Ультразвуковые (УЗ) толщиномеры являются в настоящее время одними из наиболее широко распространенных средств НК, позволяющих контролировать толщины стенок металлических узлов, деталей, конструкций при одностороннем доступе. С их помощью обеспечивается технологический и эксплуатационный НК объектов различного типа: трубопроводов, сосудов высокого давления, строительных конструкций, машин, механизмов и т. п.

В мире производством УЗ толщиномеров занимаются более 24 компаний, в том числе не менее 8 из России и СНГ . Общее число предлагаемых моделей приближается к сотне. Конструктивно практически все они состоят из измерительного блока и пьезопреобразователя (ПЭП), соединенных кабелем. При работе с таким прибором оператор, как правило, одной рукой удерживает ПЭП на объекте контроля, а другой держит прибор. Примером толщиномера классической компоновки является прибор типа А1209. Продажная цена толщиномеров составляет от $ 700 до $ 10000 и более, в зависимости от функциональных возможностей, комплекта поставки, варианта исполнения, ценовой политики производящих и торгующих фирм.

Как показывает практика, большинство российских потребителей нуждается в простых и дешевых толщиномерах. При этом они должны работать при низких температурах, что связано со спецификой российского климата. Обобщенные основные требования к УЗ толщиномерам данного класса выглядят следующим образом:

• измерение толщины в диапазоне от 1до 35 мм (по стали) при погрешности не хуже 1 % и дискретности отсчета 0,1 мм
• предельно низкая цена (менее $ 700)
• высокая надежность
• работоспособность при температурах ниже 30° С
• простота работы с прибором
• малый вес (менее 200 г)

Несмотря на большое число выпускаемых моделей УЗ толщиномеров, не удается найти варианты, полностью удовлетворяющие этим требованиям. Технический прогресс в области электронных комплектующих изделий позволил создать УЗ толщиномер, который можно отнести к приборам нового поколения. Ниже рассматриваются принципы построения, характеристики и отличительные особенности данного прибора.

При проектировании осуществлялся системный подход, что обеспечило сбалансированность конструктивных, схемотехнических и алгоритмических решений при ориентации на обеспечение конечной цели полноценной реализации потребительских функций в минимальных габаритах при низкой цене. Новый УЗ толщиномер А1207 выполнен в виде миниатюрного моноблока (рис. 1), в котором размещены ПЭП, электронная схема, источник питания, индикатор и органы управления.

Работа с толщиномером производится одной рукой, а другая остается свободной. Оператор, удерживая кнопку включения, устанавливает ПЭП прибора на контролируемый объект. Считывание результатов производится либо при установленном приборе, либо после снятия прибора с объекта. При измерениях индицируется наличие акустического контакта.

Прибор обеспечивает измерение толщины металлических и неметаллических (стекло, керамика, отдельные пластики) изделий в диапазоне от 0,8 до 35 мм (по стали) при погрешности не хуже ± 0.5 % х (+ 0,1 мм). Использование цифрового светодиодного индикатора позволяет прибору работать в широком диапазоне температур (от -30° до +50° С). Время автономной непрерывной работы от встроенного аккумулятора не менее 20 ч.

Включение питания прибора осуществляется непосредственно при проведении измерения. Возможно также питание прибора от внешнего источника. Подзарядка встроенного аккумулятора производится через специальный разъем.

Конструктивное решение толщиномера А1207 в виде моноблока, по сравнению с классической компоновкой, обеспечило следующие преимущества:

• повышение надежности за счет отсутствия коммутируемого кабельного соединения преобразователя и электронного блока
• уменьшение веса и габаритов
• улучшение метрологических характеристик за счет оптимизации параметров тракта и алгоритма измерения толщины под особенности конкретного преобразователя
• упрощение процедуры контроля за счет высвобождения одной руки оператора и минимизации органов управления прибором
• уменьшение стоимости прибора за счет отсутствия кабеля, соединительных разъемов, корпуса преобразователя

В приборе предусмотрены защитный колпачок для преобразователя, элементы фиксации прибора в руке оператора, как в процессе работы, так и в режиме транспортировки. При износе капсулы ПЭП предусмотрена возможность ее замены, что допускается выполнять силами опытных пользователей. Это решение также экономит средства потребителей, т. к. отдельная капсула ПЭП стоит заметно меньше, чем преобразователь в сборе.

В качестве индикаторного устройства используется светодиодный семисегментный индикатор с большой яркостью свечения, что обеспечивает работоспособность прибора при низких температурах. Простота интерфейса позволяет реализовать общение с прибором без применения символов полного алфавита.

Толщиномер построен на основе эхо импульсного метода измерения толщины. В качестве преобразователя используется раздельно-совмещенный ПЭП с рабочей частотой 10 МГц. Контактная поверхность не более 7мм.

В приборе реализована идеология «полного цифрового тракта» (рис. 2), что подразумевает минимизацию числа узлов и блоков с использованием элементов аналоговой схемотехники.

Основными аналоговыми узлами являются источник питания (ИП) и усилитель (У). Усиленный сигнал оцифровывается без детектирования, и вся обработка происходит в цифровом виде в реальном масштабе времени. Цифровая схема прибора построена на основе микроконтроллера фирмы Atmel и программируемой логической матрицы фирмы Xilinx. Реализация алгоритма выделения из принимаемого сигнала информации о толщине выполнена программно-аппаратно.

Данный подход в схемотехнике обеспечил следующие преимущества:

1. минимизацию физического размера электронной части толщиномера
2. уменьшение стоимости комплектующих изделий
3. стабильность параметров в широком диапазоне внешних воздействий
4. гибкость и универсальность схемы

За счет использования комплектующих в корпусах минимального размера, элементов SMD и технологии поверхностного монтажа с шагом проводников 0,5 мм, удалось минимизировать размер печатной платы прибора (рис. 3) и его вес (55 г).

Несмотря на внутреннюю сложность прибора, он предельно прост в управлении. В приборе реализованы два уровня управления для массового использования и для опытных пользователей.

В первом случае используются две кнопки (включения и установки скорости УЗ, рис. 2), расположенные на корпусе толщиномера. С их помощью можно проводить измерения толщины, выбирать скорость из четырех предварительно установленных значений и подстраивать пороговое устройство.

Скрытые под корпусом прибора три кнопки настройки (рис. 1) дополнительно позволяют более опытным пользователям установить конкретные значения четырех скоростей УЗ с точностью до 10 м/с, подстроить компенсацию времени задержки в призмах и выбрать пороговое значение толщины, ниже которого прибор будет игнорировать все сигналы.

Отработка конструкции, компоновка узлов и разработка пресс-форм проводились на базе технологии трехмерного проектирования (3D конструирование). Этот подход позволил в короткие сроки (менее 1 года) провести полный цикл разработки изделия от идеи до серийного производства.

Новым технологическим решением, которое целесообразно широко применять в приборостроении, явилось использование физических трехмерных моделей. После окончания этапа проектирования корпуса прибора, были созданы копии всех деталей с помощью 3D принтера и с их помощью получены пробные отливки. Данный подход позволяет ускорить процесс проектирования и исключить возможные ошибки.

В ходе проведенной работы в краткие сроки был разработан УЗ толщиномер нового типа. Он отличается новой конструктивной концепцией, схемотехникой «полного цифрового тракта», малым весом и габаритами, высокими метрологическими параметрами, простотой в использовании и предельно низкой ценой. Данный прибор является одним из первых изделий, реализующих новый концептуальный подход к разработке и производству средств ручного УЗК общего применения, который сформулирован и проводится в жизнь специалистами нашей компании.