Hochwertige Ultraschall-Dickenmesser ermöglichen sehr genaue Messungen an Metallen, Kunststoffen und anderen Materialien. Verschiedene Faktoren, wie Prüfmaterial, Ausrüstung, Prüfteilgeometrie sowie Fähigkeiten und Sorgfalt des Bedieners, können den Genauigkeitsgrad in einer Anwendung beeinflussen. Erfahren Sie im Folgenden mehr über die Faktoren, die Ergebnisse von Ultraschallmessungen beeinflussen können.

Materialbedingte Faktoren

Die physikalischen Eigenschaften des Prüfmaterials sind ein Faktor, die den Messbereich und die Genauigkeit eines Ultraschall-Dickenmessers beeinflussen. Dies umfasst akustische und geometrische Faktoren.

1. Akustische Eigenschaften des Prüfmaterials

Verschiedene Eigenschaften in einigen technischen Werkstoffen können die Genauigkeit und den Bereich von Ultraschall-Dickenmessungen begrenzen:

• Schallstreuung: In gegossenem Edelstahl, Gusseisen, Glasfaser und Verbundwerkstoffen wird die Schallenergie von einzelnen Korngrenzen in Gussteilen oder Grenzflächen zwischen Fasern und Matrix in Glasfaser oder Verbundwerkstoff gestreut. Porosität kann in allen Werkstoffen den gleichen Effekt haben. Stellen Sie sicher, dass Sie die Empfindlichkeit des Dickenmessers einstellen, um zu verhindern, dass diese störenden Streuechos erkannt werden. Diese Maßnahme kann allerdings die Fähigkeit des Geräts einschränken, ein gültiges, von der Rückwand zurückgeschalltes Echo zu erkennen. Dies wiederum verkleinert den Messbereich.
• Schallschwächung oder -absorption: In vielen Polymeren, wie Kunststoffen mit niedriger Dichte und in den meisten Gummisorten, wird die Schallenergie bei den verwendeten Frequenzen für die Ultraschallmessung sehr schnell abgeschwächt. Diese Schallschwächung verstärkt sich normalerweise mit Anstieg der Temperatur. Dadurch ist die maximale Dicke, die in solchen Stoffen gemessen werden kann oft begrenzt.
• Schallgeschwindigkeitsvariationen: Dickenmessungen mit Ultraschall sind nur dann genau, wenn die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff mit der im Gerät justierten Schallgeschwindigkeit übereinstimmt. In manchen Werkstoffen ändert sich jedoch die Schallgeschwindigkeit von Punkt zu Punkt erheblich. In Gussmetallen z. B. können diese Variationen der Kristallstruktur durch verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten und Anisotropie im Werkstück verursacht werden. Glasfaser kann aufgrund von Änderungen des Harz/Faser-Verhältnisses lokalisierte Schallgeschwindigkeitsschwankungen aufzeigen. Bei viele Kunststoffen und Gummimaterialien ändert sich die Schallgeschwindigkeit schnell mit der Temperatur, daher muss der Bediener die Justierung der Schallgeschwindigkeit mit derselben Temperatur wie bei der Messung durchführen.
• Phasenumkehrung oder Phasenverzerrung: Die Phase oder Polarität eines zurückgeschallten Echos wird von der akustischen Impedanz (Dichte × Schallgeschwindigkeit) der angrenzenden Werkstoffe bestimmt. Bei Ultraschall-Dickenmessern wird vorausgesetzt, dass das Prüfteil von Luft oder Flüssigkeit umgeben ist. Beide Stoffe besitzen eine niedrigere akustische Impedanz als Metall, Keramik oder Kunststoff. In gewissen Fällen jedoch, wie beim Messen von Glas oder Kunststoffauskleidungen auf Metall oder Kupferbeschichtung auf Stahl, ist das Verhältnis der Impedanzen umgekehrt und das Echo erscheint phasenverkehrt. Stellen Sie zur Beibehaltung der Genauigkeit in dieser Situation sicher, dass Sie die entsprechende Polarität für die Echoerkennung ändern. Eine noch komplexere Situation ergibt sich in anisotropen oder in homogenen Materialien, wie grobkörnigem Gussmetall oder bestimmten Verbundwerkstoffen, in denen die Materialbedingungen zu mehreren Schallwegen im Schallbündelbereich führen. In solchen Fällen ruft die Phasenverzerrung ein Echo hervor, dass weder positiv, noch eindeutig negativ ist. Experimentieren Sie in diesen Fällen sorgfältig mit Referenzstandards, um die Auswirkungen auf die Messgenauigkeit zu bestimmen.

2. Physikalische Eigenschaften des Prüfmaterials

Die Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit des Prüfteils müssen auch berücksichtigt werden, um die Grenzen von Messbereich und Genauigkeit festzulegen.

• Oberflächenrauheit des Prüfteils: Die beste Messgenauigkeit wird erzielt, wenn die Vorder- und Rückseite des Prüfteils gleichmäßig sind. Bei rauer Kontaktfläche erhöht sich aufgrund des Nachhalls in der dickeren Koppelmittelschicht die geringste Dicke, die gemessen werden kann. Eine ineffiziente Ankopplung kann die Echoamplitude verringern. Bei rauer Ober- oder Unterseite des Prüfteils können Verzerrungen im Echo verursacht werden, aufgrund der mehreren etwas unterschiedlichen Schallwege, die vom Messkopf erkannt werden, was zu Ungenauigkeiten bei der Messung führt.
• Bei Korrosionsmessungen kann loser oder abgeplatzter Zunder, Rost, Korrosion oder Schmutz an der Außenoberfläche eines Prüfteils das Ankoppeln des Messkopfs und somit die Schallenergie im Prüfmaterial beeinträchtigen. Entfernen Sie daher vor der Messung alle losen Rückstände von der Probe mit einer Drahtbürste oder einer Feile. Generell können Korrosionsmessungen durch dünne Rostschichten durchgeführt werden, solange der Rost gleichmäßig und gut mit dem darunter liegenden Metall verbunden ist. Beachten Sie, dass manche sehr raue oder korrodierte Oberflächen glatt gefeilt oder geschliffen werden müssen, um eine richtige Schallankopplung zu gewährleisten. Möglicherweise müssen Sie auch Anstrichfarbe entfernen, wenn sie vom Metall abblättert.
• Krümmung des Prüfteils: Ein damit einhergehendes Problem ist die Ausrichtung des Messkopfs mit dem Prüfteil. Bei der Messung auf gekrümmten Oberflächen ist es wichtig, den Messkopf um die Mittellinie des Prüfteils zu legen und ihn so gleichmäßig wie möglich auf der Oberfläche zu halten. In manchen Fällen hilft eine federbelastete V-förmige Halterung die Ausrichtung beizubehalten. Im Allgemeinen sollte mit einem kleineren Krümmungsradius auch der Messkopf kleiner sein, da die Messkopfausrichtung in solchen Fällen zunehmend kritischer ist. Bei sehr kleinen Radien ist ein Tauchtechnik-Verfahren mit einem fokussierten Schallkopf erforderlich. In einigen Fällen ist es hilfreich, eine Wellenformanzeige als Hilfsmittel zu verwenden, um die beste Ausrichtung beizubehalten. Zudem ist es wichtig, an gekrümmten Flächen nur so viel Koppelmittel einzusetzen, um einen Messwert zu erhalten. Überschüssiges Koppelmittel bildet eine Schicht zwischen Messkopf und Prüfteiloberfläche, an der der Schall nachhallt und möglicherweise Störsignale erzeugt, die falsche Messwerte erzeugen können.
• Verjüngung und Außermittigkeit: Wenn die Kontaktfläche und die Rückseite des Prüfteils konisch zulaufen, außermittig oder auf andere Weise abgewinkelt oder falsch ausgerichtet sind, wird die Amplitude des Rückwandechos verringert und kann aufgrund der Schallwegvariation über die Breite des Schallbündels verzerrt sein, was die Messgenauigkeit verringert. Typischerweise repräsentiert die gemessene Dicke einen ungefähren integrierten Mittelwert der sich ändernden Dicken im Schallbündeldurchmesser. Bei erheblicher Fehlausrichtung ist eine Messung nicht möglich, da das reflektierte Schallbündel einen V-förmigen Schallweg vom Messkopf weg bildet und nicht empfangen werden kann. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Materialdicke.

Bedienerbedingte Faktoren

Justierung: Die Genauigkeit einer Ultraschallmessung ist nur so gut, wie die Genauigkeit und Sorgfalt bei der Justierung. Stellen Sie sicher, dass Sie die in Abschnitt 4 beschriebene Justierung von Schallgeschwindigkeit und Nullpunkt durchführen, wenn das Prüfmaterial oder der Messkopf gewechselt wird. Wir empfehlen zudem regelmäßige Überprüfungen mit Proben mit bekannter Dicke, um sicherzustellen, dass der Dickenmesser ordnungsgemäß funktioniert.

• Schallbündelausrichtung: Halten Sie den Messkopf bei der Messung auf ebenen Flächen immer flach und auf gekrümmten Flächen normal zum Krümmungsradius. Bei der Messung auf gekrümmten Oberflächen zentrieren Sie den Schallkopf immer auf der Krümmung. Eine Fehlausrichtung führt zu einer Echoverzerrung, die sich negativ auf die Genauigkeit auswirkt.
• Ankoppeltechnik: Bei Messungen im Modus 1 mit Kontaktmessköpfen ist die Dicke der Koppelmittelschicht Teil der Messung und wird durch einen Teil der Nullpunktverschiebung kompensiert. Um eine maximale Genauigkeit zu erzielen, muss die Ankopplung konsistent sein. Verwenden Sie für konsistente Messungen ausreichend Koppelmittel, um einen stabilen Messwert zu erzielen und drücken Sie den Schallkopf mit gleichmäßigem Druck an. Mit der Zeit werden Sie herausfinden, wie stark der Druck sein muss, um wiederholbare Messwerte zu erhalten. Ziehen Sie den Messkopf niemals über raue Oberflächen. Allgemein benötigen Messköpfe mit kleinem Durchmesser beim Ankoppeln weniger Druck um überschüssiges Koppelmittel herauszudrängen als Messköpfe mit großem Durchmesser. In allen Modi verzerrt ein Kippen des Messkopfs die Echos und führt zu ungenauen Messwerten.
• Halten Sie bei der Korrosionsmessung an Rohren mit kleinem Durchmesser den Messkopf so, dass das sichtbare Verschleißmaterial auf dem Schallkopf senkrecht zur Mittelachse des Rohrs ausgerichtet ist (siehe folgende Abbildung).

Ausrüstungsbedingte Faktoren

Während Faktoren bezüglich des Gerätedesigns (wie die digitale Abtastrate die Grenzen des Messbereichs und der Genauigkeit eines Ultraschall-Dickenmessers festlegen), wird der Messbereich und die Genauigkeit in einer Anwendung letztendlich durch die Kombination von Dickenmesser, Messkopf und Aufbau sowie Materialeigenschaften bestimmt. Für Informationen zu typischen Materialien und Dickenbereichen, die mit Ultraschall-Dickenmessern und bestimmten Messköpfen und geeigneter Geräteeinstellungen gemessen werden können, siehe Abschnitt 9.0 und Anhänge - Messbereiche von Messköpfen.

Beachten Sie, dass Präzisionsdickenmesser mit Einzelschwinger-Messköpfen häufig eine höhere inhärente Genauigkeit aufweisen, als Korrosionsdickenmesser mit Sender-Empfänger-Messköpfen.

Lesen Sie weiter: Verwendung von Ultraschall-Dickenmessern unter spezifischen Bedingungen