Měření tloušťky nátěru na diamagnetickém materiálu ultrazvukovou metodou

1. Úvod

Tloušťka nátěru je jeden ze základních parametrů, který určuje vlastnosti nátěru stavebně truhlářských konstrukcí. Je zřejmé, že při výrobě dřevěných oken musí být tloušťka nátěru důsledně kontrolována. V případě nanášení nátěrové hmoty na okna stříkáním není stanovení nánosu na základě údajů o spotřebované nátěrové hmotě příliš přesné. Nejspolehlivější údaje přináší metody založené na měření tloušťky vytvrzeného nátěru přímo na dřevu. Tloušťku nátěrů lze velmi dobře sledovat, kromě destruktivních metod, i metodami nedestruktivními.

Měření tloušťky vrstev ultrazvukem vychází z měření doby průchodu ultrazvukového impulsu danou vrstvou. Pro zjištění tloušťky vrstvy se pak doba průchodu vynásobí rychlostí ultrazvuku v dané vrstvě. Vyslaný impuls se odráží od akustického rozhraní mezi jednotlivými vrstvami, přičemž koeficient odrazu je dán poměrem akustických impedancí materiálů tvořících rozhraní.

2. Teoretický základ

Běžné ultrazvukové tloušťkoměry vyhodnocují dobu mezi opakovanými odrazy od rozhraní měřeného materiálu se vzduchem a časové okamžiky těchto odrazů jsou určovány v maximech jednotlivých odrazů. Je to jednoduše zpracovatelná metoda, pomocí které je možno změřit tloušťku jedné vrstvy, která je větší než je šířka vyslaného impulsu. Zpravidla lze takto vyhodnocovat pouze rozhraní materiálů s velkým rozdílem akustické impedance (kovy, sklo apod. ve volném prostoru). Oproti běžným ultrazvukovým tloušťkoměrům dokáže zvolený přístroj v tomto výzkumu díky použité metodě změřit více vrstev, které mohou být i tenčí, než je šířka vyslaného impulsu, na libovolném podkladovém materiálu.

Měření tenkých vrstev ultrazvukem skýtá jisté problémy. Echo ultrazvukového signálu má určitou šířku a při měření tenkých vrstev nastává situace, kdy se přijaté echo od odraženého signálu (od protilehlé stěny) překrývá s počátečním vysílacím echem. Obrázek 1 ukazuje různé případy v závislosti na měřené tloušťce (= časové vzdálenosti): první schéma znázorňuje vyslaný a přijatý signál na tloušťce nátěru 1 mm (= 850 ns), druhé schéma znázorňuje stejnou situaci na nátěru o tloušťce 0,1 mm (= 85 ns) a poslední schéma znázorňuje vyslaný a přijatý signál na tloušče nátěru 0,01 mm (= 8,5 ns). Z uvedených schémat je zřejmé, že jednoduchým způsobem není možné odlišit echa u velmi tenkých vrstev.

Pro přesné měření velmi tenkých vrstev ultrazvukem se používá metody matematické analýzy, která rekonstruuje signál na základě známého referenčního echa a určuje tloušťku vrstvy. Dokonce je možné rozlišit a měřit několik samostatných vrstev (např. základní barva, plnič, vrchní lak). Podmínkou je pouze dostatečný rozdíl v akustických vlastnostech jednotlivých materiálů tak, aby je dokázal přístroj rozeznat. Metoda zpracování signálu (jedná se o dekonvoluci přijatého signálu na základě tvaru signálu referenčního echa) spočívá na základě předpokladu, že signál přijatý ultrazvukovou sondou je určitou „směsí“ odrazů od jednotlivých rozhraní mezi vrstvami. Každý odraz má tvar referenčního echa a je přijat s různou amplitudou a časovým posunem. Časový posun těchto odrazů udává tloušťku jednotlivých vrstev, s přihlédnutím na rychlost ultrazvuku v daném materiálu. Matematickou analýzou se „poskládá“ daný počet referenčních ech, tzn. vytvoří se umělý signál skládající se z daného počtu referenčních ech s různou amplitudou a časovým posunem tak, aby tento umělý signál co možná nejlépe odpovídal signálu přijatému sondou. Časové posuvy těchto dosazených referenčních ech, ze kterých se skládá umělý signál, vynásobené rychlostmi ultrazvuku v materiálu příslušné vrstvy, pak udávají tloušťku jednotlivých vrstev. Touto metodou je tedy možné změřit i velmi tenké vrstvy, u kterých je časový posun jednotlivých odrazů menší než šířka vyslaného ultrazvukového impulsu.

Úskalí měření tloušťky vrstev ultrazvukem spočívá na skutečnosti, že akustická impedance nanesených materiálů většinou není známa a často je velmi podobná, takže na rozhraních materiálů často vznikají velmi slabé odrazy nebo dokonce nemusí vzniknout žádný odraz.

3. Měření tloušťky nátěru na dřevu

Z důvodu, že měřitelnost vrstev z různých materiálů není díky neznalosti akustických impedancí jednotlivých vrstev jednoznačně dána, použitý měřicí přístroj (Sursonic, Testima, spol. s r.o.) k naměřeným výsledkům navíc graficky znázorňuje současně průběhy přijatého a vypočteného signálu, aby si uživatel mohl sám udělat představu o spolehlivosti reprezentace výsledků měření. Předpokládá to ale dobré znalosti uživatele v oboru šíření ultrazvuku, a tím bohužel vylučuje nasazení přístroje v provozech, kde je třeba rychlé hromadné měření méně kvalifikovanou osobou. Pomocí přístroje Sursonic, zejména díky jeho grafickému znázornění obou signálů, dokáže uživatel velmi dobře vyhodnotit měřitelnost daného vzorku, určit počet měřitelných vrstev a posoudit správnost výsledků měření.

Na základě výzkumu provedeného na ČZU v Praze a publikovaného v časopise Maderas Ciencia y tecnología (20(4): 671-680, 2018) lze tvrdit, že měření tloušťky nátěru na dřevu pomocí ultrazvukové měřící metody dosahuje uspokojivých výsledků. Hodnoty naměřené ultrazvukovou metodou oscilují kolem hodnot naměřených mikroskopem a ve většině případů jsou v pásu vymezeném nejistotou měření destruktivní optickou metodou (obrázek 2). V obrázku 2 vertikální sloupce představují chybové úsečky, délka úsečky má pro každou hodnotu naměřenou optickým mikroskopem hodnotu 6,8 µm.

4. Závěr

Porovnání destruktivní a nedestruktivní metody měření tloušťky nátěru na dřevu ukazuje, že si výsledky z dvou porovnávaných metod v celém intervalu tloušťky nátěru 80–115 µm odpovídají. Největší odchylky v naměřených hodnotách destruktivní a nedestruktivní metodou byly zjištěny v intervalu (100 ± 3) µm.

Další výzvou v oblasti měření tloušťky nátěru pomocí ultrazvuku na diamagnetických materiálech může být měření nátěru na porézních strukturách, materiálech s většími póry, než je dřevo. V tomto případě je měření navíc ztíženo rozhraním mezi porézním materiálem a nátěrem – mezifází tvořenou póry impregnovanými nátěrem. Tímto tématem se v současné době zabývají vědci Fakulty lesnické a dřevařské, České zemědělské univerzity v Praze.

Poděkování

Tento výsledek byl realizován za finanční podpory z prostředků projektu „Advanced research supporting the forestry and wood-processing sector’s adaptation to global change and the 4^th industrial revolution“, OP RDE (Projekt č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000803).

5. Literatura

1. Sursonic: Katalogový list, Testima [online]. Praha: Testima [cit. 2019-04-09]. Dostupné z: http://www.testima.eu/sursonic
2. HÝSEK, Štěpán, Kamil TRGALA, Hakan FIDAN, Miloš PÁNEK, Martin LEXA a Jan VEVERKA, 2018. Ultrasound Measurement of Exterior Wood Coating Thickness. Maderas. Ciencia y tecnología. 20(4), 671-680. DOI: 10.4067/S0718-221X2018005041301.