Датчик акустической эмиссии – ключевой атрибут для контроля АЭ-методом
Датчик акустической эмиссии (преобразователь акустической эмиссии, или ПАЭ) – это устройство, преобразующее сигналы АЭ в сигналы электрические – для передачи на многоканальный блок (см. п. 2.4.1 в ГОСТ Р 55045-2012 "Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Термины, определения и обозначения"). Это важнейший компонент в акустико-эмиссионных системах, который располагается непосредственно на поверхности объекта контроля (ОК). Датчики акустической эмиссии широко применяются для акустико-эмиссионного контроля технических устройств (ТУ), зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору). Примеры таких ОК - магистральные трубопроводы, трубопроводы пара и горячей воды, резервуары вертикальные и горизонтальные стальные, всевозможное ёмкостное оборудование, ректификационные колонны, изотермические хранилища, запорно-регулирующая арматура, стальные и бетонные мостовые конструкции, холодильные установки, котлы и многое другое. Датчик акустической эмиссии предназначен для того, чтобы улавливать упругие и переходные акустические волны, возникающие при растрескивании, деформации, коррозионных разрушениях и иных «метаморфозах» со структурой материала. Например, при увеличении механического напряжения и образовании сквозных дефектов. От параметров датчиков акустической эмиссии зависит чувствительность АЭ-контроля, точность и достоверность его результатов. На каждом ОК, как правило, используют по нескольку ПАЭ, образующих так называемую антенну. Схема расстановки преобразователей определяется программой АЭ-контроля в соответствии с руководящей нормативной технической документацией (НТД) и операционными технологическими картами (ОТК). Именно ПАЭ преобразует сигналы акустической эмиссии (стохастическую физическую величину акустической природы, содержащую информацию о своём источнике и состоянии ОК) в электрический сигнал, который поступает на акустико-эмиссионную аппаратуру для последующей обработки, анализа и регистрации.Содержание:
Как работает датчик акустической эмиссииУстройство
Виды ПАЭ
Калибровка преобразователей акустической эмиссии
Установка ПАЭ на объекте контроля
Параметры ПАЭ
Где купить хорошие преобразователи для АЭ-контроля
Принцип работы датчиков акустической эмиссии
В отличие от ультразвуковой дефектоскопии (где ПЭП и генерируют, и принимают сигналы), преобразователь акустической эмиссии создан для приёма. Соответственно, ПАЭ целесообразно задействовать только в двух случаях:- если объект не выведен из эксплуатации и находится под нагрузкой. Так, акустико-эмиссионный контроль нередко организуют в рамках непрерывного интегрального мониторинга состояния ОПО;
- если эксплуатация объекта приостановлена, но параллельно с АЭ-контролем проводятся гидравлические или пневматические испытания (для ёмкостного оборудования и трубопроводов) либо с воздействием специальным нагружающим устройством (для боковых рам, надрессорных балок и прочих литых деталей для железнодорожного подвижного состава).

Как устроен преобразователь акустической эмиссии
Особенности конструкции проще продемонстрировать на примере пьезоэлектрических датчиков АЭ (есть и другие типы). Самые важные элементы – это:- пластина из пьезоэлектрической керамики (полимеров или иных материалов). На верхней и нижней горизонтальных поверхностях – слой металлического покрытия с припаянными разъёмами (типа BNC, Lemo, SMA, FME, CAN и другие). Они служат проводником для сигналов, которые по кабелю передаются на электронный блок АЭ-системы;
- демпфер. Уменьшает длительность свободных колебаний. Рабочая полоса частот становится шире, а чувствительность – более равномерной. Если бы не демпфер, то колебания пластины продолжались бы ещё очень долго после завершения сигнала. В то же время чрезмерное демпфирование занижает амплитуду импульсов, доступных для регистрации. Существуют ещё резонансные преобразователи акустической эмиссии (без демпфера), привлекательные повышенной чувствительностью – при регистрации узкого частотного диапазона вблизи резонансной частоты;
- протектор. Защищает пьезоэлектрическую пластину от истирания. Изготавливается из керамики, нержавейки, органических и неорганических смол с различными наполнителями для лучшей износостойкости. Покрывается дополнительной электрической изоляцией – для защиты от поверхностных «блуждающих» токов, которые образуются в поверхностных металлоконструкциях и «по вине» которых возникают электромагнитных помехи;
- корпус. Защищает внутренние детали от пыли, ветра, солнца, осадков, ударов, а заодно – снижает электромагнитные помехи. Для большей помехозащищённости корпус ПАЭ заливают эластичным эпоксидным компаундом. Он заполняет весь внутренний объём, герметично изолируя пьезоэлектрическую систему. Сами корпусы изготавливаются из нержавеющей стали и титановых сплавов – ввиду их надёжности и коррозионной стойкости. Герметичная конструкция – обязательное требование, поскольку ПАЭ располагаются под открытым небом, где масса агрессивных внешних воздействий. Особенно если учесть, что замена преобразователя на каком-нибудь высоком объекте (РВС, колонны) – очень проблематична и требует установки лесов, или вышек-тур, или привлечения автовышек.
Отдельно стоит сказать о преобразователях во взрывозащищённом исполнении. Ключевая особенность таких ПАЭ – искробезопасные электрические цепи, дополненные троированными ограничителями тока, защитными стабилитронами, буферными усилителями и высоковольтными разделительными конденсаторами. Дабы нам не завязнуть в приборостроительной терминологии, не будем подробно останавливаться на этих вещах. Отметим лишь, что наличие соответствующей маркировки на корпусе ПАЭ позволяет использовать их во взрывоопасных зонах. Например, на газоперерабатывающих и нефтехимических производствах.

Разновидности датчиков акустической эмиссии
Классификацию ПАЭ можно посмотреть в РД 03-300-99 "Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов". Выстроена она по нескольким признакам. Один из таких – коэффициент преобразования. В зависимости от этого выделяют следующие виды датчиков:- первого класса. С чувствительностью до 50*106 Вольт/метр (В/м), где В – амплитуда сигнала, снятого с ПАЭ. М – амплитуда акустической волны, которая на него поступает. Первый класс присваивается преобразователям: а) конденсаторного типа, б) на основе лазерных интерферрометров. С их помощью калибруют рабочие и эталонные ПАЭ;
- второго класса. С чувствительностью в пределах (50-100)*106 В/м. Это уже широкополосные датчики, в основе которых активный пьезоэлектрический элемент. Область применения та же – калибровка;
- третьего класса. С чувствительностью не более (100-200)*106 В/м. Это ПАЭ резонансного и полосового типа для лабораторных измерений. Можно применять также для мониторинга малогабаритных объектов – если расстояние между такими датчиками акустической эмиссии укладывается в 0,5–1 м;
- четвёртого класса. С чувствительностью более 200*106 В/м. Группа состоит из резонансных ПАЭ, у которых тоже есть активный пьезоэлектрический элемент. Прямое назначение – диагностика большинства ОПО, на которые распространяется акустико-эмиссионный метод.
- низкочастотные (до 50 кГц). Область применения – объекты, у которых большая протяжённость и высокий коэффициент затухания. Яркий пример – технологические трубопроводы;
- стандартные промышленные (от 50 до 200 кГц). Универсальное решение для большинства опасных производственных объектов. В частности, для сосудов и котлов;
- специальные промышленные (от 200 до 500 кГц). Позволяют контролировать малогабаритные объекты длиной до 1 м;
- высокочастотные (более 500 кГц). Ещё одна разновидность преобразователей акустической эмиссии для компактных объектов и исследовательских лабораторий.
ПАЭ можно также разделить по допустимой температуре эксплуатации. В отрицательном диапазоне она может достигать -30, -40, -50 и даже -120 ˚С. Что касается положительных температур, то производители чаще заявляют максимальные значения в +120, +150 ˚С. Некоторые системы могут работать при температуре +500 ˚С и выше. Также нельзя забывать о том, что у кабелей тоже есть свои ограничения по рабочим температурам.

Калибровка – обязательная процедура для датчиков акустической эмиссии
В отчёте по результатам АЭ-контроля обязательно указываются сведения о типе, количестве, марке преобразователей. К эксплуатации допускаются только те ПАЭ, которые прошли калибровку со специальными эталонными преобразователями. Процедура проводится раз в год (не реже) аккредитованными метрологическими организациями. Сведения о пройдённой калибровке отражаются в паспорте устройства (либо сертификате). Отсутствие такого документа – серьёзное нарушение, которое ставит под сомнение достоверность контроля и обоснованность заключения ЭПБ (если контроль проводился в рамках экспертизы промышленной безопасности). Первый же аудит укажет на эту ошибку. Последствия для лаборатории и её персонала могут оказаться самыми неприятными.Испытания датчиков проводятся методами абсолютных либо относительных измерений. Первый вариант – для поверки преобразователя акустической эмиссии в «кабинетной тиши» стационарной лаборатории, оборудованной образцовыми преобразователями и цифровым осциллографом с блоком памяти. При помощи этих средств определяют фактический коэффициент преобразования, длительность периода основных колебаний и количество выбросов импульсной характеристики.
Методы относительных измерений более близки к полевым условиям. Для такой калибровки можно использовать калибровочный блок – либо из того же материала, что и объект контроля, либо из другого, но очень близкого к нему по акустическим свойствам. Понадобится также капиллярная трубка (для создания механического возмущения) и нагружающее устройство. Не будем отнимать ваше время на описание схем измерений – кому интересно, рекомендуем почитать РД 03-300-99 (разделы 5, 6, 7). Этим документом, кстати, предусмотрена возможность замены калибровочного блока излучающим ПЭП. Главное – чтобы он плотно прилегал к контактной поверхности калибруемого и эталонного ПАЭ. Если будет интересно, можно ещё почитать советские учебники (например, В.И. Иванова и В.М. Белова), где описана градуировка преобразователей при помощи падающих металлических шариков и электроискровых разрядов. К счастью, это уже история.
Надо ли говорить, что к условиям проведения калибровки, источникам возбуждения сигналов, калибровочным блокам действуют свои требования. Они содержатся и в технических спецификациях (инструкциях) к самой аппаратуре, и в указанных нами нормативных документах.
Установка преобразователей акустической эмиссии на объектах
Место под преобразователь, как правило, предварительно зачищают. Шероховатость должна быть в пределах Rz 40 мкм. Для устойчивой акустической связи на поверхность наносят контактную среду. В зависимости от температуры эксплуатации для этих целей применяется машинное масло, эпоксидная смола, глицерин и иные жидкие вещества. Главное – чтобы затухание было минимальным. Впрочем, сухой контакт тоже допускается.Для установки ПАЭ применяются стационарные кронштейны либо съёмные струбцины, магнитные держатели, хомуты и др. Допускается даже использование клея, хоть на практике такое встречается не часто. Тем более что слишком большого усилия прижатия не требуется, так как масса преобразователей составляет в среднем от 15 до 120 г. Помимо самого датчика акустической эмиссии, необходимо закрепить соединительный кабель (длиной до 150 м) и предусилитель (если он не встроен в корпус самого преобразователя).
Завершающий этап установки – проверка ПАЭ при помощи имитатора АЭ-сигнала. Чаще всего используются карандаши с ломающимися грифелями (имитаторы Су-Нильсена) и ПЭП, возбуждаемые электрическими импульсами от генераторов. К имитационным импульсам предъявляются свои требования: частота от 1 до 100 Гц, длительность 0,1–0,2 мкс и т.д.
Совокупность ПАЭ на одном объекте, сигналы от которых обрабатываются совместно, образуют так называемую антенну. Количество и местоположение датчиков подбирается так, чтобы покрыть всю зону контроля. Особое внимание уделяется критическим местам – сварным соединениям, зонам повышенных напряжений, патрубкам, ранее отремонтированным участкам и пр.
Расстояние между датчиками акустической эмиссии рассчитывается таким образом, чтобы система могла распознать импульсы от имитаторов (и реальных источников АЭ) в любой точке зоны контроля. От антенны требуется также определение координат этих источников. Те, в свою очередь, рассчитываются по разнице времени, за которое сигналы поступают на преобразователи.
Для материалов с высоким коэффициентом затухания упругих волн применяют высокие и низкие частоты для более эффективного выявления и оценки источников АЭ-сигналов.
В тех случаях, когда установка ПАЭ на поверхности объекта невозможна, применяют волноводы – устройства для «сосредоточения» и направления акустических импульсов. Он решает 2 задачи:
1) обеспечивает прямой путь прохождения волны от источника (дефекта) к ПАЭ;
2) оберегает преобразователь от повышенных температурных нагрузок.
Наличие волновода может привести к некоторым изменениям амплитуды, формы и иных параметров волны.

По каким характеристикам подбирают преобразователи акустической эмиссии
Технические требования к ним содержатся в РД 03-300-99, ПБ 03-593-03 (отменён с 01.01.2021 года, но применяется в качестве методического источника), а также в иных нормативно-методических документах (у каждой категории объектов – свои). Помимо ранее перечисленных конструктивных особенностей, наиболее важными считаются следующие параметры.- Коэффициент электроакустического преобразования. У датчиков с одного объекта коэффициенты должны различаться не более чем на 3 дБ. В пределах этих же 3 дБ допускается отклонение под влиянием температуры.
- Число выбросов, период колебаний и энергия типичной импульсной характеристики.
- Амплитудно-частотная характеристика.
- Физическая ёмкость.
- Диапазон рабочих температур.
- Скорость обработки импульсов, которую способен обеспечить преобразователь. Косвенный показатель, поскольку зависит не только и не столько от ПАЭ, сколько от электронного блока и его вычислительной мощности.
- Гарантийный срок безотказной эксплуатации.
- Размеры. Так, далеко не каждый преобразователь подойдёт для контроля подшипников.
- Максимально допустимая длина кабеля для уверенного приёма сигналов. К некоторым ПАЭ можно подключать коаксиальные кабели длиной до 300 м, для других максимум – 150 м.
На форуме «Дефектоскопист.ру» вы всегда можете найти и/или запросить информацию по выбору и использованию ПАЭ. В сообществе зарегистрированы сотни специалистов АЭ всех квалификационных уровней, а также преподаватели, учёные-исследователи, методисты, представители фирм-производителей аппаратуры. Чтобы задать вопрос по преобразователям и в целом по АЭ-контролю, пройдите регистрацию и создайте свою тему в разделе «Акустическая эмиссия».
Где купить датчики АЭ
Один из ведущих разработчиков и производителей в РФ – научно-производственное объединение «Алькор». Предприятие существует с 1991 году и всё это время специализируется исключительно на акустико-эмиссионном методе. На технической базе в Дзержинске (Нижегородская область) выпускаются многоканальные системы и преобразователи акустической эмиссии, которые успешно применяются на ОПО нефтегазовой и химической промышленности по всей стране. Специалисты НПО «Алькор» постоянно занимаются научными исследованиями и опытно-конструкторскими разработками, сами проводят акустико-эмиссионный контроль на объектах и регулярно выступают с докладами на конференциях по всему миру. Созданные этой командой диагностические комплексы внесены в Государственные реестры СИ РФ, Казахстана, Беларуси. Чтобы купить датчики и другую аппаратуру для метода АЭ, свяжитесь с коммерческим отделом НПО «Алькор»: +7 (8313) 25-26-10, +7 (920) 074-13-23, alcor@alcor.pro.
Многие из партнёров «Дефектоскопист.ру» предоставляют форумчанам хорошие скидки. Берегите бюджет своей лаборатории – и покупайте оборудование неразрушающего контроля только у надёжных поставщиков!