Das Ultraschall Echo-Echo Materialdickenmessgerät von PCE Instruments eignet sich für die Wandstärkenmessung von homogenen Werkstoffen wie Metallen, Kunststoffen, Gläsern oder Harzen mittels Ultraschall in einem Messbereich von 0,65 … 600 mm. Bei einer maximalen Auflösung von 0,001 mm können auch sehr kleine Differenzen von Wandstärken gemessen werden. Für eine exakte Messung muss vorab die korrekte Schallgeschwindigkeit des zu vermessenden Werkstoffes im Ultraschall Echo-Echo Materialdickenmessgerät eingestellt werden. Beim PCE-TG 300-NO7 Materialstärkenmessgerät kann die Schallgeschwindigkeit in 1 m/s Schritten variiert werden, zudem ist auch eine Mehrpunktkalibrierung möglich. Sollte die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffes nicht bekannt sein, kann diese auch mit dem Echo-Echo Materialdickenmessgerät ermittelt werden. Bei Kenntnis der Dicke des Werkstückes muss diese im Materialdickenmessgerät eingegeben werden. Nachdem der Ultraschall Sensor auf dem Werkstück platziert wurde, wird die Schallgeschwindigkeit des Werkstoffes direkt angezeigt. Die Messwerte werden auf einem großen LCD Farbdisplay angezeigt wobei eine einfache Navigation über Schnellauswahltasten möglich ist. Messwerte können auf dem internen Speicher des Echo-Echo Wanddickenmessgerätes abgelegt werden. Zur Auswertung können diese Daten entweder über die optional verfügbare PC-Software ausgewertet werden oder direkt per Bluetooth mit einem Drucker ausgedruckt werden. Die Funktionalität des Echo-Echo Wanddickenmessgerät wird über optional verfügbare Sonden erweitert. Sonden mit 2,5 MHz; 5 MHz und 7 MHz und unterschiedlichen Durchmessern sind verfügbar, somit können neben homogenen Standardwerkstoffen sowohl stark dämpfende Werkstoffe wie Guss oder Kunststoff als auch dünnwandige Bauteile vermessen werden.

Das menschliche Gehör ist dazu in der Lage, Schallfrequenzen bis maximal 16 kHz zu erfassen, Frequenzen oberhalb dieser Grenze sind für den Menschen nicht hörbar und werden als Ultraschall bezeichnet. Diesen Ultraschall verwendet man in der Industrie in verschiedenen Bereichen wie z.B. beim Schweißen, beim Reinigen, bei der zerstörungsfreien Fehlerprüfung (NDT) oder auch bei der Materialdickenmessung. Ultraschall wird je nach Werkstoff absorbiert, reflektiert, gestreut oder transmittiert. Die Materialdickenmessung mittels Ultraschall eignet sich insbesondere für alle schallleitenden Werkstoffe mit homogenem Gefüge bei welchem wenige Streu- und Reflexionseffekte auftreten. Ideal sind beispielsweise metallische Werkstoffe wie Stahl, da die Mikrostruktur innerhalb des Werkstoffes Ultraschallwellen sehr gut leitet wodurch hohe Eindringtiefen und klare Reflexionsechos an Grenzflächen erzeugt werden.

Die wesentlichen Parameter in Bezug auf den Werkstoff sind dabei die Schallgeschwindigkeit und die Schallschwächung. Bei der Schallschwächung unterschiedet man zwischen Schallabsorption und Schallstreuung. Die Schallabsorption wird durch Umwandlung der Schallenergie in andere Energieformen wie z.B. Wärme verursacht. Dadurch verringert sich die Stärke des Nutzsignals wodurch bei der Materialdickenmessung verkürzte Laufzeiten im Werkstoff entstehen. Da Die Absorption von der Frequenz des Prüfkopfes abhängt lässt sich beispielsweise durch Verringerung der Prüffrequenz die Absorption abschwächen, wodurch höheren Eindringtiefen möglich sind.  Die Schallschwächung wird durch Streueffekte an Korngrenzen des Werksoffgefüges verursacht. Auch hier wird durch Erhöhung der Prüffrequenz die Schallstreuung vergrößert, im Vergleich zur Absorption sogar überproportional. Bei der Materialdickenmessung von stark schallschwächenden Werkstoffen wie beispielsweise Kunststoff oder Guss kann man durch Verringerung der Prüffrequenz zum Teil bessere Ergebnisse erzielen.

Bei der Materialdickenmessung mit Ultraschall macht man sich die Wellenimpedanzen bzw. die Schallabsorption und die Schallgeschwindigkeiten unterschiedlicher Werkstoffe zu Nutze. Je größer die Unterschiede in den Wellenimpedanzen oder auch akustischen Wiederständen zwischen aneinandergrenzenden Werkstoffen sind, desto klarer können Reflexionen des Ultraschalls ermittelt werden. Luft beispielsweise weist eine stark dämpfende Eigenschaft in Bezug auf Ultraschall auf, so dass an Grenzflächen zwischen Metallen und Luft starke Reflexionsechos auftreten. Diesen Effekt nutzt man bei der Materialdickenmessung um Wandstärken zu ermitteln. Gleichzeitig sorgt dieser Effekt auch dafür, dass zwischen Sonde und Werkstück Koppelgel aufgetragen werden muss um den Luftspalt zu überbrücken, welcher ohne den Auftrag von Koppelgel die Übertragung des Ultraschalls von der Sonde in das Werkstück verhindern würde.

Bei der Ultraschall Echo-Echo Materialdickenmessung werden mehrere Echos ausgewertet. Dieses Verfahren zur Materialdickenmessung eignet sich insbesondere für beschichtete Werkstücke. Wird der Ultraschall-Sensor auf dem beschichteten Werkstück platziert, wird bei einer Puls-Echo Messung die Beschichtung mit in die Materialstärke einberechnet. Dabei entsteht ein Fehler welcher auf die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten von Beschichtungswerkstoff und Grundmaterial zurückzuführen ist. Bei einem mit Kunststoff beschichteten Stahlwerkstück liegen zwischen den Schallgeschwindigkeiten Unterschiede von 3000 … 4000 m/s. Wird die Schallgeschwindigkeit im Messgerät auf Stahl eingestellt würde bei einer Messung der Gesamtmaterialstärke die Beschichtung mit einer falschen Schallgeschwindigkeit vermessen was zu einem fehlerhaften Ergebnis führt. Zudem ist bei der Materialdickenmessung zumeist nicht das Ziel, die Stärke einer Beschichtung zu messen –dafür verwendet man Schichtdickenmessgeräte- sondern die Materialdicke des Trägermaterials. Durch die Echo-Echo Funktion des Ultraschall-Dickenmessgerätes wird die Beschichtungsstärke von der Gesamt Materialstärke abgezogen. So lässt sich mit dem Ultraschall Echo-Echo Materialdickenmessgerät die Dicke eines beschichteten Werkstückes messen, ohne dass die Beschichtungsstärke mit in das Gesamtergebnis einberechnet wird.

Ultraschall Sensoren für die Materialdickenmessung

Bei der Materialdickenmessung spielt bezüglich der Sensorauswahl insbesondere das Werkstoffgefüge des zu prüfenden Materials eine wichtige Rolle. Wie bereits beschrieben funktioniert die Materialdickenmessung umso besser, je homogener das Werkstoffgefüge ist. Metallgitter Strukturen sind ideal da die Ultraschallwellen ohne große Streuverluste durch den Werkstoff geleitet werden. Bei Gusswerkstoffen wie z.B. Gusseisen sind die Streuverluste aufgrund von Graphiteinlagerungen in der Regel deutlich größer. Dadurch sind die Energieverluste der Ultraschallwellen größer wodurch die Eindringtiefen reduziert werden. Bei sehr inhomogenen Werksoffen, wie z.B. GFK oder CFK ist die Wandstärkenmessung mit einem Materialdickenmessgerät sehr schwierig bzw. häufig nicht möglich.

Um dieser Problematik zu entgegnen, besteht bei dem Ultraschall Echo-Echo Materialdickenmessgerät von PCE Instruments die Möglichkeit, verschiedene Sensoren auszuwählen. Dabei gilt als Grundregel, je inhomogener der Werkstoff, desto tiefer sollte die Ultraschall Sondenfrequenz sein. Je dünner Materialdicken sind und je genauer die Messung sein soll, desto höher sollte die Sondenfrequenz ausgewählt werden. Für dünnwandige Werkstücke wäre beispielsweise der 7 MHz Ultraschall Sensor geeignet. Bei Gusswerkstoffen und auch bei Kunststoffen wären 2,5 MHz auszuwählen. Standardmäßig wird das Ultraschall Materialdickenmessgerät mit 5 MHz E-E Sensor ausgeliefert. Mit 5 MHz wird man relativ vielen Anwendungen gerecht, sobald es wie oben beschrieben etwas anspruchsvoller in einem speziellen Bereich wird, macht ein Sondenwechsel Sinn. Die E-E Funktion ermöglich zudem die Messung von Wandstärken durch Beschichtungen hindurch. Die anderen Sonden verfügen über diese Funktion nicht.

Das Ultraschall Echo-Echo Materialdickenmessgerät ist auch für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Für Anwendungen mit hohen Oberflächentemperaturen bis 300 °C kann einen Hochtemperatur Sensor mit 5 MHz verwendet werden. Zu beachten ist hierbei, dass spezielles Koppelgel benötigt wird, welches entsprechenden Temperaturen standhalten kann. Außerdem ist auch zu beachten, dass Schallgeschwindigkeiten temperaturabhängig sind. Bei höheren Temperaturen sollte für eine größere Genauigkeit geprüft werden wie groß die möglichen Abweichungen der Schallgeschwindigkeit aufgrund von Temperaturänderungen sind. Bei Stahl verringert sich die Schallgeschwindigkeit um ca. 1% bei einer Temperaturerhöhung um ca. 50 °C. Bei einer 300°C heißen Oberfläche können demnach Messabweichungen von einigen Zehntel Millimeter entstehen, wenn im Materialdickenmessgerät eine Schallgeschwindigkeit eingegeben wird, welche für den entsprechenden Werkstoff eigentlich nur für Temperaturen bei ca. 20°C gilt.