Ультразвуковой метод измерения геометрических размеров

Изделий

    Цель работы - знакомство с используемыми в промышленности приборами для ультразвуковых измерений геометрических размеров изделий и методиками их применения для измерения толщины изделий.

Общие сведения

Одним из параметров, определяющих геометрические размеры и форму изделий, является толщина, под которой понимают кратчайшее расстояние между соседними поверхностями.

Для измерения толщины изделий, доступ к которым имеется только с одной стороны, с помощью ультразвука в промышленных и лабораторных условиях используют, как правило, эхо-метод и методы локальных колебаний (резонансные методы). В более редких случаях и при двустороннем доступе используют методы прохождения. При использовании методов отражения и прохождения измеряют время распространения импульса в объекте контроля (ОК). Иногда измеряют амплитуду прошедшего сигнала или его фазу. При контроле методом локальных колебаний измеряют резонансные частоты. При измерении толщины различают три вида задач, которым соответствуют три группы приборов, обозначаемых индексами А, Б и В:

А – ручной контроль изделий с гладкими параллельными поверхностями, например, изделий после их завершающей механической обработки;

Б – ручной контроль изделий с грубыми непараллельными поверхностями, например изделий, внутренняя поверхность которых поражена коррозией;

В – автоматический контроль в потоке, например листов или труб.

Если сам прибор является универсальным, то, как правило, он снабжается набором специализированных датчиков, обозначаемых соответствующей маркировкой (А, Б, В).

При решении задач А и В основное требование – высокая точность измерений и их локализация. При решении задачи Б – важное требование – высокая чувствительность измерительных приборов, необходимая для фиксации рассеянных отражений от неровной противоположной поверхности с целью определения мест наибольшего отклонения размера.

На точность измерения с помощью ультразвука оказывает влияние большое число факторов. Если скорость с _и распространения ультразвука в изделии известна, то, измеряя время t прохождения ультразвука для эхо-метода в прямом и обратном направлениях, определяют толщину h по формуле (3.1):

.                               (3.1)

Относительная погрешность указанного измерения составляет (3.2):

.                             (3.2)

 Для использования формулы (3.1, 3.2) необходимо настроить прибор на скорость звука по образцу или по участку ОК известной толщины таким же способом как им измеряют толщину. Поэтому можно считать, что в (3.2) относительные погрешности измерения скорости и времени приблизительно совпадают. В результате, можно получить:

.                                  (3.3)

Погрешность d t измерения времени из (3.3) в общем случае может состоять из нескольких составляющих:

.                                  (3.4)

Это следующие погрешности:

1. Погрешность от нелинейности временных разверток и ограниченной точности отсчета по индикаторному устройству. В сумме она оценивается величиной (3.5)

,                                     (3.5)

где d h ₁-цена деления отсчетной шкалы или дискретность индикатора.

2. Погрешность, связанная с конечной длительностью ультразвукового импульса, пропорциональная периоду колебаний T:

.                                     (3.6)

Минимальное, технически осуществимое по данным литературы, значение параметра c оценивается как 0.05.

3. Погрешность, связанная с влиянием акустического контакта на изменение времени прохождения импульса через слой контактной смазки (например, жидкости). Если это время включено в измеряемый интервал, то измеряемая толщина завышается на величину:

,                                     (3.7)

где: с _ж и с _и – скорости звука, соответственно, в материале контактного слоя (жидкости) и ОК (изделия).

Обычно d h _ж для подготовленных поверхностей составляет 0.01...0.05 мм. Указанную погрешность можно было бы учесть как систематическую, однако толщина контактного слоя изменяется из-за разной шероховатости поверхности ОК и степени прижатия преобразователя. В результате погрешность становится случайной, что требует проведения статистической обработки результатов измерений.

4. Погрешность, связанная с кривизной поверхности ОК, вызывается искажениями формы импульсов при интерференции отдельных составляющих сигнала, складывающихся с разными фазами из-за прохождения участков слоёв смазки с разной толщиной. Аналитическое выражение для этой составляющей громоздко и поэтому не приводится.

5. Погрешность, связанная с зависимостью скорости звука от температуры. Изменение скорости звука в ОК компенсируется подстройкой по скорости звука. Изменение скорости звука в материале преобразователя (в призме) компенсируется исключением времени пробега в призмах (например, в РС-преобразователях) из измеряемого интервала времени.

На основании изложенного общая относительная погрешность измерения толщины изделий с плоскими поверхностями импульсным методом из (3.8) приближенно будет определяться следующим выражением:

,                        (3.8)

где: l_и – длина волны в материале ОК.

Технические и конструктивные характеристики приборов, применяемых для ультразвуковых измерений толщины в промышленных условиях отличаются значительным разнообразием. Например, дефектоскоп типа УД2-12 позволяет контролировать и оценивать толщину изделия из материалов при обеспечении следующих параметров:

·  коэффициент затухания на частоте 2..5 МГц – до 0.1 дБ/м;

·  скорость ультразвука 2500....6400 м/c;

·  шероховатость поверхности ввода ультразвука не более значения R _z = 320 мкм;

·  диапазон измеряемых толщин – 0.6...1000 мм.

Технические характеристики толщиномерного устройства дефектоскопа обеспечиваются применением раздельно-совмещенных преобразователей (таб. 3.1).

Таблица 3.1

Условные обозначения преобразователей	Диапазон измерений, мм	Значения параметров шероховатостей, мкм, *	Рекомендуемый диапазон измерений, мм.	Дополнительная погрешность, мм.
П112-10-6/2-A-001	0.6...10	160	1.6...6	±0.1
П112-10-4´4-Б-003	0.6...30	160	1.5...30	±0.1
П112-5-12/2-Б-002	1...300	160	1.5...100	±0.1
П112-2.5-12/2-Б-002	2...1000	320	3...100	±0.2

*) Указанные параметры шероховатости относятся к донной поверхности.

Настройка дефектоскопа

Обычно значение скорости звука в материале контролируемых изделий с точностью, достаточной для проведения ответственных измерений, не известно. В этом случае настройка прибора производится при помощи контрольных образцов, выполненных из того же материала, что и ОК.

Последовательность действий при настройке следующая:

Установите сенсорным переключателем режим "mmH"(на верхней панели дефектоскопа) при этом против надписи "mm" должна загореться вертикальная черточка. Произвести калибровку установки следующим образом. Взять эталонный образец, изготовленный из материала контрольного образца. Установить преобразователь на участок минимальной толщины эталонного образца, предварительно смочив его поверхность контактной жидкостью. Если экран ЭЛТ «забит шумами» – уменьшить плавное усиление " ", если недостаточно и этого – нажатием кнопок ввести необходимое затухание аттенюатора. (Желательно отсечку шумов устанавливать минимальной или выключать, т.е. ручка " " должна находиться в крайнем положении против часовой стрелки.).

Установить необходимый масштаб развертки по полученному изображению. Эхо-сигнал предпочтительно располагать у правого края экрана ЭЛТ путем вращения ручки " " – плавного изменения длительности развертки. Затем вращением ручки " "(на передней панели дефектоскопа) добиться гашения развертки до эхосигнала и ручкой "0" установить истинное значение толщины. Добиться считывания толщины образца также необходимо подведением строба ручкой. Затем преобразователь перемещается на участок максимальной толщины эталонного образца. Ручкой " " гасится развертка до первого донного сигнала и ручкой "mmH" устанавливается истинное значение толщины образца на данном участке. Так как положения ручек "0" и "mmH" в некоторой степени зависят друг от друга, операция повторяется несколько раз, пока показания максимальной и минимальной толщин перестанут изменяться. Толщиномер настроен правильно, если значения, измеренные цифровым индикатором не хуже ±(0,015Н+1) мм, где Н – действительное измерение толщины.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с принципом действия толщиномерной аппаратуры, предложенной преподавателем, и приемами работы с предложенными образцами по методическим указаниям и технической документации.

2. Ознакомиться с конструктивными особенностями прибора. Настроить его и провести сравнительные многократные (в достаточном для статистической обработки количестве) измерения контрольных образцов (по указанию преподавателя). Для получения независимых испытаний перед каждым замером необходимо устанавливать ПЭП заново, несколько изменяя его положение и усилие прижатия. Желательно каждый раз снимать старый и наносить новый слой смазки.

3. Полученные данные подвергнуть статистической обработке с определением среднего значения и доверительного интервала. Экспериментальные значения сравнить с результатами измерений толщины инструментальным (механическим) способом с помощью микрометра или штангенциркуля.

Требования к отчету

Отчет по работе должен содержать:

· краткое изложение принципов измерений, образования погрешностей и действия ультразвуковой аппаратуры для измерения толщины;

· таблицы с данными измерений, вычислений и статистической обработки, а также примеры статистической обработки для отдельных значений;

· графики теоретической (по формуле 3.8) и экспериментальной относительных погрешностей для различных приборов и образцов;

· выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

 

1. Перечислите различные группы приборов для толщинометрии и дайте их краткие характеристики.

2. Назовите основные источники возникновения погрешностей при измерении толщины ультразвуковыми методами.

3. Как изменяется относительная погрешность результата ультразвукового измерения толщины при:

· увеличении размера изделия;

· уменьшении скорости звука в контактной смазке;

· увеличении шероховатости поверхности изделия;

· уменьшении частоты ультразвука?

4. Сравните функциональные различия ультразвуковых толщиномеров с цифровой и стрелочной индикацией (на примере приборов, использованных в работе).

5. Дайте характеристику методических особенностей калибровки ультразвуковых толщиномеров по скорости звука.

Список литературы

1. Неразрушающий контроль: В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: Практ. пособие/ Под ред. В. В. Сухорукова. – М.: Высш. шк., 1991.- 288 с.

2. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений.– Л.: Энергоатомиздат, 1991.

 

Лабораторная работа 4