Τα παχύμετρα υπερήχων (ultrasonic thickness gauge) χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μέτρησης πάχους όπου δεν υπάρχει πρόσβαση και από τις δύο πλευρές του μετρούμενου αντικειμένου. Μερικές χαρακτηριστικές εφαρμογές είναι:

• Σε σωληνώσεις για να βρεθεί το μέγεθος της εσωτερικής διάβρωσης
• Σε αεριοφυλάκια
• Σε μεγάλες επιφάνειες όπου θέλουμε να μετρήσουμε το πάχος σε συγκεκριμένα σημεία και η πρόσβαση και στις δύο πλευρές είναι αδύνατη (χαρακτηριστικό παράδειγμα η λαμαρίνες σε πλοία)
• Σε κλειστές δεξαμενές

Η αρχή στην οποία βασίζονται τα παχύμετρα υπερήχων για την λειτουργία τους είναι η ακόλουθη:

• Μέσα στην κεφαλή του οργάνου, εφαρμόζετε τάση σε ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο ώστε να παραχθεί μία δέσμη υπερήχων
• Στην συνέχεια αυτή η δέσμη υπερήχων ταξιδεύει με συγκεκριμένη ταχύτητα μέσα στο δοκίμιο έως ότου ανακλαστεί από την πίσω επιφάνεια του δοκιμίου.
• Η δέσμη επιστρέφει στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο το οποίο μετατρέπει το ηχητικό σήμα σε ηλεκτρικό
• Το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι το γινόμενο της ταχύτητας μετάδοσης του υπερήχου στο υλικό του δοκιμίου με το μισό του χρόνου που χρειάστηκε για να ταξιδέψει η δέσμη του υπερήχου από την κεφαλή προς το πίσω τοίχωμα του δοκιμίου και πάλι πίσω στην κεφαλή.

Η παραπάνω αρχή λειτουργίας χρησιμοποιείται σε όλα τα παχύμετρα υπερήχων και διαφοροποιείται ελαφρώς, ανάλογα με τις δυνατότητες του εκάστοτε παχυμέτρου υπερήχων. (π.χ εάν το παχύμετρο υπερήχων μπορεί να αγνοεί την επικάλυψη)

Σαν αποτέλεσμα των παραπάνω, για να επιλέξουμε το κατάλληλο παχύμετρο υπερήχων για την εφαρμογή μας, θα πρέπει να προσδιοριστούν τα ακόλουθα:

1. Το εύρος μέτρησης
2. Το είδος μετρούμενου υλικού
3. Αν μετράμε σε καθαρή επιφάνεια ή πάνω από επικάλυψη
4. Την Γεωμετρία της κεφαλής
5. Συχνότητα κεφαλής
6. Θερμοκρασία της μετρούμενης επιφάνειας
7. Λειτουργεία A-Scan & B-Scan
8. Μεταφορά αποτελεσμάτων σε υπολογιστή
9. Οθόνη
10. Ακρίβεια

1. Εύρος Μέτρησης

Δεδομένου του μεγάλου εύρους εφαρμογών, υπάρχουν κεφαλές με διαφορετικά εύρη μέτρησης. Ανάλογα με την εφαρμογή μας πρέπει πολλές φορές να <<θυσιάσουμε>> μέρος από το εύρος μέτρησης για να κερδίσουμε άλλα χαρακτηριστικά όπως για παράδειγμα τη μέτρηση σε βαμμένες επιφάνειες.

2. Μετρούμενο υλικό

Η βασική προϋπόθεση για την μέτρηση με ένα παχύμετρο υπερήχων είναι το μετρούμενο υλικό να έχει καλές ακουστικές ιδιότητες. Να μπορεί δηλαδή να ταξιδέψει το ηχητικό κύμα μέσα από αυτό. Ανάλογα με το υλικό που θέλουμε να μετρήσουμε, θα πρέπει να ρυθμίσουμε την ταχύτητα μετάδοσης του ήχου. Σε περίπτωση που δεν γνωρίζουμε την ταχύτητα μετάδοσης του ήχου σε  ένα υλικό, τα παχύμετρα υπερήχων μας δίνουν την δυνατότητα να την μετρήσουμε. Το μόνο που χρειάζεται είναι ένα κομμάτι από το συγκεκριμένο υλικό το οποίο μπορούμε να μετρήσουμε με ένα συμβατικό παχύμετρο. Στη συνέχεια εισάγουμε την μέτρηση στο παχύμετρο υπερήχων και αυτό υπολογίζει την ταχύτητα μετάδοσης του ήχου στο συγκεκριμένο υλικό. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα που έχει αυτή η λειτουργία είναι η δυνατότητα για ταυτοποίηση ενός υλικού. Μετρώντας την ταχύτητα μετάδοσης σε ένα άγνωστο υλικό και ανατρέχοντας σε πίνακες που υπάρχουν, μπορούμε να κάνουμε μια άτυπη ταυτοποίηση του υλικού.

Σε εφαρμογές όπου έχουμε υλικά που έχουν πολύ χαμηλές ταχύτητες μετάδοσης ήχου, π.χ. πλαστικά, θα χρειαστούμε ένα παχύμετρο με μεγάλο εύρος ρύθμισης ταχύτητας μετάδοσης ήχου

3. Μέτρηση σε επιφάνεια η οποία είναι επικαλυμμένη ή όχι

Ένα βασικό χαρακτηριστικό που πρέπει να αποφασιστεί για να διαλέξουμε το κατάλληλο παχύμετρο υπερήχων είναι εάν μπορεί ή όχι να αγνοήσει την επικάλυψη. Αυτό συμβαίνει διότι το εύρος μέτρησης όπως και οι διαθέσιμες επιλογές σε κεφαλές, περιορίζονται όταν χρησιμοποιούμε παχύμετρα υπερήχων με κεφαλή που έχει τη δυνατότητα να αγνοεί την επικάλυψη.

Σε καταστάσεις όπου μπορούμε να καθαρίσουμε την επιφάνειά μας προτιμούμε τα παχύμετρα υπερήχων για καθαρές επιφάνειες διότι μπορούμε να μετρήσουμε σε μεγαλύτερα εύρη μέτρησης, με μικρότερο κόστος, και έχουμε μεγάλη ποικιλία αισθητήρων όπως π.χ. για λεπτές επιφάνειες, μικροαισθητήρες, κ.α

Παρόλα αυτά υπάρχουν περιπτώσεις όπου είμαστε υποχρεωμένοι να μετρήσουμε πάνω από επικαλύψεις. Για αυτή την εφαρμογή υπάρχουν οι λύσεις με παχύμετρα που έχουν την ικανότητα να αγνοήσουν την επικάλυψη. Ειδικότερα υπάρχουν συσκευές όπως τα παχύμετρα της TRITEX Ηνωμένου Βασιλείου οπού δεν απαιτείται καλιμπράρισμα του οργάνου και μπορούν να μετρήσουν αρκετά μικρά η αρκετά μεγάλα πάχη, με την κατάλληλη κεφαλή. Αξίζει ακόμα να αναφερθεί η ικανότητά τους να μετράνε σε τραχιές και σκουριασμένες επιφάνειες. Τα παχύμετρα υπερήχων τις TRITEX διατίθενται και σε εκδόσεις που μπορούν να καλύψουν και υποβρύχιες εφαρμογές παχυμέτρησης (underwater thickness gauges).

4. Γεωμετρία κεφαλής

Το επόμενο που θα πρέπει να προσέξουμε όταν αγοράζουμε ένα παχύμετρο υπερήχων είναι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της κεφαλής. Σε γενικές γραμμές αυτό που ισχύει είναι ότι όσο μικρότερο μέγεθος έχει μια κεφαλή, τόσο μικρότερο είναι το εύρος μέτρησης που έχει. Επομένως όταν έχουμε δυσπρόσιτες επιφάνειες θα πρέπει να θυσιάσουμε το διαθέσιμο εύρος μέτρησης για το μικρό μέγεθος κεφαλής. Μια παρερμηνεία που συχνά συμβαίνει είναι να διαβάζουμε το μέγεθος που αναφέρεται στο μέγεθος του κρυστάλλου της κεφαλής και να θεωρούμε πως αυτό είναι το μέγεθος της κεφαλής, κάτι που δεν ισχύει. Για παράδειγμα μια κεφαλή με μέγεθος κρυστάλλου 10mm, θα έχει διάμετρο επαφής γύρω στα 12 με 13mm.

5. Συχνότητα κεφαλής

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως στην επεξήγηση της αρχής λειτουργίας των παχυμέτρων υπερήχων, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο πάλλεται με μια συγκεκριμένη συχνότητα για να δημιουργήσει τον υπέρηχο. Αυτή η συχνότητα επηρεάζει το εύρος μέτρησης του παχυμέτρου και την διεισδυτικότητα της δέσμης του υπερήχου.

6. θερμοκρασία μετρούμενης επιφάνειας.

Σε μετρήσεις σωληνώσεων διυλιστηρίων αλλά και σε άλλες εφαρμογές, καλούμαστε να μετρήσουμε σε σωληνώσεις οι οποίες είναι εν λειτουργία. Πολλές φορές τα προιόντα που περνούν μέσα από τη σωλήνα, είναι σε θερμοκρασίες αρκετών βαθμών κελσίου με αποτέλεσμα να μεταφέρουν την θερμότητά τους στην εξωτερική επιφάνεια της σωλήνας. Θα πρέπει να δοθεί προσοχή στο γεγονός ότι για μέτρηση θερμών επιφανειών απαιτούνται ιδικές κεφαλές. Οι κεφαλές για θερμές επιφάνειες διατίθενται με αρκετά εύρη αντοχής στη θερμοκρασία. Παρόλα αυτά ο χρόνος επαφής της κεφαλής με την μετρούμενη επιφάνεια είναι συγκεκριμένος.

7. Λειτουργία A-scan & B-scan

Τα παχύμετρα υπερήχων για τις περισσότερες εφαρμογές λειτουργούν με την τεχνολογία Α-Scan. <<βλέπουν δηλαδή το υπό εξέταση δοκίμιο από την μεριά της κεφαλής. Σε κάποιες εκδόσεις τα παχύμετρα υπερήχων με A-Scan μπορούν να μας εμφανίζουν την κυματομορφή  στην οθόνη τους και να πραγματοποιήσουν πιο σύνθετους ελέγχους. Πολλές φορές όμως απαιτείται η χαρτογράφηση του υπό εξέταση αντικειμένου. Για αυτή την εφαρμογή χρησιμοποιούμε παχύμετρα υπερήχων με λειτουργία B-Scan. Η λειτουργία B-scan κάνει στην ουσία μία τομή στο σημείο που βρίσκεται η κεφαλή στο υπό εξέταση δοκίμιο.

8. Μεταφορά μετρήσεων σε υπολογιστή

Η λειτουργία μεταφοράς των μετρήσεων σε υπολογιστή βοηθά στην ταχύτερη εξαγωγή τεχνικών αναφορών καθώς και στην αρχειοθέτηση των μετρήσεων. Πολλά παχύμετρα επικάλυψης περιλαμβάνουν το λογισμικό που απαιτείται για την μεταφορά ενώ άλλα το προσφέρουν με επιπλέον κόστος ή και καθόλου(συνήθως σε πιο οικονομικές λυσεις). Θα πρέπει επίσης να προσέξουμε κατά πόσο το λογισμικό μπορεί να εξάγει αυτόματα τις τεχνικές αναφορές ή αν κάνει απλή μεταφορά των μετρήσεων. Άξιο αναφοράς είναι το γεγονός ότι αρκετά παχύμετρα όπως το TRITEX 5700 dataloger και το DEFELSKO UTG  μπορούν να κάνουν ασύρματη μεταφορά των μετρήσεων σε υπολογιστή και σε ζωντανό χρόνο.

9. Οθόνη

Η οθόνη του παχυμέτρου εξαρτάται κυρίως από τις δυνατότητές του. Συνήθως τα παχύμετρα με σύνθετες λειτουργίες έχουν μεγαλύτερες και καλύτερης ανάλυσης οθόνες θυσιάζοντας την φορητότητα για την λειτουργικότητα. Ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο θα χρησιμοποιηθεί το παχύμετρο (έντονος ή χαμηλός φωτισμός, σε σκαλωσιές ή μέσα σε ένα εργαστήριο κλπ.)θα πρέπει να προσέξουμε η οθόνη να ανταποκρίνεται σε αυτό.

10. Ακρίβεια

Αν και τελευταίο, ίσως ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία ενός παχυμέτρου. Λόγω της φύσης των παχυμέτρων υπερήχων, δεν δύναται να δοθεί μια απόλυτη τιμή στην ακρίβεια τους. Ο λόγος είναι ότι η ακρίβειά τους εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Επιγραμματικά οι πιο χαρακτηριστικές είναι οι ακόλουθες:

• Ακουστικές ιδιότητες του υπό εξέταση δοκιμίου
  • Διάθλαση του σήματος μέτρησης
  • Ηχητική απορρόφηση του υλικού
  • Μεταβολή της ταχύτητας μετάδοσης του ήχου στο μετρούμενο δοκίμιο λόγω της μεταβολής στην σύστασή του.
• Φυσικές ιδιότητες του υπό εξέταση δοκιμίου
  • Μέγεθος
  • Σχήμα
  • Τραχύτητα
• Ανθρώπινος παράγοντας

Παρόλα αυτά, το ενθαρρυντικό στοιχείο είναι το γεγονός πως στις περισσότερες εφαρμογές των παχυμέτρων υπερήχων, δεν απαιτείτε μεγάλη ακρίβεια. Σαν γενικό κανόνα σε ένα σωστά ρυθμισμένο παχύμετρο για το υπό εξέταση δοκίμιο, μπορούμε να πούμε ότι η ακρίβεια δύναται να φτάσει στο ±0,01mm. Αυτό δεν αναιρεί το γεγονός ότι σε συγκεκριμένες εφαρμογές και υπό συγκεκριμένες συνθήκες διεξαγωγής μετρήσεων μπορούμε να φτάσουμε και τo ±0.004mm

Λόγο λοιπόν της πολυπλοκότητας της επιλογής του κατάλληλου οργάνου και κεφαλής καλό θα ήταν να διερευνούμε την εφαρμογή μας και τις παραμέτρους αυτής ώστε να επιλέγουμε τις κατάλληλες συσκευές και όχι συσκευές αμφιβόλου ποιότητας και ακρίβειας που μπορούν να μας παρασύρουν στην παραδοχή λανθασμένων συμπερασμάτων.