Ultrazvok v merilni tehniki

1 Splošno o ultrazvoku

Pod pojmom ultrazvok, si predstavljamo zvočne valove, katerih frekvence so višje od meje slišnosti človeškega ušesa. To pomeni da so frekvence ultrazvočnega valovanja višje od 18 kHz oz. 20 kHz. Zgornja meja širjenja ultrazvočnih valov so termične vibracije kristalne mreže nad katerimi material ne more več slediti vhodnemu zvoku. Najmanjša uporabna valovna dolžina zvoka je dvojna medatomska razdalja, ki je pri kovinah približno enaka , kar se zgodi pri frekvenci .
Za ultrazvok sicer veljajo enak pravila kot za vsa ostala valovanja, ima pa naslednje prednosti:
• Višje frekvence valovanja pomenijo posledično manjše valovne dolžine, kar pomeni da se zmanjša ukrivljenost in razpršenost valov pri trčenju ob oviro danih dimenzij. Ultrazvok zato lažje usmerjamo v želeno smer in ga tudi lažje zaznavamo z ustreznimi senzorji.
• Ultrazvočni valovi zlahka prehajajo skozi kovinske stene cevi. Zato lahko celotno meritev izvedemo izven tekočine, t.i. neinvazivna meritev. To je še posebej pomembno pri delu z nevarnimi tekočinami ki imajo koroziven, radioaktiven, eksploziven ali vnetljiv značaj. Postavitev merilnega sistema izven cevi tudi onemogoča kakršnokoli zamašitev cevi pri nečistih tekočinah.
• Ultrazvok zlahka vstopa in se širi skozi živo biološko tkivo in je izredno uporaben in uporabljan v medicini.
• Ultrazvok je neslišen in kot tak pomemben in primeren tudi za vojaške namene.

Za razumevanje principov ki se uporabljajo pri merjenju z ultrazvokom, pa je treba najprej spoznati njegovo fizikalno ozadje.

2 Fizikalno ozadje ultrazvoka

2.1 Širjenje valovanja

Merjenje valovanja z ultrazvokom je osnovano na časovnem poteku vibracij v materialih, kar imenujemo akustika. Materiali so sestavljeni iz atomov, ki jih lahko prisilimo v nihanje okoli njihove mirovne lege. Na nivoju atomov obstaja mnogo vzorcev nihanja, vendar jih večina ni pomembna za ultrazvočno merjenje. Za nas so pomembni predvsem tisti delci, ki so sestavljeni iz več atomov in s svojim skupnim gibanjem povzročajo mehansko valovanje. Če je material izpostavljen natezni ali tlačni sili, ki ne preseže njegove meje elastičnosti, delci takega materiala elastično nihajo.
V trdnih snoveh se zvočni valovi gibljejo na štiri glavne načine, ki so pogojene z načinom nihanja delcev snovi. Ti štirje načini in gibanje delcev so navedeni v tabeli 1.

Tipi valovanja v trdnih snoveh Nihanje delcev
Longitudinalni vzporedno na širjenje valovanja
Transverzalni pravokotno na širjenje valovanja
Površinski Rayleigh-ovi eliptično gibanje
Lamb valovi kompleksno gibanje, simetrično ali nesimetrično

Tabela 1: Tipi valovanja v trdnih snoveh

Na sliki 1 imamo prikazano širjenje longitudinalnih in transverzalnih valov, ki so tudi najširše uporabljani pri merjenju z ultrazvokom.
Kot že samo ime pove, delci pri longitudinalnem valovanju nihajo vzporedno na širjenje valov. Lahko se širijo tako po tekočinah kot po trdnih snoveh, saj zvočna energija potuje skozi atomsko strukturo v obliki zgoščin in razredčin.

Slika 1: Širjenje longitudinalnh in transverzalnih (shear) valov

Pri transverzalnem valovanju (transverse or shear wave) delci snovi nihajo pravokotno na smer širjenja valov. Ti valovi zahtevajo akustično trdno snov za učinkovito širjenje in zato ne prehajajo najbolje skozi kapljevine in pline. Transverzalni valovi so tudi relativno šibki, če jih primerjamo z longitudinalnimi. Največkrat tudi nastanejo tako, da porabijo nekaj energije longitudinalnih valov.
Rayleighovi površinski valovi se širijo preko površine in segajo v notranjost snovi le do globine svoje valovne dolžine. Delci se gibajo po eliptični orbiti kot prikazuje slika 2. Njihova uporabnost se pokaže predvsem pri merjenju površinskih napak materialov. Zato ker se gibljejo po površini, lahko sledijo tudi ukrivljenosti materiala in tako dosežejo mesta ki so drugim valovanjem težje dostopna.

Slika 2: Širjenje Rayleighovih valov

Lamb valovi se širijo samo po izredno tankih ploščah. To so zelo kompleksni valovi, ki se lahko gibljejo na simetrične ali nesimetrične načine kot prikazuje slika 3.

Slika 3: Širjenje lamb valov

2.2. Hitrost, frekvenca in valovna dolžina zvoka

Med najpomembnejšimi lastnostmi zvoka so hitrost c, frekvenca f in valovna dolžina ?. Valovna dolžina je sorazmerna hitrosti valovanja in obratno sorazmerna frekvenci, kar prikazuje spodnja enačba.

(1)

Hitrost zvoka tudi odvisna od lastnosti medija, in sicer od gostote in elastičnih lastnosti medija. V plinih je hitrost zvoka podana z naslednjo enačbo:

(2)

kjer je K stisljivostni modul, ? je specifična toplota pri konstantnem tlaku, R je plinska konstanta, M pa molska masa plina. Hitrost zvoka v zraku je približno 330 m/s.
V tekočinah in trdnih snoveh hitrost zvoka določa naslednja formula:

(3)

kjer je ? stisljivost tekočine. Hitrosti zvoka v tekočinah so običajno precej višje, kot v plinih in se sučejo okoli 1500m/s (za vodo velja c=1480m/s), v trdnih snoveh pa se zvok navadno širi najhitreje. Iz zgornjih enačb je razvidno tudi dejstvo, da se zvok ne more širiti skozi vakuum, saj tam ni nobenih delcev, ki bi to mehansko energijo prenašali.
V tabeli 2 so podane hitrosti zvoka v nekaterih materialih.

Material Hitrost [m/s]
Zrak 330
Voda (20oC) 1480
Aluminij 3130
Jeklo 3240
železo 5980

Tabela 2: Hitrosti zvoka v nekaterih materaialih

2.3 Jakost zvoka in gostota zvočne energije

Jakost zvoka I zvočnega vala je definirana kot povprečna moč, ki se oddaja na enoto površine v smeri širjenja valovanja:

(4)
kjer je pef efektivna vrednost tlaka, in ? volumska masa.
Gostota zvočne energije je energija na enoto volumna v opazovanem sredstvu. Potencialna energija, ki jo imajo zvočni valovi izvira iz pomikov snovi, kinetična energija pa iz gibanja delcev snovi. Ponavadi operiramo s povprečno gostoto zvočne energije ki je podana z enačbo:

(5)

Pri meritvah zvočne moči, jakosti in tlaka imamo v akustičnem okolju izredno velika merilna območja. Zato pri opisovanju teh veličin uporabljamo logaritemsko skalo. Logaritem razmerja dveh moči izražamov decibelih dB. Decibel nima dimenzije in izraža razmerje dveh moči; akustičnih, mehanskih, električnih itd.
Nivo zvočne jakosti je definiran kot:

(6)

kjer I0 pomeni vrednost referenčne jakosti ki znaša 10-12 W/m2.

2.4 Dušenje valovanja v mediju

Med prehodom zvoka skozi medij, njegova jakost upada z razdaljo, ki jo prepotuje. V idealnem mediju, amplituda zvoka upada le zaradi prostorskega širjenja, medtem ko v realnosti upadanje amplitude povzročajo še nekateri drugi dejavniki (slika 4).

Slika 4: Upadanje amplitude zvoka zaradi dušenja

Med temi dejavniki prevladujeta predvsem absorpcija in sipanje zvoka. Skupno delovanje vseh pojavov ki povzročajo upadanje energije zvoka imenujemo dušenje.

2.5 Odboj, lom zvoka in Snellov zakon

V splošnem se zvočni val odbija na vsaki spremembi in na spojih dveh medijev, v katerih ima različne hitrosti. Odbiti val je odvisen od vpadajočega vala, vpadnega kota, odbojne površine in karakteristične impedance medijev. Odbojni zakon pravi, da je vpadni kot enak odbojnemu.
Največkrat pa se odbije le del valov, ostanek pa gre skozi mejo kot prenašani valovi. Če je vpadni kot večji od kritičnega kota, se vsi valovi odbijejo in se nič več ne prenašajo skozi mejo med materiali. Smer širjenja valov v drugem materialu je različna kot v prvem, zaradi različnih hitrosti zvoka v materialih. Ta pojav imenujemo lom zvoka. Na sliki 5 imamo prikazan vpadni snop valovanja ki se na meji med materiali razdeli na dva dela; na odbite in lomljene (prenašane) valove. Lahko vidimo, da je kot odbitega zvoka VL1 enak vpadnemu.
Snellov zakon opisuje razmerje med koti in hitrostmi zvoka v materialih. Zakon izenači razmerje hitrosti cL1 in cl2 ter sinusov vpadnega in lomljenega kota.

(7)

Slika 5: Uklon in odboj vpadnega žarka VL1 na meji dveh snovi. VL1 je odbiti žarek, VL2 pa uklonjeni.

2.6 Dopplerjev efekt

Če se izvor zvočnega valovanja giblje glede na sredstvo, v katerem se valovanje širi, če se opazovalec giblje glede na sredstvo ali če se tako izvor kot opazovalec gibljeta, bo frekvenca, ki jo zazna opazovalec različna od dejanske frekvence, ki jo ima zvočno valovanje. Ta pojav imenujemo Dopplerjev efekt in je prikazan na sliki 6.

Slika 6: Dopplerjev efekt

Frekvenca, ki jo zazna opazovalec je podana z enačbo

(8)

kjer je f' zaznana frekvenca, f dejanska frekvenca izvora, c je hitrost zvoka, v hitrost opazovalca in u hitrost izvora. Če se izvor in opazovalec približujeta zaznana frekvenca narašča, če se oddaljujeta pa upada.

2.7 Interferenca

Poznavanje pojava interference je pomembno za lažje razumevanje delovanja ultrazvočnega pretvornika katerega zvočno polje je krajevno odvisno.
Kadar valovi interferirajo med seboj, se njihovi vplivi seštevajo in amplituda valovanja, ki nastane v določeni točki je vsota amplitud vseh posameznih valovanj.
Na sliki 7 imamo prikazano interferenco dveh fazno zamaknjenih signalov, ki izvirata iz iste točke. Vidimo, da dobimo popačen signal, ki je seštevek obeh valovanj po celem območju.

Slika 6: Interferenca dveh signalov

Če bi imeli dve sofazni valovanji bi se odmiki iz ravnovesne lege povečali za dvakrat, medtem ko se dve protifazni valovanji med seboj ravno odštejeta.
Če valovanja, ki medsebojno interferirajo, ne izvirajo iz iste točke je stvar malo kompleksnejša. Pri ultrazvočnem pretvorniku, se valovi širijo iz površja v krožnih frontah.
Vendar gre pri pretvorniku za veliko število valovanj, ki izvirajo drug zraven drugega in se medsebojno seštevajo oziroma odštevajo. Na sliki 7 (pet izvorov) je lepo vidno območje nehomogenega valovanja blizu površja pretvornika (bližnje polje), ko pa se oddaljujemo, postaja vedno bolj pravilno, kot da bi imelo svoj izvor na sredini površja pretvornika.

Slika 7: Interfernca ultrazvočnih valovanj, ki izvirajo iz površja pretvornika

Potrebno je poudariti da tudi v daljnem polju valovanje ni povsod pravilno, čeprav se na določeni razdalji od pretvornika in na sredini glede na pretvornikovo površino razvije pravilno in močno zvočno valovanje.

3 Piezoelektrični pretvorniki

Pretvorba električnih pulzov v mehansko valovanje in pretvorba vrnjenega mehanskega valovanja nazaj v električno energijo je osnova merjenja z ultrazvokom. Aktivni element je glavni del pretvornika saj pretvarja električno energijo v akustično in obratno. Aktivni element je ponavadi del polariziranega materiala (del molekule je pozitivno nabit, drugi pa negativno) ki ima na nasprotnih straneh pritrjene elektrode. Ko preko elektrod vmesni material izpostavimo električnemu polju, se polarizirane molekule usmerijo glede na smer polja, kar inducira dvopole znotraj molekulske ali kristalne strukture materiala. Usmeritev molekul povzroči tudi spremembe dimenzij materiala, kar je razvidno iz slike 8

Slika 8: Osnovni princip delovanja piezoelektričnega pretvornika

Ta pojav še posebej izrabljamo pri materialih, ki so permanentno polarizirani. Ti materiali, med katerimi sta tudi kvarc (SiO2) in barijev titanat (BaTiO3) so sposobni celo obratne pretvorbe. Če na njih deluje mehanska sila, ki jim spremeni dimenzije, proizvedejo električno polje. Ta pojav imenujemo piezoelektrični efekt.
Aktivni element večine akustičnih pretvornikov, ki se danes uporabljajo je piezoelektrična keramika, ki je lahko različnih oblik za proizvajanje različnih načinov valovanja. Na sliki 9 je prikazan element iz piezoelektrične keramike, ki se uporablja kot nizkofrekvenčni pretvornik. Preden se je na tem področju uveljavila keramika (okoli 1950) so se za izdelavo največ uporabljali piezoelektrični kristali, ki so jih pridobivali iz kvarčnih kristalov. Zato se še danes marsikje uporablja za aktivni element pretvornikov kar ime »kristal.«

Slika 9: Prerez ultrazvočnega pretvornika

Ko pa se je enkrat na trgu pojavila piezoelektrična keramika je hitro postala prevladujoči material za izdelavo pretvornikov zaradi dobrih piezoelektričnih lastnosti in zato, ker jih ni težko izdelovati različnih oblik in velikosti. Prav tako delujejo pri precej nizkih napetostih in so uporabni do temperature 300oC. Prvi piezokeramični material v praktični uporabi je bil barijev titanat, sledila mu je zlitina cirkonov titanat (okoli 1960), ki je še danes najširše uporabljan. Zadnje čase se v nekaterih primerih precej uporabljajo tudi novi materiali kot so piezo polimeri in nekatere zlitine.
Debelina aktivnega elementa nam določa frekvenco s katero niha piezoelektrični pretvornik. Element namreč oddaja valovanje, katerega valovna dolžina je dvakrat večja od njegove debeline. Zato je kristal oblikovan tako, da je njegova debelina enaka 1 želene valovne dolžine. Če želimo višje frekvence pretvornika moramo torej zmanjšati debelino njegovega aktivnega elementa. V tem se tudi skriva razlog, da na trgu ni na voljo visokofrekvenčnih pretvornikov, saj bi bili pretanki in preveč krhki.

3.1 Lastnosti piezoelektričnih pretvornikov

Na lastnosti piezoelektričnega pretvornika vpliva precej faktorjev. Material iz katerega je izdelan, mehanska in električna zgradba, pa tudi zunanji mehanski ali električni vplivi določajo njegovo obnašanje. Mehanska zgradba vključuje parametre kot so polmer površja pretvornika, mehansko dušenje, način priključnih sponk ipd…
Na sliki 10 je prikazan shematski prerez pretvornika.

Slika 10: Shematski prerez pretvornika

Debelina aktivnega elementa je določena z 1 želene valovne dolžine. Zato, da dobimo iz pretvornika čimveč energije, imamo na površju, kjer valovanje izhaja iz pretvornika prilagoditveno plast (matching layer). Optimalna debelina te plasti je enaka 1 valovne dolžine, saj se izkaže, da pri tej debelini iz pretvornika izhajajo sofazni valovi.
Za spojne pretvornike je prilagoditvena plast izdelana iz materiala, katerega akustična impedanca je nekje vmes med impedanco aktivnega elementa in jekla. Za potopitvene pretvornike je impedanca prilagoditvene plasti nekje vmes med impedanco elementa in vode. Spojni pretvorniki imajo navadno tudi zaščitno plast, ki preprečuje poškodbe prilagoditvene plasti.
Opora (backing material) podpira kristal in ima veliko vlogo pri dušilnih lastnostih pretvornika. Če uporabimo oporo, ki ima enako impedanco kot kristal, dobimo majhno dušenje, kar pomeni ozko pasovno širino in veliko občutljivost. Večanje razlike impedanc sicer poveča globino materiala, ki jo valovanje doseže, toda s tem pokvarimo občutljivost.
Nekateri pretvorniki so narejeni kot učinkoviti oddajniki, drugi pa kot učinkoviti sprejemniki. Pretvornik, ki je uspešen pri enem načinu merjenja, bo v drugem povsem neprimeren. Na primer, občutljivost na majhne nepravilnosti je sorazmerna kvaliteti tako sprejemnika in oddajnika. Resolucija, zmožnost zaznave napake, ki je blizu površja ali v njegovi bližini, pa zahteva pretvornik z velikim dušenjem.
Pretvorniki so sicer precej robustno narejeni, toda z njimi je treba pazljivo ravnati. Udarci lahko povzročijo razpoke v zaščitni plasti, kristalu ali opori, kar povsem spremeni (pokvari) lastnosti pretvornika.

3.2 Izvedbe pretvornikov

Ultrazvočni pretvorniki so serijsko proizvedeni za najrazličnejše zahteve v industriji in so po potrebi tudi posebej izdelani. Izbira pravega pretvornika zahteva dobro poznavanje razmer in zahtev merjenja. Pomembno je da izberemo pretvornik s primerno frekvenco, pasovno širino in ustreznim ostrenjem za čimbolj uspešno merjenje. Večinoma se pretvornike uporablja za povečanje občutljivosti ali resolucije.
Nekaj primerov pretvornikov je prikazanih na spodnji sliki.

Slika 11: Različne izvedbe pretvornikov

Pretvornike razdelimo v grobem v dve skupini glede na njihov namen.
Spojni pretvorniki se uporabljajo za merjenje z neposrednim kontaktom. Njihovi elementi so zaščiteni s hrapavim ohišjem, ki preprečuje drsenje po gladkih površinah različnih materialov. Ti pretvorniki so »ergonomskih« oblik, tako da se jih zlahka prime in premika po površini. Pri njihovi uporabi je potreben spojni medij, ki ga predstavlja voda, maziva, olja ali drugi komercialno dostopni materiali.
Potopitveni pretvorniki (slika 12) niso v neposrednem stiku z merjencem. Narejeni so za delovanje v tekočini, zato so vse njihove povezave vodotesne. Ponavadi imajo že vgrajene valjne ali sferične leče ki zberejo valovanje v manjšem področju, kar izboljša njihovo občutljivost in resolucijo.

Slika 12: Dve izvedbi potopitvenih pretvornikov (valjno in sferično lečo)

Velikokrat se uporabljajo v vodnih rezervoarjih, kot del merilnika z mehurčki (bubbler).

3.2.1 Spojni pretvorniki

Spojni pretvorniki so na voljo v različnih izvedbah, ki izboljšajo njihovo uporabnost v določenih aplikacijah. Za merjenja s pravokotnimi valovi lahko uporabljamo preproste pretvornike, medtem ko nekatera merjenja zahtevajo posebne izvedbe, ki so spodaj opisane.

Slika 13: Spojni pretvornik z dvema aktivnima elementoma (sprejemnik in oddajnik)

Pretvornik z dvema aktivnima elementoma je prikazan na sliki 13.
Tak pretvornik vsebuje dva elementa v enem ohišju, ki delujeta neodvisno. Eden od njiju oddaja in drugi sprejema valovanje. Izbira materiala za elemente je odvisna od sprejemnih in oddajnih lastnosti ki jih meritev zahteva. Pretvorniki te vrste so še posebej primerni za merjenje blizu površine, saj lahko oddaja in sprejema hkrati. Uporabljajo se tudi za merjenje tankih materialov.
Kotni pretvorniki se uporabljajo kot izvor lomljenega transverzalnega valovanja kot prikazuje slika 14.

Slika 14: Kotni pretvornik

Na voljo so za različne vrednosti določenih kotov ali v nastavljivi različici, kjer uporabnik sam nastavi želeni kot in lom valovanja. Gibanje valovanja pod kotom omogoča zaznavanje napak na mestu spoja dveh materialov. Uporabljajo se tudi kot izvor površinskih valov, ki odkrivajo nepravilnosti na površini materiala.

3.3 Valovanje ultrazvočnih pretvornikov

Zvok, ki izhaja iz piezoelektričnega pretvornika ne izvira iz točke, ampak iz praktično celotne površine elementa. Okrogle pretvornike včasih imenujemo tudi valjni izvori, saj se zvok pred oddajnikom širi v obliki valja, kar vidimo na sliki 15. Na sliki je z barvo prikazana tudi jakost zvoka, svetlejša barva pomeni večjo jakost.

Slika 14: Prikaz poteka zvočnega polja pretvornika

Ker ultrazvok izvira iz neskončno veliko točk na površini pretvornika, je ultrazvočna jakost vzdolž žarka odvisna od interference med sosednjimi valovi, ki se lahko med seboj seštevajo ali odštevajo.
V bližini pretvornika imamo precej nepravilnosti v valovanju ultrazvoka in ta del imenujemo bližnje polje (near field). Vzrok teh predelov visokega in nizkega pritiska je prav velikost površine pretvornika. Če bi bila izvor valovanja točka bi imeli idealno valovanje, tako pa imamo množico valovanj, ki se združijo v enotno valovanje šele na koncu t.i. bližnjega polja. Zaradi teh odstopanj je v tem območju izredno težko točno odkrivati napake v materialih.

Slika 15: Bližnje in oddaljeno polje pretvornika

Ultrazvočni snop je mnogo bolj homogen v daljnem polju (far field), kjer se obnaša kot da izvira iz središča. Meja med bližnjim in daljnim področjem se nahaja na oddaljenosti N od pretvornika in jo imenujemo naravno gorišče (natural focus) ravnega pretvornika. Razdalja N je pomembna zato, ker v tej točki nepravilno valovanje, ki je značilno za bližnje polje preide v gladko valovanje. Območje, ki sledi razdalji N je najbolj primerno za merjenje, saj ima valovanje tam poleg svoje homogenosti tudi največjo moč.

3.4 Spojni medij

Spojni medij (couplant) je snov (običajno tekočina), ki olajša prehajanje ultrazvočne energije od pretvornika do merjenega objekta. Uporabo takega medija zahteva predvsem velika zvočna impedanca na meji zrak-trdna snov (merjeni objekt), saj se večina ultrazvočnega valovanja na meji odbije in jo le malo vstopi v merjeni objekt. Spojni medij izrine zrak iz spoja in omogoči lažji vstop zvočnemu valovanju., tako da dobimo uporaben ultrazvočni signal. V kontaktnem merjenju napak v materialih se ponavadi med pretvornikom in merjencem uporablja tanko plast olja, glicerina ali vode, kar je prikazano na sliki 16.

Slika 16: Spojni medij med pretvornikom in materialom

Kadar izvajamo merjenja nad obdelovancem ali kadar želimo natančne rezultate uporabimo princip potopitve. Pri takšnem ultrazvočnem merjenju sta pretvornik in merjeni objekt potopljena v spojnem mediju, ki ga ponavadi predstavlja kar voda, kar prikazuje slika 17. Ta princip precej olajša zagotavljanje konstante zvočne impedance pri premikanju pretvornika in/ali merjenega objekta.

Slika 17: Voda kot spojni medij pri merjenju s potopitvenim principom

4 Preizkušanje materialov z ultrazvokom

Pri preizkušanju materialov z ultrazvokom uporabljamo visoke frekvence zvočne energije za opazovanje in merjenje. Ultrazvočno preizkušanje se lahko uporablja za odkrivanje ali oceno napak, merjenje dimenzij, določanje materialov itd. Za boljšo predstavo osnovnega principa si poglejmo klasični princip, ki je prikazan na sliki 18.

Slika 18: Odkrivanje napak z ultrazvokom

Sistem za preizkušanje sestavlja več medsebojno povezanih funkcionalnih enot, kot so odajnik/sprejemnik, pretvornik in enote za prikazovanje. Oddajnik/sprejemnik je elektronska naprava, ki lahko proizvede visokonapetostne električne pulze. Te pulze pretvornik spremeni v visokofrekvenčno ultrazvočno energijo. Zvočna energija vstopa in prehaja skozi snov v obliki valov. Kjerkoli v snovi valovanje naleti na motnjo, (razpoka, nehomogen material…) se del energije odbije od motnje nazaj na površino. Odbiti signal se spet pretvori v električni pulz in se prikaže na zaslonu. Na sliki 18 je prikazan časovni potek sprejetih signalov, kjer vidimo manjši (odbiti) signal in večji signal ki se je odbil od dna snovi. Če izmerimo čas, ki je potekel od oddaje do sprejema signala ki se je odbil od motnje, lahko sklepamo kje se motnja nahaja, včasih pa tudi kakšna je njena oblika, velikost…
Ultrazvočno preizkušanje je zelo uporabna in raznovrstna metoda v tako imenovanem NDT (non-destructive testing) merjenju. Največkrat omenjene prednosti takega načina preizkušanja so:
• Občutljivo je na motnje nad in pod površino
• Globina preizkušanja napak v materialih je precej večja kot pri drugih NDT metodah
• Za preizkušanje z odbojem valovanja je potreben dostop le z ene strani
• Velika natančnost pri določanju pozicije, velikosti in oblike napake
• Ne zahteva veliko priprave
• Elektronske naprave takoj posredujejo rezultate
• Z avtomatizacijo postopka lahko pridemo do natančnih slik
• Poleg zaznavanja napak je uporabno še na drugih področji; merjenje debeline

Po drugi strani pa, kot pri vseh ostalih metodah nastopajo določene omejitve:

• Površina mora biti akustično prevodna
• Zahteva večje poznavanje in izurjenost kot nekatere druge metode
• Velikokrat je potreben spojni medij, za lažje vstopanje valovanja v merjeni objekt
• Težko opazujemo materiale ki so nepravilnih oblik, zelo majhni, zelo tanki ali nehomogeni
• Včasih ne zaznamo linearnih napak v materialu, ki so vzporedne valovanju

4.1 Valovna dolžina in odkrivanje napak

Preizkuševalec se mora pri delu z ultrazvokom odločiti kakšno frekvenco valovanja bo uporabil. Ker pa ostaja hitrost valovanja enaka, se skupaj s frekvenco spreminja tudi valovna dolžina, ki pa ima velik vpliv na zmožnost zaznavanja napak. Pravilo ki velja v industriji pravi, da bodo vse napake v materialu, ki so večje od 1 valovne dolžine ponavadi odkrite.
Tu velja omeniti še dva pojma, ki sta pogosto uporabljena pri opisovanju sposobnosti odkrivanja napak v materialih in sicer: resolucija in občutljivost.
Občutljivost je zmožnost odkrivanja majhnih napak in običajno narašča z višanjem frekvence (manjšanje valovne dolžine)
Resolucija je zmožnost sistema da odkrije napake, ki ležijo tesno skupaj v materialu ali v bližini površine. Tudi resolucija se veča skupaj s frekvenco.
Z večanjem frekvence pa lahko povzročimo tudi obratni učinek. Če naš opazovani material ni popolnoma homogen, bomo pri visokih frekvencah dobili odboje tudi zaradi zrnavosti materiala in mikroskopskih nepravilnosti. S tem se nam bo zmanjšala tudi maksimalna globina ki jo lahko dosežemo, saj zaradi odbojev, moč valovanja hitreje upada.

5 Ultrazvočni merilniki pretoka

Prednosti ultrazvočnih merilnikov pretoka pred ostalimi merilniki pretoka je kar nekaj. Poleg tega da merilnik nima gibajočih delov in se s tem precej zmanjša možnost okvare je predvsem neinvazivnost tista ki daje ultrazvočnim merilnikom prednost pred ostalimi. Lahko jih pritrdimo na zunanjo stran obstoječe cevi, kar zelo poceni postopek montaže. Neinvazivnost je tudi pomembna, kadar imamo opravka z nevarnimi snovmi, kot so strupene, eksplozivne, gorljive ali celo radioaktivne tekočine. Ker pri merjenju ni nobenega kontakta med merilnikom in merjenim medijem, je tudi izključena vsaka možnost kontaminacije, kar naredi ultrazvočno metodo merjenja primerno tudi za prehrambeno in farmacevtsko industrijo.
Po drugi strani pa moramo, če želimo natančno in uspešno meritev, zagotoviti konstanten pretok medija. To v praksi pomeni, da mora biti cev po kateri se medij pretaka, ravna na dovolj velikem odseku (vsaj 20-50 lastnih premerov)

Na voljo je kar nekaj izvedb ultrazvočnih merilnikov pretoka, v tem delu pa si bomo pobližje ogledali le dva principa, ki sta najširše zastopana. To sta Dopplerjev ultrazvočni merilnik pretoka in merilnik pretoka na osnovi časa prehoda ultrazvoka skozi medij.

5.1 Dopplerjev ultrazvočni merilnik pretoka

Kot je razvidno iz slike 19 je bistvenega pomena za meritev to, da je tekočina katere pretok želimo meriti nehomogena; da vsebuje trde delce, mehurčke… Največkrat so delci že prisotni, v redkih primerih pa jih umetno dodamo. Delci od katerih se ultrazvočno valovanje odbije povzročijo fazni zamik med oddanim in sprejetim zvokom. Iz frekvenčne razlike lahko izračunamo hitrost tekočine in s tem tudi pretok. Enačba 9 nam podaja frekvenco ki jo zaznava ultrazvočni detektor.

Slika 19: Dopplerjev ultrazvočni merilnik pretoka

(9)
kjer pomeni f1 frekvenco oddajnika, f2 frekvenco sprejemnika, c hitrost zvoka v merjenem mediju, in ? kot snopa zvoka glede na linijo cevi, iz česar lahko izrazimo hitrost tekočine.

(10)

Volumski pretok nato izračunamo tako, da množimo hitrost v s površino prečnega preseka cevi.
Natančnost takih merilnikov je precej vprašljiva saj nanjo vpliva kar precej parametrov kot so: profil pretoka, konstantna debelina cevi, število delcev in njihove dimenzije ter porazdelitev, gibanje delcev.
Njihova prednost je v nizki ceni, saj ne zahtevajo drage merilne elektronike.

5.2 Merilniki pretoka na osnovi časa prehoda ultrazvoka skozi medij

Za razliko od Dopplerjevega principa se ti merilniki uporabljajo za merjenje pretoka čistih tekočin. Shemo merilne celice prikazuje slika 20.

Slika 20: Merilnik pretoka na osnovi časa prehoda ultrazvoka skozi medij

Tudi tu nastopata para oddajnik-sprejemnik ultrazvočnega valovanja, ki sta nameščena na nasprotnih straneh cevi pod kotom ? glede na linijo cevi. Ti ultrazvočni elementi so običajno piezoelektrični oscilatorji. Pretok povzroča razliko med časoma prehoda zvoka ?T v eni in drugi smeri, ta razlika pa je proporcionalna hitrosti tekočine. Možna izboljšava merilnika je v tem, da sprejem impulza sproži oddajo in tako dobimo v vsaki smeri vlak impulzov različnih frekvenc. Iz te frekvenčne razlike lahko izračunamo hitrost tekočine po formuli

(11)

kjer je L razdalja med ultrazvočnima elementoma in ?f frekvenčna razlika.
Velja omeniti da obstajata dve različici omenjenega merilnika. Prvi je t. i. »mokri«
Taki merilniki se uporabljajo predvsem za cevi z večjimi premeri, saj so v nasprotnem primeru časi prehoda zvoka skozi cev premajhni (ns). Ena izmed možnih rešitev da podaljšamo čas ?T je namestitev senzorjev na posebno oblikovan odsek cevi, kar je prikazano na sliki 21. Vendar s tem precej zmotimo normalen pretok skozi cev, saj vsaka taka ovira ustvarja padec tlaka in zmanjša hitrost pretoka.

Slika 21: Povečanje časa prehoda signala s posebnim oblikovanjem cevi

Boljša rešitev je prikazana na sliki 22, kjer pride do večkratnega odboja po cevi in s tem do večjega ?T.

Slika 22: Povečanje časa prehoda signala z večkratnim odbojem
6 Zaključek

Kot smo že v uvodu dejali, je ultrazvok vsestransko uporaben in uporabljan v tehnologiji. V tem delu smo prikazali le majhen del njegove široke uporabe.
Od leta 1950 naprej je razširjenost ultrazvočnih naprav skokovito naraščala in je tudi še danes v vzponu. Z razvojem računalništva je, kot mnoge druga področja, le še pridobil na uporabnosti in danes je nepogrešljiv del merilnikov pretoka, odmika, nivoja, hitrosti in tudi v mnogih drugih primerih, kot je na primer testiranje materialov, odkrivanje in merjenje napak itd.
Njegova najbolj pomembna lastnost v merilni tehniki je t.i. neinvazivnost. Ker lahko izvedemo meritve brez da bi zmotili proces ali uničili material, so take meritve veliko objektivnejše in zanesljivejše.
Ultrazvok je na mnogih področjih (merjenje, medicina) daleč najbolj primerna izbira in vse kaže da bo tako tudi v prihodnje.
Tudi kar se tiče vidika zdravja, ultrazvok velja za pretežno neškodljivega, saj je splošno znano da se uporablja kot diagnostični pripomoček pri nosečnosti.

Literatura

[1] R. Karba: Gradniki sistemov vodenja, Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, Ljubljana, pp. 200-203, (1994)
[2] A. Jeglič, D Fefer: Elektroakustika in ultrazvok, Fakulteta za elektrotehniko v Ljubljani, Ljubljana, (1984)
[3] A.S.Morris: Principles of Measurement and Instrumentation, Prentice Hall International UK Ltd, Hertfordshire, (1988)

Ostali uporabljeni viri:

[4] spletna stran:
http://www.ndt-ed.com

Ta prispevek je na portalu Publikacije.net objavil/a Peter Medvešček dne 2006-09-17.

Ocenite prispevek:

5 out of 54 out of 53 out of 52 out of 51 out of 5 

# of Ratings = 7 | Rating = 4.6/5