操作理论
Wir sind überall von Schallwellen in Form von mechanischen Schwingungen umgeben, die von einem Medium wie Luft oder Wasser getragen werden. Ultraschallprüfungen umfassen Frequenzen, die nicht vom menschlichen Gehör wahrgenommen werden können. Sie sind höher als 20 kHz und liegen häufig zwischen 500 kHz und 20 MHz, auch wenn manchmal höhere und niedrigere Frequenzen verwendet werden können. Die genaue Prüffrequenz wird entsprechend der jeweiligen Anwendung ausgewählt. Alle Ultraschall-Dickenmesser messen sehr präzise wie lange es für einen Schallimpuls dauert, der durch einen Ultraschallkopf erzeugt wurde, ein Prüfteil zu durchschallen. Schallwellen werden von Grenzflächen zwischen unterschiedliche Materialien, wie Luft oder Flüssigkeit, im Inneren eines Stahlrohrs reflektiert, sodass diese Messung normalerweise von einer Seite in einem Impuls-Echo-Modus durchgeführt werden kann.
Der Messkopf enthält ein piezoelektrisches Element, das durch einen kurzen elektrischen Impuls angeregt wird, um einen Schallimpuls zu erzeugen. Die Schallwellen werden durch das Prüfmaterial geschallt, bis sie auf eine Rückwand oder eine andere Grenzfläche treffen. Die Reflexionen wandern dann zurück zum Messkopf, der die Schallenergie wieder in elektrische Energie umwandelt. Im Wesentlichen empfängt das Messgerät das Echo von der gegenüberliegenden Seite. Typischerweise beträgt dieses Zeitintervall nur einige Millionstel Sekunden. Das Messgerät wird mit der Schallgeschwindigkeit im Prüfmaterial programmiert, woraus dann anhand der einfachen mathematischen Formel die Dicke berechnet wird:
T = (V) x (t/2)
wobei:
T = Dicke des Prüfteils
V = Schallgeschwindigkeit im Prüfmaterial
t = Gemessene Laufzeit
In einigen Fällen wird auch eine Nullpunktverschiebung subtrahiert, um feste Verzögerungen im Gerät und des Schallwegs auszumachen.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Schallgeschwindigkeit im Prüfmaterial ein wesentlicher Bestandteil dieser Berechnung ist. Unterschiedliche Materialien übertragen Schallwellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, allgemein schneller in harten Materialien und langsamer in weichen Materialien, und die Schallgeschwindigkeit kann sich mit der Temperatur erheblich ändern. Daher muss ein Ultraschall-Dickenmesser immer mit der Schallgeschwindigkeit im gemessenen Material justiert werden und die Genauigkeit kann nur so gut sein wie diese Justierung. Dies erfolgt normalerweise mit einem Referenzstandard, dessen Dicke genau bekannt ist. Bei Hochtemperaturmessungen muss beachten werden, dass sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur ändert. Um eine optimale Genauigkeit zu erzielen, sollte der Referenzstandard die gleiche Temperatur wie das Prüfteil haben.
Höhere Frequenzen haben eine kürzere Wellenlänge, was die Messung dünnerer Materialien ermöglicht. Niedrigere Frequenzen haben eine längere Wellenlänge, was eine bessere Durchdringung ermöglicht. Sie werden zur Prüfung von sehr dicken Proben oder Materialien, wie Glasfaser und grobkörnigen Gussmetallen, verwendet, die Schallwellen weniger effizient übertragen. Bei der Auswahl einer optimalen Prüffrequenz müssen diese Anforderungen an Auflösung und Durchdingung oft abgewogen werden. Im Ultraschallfrequenzbereich sind Schallwellen stark gerichtet. Sie bewegen sich frei durch typische Metalle, Kunststoffe und Keramiken und werden an einer Luftgrenzfläche, wie einer Innenwand oder einem Riss, reflektiert.
Schallwellen im Megahertz-Bereich bewegen sich nicht effizient durch die Luft, daher wird etwas Koppelmittel zwischen Messkopf und Prüfteil verwendet, um eine gute Schallübertragung zu erzielen. Übliche Koppelmittel sind Glycerin, Propylenglycol, Wasser, Öl und Gel. Es wird nur eine kleine Menge benötigt, um den sehr dünnen Luftspalt zu füllen, der sonst zwischen dem Messkopf und dem Prüfteil bestehen würde.
Im Folgenden ist ein Blockdiagramm eines üblichen Ultraschall-Dickenmessers abgebildet. Der Impulsgenerator liefert unter der Steuerung eines Mikroprozessors einen Spannungsimpuls am Messkopf, der die ausgehende Ultraschallwelle erzeugt. Die Echos, die vom Prüfteil reflektiert werden, werden vom Schallkopf empfangen und in elektrische Signale umgewandelt, die wieder zum Empfänger transportiert und digitalisiert werden. Die mikroprozessorbasierte Steuerungs- und Timinglogik synchronisiert den Impulsgeber und wählt die geeigneten Echos aus, die für die Zeitintervallmessung verwendet werden.
Wenn Echos erkannt werden, misst die Timingschaltung präzise ein Zeitintervall in einem der in Abschnitt 3 beschriebenen Modi und wiederholt diesen Vorgang dann in der Regel mehrmals, um einen gemittelten Messwert zu erhalten. Der Mikroprozessor verwendet dann diese Zeitintervallmessung zusammen mit der programmierten Schallgeschwindigkeit und der Nullpunktverschiebung, um die Dicke zu berechnen. Schließlich wird die Dicke mit einer ausgewählten Rate angezeigt und aktualisiert.
