Ультразвуковой толщиномер бетона
Контроль толщины конструкций из бетона и железобетона достаточно нужная и часто встречающаяся на практике задача. Примеров здесь можно привести множество. Толщина покрытия взлетно-посадочной полосы существенно влияет на ее прочность и долговечность. При строительстве используют бетон высокого качества, который могут уложить в меньшем количестве в нарушение проектной документации. Такая же ситуация встречается и при строительстве других монолитных сооружений. Очевидно, что контроль толщины в таких случаях — весь ма актуален для предприятия-заказчика.
Канализационный коллектор, как известно, подвержен разрушению агрессивными стоками. В местах наиболее интенсивного разрушения, например пол помещения над коллектором, особенно при значительной внешней нагрузке очень важно периодически измерять его остаточную толщину.
Еще пример — гидротехническое сооружение, построенное много лет назад. Документация утеряна. Требуется замонолитить несколько анкеров в стену водовода. Насколько можно углу биться в стену, чтобы не пройти ее насквозь? Для этого нужно знать толщину стены. Подобные ситуации возникают часто и при реконструкции других сооружений, когда нет возможности определить толщину стены или перекрытия по строительным чертежам. Несколько лет назад авторам этой статьи пришлось на практике столкнуться с задачей определения толщины фундамента, на котором был ранее установлен, а затем демонтирован большой металлорежущий станок. На этот фундамент при реконструкции цеха предприятия нужно было установить новый мощный станок, для которого требовалась определенная толщина бетонного основания. И нужно было оценить, необходимо ли наращивать толщину фундамента и если да, то насколько.
Эти примеры показывают, что задача из мерения толщины бетона — важная и ответственная. Ее конкретные выражения очень разнообразны. Диапазон измеряемых толщин от нескольких сантиметров до нескольких метров. И решение этой задачи во всем диапазоне возможно, по-видимому, исключительно с помощью ультразвука.
В отличие от контроля металлов и других мелкоструктурных материалов с относительно небольшим затуханием ультразвука контроль бетона возможен лишь на частотах не более 100 ж 150 кГц. Хотя известны попытки использования и более высоких частот. Одна из главных причин этого — большое и быстро растущее с частотой затухание ультразвука. В частности, на частоте 150 кГц оно в типичном строительном бетоне марки 400 может достигать величины 100 дБ/м.
Следствием композитной структуры бетона и тем более железобетона, где зерна крупного заполнителя и силовая арматура соизмеримы с длиной волны ультразвуковых колебаний, является интенсивный шум структурной реверберации. Он превалирует над всеми составляющими помех при контроле бетонных конструкций методами отражения.
Другой особенностью бетона как ОК является существенная (до 20 мм) неровность поверхности, с которой требуется выполнять контроль. Это в значительной степени ограничивает возможность при менения типовых ультразвуковых преобразователей и жидкостей для обеспечения акустического контакта.
- Современная механизированная штукатурка в Москве позволяет существенно ускорить процесс отделки стен и потолков в строительных проектах.
- С помощью современных механизированных систем штукатурки возможно достичь высокой точности и качества отделки, сократив при этом затраты на ручной труд и материалы.
- Механизированная штукатурка в Москве используется как в жилищном строительстве, так и в коммерческих проектах, позволяя создать эффективное решение для любого проекта отделки.
Еще одним фактором, усложняющим контроль, является неравномерное распределение бетона в теле конструкции, наличие зон рыхлого бетона и даже полостей в местах густого армирования. Вследствие этого средняя скорость распространения ультразвуковых колебаний в конструкции непостоянна по объему, и степенью этого непостоянства определяются метрологические возможности любого метода контроля толщины конструкции. В зависимости от качества укладки бетона разброс скорости распространения продольных ультразвуковых волн в пределах одной монолитной конструкции может достигать 20 % и более.
Перечисленные особенности бетона потребовали разработки специализированных методов и средств ультразвуковой толщинометрии бетонных конструкций при одностороннем доступе.
Методы толщинометрии бетона
Условие одностороннего доступа к ОК ограничило круг методов, применимых для толщинометрии бетона методами отражения. Физическая суть их одинакова — это излучение в ОК или возбуждение в нем ультразвуковых колебаний и прием рассеянных преимущественно в обратном направлении ультразвуковых волн, в параметрах которых содержится информация о толщине зондируемого материала. Различаются методы способами излучения зондирующих сигналов, способами приема ультразвуковых сигналов из ОК и способами обработки принятых сигналов.
Метод волны удара (МВУ) (в англоязычной литературе «Impact-Echo Method») основан на излучении в ОК сигналов, называемых ударными, то есть близких по форме к видеоимпульсам с широким относительным спектром частот. Обычно в качестве излучателей используют специальные механические (электромеханические) ударные устройства или молотки. Сигналы принимают широкополосными ультразвуковыми преобразователями. Частотный диапазон колебаний при контроле бетона МВУ, как правило, ограничен только сверху характеристиками бетона. Нижняя граница диапазона лежит в области слышимых частот. Направленность излучения и приема колебаний практически отсутствует по причине малых волновых размеров излучателей и приемников ультразвуковых колебаний.
При известной скорости с распространения продольных ультразвуковых волн в материале конструкции ее толщина d вычисляется по измеренной частоте f толщинного резонанса: d = c/2f.?Достоверно и с приемлемой для практики точностью МВУ позволяет измерять толщину только таких ОК, форма которых напоминает плиту, то есть когда толщина объекта как минимум в пять раз меньше двух других его размеров. При невыполнении этого условия спектр час тот принимаемых колебаний становится сложным, изрезанным, содержащим резонансные пики, вызванные отражениями между разными ограничивающими ОК гранями. Анализ такого спектра час то приводит к ошибочным результатам.
Другая характерная область применения МВУ — это контроль длины и дефектности забитых в грунт свай.
Резонансный метод измерения толщины отличается от МВУ тем, что в ОК с помощью специальных вибраторов или пьезопреобразователей создают вынужденные колебания с медленно нарастающей частотой и регистрируют частоты, при которых амплитуда колебаний достигает максимума. Толщину конструкции вычисляют из приведенной ранее формулы по наибольшей найденной частоте толщинного резонанса.
Этот метод дает большую точность измерений в сравнении с МВУ, так как энергия колебаний сосредотачивается на резонансной частоте, а не распределена в широком диапазоне. Это способствует более высокому отношению сигнал/шум. Регистрация частоты резонансного пика выполняется с высокой точностью. Однако резонансному методу также присущ недостаток, который заключается в низкой достоверности измерений при соизмеримости габаритных раз меров ОК. На достоверность результата сильно влияет состав, структура и дефекты бетона конструкции. Наличие внутренних полостей в сильно армированной плите может практически полностью разрушить резонансный пик.
Классический эхо-метод, широко применяемый при контроле металлов на частотах в единицы мегагерц, для толщинометрии бетона используется относительно редко по причине очень низкой направленности апертурных ультразвуковых преобразователей и трудностей создания акустического контакта с бетоном. Поскольку длины волн ультразвука в бетоне на частотах порядка 100 кГц составляют несколько сантиметров, то для преобразователя с диаметром апертуры даже в две длины волны затруднительно создать приемлемый акустический контакт с неровной поверхностью бетона через жидкость. Направленность же такого преобразователя будет существенно хуже, чем направленность ультразвуковых преобразователей на частотах в единицы мегагерц, волновые размеры которых порядка 5 — 10 длин волн. В аппаратуре применяют исключительно импульсное излучение ультразвука с минимальной длительностью зондирующих импульсов с целью уменьшения мертвой зоны и повышения разрешающей способности по толщине.
Для создания направленного излучения и приема ультразвука при контроле бетона ис пользуют метод синтезированной апертуры, при котором излучение и прием ультразвуковых колебаний выполняют малыми в сравнении с длиной волны ультразвуковыми преобразователями, собранными в матричные антенные решетки. Зондирование ОК выполняют после довательно каждой парой элементов решетки (излучатель-приемник). Такой вид зондирования назван комбинационным. Размеры решеток выбирают в несколько раз больше длины волны ультразвука в бетоне. Для повышения отношения полезного сигнала к структурному шуму бетона используют сканирование решеткой поверхности ОК. Принятые ультразвуковые колебания от каждой пары элементов решетки обрабатывают совместно в компьютере так, что результат обработки получается аналогич ным тому, если бы на поверхности ОК находился большой ультразвуковой преобразователь, фокусирующийся в нужную точку внутри объекта или на плоскость, расположенную на некоторой глубине.
Сравнительно недавно был разработан еще один метод толщинометрии бетона и ему подобных материалов.Он назван авторами резонансно-муль типликативным. Метод можно рассматривать как разновидность резонансного. В соответствии с ним излучающий и приемный ультразвуковой преобразователи несколько раз устанавливают в произвольные положения на поверхность ОК. В каждом из положений записывают частотные характеристики ОК. На этих характеристиках помимо основных резонансных максимумов, соответствующих габаритным размерам ОК, присутствуют и побочные резонансные пики, вызванные крупноразмерными неоднородностями бетона. Затем полученные частотные характеристики перемножают, в результате чего происходит подавление второстепенных резонансных пиков и подчеркивание основного, по резонансной частоте которого и вычисляют измеряемую толщину.
Аппаратура и ее применение
Рис. 1. Импакт-эхо толщиномеры компаний OLSON INSTRUMENTS, INC. США (вверху) и Germann Instruments А/S, Дания (внизу)
Несколько примеров измерения толщины бетонных изделий импакт-эхо методом. Использовалась лабораторная аппаратура. Измерения выполняли в ходе научных исследований по обнаружению различных моделей де фектов в бетоне.
Серийный выпуск приборов, реализующих импакт-эхо метод, освоен несколь кими компаниями. Конструктивно эти приборы выполнены малогабаритными с автономным питанием. Их применяют не только для контроля толщины бетонных изделий, но и для по иска достаточно крупных дефектов в них. На рис. 1 показан общий вид толщиноме ров компаний OLSON INSTRUMENTS. INC (США) и Germann Instruments (Дания). Диапазон измеряемых толщин бетона первого прибора от 38 мм до 1,8 м. О погрешности измерений не сообщается. Погрешность измерений аналогичного прибора фирмы Germann Instruments по заявлению производителя составляет 3,2 %. К недостаткам импакт-эхо толщиномеров можно отнести влияние на результат измерения человеческого фактора при ручном способе удара, зависимость точности измерений от формы ОК (метрологическая корректность обеспечивается только для объектов типа «плита»), существенное влияние на значение резонансной частоты наличия за донной поверхностью других сред, например, грунта за фундаментной плитой. В России этот метод не получил заметного распространения для решения задачи толщинометрии бетонных ОК. Резонансно-мультипликативный толщиномер построен в виде лабораторного аппаратно-программного комплек са для проведения акустических исследований и измерения толщины бетонных изделий и конструкций. Его применение при контроле колонн и фундаментов зданий показало, что относительная погрешность измерений не превышает 3%.
Наибольшее распространение в практике УЗК толщины бетонных конструкций получили приборы, основанные на эхо-импульсном методе, как в классическом виде, так и в большей степени с применением метода синтезированной апертуры.
Впервые эхо-импульсный метод был применен для измерения толщины бордюрного камня в шестидесятых годах прошлого века. Для этого были ис пользованы наклонные ультразвуковые преобразователи с преломляющими призмами, разнесенные на некоторое расстояние друг от друга. Углы ввода и приема ультразвуковых колебаний были подобраны по критерию максимальной амплитуды донного сигнала. Контактной жидкостью служила дезаэрированная вода. Погрешность измерений не хуже 3 % измеряемой толщины.
Приведенный пример нельзя в пол ной мере считать фактом практического применения аппаратуры для измерения толщины бетона. Это скорее успешный эксперимент, показавший потенциальную возможность эхо-метода для решения конкретной задачи.
Классическое применение эхо-мето да для измерения толщины бетонных конструкций, где пока зано, что, используя ультразвуковой совмещенный пьезопреобразователь с низким уровнем собственных реверберационных помех, можно обнаруживать донные сигналы в бетонных изделиях с достаточным для измерений отношением сигнал/помеха. Апертура этого преобразователя имела диаметр около двух длин волн. На основе такого преобразователя был создан макет толщиномера с графическим дисплеем, на котором кроме результата измерений отображалась осциллограмма принятого эхо-сигнала. Диапазон измерений составлял 50 — 500 мм. Погрешность измерений с учетом непостоянства скорости ультра звуковых колебаний в бетоне не превышала ±10%. Для калибровки прибора по скорости ультразвука в зоне контроля использовались продольные подповерхностные ультразвуковые волны, для излучения и приема которых в корпусе основного преобразователя были установлены две пары вспомогательных преобразователей с диаметрами апертуры 10 мм. Этот прибор был, по мнению авторов, первым эхо-импульсным толщиномером для контроля бетона, рассчитанным на практическое использование в полевых условиях. До него за дача толщинометрии бетона находилась на стадии исследований.
Рис. 2. Ультразвуковой толщиномер-дефектоскоп для контроля бетона УТ201М
Для серийного производства макет толщиномера был существенно перера ботан, и на его базе создан промышленный прибор УТ201М. Вместо прямо го совмещенного ультразвукового преобразователя в нем была использована 8-элементная матричная (4 х 2) антенная решетка с апертурой 160 x 8 0 мм и ра бочей частотой 70 кГц. Алгоритм работы созданного толщиномера был основан на методе синтезированной апертуры с комбинационным зондированием. Его внешний вид представлен на рис. 2. В качестве контактных сред использовали воду, солидол или вязкий полиметил- силоксан, который обеспечивал наилучший акустический контакт.
Для измерения скорости продольных ультразвуковых волн в конкретном месте ОК с прибором использовали дополнительное устройство поверхностного прозвучивания с двумя встроен ными в его корпус ультразвуковыми преобразователями с сухим точечным контактом (СТК) (рис. 2). Габаритные размеры электронного блока толщи номера 310 x280 x90 мм, масса 6 кг. Габаритные размеры антенной решетки 210 х 110 х 68 мм, масса 1,4 кг.
Наряду с возможностью измерений толщины в диапазоне 50 ч- 500 мм с погрешностью не более +10 % УТ201М позволял наблюдать эхо-сигналы на экране в виде А-скана в недетектированном представлении и после преобразования Гильберта, т. е. в виде зависимости от времени огибающей реализации принятых колебаний. Поэтому прибор мог выполнять функции эхо-импульсного дефектоскопа для бетонных и железобетонных конструкций. Пример изображения, полученного с экрана прибора УТ201М, представлен на рис 3, где виден донный сигнал при контроле блока из мелкоструктурного бетона толщиной 300 мм, а в нижней части экрана — огибающая этого сигнала. Однако практическое применение этого прибора во многом ограничивалось видом и состоянием ОК.
Рис 3. Изображение, полученное с экрана прибора УТ201М, при контроле мелкоструктурного бетонного образца толщиной 300мм.
Измерения конструкций из сборно го железобетона обычно не вызывали затруднений, за исключением случаев, когда внешние поверхности (дневная или донная) были либо механически, либо от времени разрушены. Под отслоившимся от эрозии поверхностным слоем бетона могла оказаться пористая и грубая по верхность. Акустический контакт антен ной решетки даже при использовании пластилина создать не удавалось. При неровностях донной поверхности до 5 мм амплитуда эхо-сигнала такая же, как от гладкой поверхности, полученной при использовании металлической опалубки. Но при большей разнице высот выступов и впадин донной поверхности, вызван ной разрушением, амплитуда снижается. Однозначного соответствия между амплитудой сигнала и шероховатостью дон ной поверхности нет, так как с увеличе нием шероховатости отраженный сигнал теряет верхние частоты своего спектра и период колебаний в эхо-сигнале увеличивается. Амплитуда же при этом меняется слабо. При неровностях более 15 мм амплитуда становится заметно меньше.
Контроль толщины монолитных конструкций кроме состояния их внешних поверхностей всегда осложнен неизвестной внутренней структурой бетона. Поэтому поведение донного сигнала внутри непредсказуемо. При сдвиге антенной решетки всего на 50 — 100 мм от места с хорошо видимым на экране донным сигналом можно было получить полное его отсутствие. Для получения хоть каких-то результатов приходилось набирать некоторую статистику: если некий сигнал при сканировании поверхности конструкции чаще всего появлял ся в одном и том же месте, то его, скорее всего, можно было считать донным и по нему проводить отсчет толщины. Вообще эти измерения требовали большого умения и опыта от оператора.
Рис. 4. Внешний вид ультразвукового низкочастотного дефектоскопа А1220 для контроля бетонных конструкций
Трудности создания акустического контакта антенной решетки прибора с грубой поверхностью бетона были преодолены, когда удалось разработать низкочастотные ультразвуковые преобразователи с СТК, относительной полосой пропускания порядка 100% и низким уровнем собственного реверберационного шума. Исследования структурного шума бетона, а также влияния помех от поверхностных волн на обнаружение полезных сигналов показали, что при контроле бетона эхо-методом с применением преобразователей с СТК выгоднее использовать поперечные ультразвуковые волны. Отношение сигнал/шум оказывается в среднем на 10 дБ выше, чем при использовании продольных волн. Основываясь на этих исследованиях, был разработан ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп А1220, показанный на рис 4, который предназначался также и для измерений толщины бетонных конструкций.
А1220 состоял из электронного блока с графическим дисплеем и антенной решетки из 24 ультразвуковых преобразователей поперечных волн с СТК. Половина элементов решетки использовалась в качестве излучателей ультразвуковых импульсов, другая половина — в качестве приемников. Габаритные размеры электронного блока 234x98x33 мм, масса 0,8 кг. Габаритные размеры антенной решетки 145x90x75 мм, масса 0,76 кг.
Диапазон измерений толщины для тяжелых бетонов (в частности, марки 400) 50 ж 600 мм. Однако донные сигналы в высокопрочных бетонах можно было наблюдать на экране при толщинах до 1,5 м. Погрешность измерений толщины этого прибора, как и других эхо-импульсных приборов для контроля бетона, га рантировалась в пределах ± 10 %. В эту погрешность входит и средний разброс скоростей ультразвука в объеме бетона. Подробнее о характеристиках и результатах применения дефектоскопа А1220.
Рис. 5. Внешний вид дефектоскопа А1220 «Монолит»
Серийный выпуск А1220 был начат в 1998 г. Прибор не имел аналогов в ми ровой практике и позволял не только проводить измерения толщины конструкций, но и решать разные дефектоскопические задачи. Кроме поставок в страны ближнего зарубежья он оказался востребованным и в странах Западной Европы.
С 2004 г. начат серийный выпуск де фектоскопа А1220 «Монолит». По сравнению с предшественником он конструктивно, программно и в части электронного построения существенно модернизирован. В частности, появиласьвозможность наблюдения эхо-сигналов внутри регулируемого строба и измерение времени запаздывания сигнала с дискретностью 0,1 мкс по моменту превышения сигналом любого устанавливаемого порога, как положительного, так и отрицательного. Это позволяет с повышенной точностью измерять глубину расположения границы раздела бетона и материала с любым волновым сопротивлением, как большим, так и меньшим, чем у бетона, различая знак этой разницы. Введена возможность на копления до 32 реализаций сигнала при повторных зондированиях, что на 15 дБ повысило чувствительность прибора при работе методами прохождения. Максимальная глубина отражателя, от которого эхо-сигнал поперечной волны отображается на экране, доведена до 2 м. А1220 «Монолит» получил также развитую систему настроек парамет ров прибора, аналогичную настройкам высокочастотных дефектоскопов обще го применения.
Габаритные размеры электронного блока и антенной решетки изменились мало, масса электронного блока уменьшена до 0,65кг. Внешний вид дефектоскопа А1220 «Монолит» приведен на рис 5. Диапазон измерений толщины и погрешность остались прежними, как у А1220, так как эти характеристики в значительной степени определяются материалом контролируемой конструкции.
Рис. 6. Донный эхо-сигнал на экране А1220 «Мо нолит» при контроле бетонной плиты толщиной 400 мм
На рис 6 показано изображение реализации принятых колебаний с экрана А1220 «Монолит» при контроле плиты из бетона с наибольшей крупностью заполнителя 20 мм и толщиной 400 мм. Донный сигнал находится на отметке 400 мм горизонтальной шкалы. На удво енной глубине можно различить второй донный сигнал в плите. Курсор ручного измерителя глубины установлен на зна чение 916,6 мм.
Часто при измерениях толщины донный сигнал (при А-скане) недостаточно хорошо различим на фоне структурного шума. В этих случаях операторы обычно пользуются режимом сканирования «Лента», при котором антенную решетку переставляют по поверхности ОК вдоль прямой с шагом порядка 2 0 — 4 0 мм.?При этом на экране отображается В-скан эхо-сигналов в координатах «расстояние по поверхности ОК от начальной точки — глубина». В этом случае донный сигнал проявляется в виде горизонтальной полосы на некоторой глубине. И измерение толщины уже не составляет трудности. Более того, можно даже оценить изменение толщины конструкции вдоль линии сканирования, а также обнаружить небольшие отражатели в ОК по появлению их образов в виде темных пятен на глубине меньшей, чем толщина конструкции. На рис. 7 показано изображение с экрана дефектоскопа в режиме «Лента», полученное при сканировании бетонной плиты толщиной 400 мм. На этом изображении вверху — А-скан с горизонтальной (глубинной) шкалой в миллиметрах, внизу — В-скан, где по вертикали отложены глубины в метрах. Черная горизонтальная полоса на В-скане — образ донной поверхности плиты.
Рис. 7. Изображение с экрана А1220 «Монолит» в режиме «Лента», полученное при сканировании бетонной плиты толщиной 400 мм
Измерения толщины металлических изделий на частотах в единицы мегагерц обычно происходят при отношениях сигнал/шум много больших единицы. Обнаружение донного сигнала, измере ние его времени запаздывания и ин дикация результата в цифровом виде выполняются автоматически.
При контроле бетона картина совершенно другая. Низкие отношения сигнал/шум, близкие к единице, пропадание донного сигнала из-за плохой отражающей способности донной поверхности или внутренних нарушений сплошности бетона, затеняющих донный сигнал, а также густое армирование, создающее повышенный структурный шум, не позволяют проводить измерения по одиночной реализации принятых колебаний от одного положения антенной решетки. Поэтому приходится использовать сканирование антенной решеткой ОК с построением В-скана. Этот режим уже чисто дефек тоскопический, так как в большинстве случаев только в нем и можно обнаружить внутренние дефекты бетона.
Поэтому задача толщинометрии бетонных и железобетонных конструкций в силу весьма неблагоприятных для УЗК свойств бетона почти не отличается от задачи дефектоскопии таких конструкций при одностороннем доступе. Поэтому и приборы только с автоматическим цифровым отсчетом толщины без отображения хотя бы А-скана принятых сигналов не имеют никаких преимуществ перед приборами, основанными на импакт-эхо методе, и производить их нет смысла.
Таким образом, толщиномеры для контроля бетонных конструкций — это од новременно и дефектоскопы, причем с особо выраженными дефектоскопическими функциями приближающими их по возможностям к еще более можным приборам-томографам, которые в свою очередь, с еще лучшей достоверностью позволяют измерять толщину железобетонного массива. Что касается погрешности измерений, которая весьма тесно связана с достоверностью или даже вообще возможностью получения результата, то подробно рассмотреть ее зависимость от всех сопутствующих контролю бетона причин в этой статье невозможно. Она зависит не только от метода толщинометрии и свойств ОК, но даже и от способа получения информативного параметра (времени запаздывания сигнала) при использовании какого-то одного метода измерений, в частности, эхо-метода, то есть зависит от методики контроля. Метрологическим аспектам толщинометрии бетонных конструкций целесообразно посвятить отдельную развернутую статью.
По материалам сайта: http://vectornk.ru