Прямой преобразователь (ПЭП) для ультразвукового метода неразрушающего контроля​

Прямой пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП, датчик, искатель) – устройство для преобразования электрических зондирующих импульсов в упругие колебания (за счёт обратного пьезоэффекта) и их ввода в объект контроля, а также для приёма и преобразования ультразвуковых сигналов от дефектов, отражённых от донной поверхности или других отражателей в электрические импульсы (за счёт прямого пьезоэффекта). Прямые преобразователи подключаются к ультразвуковому дефектоскопу либо к толщиномеру – и, соответственно, используются для поиска внутренних дефектов (расслоений, трещин, пор, шлаковых и иных посторонних включений, непроваров, несплавлений) и/или для измерения толщины объектов контроля - сварных соединений, прикромочной зоны, основного металла (поковок, литья, штамповок, профилированного проката и пр.), изделий из полимеров, композитов и пр. В подавляющем большинстве случае прямые ПЭП предназначены для возбуждения продольных ультразвуковых волн. Наряду с наклонными датчиками прямые преобразователи – одно из главных средств для ультразвукового метода (УЗК) неразрушающего контроля (НК), в частности, для ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) и ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Их заменяют по мере изнашивания протектора или линии акустической задержки (у совмещённых ПЭП) либо призм (у раздельно-совмещённых датчиков, или РС ПЭП). Основные параметры прямых преобразователей - тип (совмещённые, раздельно-совмещённые, раздельные), рабочая частота, количество, форма и размеры пьезоэлементов (чаще всего - круглые), время пробега (задержка) в протекторе (у совмещённых прямых ПЭП), линии акустической задержки (у специализированных прямых совмещённых ПЭП для УЗТ) или призмах (у РС ПЭП). У фокусирующих ПЭП - фокусное расстояние. Ключевые характеристики прямых преобразователей относятся к параметрам ультразвукового контроля, то есть они во многом определяют его чувствительность и достоверность. Прямые электроакустические преобразователи (ЭАП) входят в комплект поставки практически любого ультразвукового дефектоскопа и должны быть в наличии в лаборатории неразрушающего контроля (ЛНК), которая заявляет УЗК в своей области аттестации. Например, по правилам Единой системы оценки соответствия в области промышленной безопасности, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве (СДАНК-01-2020).

Содержание:​

Классификация прямых пьезоэлектрических преобразователей
Устройство прямых ПЭП
Прямые ПЭП для ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии
Параметры прямых ПЭП
Где купить хорошие прямые ПЭП

Маркировка и классификация прямых преобразователей​

Основные требования к прямым преобразователям для ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) и ультразвуковой толщинометрии (УЗТ) отражены в ГОСТ Р 55725-2013 «Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования». Условные обозначения ПЭП общего назначения выполняются в соответствии со структурой, прописанной в данном стандарте. Применительно к прямым ПЭП эта структура имеет следующие особенности.

• Тип датчика по направлению акустических волн – прямой (цифра «1»). Соответственно, условное обозначение контактных совмещённых датчиков будет начинаться с символов «П111», раздельно-совмещённых – с «П112».
• Для фокусирующих датчиков в условном обозначении указывают литеру «F». У не фокусирующих ПЭП данная литера отсутствует.
• Угол ввода для прямых преобразователей не указывают. Большинство российских стандартов не требуют проверять угол ввода (или, точнее, угол скоса акустической оси) прямых ПЭП. Считается, что точка выхода у таких датчиков совпадает с геометрическим центром пьезопластины, а акустическая ось направлена строго перпендикулярно к поверхности ввода. Однако в зарубежных стандартах, например, EN 12668-2 встречается требование о том, чтобы смещение точки выхода и угол скоса подвергались проверке перед проведением УЗК. Наглядная попытка определить акустический центр пьезопластины и другие показатели прямого преобразователя показана в одном из сюжетов на YouTube-канале «Дефектоскопист.ру».

Дополнительно к стандартной, «ГОСТированной» маркировке многие производители (АМКРО, АКС, TWN) используют собственную маркировку с фирменными обозначениями для датчиков разных серий и конфигураций.

В учебно-справочной литературе часто встречается выражение «прямые и раздельно-совмещённые ПЭП». Можно было бы предположить, что прямыми называют только совмещённые преобразователи, однако фактически к прямым относят и раздельно-совмещённые датчики тоже. Формально РС ПЭП, действительно, не совсем являются прямыми ввиду того, что пьезоэлементы в них расположены под некоторым углом относительно поверхности ввода. Ультразвуковые лучи проходят через призму и вводятся в объект контроля под определённым углом, отличным от 90 градусов (угол наклона может достигать 8 градусов). Тем не менее, повторимся, в профессиональном обиходе принято относить раздельно-совмещённые датчики именно к прямым ПЭП. Согласно упомянутому выше ГОСТ Р 55725-2013, по направлению ввода акустических датчики классифицируются только на три группы: прямые, наклонные и комбинированные. При этом, как следует из указанного стандарта, прямые ПЭП могут быть и совмещёнными, и раздельно-совмещёнными. И действительно, если посмотреть каталоги ведущих отечественных производителей (НПЦ «Кропус», «Константа УЗК», «Алтес», «Физприбор», НПК «ЛУЧ», «Алтек», «ВЕЛМАС-ПРО» и других), то можно увидеть, что сочетание «прямые раздельно-совмещённые преобразователи» там встречается очень даже часто. Даже в новом ГОСТ Р 50.05.02-2022 «Система оценки соответствия в области использования атомной энергии. Оценка соответствия в форме контроля. Унифицированные методики. Ультразвуковой контроль сварных соединений и наплавленных поверхностей» фигурируют сокращения ПС и ПРС, что означает, соответственно, «прямой совмещённый преобразователь» и «прямой раздельно-совмещённый преобразователь» (п. 4). Поэтому и в данном тексте речь идёт про оба варианта электроакустического исполнения – и про совмещённые, и про РС ПЭП.

При этом прямые датчики бывают и раздельные. Пример – серия прямых раздельных бесконтактных преобразователей П413-0,05-П30 с пластиковым протектором и алюминиевым корпусом для автоматизированного контроля композитов теневым методом.

Чаще всего для ультразвуковой дефектоскопии используются не фокусирующие ПЭП, однако среди прямых преобразователей встречаются и фокусирующие. Они способны концентрировать энергию акустического поля в конкретной области – фокальной зоне, которая обычно представляет собой круг либо полосу. Исходящие от излучателя лучи сходятся, соответственно, в некой точке или линии. Фокусирующими считаются именно те преобразователи, в которых реализованы специальные технические решения – например, вогнутая пьезопластина и/или линза. Есть ещё фазированные антенные решётки, но это уже совсем отдельно история. Если говорить про датчики для одноканальных приборов, то изогнутая призма у таких ПЭП, наравне с акустической задержкой, отвечает за деформацию лучей. К важным характеристикам фокусирующих преобразователей относится фокусное расстояние – расстояние между поверхностью ввода и точкой, в которой звуковой пучок имеет минимальный диаметр. Если дефект находится в этой фокальной зоне, то эхо-сигнал от него достигает наибольшей амплитуды.

Что касается стандартных прямых раздельно-совмещённых ПЭП, то, с одной стороны, в них нет специализированных решений для фокусировки (изогнутых пьезоэлементов и линз). С другой стороны, в акустическом поле РС ПЭП также есть точка, расположенная чуть выше точки схождения пучков, в которой также наблюдается наибольшая амплитуда эхо-сигнала от отражателя. Ввиду того, что сами пучки при этом всё равно остаются расходящимися, эту точку ещё иногда называют «псевдо-фокусом». У совмещённых прямых преобразователей, к слову, тоже есть область пучка на границе ближней и дальней зоны акустического поля, где он немного сужается. Но это опять-таки происходит не благодаря специальным техническим решениям, а ввиду естественной дифракции ультразвука. Поэтому это явление ещё называют естественной фокусировкой. Более развёрнуто об этом рассказано здесь.

Стандартные прямые пьезоэлектрические преобразователи имеют плоскую «подошву», но иногда рабочую (контактную) поверхность РС ПЭП притирают (профилируют) под наружный диаметр объекта контроля – например, трубопровода или иного изделия цилиндрической формы. Во-первых, это способствует стабильному акустическому контакту. Во-вторых, профилирование помогает избежать перебраковки. Если настраиваться с не притёртым ПЭП, то чувствительность приходится повышать, чтобы «компенсировать» плохой акустический контакт из-за малого радиуса изгиба объекта контроля. Однако по мере сканирования по такой поверхности протектор прямого преобразователя истирается и на нём образуется так называемый мениск – небольшая выемка. Из-за этого датчик плотнее прилегает к изогнутому объекту контроля. Акустический контакт улучшается, а значит, потребность в повышенной чувствительности отпадает. И если её не скорректировать, то эхо-сигналы даже от небольших дефектов будут превышать контрольный или даже браковочный уровень. Это и есть перебраковка. Чтобы её избежать, проще и надёжнее сразу использовать преобразователи, притёртые под соответствующий диаметр трубопровода или иного объекта контроля. Ведущие российские производители (см. список ниже) могут выполнить притирку прямых преобразователей практически под любой диаметр. Некоторые наиболее опытные дефектоскописты притирают ПЭП самостоятельно: накладывают на объект контроля либо настроечный образец мелкозернистую наждачную бумагу и, плотно прижимая к ней датчик, несколько раз его перемещают вдоль и поперёк образующей, подгоняя тем самым его «подошву» под заданный радиус изгиба. Такой «кустарный» способ предполагает наличие определённого навыка, поэтому если его нет – то быстрее и дешевле будет заказать уже готовый притёртый ПЭП. Хотя есть и такие интересные датчики, например, как DFA2512 марки «АМКРО» с увеличенным протектором повышенной износостойкости, который изначально рассчитан на ручную притирку.

Для каких именно диаметров нужно притирать прямые преобразователи, а для каких можно оставить плоскую «подошву» – зависит от конкретных требований, прописанных в отраслевых нормативно-технических документах (НТД). ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые», например, требует притирать датчики при сканировании по наружной или внутренней поверхности с радиусом кривизны менее 400 мм. Довольно часто в НТД можно встретить формулу, что размер контактной поверхности ПЭП должен удовлетворять условию: D ≥ 15 * a, где D – наружный диаметр трубопровода (или иного объекта контроля), a – диаметр (для круглой «подошвы») либо ширина (для прямоугольной «подошвы») контактной поверхности датчика. Если прямой преобразователь отвечает этому требованию, то его рабочую поверхность можно оставлять плоской. Если нет – нужно притирать либо использовать специальную насадку, которая обеспечивает перпендикулярную ориентацию ПЭП относительно поверхности ввода. Аналогичная формула приведена в упомянутом выше ГОСТ Р 50.05.02-2022 (п. 6.2.4.3). В некоторых документах встречается и другие требования. Так, по ГОСТ Р ИСО 16811-2016 «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Настройка чувствительности и диапазона», профилировать контактную поверхность ПЭП следует в случае, если диаметр объекта контроля меньше её ширины (диаметра) менее чем в 10 раз (п. 3.4.2.1). Другой документ, РД РОСЭК 001-96 «Машины грузоподъёмные. Конструкции металлические. Контроль ультразвуковой. Основные положения» требует притирать ПЭП при контроле сварных соединений трубчатых элементов диаметром до 200 мм (п. 8.11). Аналогичное положение содержалось в старом ОП №501 ЦД-75 «Основные положения по ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений котлоагрегатов и трубопроводов тепловых электростанций (п. 1.4.6). При этом в последних двух документах есть уточнение о том, что радиус кривизны контактной поверхности ПЭП должен на 1–2 мм превышать радиус кривизны объекта контроля.

Устройство прямых преобразователей​

Совмещённые преобразователи состоят из следующих элементов.

• Пьезопластина. Под воздействием электрических импульсов пьезопластина деформируется, расширяясь и сжимаясь по толщине. Это так называемый обратный пьезоэффект. Смещение граней пьезопластины очень небольшое, порядка 0,0001 мм. В результате этого через слой контактной жидкости в объект контроля, под прямым углом к его поверхности (поверхности ввода) вводится продольная акустическая волна. При приёме отражённого сигнала (например, от дефекта либо от донной поверхности) пластина вновь совершает колебания, и уже под действием этого возникают электрические импульсы, которые по кабелю передаются на прибор (дефектоскоп или толщиномер). Это уже так называемый прямой пьезоэффект. Одной своей стороной пьезопластина приклеена к протектору (или призме), другой стороной – к демпферу (см. ниже). Чаще всего пьезоэлементы изготавливают из композитов, цирконат-титанат свинца, также используется метаниобат свинца, ПВДФ и другие виды пьезокерамики. Более дорогостоящая композитная пьезокерамика используется для производства иммерсионных датчиков, совмещённых ПЭП с линией задержки и фазированных решёток. Толщина пьезопластины должна быть в 2 раза меньше длины волны. Соответственно, чем выше должна быть рабочая частота датчика – тем меньше предполагается длина волны и тем тоньше требуется пьезопластина. Для производства совмещённых прямых преобразователей чаще всего используются пьезоэлементы круглой формы, для раздельно-совмещённых ПЭП – прямоугольной формы (пример – DF1044). Чем больше площадь пьезоэлемента, тем уже диаграмма направленности, тем выше фронтальная разрешающая способность и чувствительность в дальней зоне. Вместе с тем увеличивается ближняя зона (зона Френеля), в пределах которой затруднено проведение контроля. Кроме того, чем больше размер пьезоэлемента – тем больше контактная (рабочая) поверхность датчика. Это может мешать нормальному акустическому контакту на объектах цилиндрической формы – например, на трубах и валах малого диаметра.
• Демпфер. Представляет собой полимерный компаунд с вяжущими добавками (например, порошка ферровольфрама), который в жидком состоянии заливают в корпус прямого преобразователя. Затвердевший компаунд обладает большим коэффициентом затухания ультразвука. За счёт этого демпфер эффективно поглощает свободные колебания пьезоэлемента, «не пускает» колебания «внутрь» датчика и тем самым препятствует возникновению мешающих шумов и ложных сигналов на развёртке дефектоскопа. Чем эффективнее демпфирование, тем более коротким получается импульс – тем меньше мёртвая зона и тем выше лучевая разрешающая способность.
• Электроды. Это очень тонкое электропроводящее покрытие, которое наносят на пьезопластину, например, методом напыления меди или свинца. К данному покрытию припаиваются электроды, по которым поступают электрические импульсы при излучении и приёме акустических сигналов. Для этого электроды также соединяются с катушкой индуктивности и разъёмом прямого преобразователя.
• Катушка индуктивности. Она нужна для того, чтобы компенсировать реактивную ёмкость пьезопластины, «сбалансировать» колебательный контур и повысить эффективность работы датчика на нужной частоте.
• Разъём. В прямых преобразователях используются разъёмы разных типов: BNC, Microdot, CP-50, Lemo 00. Последний тип разъёма – самый распространённый. Кабель подключается к разъёму на датчике и к разъёму генератора и/или приёмника ультразвукового дефектоскопа либо толщиномера. У многих прямых преобразователей кабели встроены в корпус датчика. Вариант исполнения с интегрированным кабелем отличается меньшими габаритами корпуса, что делает ПЭП более удобным для сканирования и измерений в труднодоступных местах.
• Протектор. Именно он контактирует непосредственно к поверхности ввода, принимает на себя основную нагрузку при установке ПЭП и обеспечивает стабильный акустический контакт с объектом контроля. Вместе с контактной жидкостью протектор составляет так называемую акустическую задержку. Назначение протектора – защита пьезоэлемента от изнашивания. Протектор изготавливается из минералокерамики (амфотерного оксида алюминия), оргстекла, полиуретана и прочих материалов, у некоторых ПЭП – с металлическим кольцом или втулкой для дополнительной защиты. От протектора требуется не только высокая износостойкость, но и обеспечение чувствительности контроля. Эффективность последнего характеризуется коэффициентом динамического акустического контакта, который выражается в соотношении зафиксированных донных эхо-сигналов к числу зондирующих импульсов, введённых в образец с плоскопараллельными гранями, при перемещении датчика за определённый период. Коэффициент динамического акустического контакта выше у протекторов из диэлектриков – оргстекла, полиамида, фторопласта и др. У металлических и керамических протекторов этот коэффициент ниже, зато выше устойчивость к истиранию. Поэтому производители прямых ПЭП стараются подобрать такой материал для протектора, который обладал бы оптимальным соотношением акустических свойств и рабочего ресурса. Для сканирования на грубых поверхностях также практикуются сменные насадки-протекторы и гибкие мембраны (например, из силикона или полиуретана) со специальными согласующими слоями и нанесением контактной жидкости между гибким протектором и пьезоэлементом. Конструкция прямых преобразователей со сменным протектором устроена таким образом, чтобы его можно было легко заменять при необходимости. Пример таких искателей – серия SP от «АМКРО». Датчики с гибкими мембранами, как правило, используют для сканирования на грубых поверхностях и поиска дефектов, когда допустима большая мёртвая зона. Такие искатели помогают проводить контроль на поверхности, шероховатость которой превышает стандартные для УЗК значения (Ra=6,3 мкм, Rz=40 мкм). Что касается стандартных ПЭП с «жёстким» протектором, то по мере изнашивания прямой преобразователь фактически не поддаётся восстановлению. Раньше для этого приклеивали пластинки-протекторы, например, из оргстекла, но в современных реалиях они практически не применяются. Как и в случае с притиркой, такая самостоятельная «доводка» ПЭП чревата возникновением шумов, угловым отклонением, параллельным смещением акустической оси, ухудшением чувствительности и другими проблемами. Для толщинометрии применяются именно ПЭП с «жёстким» протектором, чтобы исключить дополнительную погрешность измерения, зависящую от усилия прижима датчика к поверхности ввода.
• Корпус. На рынке есть прямые преобразователи в пластиковом и металлическом корпусе (из алюминиевого, латунного сплава, нержавеющей стали). Первый вариант дешевле. Второй считается более долговечным. Также на рынке представлены ПЭП с корпусом из полиимида с металлическими вставками. У датчиков со сменным протектором нижняя часть корпуса разборная и фиксируется при помощи резьбового соединения. У высокотемпературных прямых преобразователей, предназначенных для измерения толщины на объектах с температурой до 400 градусов Цельсия, корпус имеет специальную «юбку», которая защищает пальцы оператора от контакта с горячей поверхностью. На корпусе любого ПЭП присутствует шильдик с маркировкой и основными показателями датчика. У каждого прямого преобразователя есть свой серийный номер, который необходимо указывать в заключении по результатам ультразвукового контроля. Также на шильдике зачастую наносят логотип производителя.

Отличие раздельно-совмещённых прямых преобразователей в том, что в них используется не один, как в совмещённых, а два пьезоэлемента, разделённых акустическим экраном из пробки и пенопласта с дополнительным электроизоляционным покрытием. В зависимости от формы и размера призм, угла наклона пьезоэлемента, толщины акустического экрана и других факторов разные РС ПЭП характеризуются разным V-путём. Чтобы его скомпенсировать, в некоторых толщиномерах (например, УДТ-20, УДТ-40) реализована коррекция V-образности при подключении и настройке прямых раздельно-совмещённых преобразователей стороннего производства, настройки которых отсутствуют в памяти прибора. Оператор может задать прибору ряд толщин (например, «ступеньки» или несколько плоских настроечных образцов) и, последовательно устанавливая РС ПЭП на НО, произвести его калибровку. Компенсация V-образности требуется именно при подключении пользовательских (не «родных») датчиков, настройки которых отсутствуют в памяти прибора.

Прямые преобразователи для дефектоскопии и для толщинометрии​

О разнице между ПЭП для дефектоскопии и толщинометрии мы рассказывали здесь. Главное при проведении УЗД – не пропустить дефекты и зафиксировать максимальную амплитуду отражённых сигналов от них. Поэтому датчики для поиска дефектов должны обладать более широкой диаграммой направленности, чем у ПЭП для УЗТ, но тоже в меру. С одной стороны, она должна быть достаточной узкой, чтобы обеспечить высокую фронтальную разрешающую способность. С другой – диаграмма направленности должна быть достаточно широкой, чтобы обеспечить высокую скорость прозвучивания и производительность контроля. Если же говорить про ПЭП для УЗТ, то от них, напротив, требуется высокая локальность измерений. То есть толщина должна измеряться непосредственно в месте установки датчика. При этом при проведении толщинометрии мёртвая зона прямого преобразователя не имеет большого значения, хотя требования к зачистке поверхности ввода и обеспечению шероховатости Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм) здесь также актуальны. В случае с ПЭП для УЗД, наоборот, мёртвая зона представляется очень важным показателем. Многие отраслевые НТД требуют проверять мёртвую зону, например, на мерах СО-2, СО-3Р или V1. Для толщинометрии этого, как правило, не требуется.

Совмещённые, раздельно-совмещённые и раздельные прямые преобразователи используются для ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) эхо-методом, а также теневым и зеркально-теневым методом. Вот лишь несколько наиболее распространённых задач.

• УЗК отливок с целью выявления газовых пор, усадочных раковин, шлаковых и иных включений и УЗК поковок и штампованных изделий с целью выявления расслоений, закатов и волосовин. Типичный пример такого контроля – поиск несплошностей в листовом прокате, которые зачастую вытянуты вдоль направления прокатки, а потому отлично отражают ультразвуковые импульсы. Помимо листов, при помощи совмещённых и раздельно-совмещённых прямых преобразователей контролируют всевозможные валы, полые цилиндры, плиты, диски, лопатки турбин, компрессоров, поршни двигателей внутреннего сгорания, крюки подъёмных кранов и прочие заготовки. Дефекты в поковках могут иметь любую пространственную ориентацию, поэтому для них стараются подбирать разные, взаимно перпендикулярные направления прозвучивания.
• УЗК осей и колёс подвижного железнодорожного состава – локомотивов и вагонов.
• УЗК сварных соединений. В случае с тавровыми и угловыми сварными соединениями сканирование может выполнять совмещённым или РС ПЭП со стороны вертикальной стенки (полки). Так, согласно п. 3.3.10 в РД 34.17.302-97 «Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения», прямые преобразователи используются для УЗК угловых швов приварки патрубков диаметром 300 мм и более (при наличии доступа). Причём датчик перемещают по внутренней поверхности шва и патрубка. Что касается стыковых соединений, то дополнительно к УЗК самих сварных швов, многие регламенты (например, РД-25.160.10-КТН-016-015 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов», п. 8.5.9) требуют проводить контроль прилегающих к нему участков основного металла трубы как раз с использованием прямых РС ПЭП с целью выявления возможных расслоений.

Во многих случаях прямые ПЭП для дефектоскопии прекрасно подходят и для измерения толщины в режиме однократного эхо-сигнала, в режиме однократного эхо-сигнала линии задержки, а также в режиме многократных эхо-сигналов и в теневом режиме. Однако существует ряд специфических задач, для решения которых эффективнее использовать специализированные датчики.

В качестве примера можно привести совмещённые ПЭП с линией акустической задержки. Задержка изготавливается из полиамида, полиимида, рексолита (полистерена) и пр. Наличие твердотельной акустической задержки помогает прибору и оператору чётче выделять на развёртке эхо-сигналы при измерении толщины. Это способствует уменьшению мёртвой зоны и делает такие датчики эффективными для измерения толщины тонкостенных изделий, в диапазоне от 0,25 мм. Хотя ГОСТ Р ИСО 16809-2015 «Контроль неразрушающий. Контроль ультразвуковой. Измерение толщины» рекомендует применять совмещённые ПЭП с плоскопараллельной твердотельной линией задержки для измерения поражённых коррозией стенок толщиной более 10 мм. Также ПЭП с акустической задержкой могут больше подойти для контроля на горячих поверхностях. Во многих таких датчиках (например, П111-15-Л6 или DL2,5P12) линия задержки сменная и фиксируется при помощи крепёжной гайки.

Ещё одна категория специализированных прямых раздельно-совмещённых преобразователей – это высокотемпературные ПЭП для толщинометрии. В отличие от стандартных датчиков, рассчитанных на температуры до +50 (реже – до +100 градусов Цельсия), такие ПЭП способны выдерживать кратковременный акустический контакт с поверхностями, нагретыми до 350, 400 или даже 500 градусов Цельсия. Длительность такого контакта не должна превышать 1–1,5 секунды. Причём использовать для него необходимо специальную смазку (пасту либо гель), которую наносят не на объект контроля, как обычные контактные жидкости, а на рабочую поверхность самого датчика. Ещё одна частая особенность высокотемпературных датчиков – наличие «юбки» (съёмной теплоотводящей оснастки) в нижней части корпуса. Она защищает пальцы оператора от ожога при проведении измерений. Некоторые ПЭП делают такие «юбки» съёмными. Примеры высокотемпературных ПЭП – П112-W5E, П112-10-6/2-Т-01, DTT2510.

Также в дефектоскопии, помимо контактных искателей, применяются иммерсионные прямые преобразователи для контроля эхо-методом. Они также бывают без фокусировки либо с фокусировкой, причём фокус также может быть сферическим (в точку) либо цилиндрическим (в линию). Иммерсионные ПЭП тоже возбуждают продольные волны, тоже могут иметь рабочую частоту 1,0–15,0 МГц, но отличаются тем, что корпус чаще изготавливается из нержавеющей стали и более специфичными разъёмами (Microdot S-50, HVR, UHF и др.). Пример – серии иммерсионных датчиков IPLM и IPL марки АМКРО.

Характеристики прямых преобразователей для УЗК​

При подборе датчика, прежде всего, руководствуются требованиями НТД и операционной технологической карты (ОТК). Практически в любой инструкции, методике или регламенте есть раздел, посвящённый выбору аппаратуры для ультразвукового контроля и требованиям к ней. Датчики подбираются с учётом геометрии объекта контроля, его толщины, затухания, шероховатости поверхности ввода, температуры, чувствительности (минимальный размер отражателей, подлежащих выявлению). Для толщинометрии большую роль играет также наличие покрытия на поверхности ввода и режим проведения измерений по упомянутому выше ГОСТ Р ИСО 16809-2015. Все эти обстоятельства, по идее, продумываются и учитываются авторами-разработчиками НТД. Дефектоскописту для проведения УЗД или УЗТ нужно лишь взять тот ПЭП, который соответствует предписанным требованиям. Некоторые НТД допускают отступление от собственных требований и разрешают использовать искатели с другими характеристиками, но с обязательным отражением данного факта в заключении (акте, протоколе) по результатам УЗК.

Что касается параметров прямых пьезоэлектрических преобразователей, то они отличаются друг от друга по ряду основных показателей. Большая часть из них отражается в паспорте на ПЭП.

• Способ акустического контакта. Самый распространённый тип – контактные преобразователи, рассчитанные на толщину слоя контактной жидкости меньше длины волны. Датчик в этом случае плотно прижимают к поверхности ввода. Существует также щелевой (толщина слоя контактной жидкости примерно равна длине волны) и иммерсионный (толщина слоя контактной жидкости равно 3–4 длинам волны и более) способ акустического контакта.
• Количество пьезоэлементов. У совмещённых преобразователей он один, у раздельно-совмещённых – два.
• Тип возбуждаемых волн. В подавляющем большинстве случаев прямые преобразователи используются для возбуждения продольных волн. Но встречаются и такие ПЭП, которые генерируют поперечные волны (например, серия ISW от «Физприбор»).
• Рабочая частота. Прямые преобразователи можно также разделить на низкочастотные с рабочей частотой 0,015–0,1 МГц и высокочастотные с рабочей частотой 0,5–100 МГц. Чем больше толщина объекта и чем «крупнее» величина зерна у того или иного сплава, тем ниже требуется частота. Чем выше чувствительность (меньше эквивалентная площадь максимально допустимых дефектов) – тем выше должна быть и частота. На практике в дефектоскопии чаще всего применяются прямые преобразователи с рабочей частотой 1,0–10 МГц, для толщинометрии – с рабочей частотой 2,5; 5, 10 и 15 МГц. Помимо рабочей частоты, датчики оценивают по так называемой полосе пропускания. Она представляет собой диапазон частот, в котором амплитуда отражённого импульса от опорного отражателя уменьшается не более чем на 6 дБ по сравнению с максимумом. Рабочая частота – это как раз та частота, при которой наблюдается этот самый максимум. Чем шире полоса пропускания, тем более равномерной амплитудно-частотной характеристикой обладают измерительные импульсы и тем меньше они претерпевают искажений в процессе преобразования электрических сигналов в акустические и обратно. В сочетании с широкополосным усилителем дефектоскопа (или толщиномера) это позволяет получать более короткие импульсы и, следовательно, более высокую разрешающую способность. С учётом технических возможностей современных приборов, стандартным прямым преобразователям для типовых задач ручного контроля вполне достаточно полосы пропускания в пределах 35–45%. То есть частоты, при которых импульс передаётся без существенного искажения амплитуды и формы, могут на 35–45% быть меньше и выше значения рабочей частоты. Однако если требуется повышенная разрешающая способность, например, если речь идёт об иммерсионном контроле, либо о прецизионных измерениях толщины, либо об УЗТ объектов под покрытиями, а также о механизированном и автоматизированном УЗК с использованием фазированных решёток – то для таких задач можно подобрать специализированные широкополосные ПЭП. Примеры – ST2512 и П112-10-6/2-Е. В качестве опорного отражателя для определения полосы пропускания ПЭП может использоваться цилиндрическая поверхность меры СО-3. Что касается низкочастотных прямых ПЭП, то в качестве примера можно привести серию М26 производства компании «Константа УЗК» с рабочими частотами от 40 кГц (0,04 МГц) до 800 кГц (0,8 МГц) и мягкими полиуретановыми протекторами для ультразвукового контроля теневым и эхо-импульсным методом. Низкочастотные прямые преобразователи выпускаются и под брендом «АМКРО». Они тоже идут с мягким силиконовым протектором, но есть и варианты исполнения с металлическим протектором. Отметим также, что низкочастотные прямые преобразователи применяются для ультразвуковой дефектоскопии бетонов, композитов, полимеров, пластиков, слоистых и иных материалов с большим затуханием. Такие ПЭП предназначаются для теневого метода и используются как для ручного, так и для автоматизированного способа контроля. Причём некоторых из таких низкочастотных прямых преобразователей являются бесконтактными, то есть они не нуждаются в контактной жидкости и позволяют выполнять прозвучивание через воздушный зазор. Пример – LS414-KST.
• Размер пьезоэлемента. Как мы отмечали выше, чем больше площадь пьезопластины – тем уже диаграмма направленности, больше ближняя зона, выше чувствительность в дальней зоне и тем выше больше контактная поверхность датчика. При работе с габаритным прямым преобразователем на изогнутых поверхностях с малым радиусом изгиба это может затруднить установление акустического контакта. Для УЗТ широко распространены миниатюрные совмещённые и РС ПЭП с малым диаметром контактной поверхности, адаптированные для высокоточных локальных измерений.
• Реверберационно-шумовая характеристика (РШХ). По ней можно судить об уровне собственных шумов датчика, вызванных отражениями ультразвуковых сигналов от его конструктивных элементов. От РШХ, в частности, зависит мёртвая зона и чувствительность. Сама реверберационно-шумовая характеристика прямых преобразователей, в свою очередь, зависит от эффективности демпфера, качества приклейки к нему пьезопластины, её размеров и формы. Во многом именно поэтому, дабы уменьшить радиальные колебания и снизить уровень шумов, для прямых ПЭП отдают предпочтение круглым пьезоэлементам (либо прямоугольным, но со скошенными краями).
• Задержка в протекторе (призмах). Имеется в виду время распространения ультразвукового импульса в протекторе/призмах РС ПЭП/линии задержки. Временная задержка определяется на этапе настройки глубиномера. Для этого удобно использовать меру СО-2 толщиной 59 мм, время прохождения продольной волны в которой нормировано и составляет 20 мкс. Однако в случае с прямыми преобразователями для калибровки задержки в протекторе (призмах) можно использовать практически любой настроечный образец известной толщины с плоскопараллельными гранями.
• Разрешающая способность. Имеется в виду минимальное расстояние между двумя дефектами одного размера, при котором они фиксируются раздельно. Разрешающая способность подразделяется на лучевую (если дефекты расположены в одну линию вдоль акустической оси) и фронтальную (если дефекты расположены перпендикулярно акустической оси). Разрешающую способность прямых преобразователей можно проверить по пропилам на мерах СО-1, V1, а также на образцах типа CBU. На практике далеко не всегда руководящие НТД требуют проверять разрешающую способность датчика перед проведением контроля.
• Мёртвая зона. Имеется в виду расстояние в приповерхностной зоне, на котором с заданным преобразователем, на заданном уровне чувствительности не удаётся зафиксировать эхо-сигнал от отражателя установленного размера. У совмещённых прямых преобразователей мёртвая зона может достигать 5–10 мм, у раздельно-совмещённых она чаще всего в пределах 0,5–1 мм. Проверять мёртвую зону можно по боковых цилиндрическим отверстиям диаметром 2 мм, расположенным в мере СО-2 на глубинах 3 и 8 мм. Делать это нужно после настройки чувствительности и поискового усиления (если таковое предусмотрено), однако, как и в случае с разрешающей способностью, требование о проверке мёртвой зоны встречается далеко не во всех НТД.
• Тип разъёма. В дополнение к вышесказанному заметим, что разъём Lemo 00 наиболее распространён у современных российских приборов. На старой аппаратуре ещё функционируют разъёмы CP-50 и РШ16. На зарубежных дефектоскопах и толщиномерах и датчиках к ним применяются похожие на CP-50 разъёмы BNC, а также довольно редкий SMA с накидными гайками и Microdot. Последний вариант не нравится многим дефектоскопистам из-за того, что кабели с таким разъёмом боятся постоянных перегибов и плохо подходят для восстановления/перепайки. В этом плане кабели с разъёмами Lemo 00 намного практичнее. Сами разъёмы дешевле, обеспечивают предельно лёгкое подключение и отключение кабеля. Кабели и прямые преобразователи с разъёмом Lemo 00 в изобилии представлены у всех ведущих российских производителей, что сильно экономит время при поиске новых расходников. Тот же Microdot, например, найти труднее. С точки зрения приборостроения, разъёмы Lemo 00 тоже практичнее ввиду того, что их можно закреплять даже на пластиковом корпусе. Разъёмы BNC и CP-50 более требовательны к прочности корпуса, поэтому их используют преимущественно для аппаратуры, рассчитанной на тяжёлые условия эксплуатации, в частности, для механизированного и автоматизированного контроля.
• Габариты и форма корпуса. Контактные прямые пьезоэлектрические преобразователи в стандартном исполнении имеют рабочую поверхность диаметром от 5 до 20 мм. Корпус чаще всего цилиндрической формы, диаметром до 15–30 мм и высотой до 60 мм. Также для дефектоскопии и толщинометрии выпускаются малогабаритные датчики, с диаметром рабочей поверхности 5–10 мм, диаметром корпуса до 20 мм и высотой до 25 мм. Есть и более радикальные решения типа П112-10-2x8-А-04 с контактной поверхностью всего лишь 2x8 мм или DTC1523 с контактной поверхностью 1,6x6 мм.

Если говорить про подбор прямых преобразователей под конкретные задачи, то стоит учитывать и ряд их «потребительских» качеств, не регламентированных нормативной документацией, но менее важных.

• Совместимость с прибором. Здесь два нюанса. Во-первых, все ультразвуковые дефектоскопы и толщиномеры, которые используются для проведения неразрушающего контроля на опасных производственных объектах с выдачей заключений, являются средствами измерений и подлежат обязательной сертификации с внесением в Государственный реестр СИ РФ. К каждому утверждённому типу СИ прилагается описание типа. В случае с дефектоскопами и толщиномерами в этом документе перечисляются определённые преобразователи, с которыми прибор может проходить поверку в аккредитованной лаборатории. В этом плане под «совместимостью» датчика с дефектоскопом или толщиномером означает наличие ПЭП в описании типа и возможность пройти поверку в соответствии с ним. Подробнее о данном аспекте можно почитать здесь. Однако для повседневной работы всё это может оказаться не обязательным. На практике с дефектоскопами и толщиномерами зачастую используются датчики, которых нет в описании типа, но которые можно корректно настроить для проведения контроля. Здесь уже большее значение имеют технические моменты: согласование с приёмно-усилительным трактом, возможность калибровки задержки в призме, настройки частоты посылок зондирующих импульсов и пр.
• Поддержка тех или иных методов и способов проведения контроля. Особенно актуально для ультразвуковой толщинометрии. Например, прямой раздельно-совмещённый преобразователь П112-10-6/2-А-01 при работе с ультразвуковым толщиномером «Булат 3» не поддерживает методы «Эхо-Эхо-Эхо» и «Зонд-Эхо-Покрытие», предусмотренные в данном приборе. А вот с другим ПЭП, П112-5-10/2-Е оба этих режима измерения толщины уже доступны.
• Конструкция и материал корпуса. Для его изготовления зачастую используется алюминиевый сплав либо полиамид. Форм-фактор может сильно отличаться в зависимости от производителя. Эргономичность, выемки на корпусе для более комфортного захвата, расположение шильдика, цвет – всё это уже, скорее, определяется предпочтениями конкретного дефектоскописта. Ещё один важный параметр – расположение разъёма (разъёмов) для подключения кабеля. Они могут находиться сбоку либо сверху. Выбор варианта исполнения зависит от условий проведения контроля. Так, для толщинометрии технологических трубопроводов, ввиду их близкого расположения друг к другу, более удобными зачастую оказываются прямые преобразователи с кабелями, подключаемыми сверху.
• Износостойкость протектора или призмы. Протектор у совмещённых прямых преобразователей чаще всего керамический либо полиуретановый. Призмы – из полимеров, кварцевого стекла, пластмассы, полиакрилата и т.д. При этом, повторимся, сама по себе устойчивость протектора или призмы к истиранию корректнее оценивать в соотношении к чувствительности и уровню шумов, которые свойственны тому или иному материалу. Например, в паспортах к прямым преобразователям производства компании «Константа УЗК» приводится средняя наработка на отказ – не менее 2 000 часов. Фактически же рабочий ресурс прямых преобразователей во многом зависит от шероховатости поверхности ввода, наличия на ней брызг металла, покрытия, температуры материала и пр. Здесь всё индивидуально: два одинаковых датчика на идентичных объектах, но у разных операторов могут «прожить» разное время.
• Наличие встроенной микросхемы памяти либо иного решения для идентификации прямого преобразователя при подключении к прибору. Во-первых, это позволяет автоматически подгружать необходимые настройки, что экономит время. Во-вторых, если говорить про совмещённые прямые ПЭП для дефектоскопии, использование предустановленных АРД-диаграмм делает возможным проведение контроля в этом режиме и определение эквивалентной площади выявляемых дефектов. Правда, при работе с современными дефектоскопами это уже не так критично: при наличии соответствующих настроечных образцов построить собственную АРД-диаграмму для нового датчика можно и самостоятельно.

У российских производителей нет проблем с культурой серийного производства прямых, да и вообще любых ПЭП для ультразвуковых дефектоскопов и толщиномеров. Топовые разработчики давно внедрили у себя системы менеджмента и сертифицировали их в соответствии со стандартами ISO 9001. Как показал опыт импортозамещения последних лет, отечественным производителям оказалось по силам выпускать качественные аналоги зарубежных ПЭП для корректной работы с приборами иностранных брендов.

Где лучше покупать прямые преобразователи для УЗД и УЗТ​

Спонсорами проекта «Дефектоскопист.ру» являются ведущие в РФ разработчики и производители прямых ПЭП.