. между первым и вторым донными сигналами. Режим «эхо-эхо» может реализовываться:

• с помощью раздельно-совмещенного преобразователя, в этом случае диапазон измерений может быть от 1,5…3,0 до 15…25 мм;
• с помощью совмещенного преобразователя с ультразвуковой задержкой, в этом случае диапазон измерений от 1,0 до 25 мм
• с помощью совмещенного преобразователя без ультразвуковой задержки, в этом случае диапазон измерений от 3,0 до 500 мм.

Во всех случаях в определении толщины участвует скорость распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) в материале контролируемого объекта, от точности установки которой в значительной степени зависит достоверность результатов измерений, особенно при измерении изделий средних и больших толщин, поэтому у большинства толщиномеров в режиме настройки параметров имеется функция установки скорости УЗК, а ряд толщиномеров имеют дополнительную функцию измерения скорости УЗК. Эта функция полезна в тех случаях, когда скорость УЗК в материале контролируемого объекта неизвестна.
Наиболее важной функцией толщиномера является настройка параметров контроля. Практически все современные толщиномеры имеют автоматическую установку коэффициента усиления усилителя, что определяет чувствительность прибора. Чувствительность прибора должна быть как можно выше, чтобы обеспечить измерение толщины изделий с грубо обработанной поверхностью; изделий, в которых поверхность имеет большую кривизну; а также изделий, выполненных из материала с большим коэффициентом затухания (чугун, пластмассы, сплавы на основе меди, и т.п.). Так, при измерении по грубо обработанной поверхности Rz>160 амплитуда донного сигнала уменьшается в 10…100 раз, что объясняется резким снижением коэффициента прохождения УЗК через границу раздела «преобразователь-контактная жидкость-контролируемое изделие». Сверху чувствительность ограничивается собственными шумами преобразователя, поэтому в алгоритм настройки ряда толщиномеров заложена функция автоматического поиска уровня шумов преобразователя, т.е. определяется максимальный коэффициент усиления, при котором толщиномер еще не фиксирует шумы преобразователя. Этот коэффициент усиления обеспечивает максимально возможную чувствительность толщиномера, и в результате более широкие возможности контроля изделий с грубо обработанной поверхностью.
Однако, если с таким коэффициентом усиления производить измерения изделий с чисто обработанной поверхностью (а в этом случае коэффициент прохождения УЗК через границу раздела будет максимальным), то возможно срабатывание толщиномера от микронеоднородностей (или структуры материала), либо от сигналов подповерхностной – головной волны, которая постоянно присутствует, но уровень которой несоизмеримо мал по сравнению с продольной волной. В обоих случаях это ложные показания толщиномера. Поэтому толщиномеры кроме автоматической установки усиления должны иметь его ручную регулировку, либо автоматическую регулировку коэффициента усиления по уровню донного сигнала в процессе измерений.
Каждый раз при настройке параметров контроля во всех толщиномерах, работающих по алгоритму «импульс-эхо» осуществляется измерение, за которое УЗК проходит путь в призме преобразователя (задержка призмы). Эта операция необходима для того, чтобы вычислить истинную толщину контролируемого изделия, а также для исключения погрешности показаний толщиномера в связи с температурным изменением скорости распространения УЗК в призме преобразователя и износа (истирания) призмы преобразователя в процессе эксплуатации. Чаще всего для этого используется юстировочная плитка мерной толщины с известной скоростью распространения УЗК в ней, измеряя толщину которой толщиномер автоматически вычисляет задержку в призме. Обычная юстировочная плитка установлена на корпусе прибора или отдельно входит в комплект. Некоторые толщиномеры осуществляют безэталонное измерение задержки призмы преобразователя по времени прихода импульса, отраженного от дна призмы. Для этого на время измерения задержки в призме преобразователь включается в совмещенный режим. Существенного различия в точности настройки толщиномера при измерении задержки в призме преобразователя между этими двумя способами нет, если выполнять условия для первого способа – настройка должна осуществляться при той же температуре, что и контроль.
Практически все современные толщиномеры, работающие по алгоритму «импульс-эхо» имеют корректировку V-образного луча. По сути это компенсация погрешности, вызванной тем, что в контролируемом материале УЗК от раздельно-совмещенного преобразователя распространяется не перпендикулярно контролируемой поверхности, а под некоторым небольшим углом. В процентном отношении к измеряемой толщине эта погрешность тем больше, чем меньше измеряемая толщина.
Отличительная особенность современных толщиномеров – возможность хранить и регистрировать результаты контроля (измерений). Объем памяти, как правило, достаточен для хранения нескольких тысяч результатов измерений. Эти результаты могут быть введены в компьютер через стандартный интерфейс RS232 или USB. Предпочтительно, чтобы память толщиномера имела файловую организацию, что повышает достоверность контроля, а условия работы оператора становятся значительно комфортнее.
Обязательным для всех толщиномеров является контроль наличия акустического контакта. При отсутствии информации о качестве акустического контакта результаты измерений не могут быть достоверными.
Большинство современных толщиномеров имеют режим измерения минимальной толщины в области сканирования. В этом режиме в процессе сканирования преобразователем некоторой области контролируемого изделия запоминается минимальное значение толщины, и индицируется на дисплее толщиномера до тех пор, пока не появится значение с меньшей толщиной, т.е. толщиномер запоминает минимальную толщину просканированной области. Такой режим в отличие от традиционной схемы измерения по фиксированным точкам исключает возможность пропуска участков с глубокими локальными коррозионными поражениями, расположенными между этими точками.
Отдельную нишу занимают ультразвуковые толщиномеры с графическим дисплеем, на который выводится не только цифровая информация, но и развертка типа А-скан. Такие толщиномеры помимо общих для цифровых толщиномеров функций имеют дополнительные функциональные возможности, среди которых – возможность измерения толщины изделий со сложным профилем донной поверхности, или изделий с внутренними дефектами. Режим А-скан позволяет селектировать сигналы от внутренних дефектов, и исключать их влияние на результаты измерения толщины.
Особый интерес представляют толщиномеры, имеющие развертку В-скан, позволяющую получать изображение рельефа донной поверхности контролируемого изделия, которое наглядно иллюстрирует состояние донной поверхности и наличие внутренних дефектов, в частности коррозионных и эрозионных повреждений внутренней поверхности трубопроводов.
Существует два вида развертки В-скан:

• развертка В-скан по времени;
• развертка В-скан по координате.

В первом случае развертка осуществляется по времени, и отсутствует координатная привязка к точкам получаемого рельефа донной поверхности, поэтому этот способ эффективен для снятия рельефа непротяженных участков.
Во втором случае толщиномер снабжен датчиком пути, имеющим возможность привязки измеряемой толщины к координатам контролируемого участка, а развертка осуществляется по изменению координаты положения преобразователя на контролируемой траектории. В этом случае получаемое изображение рельефа имеет строгую координатную привязку, что позволяет снимать рельеф донной поверхности изделия любой протяженности, вплоть до нескольких десятков метров.
Все современные толщиномеры имеют меню, позволяющее выбирать необходимый режим работы, в том числе обращаться по выбору к режимам настройки, измерения, сохранения результатов и их регистрации.
Основные технические характеристики толщиномеров, использующих для контроля продольные ультразвуковые волны, а в качестве излучателей пьезоэлектрические преобразователи, показаны в таблице. В таблице, разумеется, приведены далеко не все толщиномеры, присутствующие на рынке, а лишь часть их, для того, чтобы показать диапазон возможностей ультразвуковых толщиномеров.
Помимо функциональных возможностей того или иного толщиномера немаловажным аспектом является их цена, а также возможность сервисного обслуживания, включая ремонт и поставку расходных материалов, к которым относятся и преобразователи, поскольку их срок службы в зависимости от интенсивности эксплуатации составляет 1…4 лет. Стоимость отечественных и российских толщиномеров колеблется в пределах от 600 до 1500 долларов США, в зависимости от функциональных возможностей и комплектации, стоимость же толщиномеров зарубежных фирм от 3000 долларов США и выше, при этом сервисное обслуживание толщиномеров отечественных производителей, как. правило, не вызывает проблем, чего не скажешь о толщиномерах зарубежных фирм.

Основные технические характеристики толщиномеров сведены в таблицу.