11 超声波

这种预测性维护技术使用了与振动分析类似的原理。两者都通过监测工厂机械或系统生成的噪音来确定其实际运行状态。然而，与振动监测不同，超声波监测的是工艺系统或机器中由独特动力学产生的更高频率（即超声波）。振动分析的正常监测范围从小于1Hz到30,000Hz。超声波技术监测的频率范围在20,000Hz到100kHz之间。

11.1 超声波应用

作为预测性维护计划的一部分，超声波仪器用于三个主要应用：空气噪音分析、泄漏检测或材料测试。

11.1.1 空气噪音分析

根据职业安全与健康管理局（OSHA）的法规，所有工厂都必须满足其设施各处的环境噪音水平要求。这些法规要求工厂定期监测工厂各区域的噪音水平，并在环境噪音水平超过可接受水平的区域提供听力保护。

超声波仪表是用于监测环境噪音水平并确保符合OSHA法规的主要工具。此外，一些工厂使用简单的超声波仪表来调查非关键性的工厂设备和系统是否存在异常噪音。后一种应用仅限于简单的“是/否”测量，并几乎无法诊断异常噪音的根本原因。

11.1.2 泄漏检测

超声波监测的主要应用领域是泄漏检测。液体和气体通过受限孔口（即泄漏）的湍流流动将产生一个高频特征，可以通过超声波技术轻松识别。因此，这种技术非常适用于检测阀门、蒸汽阀、管道和其他工艺系统中的泄漏。

11.1.3 材料测试

超声波一直是材料测试的主要测试方法，并持续发展。典型的测试频率从250千赫兹（kHz）或每秒250,000次振动开始，高达25兆赫兹（MHz）或每秒25百万次振动。

材料测试通常包括将能量源引入待测试的材料，并使用超声波仪器记录响应特征。这些测试可能简单到用锤子敲击材料，并使用加速度计和超声波仪表记录结果。

超声波测试依赖于测量发射和接收之间的信号时间和振幅或强度。由于材料之间声学性质的不匹配，声音会在界面部分反射。反射能量的质量取决于两种材料之间的声阻抗比。例如，通过钢传播的声音到达钢/空气界面时会导致99.9%的内部反射，而通过钢/水界面时只会在材料内部反射88%，并传递12%到水中。如果阻抗比差异很大，例如在具有钢/空气界面的开裂处，将发生足够的反射，从而允许检测到缺陷。相反，如果在具有压缩应力场但没有氧化表面的小裂缝中，将产生钢/钢界面，并且不能使用这种方法进行检测。

11.2 超声波系统类型

有两种可用于预测性维护的超声波系统：结构和空气传播。两者都能够快速、准确地诊断异常运行和泄漏。空气传播的超声波探测器可以使用扫描模式或接触模式。在扫描模式下，它们通常用于检测气体压力泄漏。因为这些仪器只对超声波敏感，不像大多数其他气体泄漏探测器那样受限于特定气体。此外，它们经常用于定位各种形式的真空泄漏。

在接触模式下，金属棒充当波导。当它接触表面时，会受到高频率超声波的刺激，该超声波位于表面的对面。这种技术用于定位工艺管道中的湍流流动和/或流动限制。

一些超声波系统包括可放置在工厂管道或容器内的超声发射器。在这种模式下，超声监视器可用于检测沿容器表面的声传递区域。这种超声传输方法在快速检查储罐的焊缝、舱口、密封、灌缝、垫圈或建筑墙体接缝方面非常有用。

大多数超声波监测系统严格来说是扫描仪，不提供任何长期趋势或数据存储。它们实际上是一种点对点的仪器，提供仪器带宽内噪音整体幅度的指示。因此，这种仪器的成本相对较低。超声波仪器的正常成本范围从不到1,000美元到约8,000美元。当仅用于泄漏检测时，使用超声波技术几乎不需要培训。超声波技术的低资本成本、使用该技术所需的最低培训以及泄漏对工厂可用性的潜在影响为将超声波技术纳入总体工厂预测性维护计划提供了积极的成本效益。

11.3 限制

在您的计划中应谨慎应用这种技术。许多超声波系统被销售为轴承状态监测器。尽管滚动轴承的固有频率将在超声波仪器的带宽内，但这不是确定滚动轴承状态的有效技术。在典型的机器中，许多其他机器动态也会生成在超声波仪器覆盖的频带内的频率。齿轮啮合频率、叶片通过和其他机器组件也将产生无法与此类仪器监测到的轴承频率分离的能量或噪音。确定特定机器组件（包括轴承）状态的唯一可靠方法是振动分析。不建议使用超声波监测轴承状态。