Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

1

EXPERTIZE LABORATOR 3

MASURAREA GROSIMII CU AJUTORUL ULTRASUNETELOR

1. Introducere

2. Principii fizice

3. Schema de principiu a unui aparat de msurat grosimi

4. Determinarea coroziunii utiliznd aparatul de msurat grosimi cu ultrasunete

5. Modul de lucru

1. Introducere

Msurarea grosimii pieselor cu ajutorul ultrasunetelor reprezint una din primele aplicaii posibile de evaluare nedistruciv. Primul aparat care permitea punerea n eviden a discontinuitilor de material i care permitea i determinarea grosimilor a fost brevetat n anul 1942 de inginerul american Firestone, aparatul purtnd denumirea de Reflectoscop. Utilizarea acestui aparat permitea determinarea grosimilor unor piese cu precizia de 5-7%. Dezvoltarea electronicii, apariia microprocesoarelor i a miniaturizrii a permis n prezent realizarea de aparate destinate special pentru msurtorile de grosimi. Aparatele sunt digitale, portabile iar valoarea grosimii este afiat direct pe ecranul aparatului.

2. Principii fizice 2.1. Reflexia i transmisia ultrasunetelor la interfaa a dou medii diferite Fie dou medii diferite caracterizate de densitile 1 i 2 i de vitezele de propagare

v1 i v2. Cele dou medii au impedanele acustice Z1 i Z2 care se determin cu relaia: Z=v (1)

Pe interfa unda ultrasonor care vine din mediul 1, unde are presiunea sonor P1 se va reflecta, presiunea undei reflectate fiind Pr i va fi transmis n mediul 2 unde presiunea undei transmise va fi Pt, figura 1.

Fig. 1. Reflexia si transmisia undei ultrasonore

Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

2

Se numete coeficient de reflexie raportul dintre presiunea undei reflectate i cea a undei incidenteL

i

r

P

PR (2)

Se numete coeficient de transmisie raportul ntre presiunea undei transmise i cea a undei incidente:

i

t

P

PD (3)

Intre coeficientul de reflexie i cel de transmisie exist relaia: D=1+R (4)

Ambii coeficieni pot fi exprimai n funcie de impedanele acustice ale celor dou medii:

12

12

ZZ

ZZR (5)

12

22

ZZ

ZD (6)

2.2. Determinarea grosimii unei piese cu ajutorul ultrasunetelor Fie un material solid cu impedana acustic Z i avnd grosimea d. Pe o fa a sa se

aeaz un palpator de ultrasunete dublu emisie-recepie. O jumtate a palpatorului servete la generarea ultrasunetelor pe baza fenomenului de piezoelectricitate iar cealalt jumtate servete la recepionarea ultrasunetelor pe baza aceluiai fenomen. Palpatorul se aplic pe piesa de msurat prin intermediul unui cuplant care poate fi ap, ulei, vaselin, gel de cuplare, etc. , figura 2.

Fig. 2. Emisia-recepia undelor ultrasonore de ctre palpator

Dac presupunem c piesa de msurat este din oel i cuplarea are loc cu ajutorul

unui strat extrem de subire de ap, la interfaa ap-oel se poate scrie:

apaotel

apaotel

otelapaZZ

ZZR

(7)

apaotel

otel

otelapaZZ

ZD

2

Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

3

In cazul undelor longitudinale, impedana acustic a apei este Zapa=1,5106 NSm-3 iar

impedana acustic a oelului este Zotel=45106 NSm-3. Coeficienii de refelxie i transmisie la

interfaa ap-oel vor avea valorile:

935,0105,11045

105,1104566

66

otelapaR

(8)

935,1105,11045

1045266

6

otelapaD

Conform relaiilor (8), ultrasunetele se vor transmite n piesa de oel, unde presiunea

lor va fi de 1,935 ori mai mare ca presiunea pe interfa. Pe faa opus, adic la interfaa oel-aer putem scrie:

otelaer

otelaer

aerotelZZ

ZZR

(9)

otelaer

aer

aerotelZZ

ZD

2

Impedana acustic a aerului este Zaer=410

2 NSm-3 astfel nct putem scrie:

11045104

104510462

62

aerotelR

(10)

5

62

2

1021045104

1042aerotelD

Relaiile (10) arat c la interfaa oel-aer unda ultrasonor se reflect aproape complet, ajungnd la interfaa pies-cuplant, adic la intefaa oel-ap. Pentru aceast interfa se poate scrie:

935,0otelapa

otelapa

apaotelZZ

ZZR

(11)

065,02

otelapa

apa

apaotelZZ

ZD

Unda transmis n ap, a crei presiune reprezint doar 0,065 din presiunea undei pe interfa va fi recepionat de traductorul de recepie.

Dac pe traductorul de emisie se aplic un impuls de cmp electric, se va genera un impuls ultrasonor care se transmite n piesa de controlat prin intermediul cuplantului. Pe faa opus are loc o reflexie aproape complet iar impulsul transmis prin interfaa oel-ap este recepionat de traductorul de recepie, avnd o ntrziere n raport cu impulsul de emisie t. In timpul t impulsul ultrasonor parcurge de dou ori grosimea piesei cu viteza de propagare v1. Ca urmare, se poate scrie:

tvd 12

sau (12)

tvd 12

1

Relaia (12) servete la determinarea grosimii materialelor solide msurnd ntrzierea ntre impulsul de emisie i cel recepionat i cunoscnd viteza de propagare a undelor longitudinale n materialul respectiv.

Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

4

3. Schema de principiu a unui aparat de msurat grosimi Schema de principiu a unui aparat digital de msurat grosimi cu ajutorul ultrasunetelor

este prezentat n figura 3. Un clock genereaz impulsuri dreptunghiulare de frecven mare,

n mod obinuit 10MHz. Impulsurile sunt apoi divizate ntr-un divizor de impulsuri care

furnizeaz un impuls la ieire, la fiecare 10000 de impulsuri aplicate la intrare. Ca urmare,

frecvena de repetiie a impulsului de ieire este de 1kHz. Aceste impulsuri acioneaz un

generator de impulsuri care furnizeaz impulsuri de aceeai frecven dar cu amplitudine de

150-250V care se aplic prii de emisie a palpatorului. La fiecare astfel de impuls de emisie

se pornete numrtorul de impulsuri prin aplicarea unei comenzi de Start. Traductorul de

emisie furnizeaz un impuls ultraacustic care se propag n materialul de examinat suferind o

reflexie pe faa opus a piesei. Impulsul reflectat este recepionat de partea de recepie a

palpatorului, este amplificat i format. Acest impuls se aplic intrrii Stop a numrtorului.

Intre comanda Start i Stop, numrtorul va numra, s presupunem, n impulsuri, ceea ce

corespunde unui interval de timp .][sec10

17

nt . In acest interval de timp impulsul

ultrasonor a parcurs n pies o distan 2g, viteza de propagare fiind v1.

In aceste condiii se poate scrie:

tvg 12

sau

71 10

1

2

1nvg

Fig.3. Schema de principiu a unui aparat de msurat grosimi

Blocul de calcul realizeaz operaia de multiplicare a numrului de impulsuri n cu

mrimea 71 10

1

2

1v rezultnd la ieire direct grosimea piesei g care este memorat pe afiajul

digital. Deoarece v1 variaz n funcie de compoziia chimic, de modul de prelucrare a piesei

de controlat i de temperatura acesteia, este necesar echilibrarea echipamentului. Acest

lucru se realizeaz msurnd o pies de calibrare confecionat din acelai material cu cel

de controlat i avnd grosimea cunoscut. Se acioneaz butoanele de calibrare pn cnd

grosimea afiat corespunde grosimii piesei de calibrare, memorndu-se astfel viteza de

propagare a ultrasunetelor n materialul respectiv. Viteza se memoreaz chiar dac aparatul

Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

5

se nchide. Sistemul digital de numrare a impulsurilor permite, n principiu, o numrare cu o

precizie de 1 impuls. Dac piesa a crei grosime se msoar este confecionat din oel n

care viteza de propagare a ultrasunetelor este de 5900 m/s, rezult c eroarea n

determinarea grosimii va fi:

mmmg 29,0109,210

115900

2

1 47

Eroarea poate fi redus dac frecvena de clock va fi mai mare. Astfel, dac frecvena

de clock este de 100 MHz, eroarea absolut de determinare a grosimii va fi de 0,029 mm.

4. Determinarea coroziunii utiliznd aparatul de msurat grosimi cu ultrasunete

Se numete coroziune fenomenul de distrugere n timp a materialelor ca urmare a

aciunii chimice i/sau electrochimice a mediilor tehnologice i nconjurtoare.

Mediile n care se produce coroziunea se numesc medii corozive iar factorii fizici,

chimici i biologici capabili s modifice aspectul sau caracteristicle unor materiale supuse

aciunii lor se numesc ageni de atac. Intensitatea cu care se manifest aciunea mediilor

corozive asupra unui anumit material definete agresivitatea mediului respectiv.

Viteza de coroziune este dat de grosimea materialului afectat de procesul de

coroziune n unitatea de timp. Viteza de coroziune se exprim n mm/an. Se estimeaz c

anual, aproximativ 20% din producia de oel se pierde prin coroziune. Fenomenul de

coroziune trebuie supravegheat pentru a se evita pagube determinate de distrugerea

utilajelor, structurilor, etc. O metod de supraveghere a coroziunii o reprezint msurarea

grosimii de material rmas necorodat. Cunoscnd acest lucru i efectund calculele de

rezisten care se impun, ne putem da seama dac piesa sau elementul de structur trebuie

nlocuit sau nu. Cea mai uoar metod de msur a grosimii o reprezint utilizarea

ultrasunetelor. Va apare o interfa suplimentar ntre materialul necorodat i produii de

coroziune ceea ce implic o reflexie. Dac palpatorul aparatului de msurat grosimi se aplic

pe o fa a piesei care nu este supus coroziunii, aparatul va indica grosimea de material

necorodat. Fcnd un caroiaj al piesei de examinat putem determina n diverse puncte

grosimea materialului necorodat i astfel putem construi harta coroziunii.

5. Modul de lucru

Proba avut la dispoziie se constituie dintr-o plac dreptunghiular din oel, care are o

fa finisat iar cealalt fa a fost prelucrat astfel nct reprezint o suprafa complex.

Rezultatul acestei lucrri l constitue afiarea n Xcell a suprafeei tridimensionale

prelucrate a probei pe baza msurtorii grosimii.

Se determin viteza de propagare a undelor ultrasonore prin material pe baza a dou

dimensiuni calibrate existente pe prob. Viteza de propagare se memoreaz automat.

Suprafaa finisat trebuie curat cu grij nainte de nceperea msurtorilor. Se aplic

cuplantul pe suprafaa finisat. Se cupleaz palpatorul dublu emisie-recepie la aparat i se

apas butonul pornit-oprit pentru alimentarea autonom. Se selecteaz ca unitate de

msurare a grosimilor mm. Pentru calibrare i determinarea vitezei se procedeaz n felul

urmtor:

- se apas CAL. Se aeaz palpatorul pe grosimea calibrat. Pe baza butoanelor GAIN

i RANGE se modific valorile pn cnd pe ecranul aparatului apare o imagine de

forma celei din figura 4;

Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

6

Fig. 4. Imaginea de pe ecranul aparatului

- se apas pe ZERO OFFSET i se introduce valoarea cunoscut a grosimii calibrate n

fereastra ce apare pe ecran;

- se pozitioneaz palpatorul pe a doua grosime cunoscut. Se va avea n vedere ca pe

ecran s se menin simbolul CAL. Pe baza butoanelor GAIN i RANGE se modific

valorile pn cnd pe ecranul aparatului apare o imagine de forma celei din figura 4;

- se apas pe butonul VEL i se introduce valoarea cunoscut a celei de-a doua grosimi

calibrate n fereastra ce apare pe ecran;

- se apas ENTER pentru a reveni din starea de calibrare.

In acest fel, se memoreaz viteza pe care undele ultrasonore o au prin materialul piesei

studiate.

Se aplic palpatorul n fiecare din punctele determinate de ablonul ce culiseaz n

puncte fixe de-a lungul piesei determinrile fcndu-se astfel n puncte aflate pe un caroiaj,

figura 5.

Fig. 5. Piesa cu sablon pentru masurarea pe caroiaj

Masurarea grosimii cu ajutorul ultrasunetelor

7

Se citesc grosimile afiate pe ecran i se trec ntr-un tabel de tip matrice pentru

identificarea cu uurin a valorilor citite.

Cu ajutorul facilitilor oferite de programul Xcell i pe baza datelor tabelare obinute se

trasez suprafaa tridimensional a feei prelucrate, figura 6.

Fig. 6. Suprafaa determinat prin msurarea adncimii

In acelai mod se poate proceda la determinarea suprafeelor invizibile, ale rezervoarelor,

conductelor care i schimb forma n timpul funcionrii datorit coroziunii, aciunii agenilor

chimici, etc.