Ультразвуковой дефектоскоп: как устроен, какими функциями обладает и как не ошибиться с выбором​

Импульсный ультразвуковой дефектоскоп – это прибор, предназначенный для акустического контроля сварных соединений, наплавок, поковок, основного металла, листового, фасонного проката и иных материалов на предмет несплошностей и неоднородностей. Это основная единица аппаратуры для активного метода УЗК – ручного, механизированного и автоматизированного. Именно от дефектоскопа зависит производительность, чувствительность, точность и достоверность контроля. В классическом понимании под ним подразумевается электронный блок, работающий с пьезоэлектрическими преобразователями, сканерами и иными вспомогательными и регистрирующими устройствами.

В учебной литературе принято делить ультразвуковые дефектоскопы на аналоговые и цифровые. Первые сегодня встречаются крайне редко – это морально устаревшая аппаратура. С ней операторам приходилось вручную производить многочисленные расчёты, например, для определения эквивалентной площади дефектов. Прозвучивание и обработка результатов занимала слишком много времени. Тем не менее, среди "ветеранов" отечественной УЗ-дефектоскопии по-прежнему в почёту легендарный УД2-12 ("Рыжик"), USK-7S и др. В сегодняшнем мире приборы построены на цифровых технологиях и оснащаются микропроцессором, дисплеем, энергонезависимой памятью. Подробная информация об их технических возможностях доступна ниже, ну а пока – попробуем разобраться с принципиальной архитектурой приборов для акустического НК.

Устройство современных ультразвуковых дефектоскопов​

В структурной схеме практически любой модели можно выделить следующие функциональные блоки:

• синхронизатор – отвечает за правильную временную последовательность работы всех функциональных узлов, включая АСД и ВРЧ. Последовательность их включения относительно посылки зондирующего импульса управляется посредством выработки электрических зондирующих импульсов. Так называемая частота посылок варьируется в диапазоне от 50 до 8000 Гц. Но поскольку для большинства стандартных РУЗК достаточно 400 Гц, то во многих приборах частоту посылок можно настраивать в пределах до 500 Гц. Чем выше частота следования ЗИ, тем выше производительность контроля, но для её увеличения есть несколько сдерживающих факторов. Первая - отношение сигнал/шум и риск возникновения фантомных сигналов вследствие реверберации. Вторая - ограничения скорости перемещения ПЭП физиологическими возможностями оператора. При ручном способе контроля она не превышает 100-150 мм/с. Для автоматизированных систем контроля, правда, этот параметр не столь важен. Кроме того, увеличение частоты чревато увеличением ближней зоны и мёртвой зоны, но об этом мы поговорим в другой раз;
• генератор зондирующих импульсов (сокращённо – ГСИ). Он же - генератор импульсов возбуждения. Именно он отвечает за вырабатывание высокочастотных электрических импульсов, которые возбуждают пьезопластину, вследствие чего в ОК вводятся упругие колебания. Для современных ультразвуковых дефектоскопов стандартом считаются короткие (длительностью всего несколько единиц микросекунд) колоколообразные импульсы с узким спектральным составом;
• приёмно-усилительный тракт с узкополосным или широкополосным усилителем высокой частоты и ограничителем амплитуды для защиты от перегрузок. В нём также реализована схема временной регулировки чувствительности (ВРЧ) для подавления реверберационно-шумовых помех и выравнивания чувствительности по глубине. Дополнительно предусмотрен аттенюатор (калиброванный делитель напряжения), который и измеряет отношение амплитуд принятых сигналов. Аттенюатор размещают на входе приёмно-усилительного тракта и обладает диапазоном измерений порядка 100 дБ. Кроме него, к приёмно-усилительному тракту современных ультразвуковых дефектоскопов относится предусилитель, узко- или широкополосный усилитель высокой частот, детектор, видеоусилитель и регулятор отсечки;
• глубиномер для установления координат залегания дефекта. Измеряя время между моментом излучения зондирующего импульса и моментом приёма отражённого сигнала, глубиномер также определяет толщину стенки объекта, расстояние до отражателей по лучу и по сканируемой поверхности ОК (от точки ввода или от передней грани пьезоэлектрического преобразователя);
• система автоматической сигнализации дефектов (АСД) со стробирующим устройством. Стробирующие импульсы носят характер вспомогательных. С их помощью можно установить требуемую зону контроля, отслеживать акустический контакт, точнее подстраивать чувствительность и повышать помехоустойчивость ультразвукового дефектоскопа. Оператор может задать начало, уровень и ширину строба - и прибор будет автоматически издавать световой и/или звуковой сигнал, если амплитуда эхо-сигнала от отражателя превышает уровень фиксации. Современные приборы позволяют одновременно задействовать сразу два строба и тем самым вести контроль сразу в двух зонах. Это же позволяет точнее измерять задержку в призме и, например, толщину стенки ОК под покрытием;
• жидкокристаллические или катодно-люминесцентные индикаторы (вместо электронно-лучевой трубки в старой аналоговой аппаратуре);
• постоянное запоминающее устройство для хранения настроек и результатов контроля;
• система питания – как правило, дублированная, для работы и от сети переменного тока, и от встроенного аккумулятора;
• дисплей (экран) и панель управления.

Ультразвуковые дефектоскопы для контроля сварных швов представлены большим количеством всевозможных модификаций. В российских лабораториях широкое распространение получили приборы НПЦ «Кропус», АКС, НПК «ЛУЧ», Olympus, Harfang, НПГ «Алтек», Krautkramer (ныне – Waygate Technologies), НПЦ «Эхо+», НПК «Техновотум», ZETEC, Sonotron NDT и др. Перечисленные выше элементы – лишь базовый перечень важных узлов, которые можно объединить условным термином «железо». В нынешних же реалиях не менее важным становится программное обеспечение (ПО), интерфейс, «софт». На первый план выходит быстродействие, многозадачность, удобство настройки, работа с архивом результатов УЗК. И, конечно же, в современных приборах есть USB, Bluetooth, Wi-Fi, кабельные разъёмы и прочие порты проводной и беспроводной связи – для экспорта рабочих файлов на ПК и последующей обработки.

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП)​

По-хорошему, это тема для отдельной статьи, но, говоря об ультразвуковом дефектоскопе, нельзя не сказать о них хотя бы пару слов. ПЭП – это те самые датчики, которые преобразуют электрическую энергию в акустическую и обратно, используя так называемый пьезоэлектрический эффект. Преобразователи бывают:

• контактными и иммерсионными;
• прямыми и наклонными;
• совмещёнными и раздельно-совмещёнными.

Что касается конструкции, то ПЭП для ультразвуковых дефектоскопов состоят из следующих функциональных частей:

• пьезоэлемента. Непосредственно преобразует электрические колебания в упругие и наоборот. Изготавливается из пьезокерамики. ;
• катушки. Благодаря ей достигается наибольший коэффициент вышеупомянутых преобразований энергии;
• электродов. Обеспечивают равномерное распределение электрического заряда по поверхности пластины. Представляют собой тончайший слой (всего в несколько тысячных долей мм) серебра или иного проводящего покрытия;
• демпфера. Гасит свободные колебания пьезоэлемента, чем способствует получению более коротких импульсов. Для производства используют смолы искусственного происхождения со специальными порошковыми добавками;
• призмы (у наклонных ПЭП) или протектора (у прямых ПЭП). Отвечает за излучение нужного типа волны и соблюдение заданного угла ввода. Для производства призм предпочтение отдаётся оргстеклу, полистиролу, поликарбонату и иным материалам с высоким коэффициентом затухания – для быстрого гашения повторных отражений. Ультразвуковой дефектоскоп может комплектоваться дополнительными сменными призмами с индивидуальными углами ввода. Иногда их изготавливают по спецзаказу. Протектор защищает пьезоэлемент и призму от изнашивания и улучшает акустический контакт с объектом. Протектор может приклеиваться либо использоваться в качестве сменной насадки. Часто изготавливается из специальной керамики;
• акустического экрана. Изолирует излучающую и приёмную части раздельно-совмещённых ПЭП, препятствует взаимодействию между ними. За счёт этого волна доходит до приёмника исключительно через объект, а не напрямую от излучателя. Экраны изготавливают из пробки либо пенопласта;
• корпуса из металла или пластика. В последнем случае его покрывают изнутри тонким слоем металла для создания экранирующих свойств. На корпус наносится условное обозначение (маркировка) ПЭП, точка выхода, вспомогательная шкала для измерения стрелы. В корпусе же предусматриваются разъёмы для подключения коаксиального кабеля (на сегодня доминируют разъёмы типа Lemo 00).

Типы развёрток​

По мере сканирования на дисплей ультразвукового дефектоскопа выводится рабочая информация. Данные отображаются по определённому закону в виде развёртки (скана). Предусмотрено несколько её основных типов.

• A-развёртка. Высота отображаемых импульсов пропорциональна амплитуде, а их положение на горизонтальной линии определяется временем прохождения акустического тракта УЗ-волной.

• B-развёртка. Сигналы отображаются в определённом масштабе в виде точек на поперечном сечении объекта, параллельном направлению прозвучивания и перпендикулярном сканируемой поверхности.

• C-развёртка. Ультразвуковой дефектоскоп строит проекцию исследуемого объекта в некотором масштабе на поверхности сканирования. Амплитуду сигналов можно оценивать по яркости и цветовой палитре точек.

• D-развёртка. При приёме сигналы визуализируются в некотором масштабе в виде точек на продольном сечении исследуемого объекта, которое ориентировано перпендикулярно поверхности сканирования и направлению прозвучивания. Не самый популярный вид развёртки - применяется преимущественно в установках для МУЗК и АУЗК.

В ультразвуковых дефектоскопах с поддержкой фазированных решёток и TOFD встречается также S-скан. Речь идёт о так называемом секторном сканировании, при котором апертуры остаются постоянными, а отклонение луча происходит последовательно под разными углами. Главная особенность S-сканов в том, что они позволяют получить динамическое изображение в режиме реального времени по мере движения преобразователя. Технология очень эффективна для визуализации дефектов, включая беспорядочно ориентированные.

Говоря об ультразвуковых дефектоскопах с поддержкой фазированных решёток, нельзя также не упомянуть про L-скан. Это результат линейного сканирования, когда изображение формируется в виде параллелограмма за счёт пучков, сгенерированных разными активными элементами кристалла. Угол ввода при этом постоянен.

Наконец, существуют ещё Т-сканы, 2D- и 3D-визуализация, мульти-сканы и т.д. Данному вопросу нужно не только посвятить отдельную статью, но и периодически её обновлять, поскольку современные приборы, «обрастая» мощными вычислительными возможностями и цветными дисплеями высокой чёткости, постоянно совершенствуются.

Как выбрать ультразвуковой дефектоскоп​

Если оставить за скобками форму отображение сигналов на дисплее, то при подборе акустического прибора рекомендовано учитывать следующие технические параметры:

• тип зондирующего импульса. Чаще всего он колоколообразный, реже - ударный;
• частоту следования зондирующих импульсов. От этого зависит максимально допустимая скорость сканирования и фактическая производительность контроля. Многие ультразвуковые дефектоскопы позволяют вручную изменять частоту, подстраиваясь под прозвучивание материалов с разным коэффициентом затухания. Во многих моделях данная настройка и вовсе регулируется автоматически в зависимости от параметров развёртки;
• длительность развёртки. Или, говоря по-простому, интервал времени, в течение которого можно вывести на дисплей отражённый эхо-сигнал. Чем длительность меньше, тем легче производить контроль объектов с малой толщиной стенки и с близко расположенными дефектами;
• шаг изменения развёртки. Чем он меньше, тем более плавной получается настройка. В большинстве современных дефектоскоп настройка масштаба развёртки не составляет никакой проблемы - это делается простым нажатием клавиш "вправо-влево" (либо "вверх-вниз");
• возможность задать задержку развёртки. Имеется в виду некоторый временной интервал, в течение которого сигнал не будет отображаться на дисплее. Например, для корректного отображения сигналов при послойном контроле толстостенных ОК;
• диапазон принимаемых трактом частот. Казалось бы, широкий частотный диапазон усилителя означает высокую чувствительность и улучшенное выявление мелких и близко расположенных дефектов. С другой стороны, это чревато повышенным уровнем шумов и снижением чувствительности. Узкополосный усилитель обладает большей помехоустойчивостью, но требует перенастройки при смене рабочей частоты. Аппаратная и программная часть современных ультразвуковых дефектоскопов позволяет точнее подстраиваться под контроль мелко- или крупнозернистых материалов;
• удобство выполнения амплитудной коррекции. Имеется в виду временная регулировка чувствительности (ВРЧ), кривые амплитуда-расстояние-диаметр (АРД-диаграмма), DAC или АРК (кривая амплитуда-расстояние). Потребность в ВРЧ, например, продиктована тем, что по мере естественного затухания ультразвуковых колебаний в материале амплитуда эхо-сигналов уменьшается. ВРЧ предполагает выравнивание амплитуд. Суть в том, чтобы сигналы от одинаковых отражателей выводились на экран с одинаковой амплитудой – вне зависимости от глубины залегания. Чем больше глубина ВРЧ, тем выше соотношение реальных амплитуд, которые можно выровнять. Современные модели позволяют задавать 20 опорных точек и более. АРД-диаграммы позволяют определять эквивалентную площадь дефектов, но несколько осложняют настройку (их нужно строить под каждый конкретный ПЭП). АРК и DAC чаще используются при контроле по зарубежным НТД;
• количество зон контроля (стробов) и логика срабатывания АСД (например, выше/ниже порогового уровня). В большинстве современных ультразвуковых дефектоскопах реализована комбинация световой и звуковой сигнализации и возможность вести контроль одновременно в двух независимых зонах;
• погрешность измерения различных характеристик – времени прохождения сигналов, их амплитуды, скорости УЗ-волны, расстояний по лучу и по сканируемой поверхности;
• характеристики дисплея – размер, разрешение, частота обновления кадров. Жидкокристаллические экраны требуют меньшего расхода энергии и безопасны для зрения. Электролюминесцентные – отличаются большей яркостью и частотой обновления кадра, но чаще вызывают утомляемость органов зрения и нуждаются в более мощных аккумуляторах. Современные цифровые дисплеи позволяют менять цвет кривых, вспомогательных сеток, огибающих сигналов и фона для комфортной работы при любой освещённости;
• вместимость памяти для сохранения настроек и результатов. Удобство ПО для поиска и обработки нужных данных;
• ёмкость аккумулятора, продолжительность автономной работы, скорость зарядки;
• класс прочности, пыле- и влагозащищённости корпуса, вес, габариты, наличие ручек, солнцезащитной бленды и т.д.

Прежде чем покупать тот или иной ультразвуковой дефектоскоп, нужно убедиться, соответствует ли он требованиям отраслевой техдокументации, внесён ли он в Госреестр СИ. В системе ПАО «Газпром», например, есть свой реестр средств НК, равно как и в ОАО «РЖД». Отталкиваться нужно от объекта, объёма контроля, требований инструкций, критериев отбраковки. Неплохо бы ознакомиться с реальными отзывами от сотрудников испытательных лаборатории, которые уже знакомы с интересующей вас моделью. Где взять эту информацию, спросите вы? Самый короткий и верный путь – зарегистрироваться на форуме «Дефектоскопист.ру» и задать вопрос другим специалистам УЗК.

И последнее по данному параграфу. Важно понимать, что ни один ультразвуковой дефектоскоп – не вечен. Поэтому, присматриваясь к той или иной модели, оцените ещё и производителя, который её выпустил. В каком объёме и на каких условиях предоставляется техподдержка? Где находится сервисная служба? Как быстро производится гарантийный и послегарантийный ремонт? Нет ли перебоев с поставкой запчастей? Насколько доступна их стоимость? Занимаются ли аппаратурой данной марки другие сервисные центры? Акустический прибор – та вещь в лаборатории, которая будет применяться едва ли не каждый день. Важно быть готовым к быстрому и качественному устранению поломок и повреждений.

Функционал цифровых ультразвуковых дефектоскопов​

Помимо отображения уже описанных развёрток, современные акустические приборы в зависимости от модификации могут выполнять множество других функций:

• одновременно обрабатывать данные сразу по нескольким каналам;
• строить A-, B-, C-, D-, L-, S- и/или T-сканы;
• сканировать объект с заданным шагом и разрешением;
• производить автоматическую калибровку скорости распространения звуковой волны и диапазона контроля при известной толщине объекта контроля;
• выполнять фильтрацию сигналов (для стандартных задач фильтры обычно не требуются);
• использовать конструктор сварных соединений (ультразвуковой дефектоскоп УСД-60ФР, например, позволяет задать геометрию шва, выбрать режим прозвучивания и положение ПЭП);
• задействовать инструменты «Лупа», «Стоп-кадр» («Заморозка») для более детального изучения эхограммы;
• строить АРД-диаграммы для оценки размеров дефектов (суть метода в том, чтобы сравнить амплитуду реального эхо-сигнала от отражателя с амплитудой эхо-сигнала от плоскодонного отверстия на такой же глубине);
• определять координаты отражателей;
• записывать огибающую максимума сигнала в исследуемой зоне;
• изменять цветовую гамму и яркость дисплея – чтобы было комфортнее подстраиваться под разные условия освещения.

Ультразвуковые дефектоскопы с поддержкой фазированных решёток и TOFD умеют много больше этого. В частности, речь идёт о реализации различных фокальных законов (набора переменных параметров канала – мощности, амплитуды, длительности зондирующего импульса, задержки, длительности развёртки и других). Множество инструментов предусмотрено для управления эффективной площадью излучения, его направленностью. В зависимости от типа прибора оператор может использовать 16-, 32-, 64- или даже 128-элементные датчики. Это, а также возможность генерации пучка точно в зоне несплошности многократно повышает производительность и точность контроля.

Если резюмировать, то современный ультразвуковой дефектоскоп – мощный инструмент для неразрушающего акустического контроля. Благодаря передовым секторному сканированию, дифракционно-временному методу (вышеупомянутый TOFD), новейшим цифровым технологиям приборостроения УЗК в последнее время всё чаще рассматривается в качестве полноценной альтернативы рентгену. При этом, несмотря на мощный функционал, акустические приборы становятся проще в работе – благодаря сохранению типовых настроек, интерактивным подсказкам, текстовым заметкам и другим полезным «фишкам» ПО.

Обучение работе с ультразвуковым дефектоскопом​

Разумеется, начинать нужно с изучения руководства пользователя (инструкции) и паспорта прибора. По возможности можно (и нужно) обращаться к службе техподдержки производителя. Некоторые изготовители, например, дополнительно проводят обучающие семинары и мастер-классы. Это могут быть открытые встречи для всех желающих либо платные курсы.

«Набивать руку» желательно под присмотром опытного наставника. По мере проведения контроля разных объектов из разных материалов вы станете лучше разбираться в ПО, выработаете «короткие пути» до нужных настроек и функций, привыкнете к цветовой гамме развёрток, научитесь правильно сохранять и обрабатывать результаты.

Для лучшего понимания принципа работы ультразвукового дефектоскопа рекомендуем также побольше читать учебной и научно-технической литературы. В особенности это касается «классики жанра» – трудов В.Г. Щербинского, И.Н. Ермолова, А.К. Гурвича, Е.Ф. Кретова, В.А. Троицкого, В.Ю. Попова, Ю.В. Ланге и других авторитетных авторов. Свои учебные пособия есть в разных институтах и аттестационных центрах. Например, многие специалисты УЗК высоко отзываются о материалах, которые готовят для своих студентов преподаватели Томского политехнического университета, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ПГУПС и т.д.

Помимо книг, пособий и справочников, нужно внимательно изучать руководящую документацию, и в особенности технологические карты, по которым предстоит работать. В грамотно составленной техкарте содержатся подробные указания по настройке ультразвукового дефектоскопа, выбору ПЭП, схемы прозвучивания, измерению характеристик дефектов и т.д. Уверенное знание нормативно-технической документации – это вообще ключ к успеху в профессии дефектоскописта, к слову сказать.

Наконец, если при работе с акустическим приборов возникают какие-либо трудности, вы всегда можете обратиться за советом к старшим товарищам. Сделать это можно на форуме «Дефектоскопист.ру». На нашем сайте зарегистрированы тысячи специалистов УЗК всех квалификационных уровней, I–III, а также преподаватели, представители фирм-производителей аппаратуры, сервисных центров и пр. В разделе «Ультразвуковой контроль» можно получить информацию практически по любым вопросам, связанным с подбором, эксплуатацией, метрологическим и техническим обслуживанием ультразвуковых дефектоскопов.

Где купить ультразвуковой дефектоскоп​

Среди приборов для акустического контроля очень жёсткая конкуренция. Чтобы подобрать и приобрести хороший прибор для УЗК, вы можете обратиться к партнёрам форума «Дефектоскопист.ру».