Терагерцовый толщиномер. Использование в тяжелой промышленности

Терагерцовое излучение (0.3–10 ТГц), занимающее в электромагнитном спектре промежуточное положение между микроволновым и инфракрасным диапазонами, длительное время оставалось слабо изученным в силу технологических ограничений. В настоящее время интерес к нему связан с уникальным сочетанием характеристик, включая способности проходить через широкий класс непрозрачных в видимом диапазоне материалов, не оказывать ионизирующего воздействия на биологические ткани, а также обеспечивать высокое контрастное разрешение для спектроскопического анализа химических соединений по спектральным линиям поглощения.

В этой статье мы расскажем о том, как свойства ТГц-волн позволяют создавать высокоточные толщиномеры для решения сложных задач в тяжелой промышленности, таких как контроль антикоррозионных покрытий на магистральных трубопроводах.

Если вы хотите подробнее ознакомиться с основами терагерцового излучения, генерацией и общими областями применения, рекомендуем нашу предыдущую статью: Новый раздел: терагерцовое оборудование.

Ключевые особенности

• Проникающая способность. ТГц-волны могут проходить через множество непрозрачных для видимого света материалов: пластик, керамику, ткани, картон, пенопласт, дерево. При этом они не проходят через металлы (полностью отражаются) и сильно поглощаются водой.
• Безопасность. Энергия ТГц-кванта очень мала (в тысячи раз меньше, чем у рентгеновских лучей). Она недостаточна для ионизации атомов и молекул, а значит, не разрушает биологические ткани и ДНК, в отличие от рентгена.
• Спектральная чувствительность. Многие молекулы (особенно в сложных органических соединениях, взрывчатых веществах, лекарствах) имеют уникальные спектры поглощения и отражения именно в терагерцовом диапазоне. 

Терагерцовая измерительная система

Любая система включает три ключевых компонента:

• Источник (ТГц-излучатель). Генерирует короткие импульсы терагерцового излучения. В системах для этого используются фотопроводящие антенны (PCA), управляемые сверхбыстрым лазером.
• Оптическая система или зонд. Направляет и фокусирует ТГц-пучок на исследуемый объект. Для этого используются специализированные линзы и зеркала из материалов, прозрачных для ТГц-излучения (высокоомный кремний, полиэтилен).
• Детектор (приемник). Улавливает прошедшее через покрытие или отраженное от подложки ТГц-излучение.

Применение в тяжелой промышленности: контроль покрытий трубопроводов

Одной из востребованных задач является неразрушающий контроль толщины многослойных антикоррозионных покрытий на железных трубах, используемых в магистральных нефте- и газопроводах.

Технологический процесс выглядит следующим образом:

Для подбора оптимального режима нанесения покрытия используется тестовая труба. Если планируется нанесение двухслойного покрытия (эпоксид + полиэтилен), тестовую трубу покрывают только эпоксидом. Если покрытие трехслойное (эпоксид + адгезив + полиэтилен), трубу покрывают всеми тремя слоями.

На различные участки тестовой трубы покрытия наносятся с разными технологическими параметрами (температура, скорость и т.д.). После охлаждения и транспортировки на участок контроля, с помощью терагерцового толщиномера замеряют толщину покрытий на всех участках:

• В случае двухслойного покрытия измеряют толщину эпоксида.
• В случае трехслойного – измеряют общую толщину всех слоев.

По результатам измерений выбирается наиболее подходящий и качественный режим покрытия, который затем применяется для серийных труб. Этот метод позволяет избежать брака и гарантировать долговечность трубопровода.

Пример реализованной системы: Комплекс BT-FTS5500-H / BT-TH-02

Для решения подобных задач компания «ЛЛС» предлагает готовый измерительный комплекс на основе полностью волоконного терагерцового спектрометра.

Описание системы

Конфигурация:

• Базовая система терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS): BT-FTS5500-H
• Антенны-передатчики ТГц с волоконным выводом: BT-PCA Tx / Rx FC
• Специализированный зонд для измерения толщины: BT-TH-02

Применения зонда BT-TH-02:

• Измерение толщины
• Пропускающее или отражательное сканирование образцов плоской формы
• Отражательное сканирование образцов цилиндрической формы
• Спектроскопия пропускания или отражения с регулируемым электронным контролем угла
• Автоматическое измерение спектра сканирования угла

Ключевые технические характеристики:

• Диапазон измеряемой толщины: от 15 мкм до 10 см
• Погрешность измерения: ≤ 1%
• Скорость измерения: 3.6 - 33 Гц (зависит от толщины)
• Рабочее расстояние (от зонда до объекта): до 50 мм
• Длина соединительного кабеля: 5 м 

Детали и точность измерений

Точность и скорость измерения тесно связаны с отношением сигнал/шум. Для достижения оптимального результата при измерении покрытий трубопроводов мы рекомендуем время измерения около 1 секунды.

Зависимость скорости измерения от толщины материала

Таким образом, терагерцовая толщинометрия – это современный, точный и безопасный метод неразрушающего контроля, который идеально подходит для задач тяжелой промышленности. Он позволяет в реальном времени контролировать качество покрытий на критически важных объектах, таких как магистральные трубопроводы, обеспечивая их надежность и долгий срок службы.

Компания «ЛЛС» обладает всеми необходимыми технологиями и экспертизой, чтобы предложить вам готовое решение под конкретные задачи.

Автор статьи: Ромашова Василиса, руководитель группы по волоконным системам 

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.