Kiểm tra bề dày bằng siêu âm - Ultrasonic Thickness Measurement (UTM)

Viết bài: Thanh Sơn, bản quyền thuộc baoduongcokhi.com

Đo độ dày siêu âm - Ultrasonic Thickness Measurement (UTM) là phương pháp kiểm tra không phá hủy được sử dụng để kiểm tra độ dày kim loại của vỏ tàu, bồn bể, đường ống và kết cấu thép.

Đo độ dày là điều cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp để theo dõi sự ăn mòn, xói mòn và hư hỏng. Phép đo độ dày bằng siêu âm (UTM) thường được sử dụng và phương pháp này có thể được áp dụng cho nhiều loại kết cấu và thành phần bao gồm vỏ tàu, đường ống, bình chịu áp lực và kết cấu thép. 

 Việc phát hiện tổn thất kim loại do ăn mòn, xói mòn hoặc hư hỏng là rất quan trọng để đảm bảo sự an toàn và hoạt động liên tục của hạng mục/cấu trúc được kiểm tra. Nó cũng có thể giúp xác định xem có cần sửa chữa hoặc thay thế hay không hoặc liệu hạng mục/cấu trúc đó có nên được loại bỏ hay không. Dữ liệu đo độ dày siêu âm cung cấp cho khách hàng thông tin cần thiết để xác định xem vật phẩm được thử nghiệm có đủ độ dày kim loại mà nó được thiết kế hay không.

 Máy đo độ dày siêu âm hoạt động bằng cách đo chính xác khoảng thời gian cần thiết để một xung âm thanh được tạo ra bởi một đầu dò nhỏ gọi là đầu dò siêu âm di chuyển qua mẫu thử và phản xạ trở lại từ bề mặt phía trong hoặc thành vỏ phía sau. Từ phép đo này, độ dày của mẫu thử được tính toán và hiển thị trên màn hình kỹ thuật số.

 Tính di động của thiết bị kiểm tra cho phép kiểm tra tại chỗ và cho kết quả ngay lập tức. Nếu một vấn đề đã được phát hiện bằng kỹ thuật, các phương pháp kiểm tra không phá hủy bổ sung có thể được sử dụng để điều tra thêm các phát hiện.

Các lợi ích từ đo bề dày bằng máy đo siêu âm

Máy đo độ dày siêu âm mang lại một số lợi ích so với các kỹ thuật đo lường cơ học và quang học trong nhiều ứng dụng thử nghiệm và sản xuất thông thường, hỗ trợ kiểm soát chất lượng, độ tin cậy và giám sát tình trạng theo cách tiết kiệm chi phí và thân thiện với người dùng.

• Đo từ một phía: Máy đo siêu âm chỉ yêu cầu tiếp cận một phía của đường ống, bể chứa, ống dẫn, thùng chứa, vật đúc rỗng, tấm kim loại hoặc nhựa lớn và các mẫu thử khác mà bề mặt bên trong không thể hoặc khó tiếp cận.

• Hoàn toàn không phá hủy: Không cần cắt các bộ phận, tiết kiệm vật liệu và chi phí lao động.

• Độ tin cậy cao: Máy đo siêu âm kỹ thuật số hiện đại có độ chính xác cao, có thể lặp lại và đáng tin cậy.

• Đa năng: Có thể đo tất cả các vật liệu kỹ thuật phổ biến bằng các thiết lập máy đo thích hợp, bao gồm kim loại, nhựa, vật liệu tổng hợp, sợi thủy tinh, gốm sứ và cao su. Hầu hết các công cụ có thể được lập trình trước với nhiều thiết lập ứng dụng.

• Phạm vi đo rộng: Máy đo siêu âm có sẵn cho phạm vi đo rộng từ tối thiểu 0,08 mm (0,003 in.) đến tối đa 635 mm (25 in.), tùy thuộc vào lựa chọn vật liệu và đầu dò. Độ phân giải có thể tốt như 0,001 mm hoặc 0,0001 in.

• Dễ sử dụng: Phần lớn các ứng dụng đo siêu âm sử dụng các thiết lập đo được lập trình sẵn đơn giản và chỉ yêu cầu một lượng nhỏ tương tác của người vận hành. Mặc dù có một số kỹ thuật nâng cao và các phép đo đầy thách thức, nhưng hầu hết các trường hợp không cần đào tạo nâng cao về siêu âm.

• Phản hồi tức thì: Các phép đo thường chỉ mất một hoặc hai giây cho mỗi điểm đo và được hiển thị dưới dạng chỉ số kỹ thuật số.

• Tương thích với các chương trình phân tích thống kê và ghi dữ liệu: Hầu hết các máy đo cầm tay hiện đại đều cung cấp cả bộ lưu trữ trên bo mạch cho dữ liệu đo và cổng USB hoặc RS232 để chuyển các phép đo sang máy tính để lưu giữ hồ sơ và phân tích thêm

Giới thiệu về máy đo độ dày siêu âm (Ultrasonic Thickness Gauge)

Đo độ dày bằng siêu âm là một kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) được sử dụng rộng rãi để đo độ dày của vật liệu từ một phía. Nó nhanh, đáng tin cậy và linh hoạt, và không giống như panme hoặc thước cặp, nó chỉ yêu cầu tiếp cận một mặt của mẫu thử. 

Máy đo siêu âm thương mại đầu tiên, sử dụng các nguyên tắc bắt nguồn từ sonar, được giới thiệu vào cuối những năm 1940. Các thiết bị nhỏ, di động được tối ưu hóa cho nhiều ứng dụng thử nghiệm đã trở nên phổ biến vào những năm 1970. Những tiến bộ sau này trong công nghệ vi xử lý đã dẫn đến các mức hiệu suất mới trong các thiết bị thu nhỏ tinh vi, dễ sử dụng ngày nay.

Ghi chú: Sonar là viết tắt của cụm từ tiếng Anh "sound navigation and ranging", có nghĩa là hệ thống định vị và đo khoảng cách dựa trên sóng âm. Được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thủy văn, sonar được sử dụng để tạo ra hình ảnh dưới mặt nước, xác định độ sâu của đáy biển, tìm kiếm các vật thể trên đáy biển, theo dõi và phát hiện các đối tượng di động dưới mặt nước như tàu thuyền và động vật biển. Sonar hoạt động bằng cách phát ra sóng âm và sau đó nhận lại tín hiệu sóng phản xạ từ các vật thể. Từ tín hiệu này, sonar có thể tính toán khoảng cách đến các vật thể và tạo ra hình ảnh của chúng. Sonar được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự, khoa học biển và khai thác tài nguyên biển.

1. Phạm vi áp dụng

Hầu như bất kỳ vật liệu kỹ thuật phổ biến nào cũng có thể được đo bằng siêu âm. Máy đo độ dày siêu âm có thể được thiết lập cho kim loại, nhựa, vật liệu tổng hợp, sợi thủy tinh, gốm sứ và thủy tinh. Thường có thể thực hiện phép đo trực tuyến hoặc trong quá trình nhựa ép đùn và kim loại cán, cũng như phép đo các lớp hoặc lớp phủ riêng lẻ trong chế tạo nhiều lớp. Mức chất lỏng và mẫu sinh học cũng có thể được đo. Đo siêu âm luôn hoàn toàn không phá hủy, không cần cắt.

Các vật liệu thường không phù hợp với phép đo siêu âm thông thường do khả năng truyền sóng âm thanh tần số cao kém bao gồm gỗ, giấy, bê tông và các sản phẩm xốp.

2. Nguyên lý hoạt động của máy đo độ dày siêu âm

Năng lượng âm thanh có thể được tạo ra trên một phổ tần số rộng. Âm thanh nghe được xảy ra ở dải tần số tương đối thấp với giới hạn trên khoảng 20.000 chu kỳ mỗi giây (20 Kilohertz). Tần số càng cao, chúng ta cảm nhận được cao độ càng cao. Siêu âm là năng lượng âm thanh ở tần số cao hơn, vượt ra ngoài giới hạn nghe của con người. Hầu hết các thử nghiệm siêu âm được thực hiện trong dải tần từ 500 KHz đến 20 MHz, mặc dù một số thiết bị chuyên dụng giảm xuống 50 KHz hoặc thấp hơn và cao tới 100 MHz. Bất kể tần số nào, năng lượng âm thanh bao gồm một mô hình các rung động cơ học truyền qua một môi trường như không khí hoặc thép theo các định luật vật lý cơ bản của  sóng.

Máy đo độ dày siêu âm hoạt động bằng cách đo rất chính xác thời gian cần thiết để một xung âm thanh được tạo ra bởi một đầu dò nhỏ gọi là đầu dò siêu âm di chuyển qua một mẫu thử và phản xạ trở lại từ bề mặt bên trong hoặc thành vỏ phía bên kia. Do sóng âm thanh phản xạ từ các ranh giới giữa các vật liệu khác nhau nên phép đo này thường được thực hiện từ một phía ở chế độ "xung/tiếng vang".

Đầu dò chứa một phần tử áp điện được kích thích bởi một xung điện ngắn để tạo ra một đợt sóng siêu âm. Các sóng âm thanh được ghép vào vật liệu thử nghiệm và truyền qua nó cho đến khi chúng gặp thành/tường (wall) phía sau hoặc ranh giới khác. Sau đó, các phản xạ quay trở lại đầu dò, chuyển đổi năng lượng âm thanh trở lại thành năng lượng điện. Về bản chất, máy đo "lắng nghe" tiếng vang từ phía đối diện. Điển hình là khoảng thời gian này chỉ là một vài phần triệu giây. Máy đo được lập trình với tốc độ âm thanh trong vật liệu thử nghiệm, từ đó có thể tính toán độ dày bằng cách sử dụng mối quan hệ toán học đơn giản

T = (V) x (t/2)

trong đó:

T = độ dày của vật liệu thử nghiệm

V = vận tốc âm thanh trong vật liệu thử nghiệm

t = thời gian truyền từ đầu đo và nhận phản hồi lại (thời gian khứ hồi).

Điều quan trọng cần lưu ý là vận tốc âm thanh trong vật liệu thử nghiệm là một phần thiết yếu của tính toán này. Các vật liệu khác nhau truyền sóng âm với vận tốc khác nhau, thường nhanh hơn ở vật liệu cứng và chậm hơn ở vật liệu mềm và vận tốc âm thanh có thể thay đổi đáng kể theo nhiệt độ. Do đó, luôn cần phải hiệu chuẩn máy đo độ dày siêu âm theo tốc độ âm thanh trong vật liệu được đo và độ chính xác chỉ có thể đạt được khi hiệu chuẩn này.

Sóng âm thanh trong phạm vi megahertz không di chuyển hiệu quả trong không khí, do đó, một giọt chất lỏng liên kết (coupling liquid hay couplant) được sử dụng giữa đầu dò và mẫu thử để đạt được khả năng truyền âm thanh tốt. Các chất ghép phổ biến là glycerin, propylene glycol, nước, dầu và gel. Chỉ cần một lượng nhỏ, vừa đủ để lấp đầy khoảng trống không khí cực mỏng giữa đầu dò và mục tiêu.

3. Chế độ đo

Có ba cách phổ biến để đo khoảng thời gian biểu thị sóng âm truyền qua mẫu thử. Chế độ 1 là cách tiếp cận phổ biến nhất, chỉ cần đo khoảng thời gian giữa xung kích thích tạo ra sóng âm thanh và tiếng vọng trở lại đầu tiên và trừ đi một giá trị độ lệch 0 nhỏ để bù cho độ trễ cố định của thiết bị, cáp và đầu dò. Chế độ 2 liên quan đến việc đo khoảng thời gian giữa tiếng dội trở lại từ bề mặt của mẫu thử và tiếng dội tường đầu tiên. Chế độ 3 liên quan đến việc đo khoảng thời gian giữa hai lần dội ngược tường liên tiếp.

Loại đầu dò và các yêu cầu ứng dụng cụ thể thường sẽ quyết định lựa chọn chế độ. 

Chế độ 1, được sử dụng với đầu dò tiếp xúc, là chế độ kiểm tra cho mục đích chung và được khuyến nghị cho hầu hết các ứng dụng.  

Chế độ 2, được sử dụng với đầu dò trễ hoặc đầu dò nhúng, thường được sử dụng cho các phép đo trên bán kính lõm hoặc lồi sắc nét hoặc trong không gian hạn chế với đầu dò trễ hoặc đầu dò nhúng, để đo trực tuyến vật liệu chuyển động với đầu dò nhúng và cho phép đo cao phép đo nhiệt độ với đầu dò dòng trễ nhiệt độ cao. 

Chế độ 3, cũng được sử dụng với đầu dò độ trễ hoặc đầu dò nhúng, thường mang lại độ chính xác phép đo cao nhất và độ phân giải độ dày tối thiểu tốt nhất trong một ứng dụng nhất định,với chi phí thâm nhập Nó thường được sử dụng khi không thể đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và/hoặc độ phân giải trong Chế độ 1 hoặc 2. Tuy nhiên, Chế độ 3 chỉ có thể được sử dụng trên các vật liệu tạo ra nhiều tiếng vang tường sau, điển hình là các vật liệu có độ suy giảm thấp như kim loại hạt mịn, thủy tinh, và hầu hết các đồ gốm sứ.

4. Các loại máy đo

Máy đo độ dày siêu âm thương mại thường được chia thành hai loại: máy đo ăn mòn và máy đo độ chính xác. Ứng dụng quan trọng nhất đối với đo siêu âm là đo độ dày thành còn lại của ống kim loại, bể chứa, các bộ phận kết cấu và bình chịu áp lực có thể bị ăn mòn bên trong mà không thể nhìn thấy từ bên ngoài. 

Máy đo ăn mòn: được thiết kế cho loại phép đo này, sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu được tối ưu hóa để phát hiện độ dày còn lại tối thiểu trong mẫu thử thô, bị ăn mòn và chúng sử dụng đầu dò phần tử kép chuyên dụng cho mục đích này.

Máy đo độ chính xác: sử dụng đầu dò một phần tử được khuyến nghị cho tất cả các ứng dụng khác, bao gồm kim loại nhẵn cũng như nhựa, sợi thủy tinh, vật liệu tổng hợp, cao su và gốm sứ. Với nhiều loại đầu dò có sẵn, máy đo độ chính xác cực kỳ linh hoạt và trong nhiều trường hợp có thể đo với độ chính xác +/- 0,001" (0,025 mm) hoặc cao hơn, cao hơn độ chính xác có thể đạt được với máy đo ăn mòn.

5. Các loại đầu dò

Đầu dò tiếp xúc: 

Như tên của nó, đầu dò tiếp xúc được sử dụng để tiếp xúc trực tiếp với mẫu thử. Các phép đo với đầu dò tiếp xúc thường là phép đo đơn giản nhất để thực hiện và chúng thường là lựa chọn đầu tiên cho hầu hết các ứng dụng đo độ dày phổ biến ngoài đo ăn mòn.

Bộ chuyển đổi dòng trễ: 

Đầu dò đường trễ kết hợp một xi lanh bằng nhựa, epoxy hoặc silica nung chảy được gọi là đường trễ giữa phần tử hoạt động và mẫu thử. Một lý do chính để sử dụng chúng là để đo vật liệu mỏng, trong đó điều quan trọng là phải tách sự phục hồi xung kích thích khỏi tiếng vang phía sau. Đường trễ có thể được sử dụng làm chất cách nhiệt, bảo vệ phần tử đầu dò nhạy cảm với nhiệt khỏi tiếp xúc trực tiếp với các mẫu thử nóng và các đường trễ cũng có thể được định hình hoặc tạo đường viền để cải thiện khả năng ghép âm thanh vào không gian cong hoặc giới hạn.

Đầu dò ngâm:

Đầu dò nhúng sử dụng cột hoặc bể nước để ghép năng lượng âm thanh vào mẫu thử. Chúng có thể được sử dụng để đo trực tuyến hoặc trong quá trình sản phẩm đang chuyển động, cho các phép đo được quét hoặc để tối ưu hóa kết nối thành các bán kính, rãnh hoặc kênh sắc nét.

Đầu dò phần tử kép (dual): 

Đầu dò phần tử kép, được sử dụng chủ yếu để đo các bề mặt gồ ghề, bị ăn mòn bằng máy đo độ ăn mòn. Việc kết hợp các phần tử truyền và nhận riêng biệt được gắn trên một đường trễ ở một góc nhỏ để tập trung năng lượng ở một khoảng cách đã chọn bên dưới bề mặt của mẫu thử. Mặc dù phép đo với bộ đôi (dual) khi không chính xác như với các loại đầu dò khác, nhưng chúng thường mang lại hiệu suất tốt hơn đáng kể trong các ứng dụng khảo sát ăn mòn.

6. Những điều khác cần xem xét

Trong bất kỳ ứng dụng đo siêu âm nào, việc lựa chọn máy đo và đầu dò sẽ phụ thuộc vào vật liệu cần đo, phạm vi độ dày, hình học, nhiệt độ, yêu cầu về độ chính xác và bất kỳ điều kiện đặc biệt nào có thể có. Dưới đây là những yếu tố chính cần được xem xét.

Vật liệu:

Loại vật liệu và phạm vi độ dày được đo là những yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn máy đo và đầu dò. Nhiều vật liệu kỹ thuật phổ biến bao gồm hầu hết các kim loại, gốm sứ và thủy tinh truyền siêu âm rất hiệu quả và có thể dễ dàng đo được trên một phạm vi độ dày rộng. Hầu hết các loại nhựa hấp thụ năng lượng siêu âm nhanh hơn và do đó có phạm vi độ dày tối đa hạn chế hơn, nhưng vẫn có thể đo dễ dàng trong hầu hết các tình huống sản xuất. Cao su, sợi thủy tinh và nhiều vật liệu tổng hợp có thể suy hao nhiều hơn và thường yêu cầu thiết bị đo độ xuyên thấu cao với bộ tạo xung/máy thu được tối ưu hóa cho hoạt động ở tần số thấp.

Độ dày:

Phạm vi độ dày cũng sẽ quyết định loại máy đo và đầu dò nên được chọn. Nói chung, vật liệu mỏng được đo ở tần số cao và vật liệu dày hoặc suy hao được đo ở tần số thấp. Đầu dò đường trễ thường được sử dụng trên các vật liệu rất mỏng, mặc dù đầu dò đường trễ (và nhúng) sẽ có độ dày tối đa có thể đo được bị hạn chế hơn do khả năng gây nhiễu từ bội số của giao diện phản hồi. Trong một số trường hợp liên quan đến phạm vi độ dày rộng và/hoặc nhiều vật liệu, có thể cần nhiều hơn một loại đầu dò.

Hình dạng hình học:

Khi độ cong bề mặt của một bộ phận tăng lên, hiệu quả ghép nối giữa đầu dò và mẫu thử bị giảm, do đó, khi bán kính cong giảm, kích thước của đầu dò nói chung cũng sẽ giảm theo. Phép đo trên các bán kính rất sắc nét, đặc biệt là các đường cong lõm, có thể yêu cầu đầu dò đường trễ có đường viền đặc biệt hoặc đầu dò ngâm không tiếp xúc để ghép nối âm thanh phù hợp. Đầu dò nhúng và đường trễ cũng có thể được sử dụng để đo trong các rãnh, hốc và các khu vực tương tự có lối vào hạn chế.

Nhiệt độ:

Các đầu dò tiếp xúc thông thường thường có thể được sử dụng trên các bề mặt có nhiệt độ lên đến khoảng 125° F hoặc 50° C. Việc sử dụng hầu hết các đầu dò tiếp xúc trên các vật liệu nóng hơn có thể dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn do hiệu ứng giãn nở nhiệt. Trong những trường hợp như vậy, luôn phải sử dụng đầu dò đường trễ có đường trễ chịu nhiệt, đầu dò nhúng hoặc đầu dò phần tử kép nhiệt độ cao.

Đảo ngược pha:

Đôi khi có những ứng dụng trong đó vật liệu có trở kháng âm thanh thấp (mật độ nhân với vận tốc âm thanh) được liên kết với vật liệu có trở kháng âm thanh cao hơn. Các ví dụ điển hình bao gồm lớp phủ nhựa, cao su và thủy tinh trên thép hoặc các kim loại khác và lớp phủ polyme trên sợi thủy tinh. Trong những trường hợp này, tiếng vang từ ranh giới giữa hai vật liệu sẽ bị đảo pha hoặc đảo ngược so với tiếng vang thu được từ ranh giới không khí. Điều kiện này thường có thể được điều chỉnh bằng một thay đổi thiết lập đơn giản trong thiết bị, nhưng nếu nó không được tính đến, các kết quả đọc có thể không chính xác.

Sự chính xác:

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo trong một ứng dụng nhất định, bao gồm hiệu chuẩn thiết bị thích hợp, tính đồng nhất của vận tốc âm thanh vật liệu, sự suy giảm và tán xạ âm thanh, độ nhám bề mặt, độ cong, khả năng ghép nối âm thanh kém và tính không song song của tường sau. Tất cả các yếu tố này cần được xem xét khi chọn máy đo và đầu dò. Với hiệu chuẩn phù hợp, các phép đo thường có thể được thực hiện với độ chính xác +/- 0,001" hoặc 0,01 mm và trong một số trường hợp, độ chính xác có thể đạt tới 0,0001" hoặc 0,001 mm. Độ chính xác trong một ứng dụng nhất định có thể được xác định tốt nhất thông qua việc sử dụng các tiêu chuẩn tham chiếu có độ dày đã biết chính xác. Nói chung, máy đo sử dụng đường trễ hoặc đầu dò ngâm cho phép đo Chế độ 3 có thể xác định độ dày của bộ phận một cách chính xác nhất. 

 Xin chào bạn! 

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa. 

 Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi. 

Nguyễn Thanh Sơn

Related Posts by Categories