Рекомендации по выбору ультразвуковых преобразователей

От выбора ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) зависит достоверность и качество ручного ультразвукового контроля, поэтому к выбору ультразвукового преобразователя стоит относиться крайне серьезно. Начнем выбор с нормативной части, все типы ПЭП применяемые при ультразвуковом контроле должны в обязательном порядке соответствовать ГОСТ Р 55725-2013.

Рассмотрим требования данного стандарта подробнее.

Классификация ультразвуковых преобразователей

Пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи классифицируют по следующим признакам:

• По способу осуществления акустического контакта: - контактные; - иммерсионные.
• По направлению ввода акустических волн в исследуемый объект: - прямые; - наклонные; комбинированные.
• По электроакустическому исполнению: совмещенные; - раздельно-совмещенные.
• По наличию фокусировки: - фокусирующие; - нефокусирующие.
• По основному типу применяемых волн: - продольных волн; - поперечных волн; - поверхностных волн; головных волн.

Приведённая классификация упрощает выбор датчика под конкретные условия. Также, по данному стандарту мы можем заметить, что тип ПЭП определяют сочетанием перечисленных выше признаков.

Рассмотрим обозначения наиболее часто используемых датчиков при ручном ультразвуковом контроле с применением дефектоскопов общего назначения и настроечных образцов:

П111 – в соответствии с ГОСТ Р 55725-2013 это контактный (1), прямой (1), совмещенный (1)

П121 – в соответствии с ГОСТ Р 55725-2013 это контактный (1), наклонный (2), совмещенный (1)

П112 – в соответствии с ГОСТ Р 55725-2013 это контактный (1), прямой (2), раздельно - совмещенный (2)

П122 – в соответствии с ГОСТ Р 55725-2013 это контактный (1), наклонный (2), раздельно - совмещенный (2)

У преобразователей П111 и П121 рабочим является один пьезоэлемент, он является и приемником, и излучателем ультразвука.

У преобразователей типа П112 и П122 рабочими являются 2 пьезоэлемента, один из которых является излучателем, а другой приемником ультразвука.

У каждого из применяемых ультразвуковых преобразователей, ввиду конструктива, свои отличительные особенности и свои недостатки.

Основные требования к изготовлению ультразвуковых преобразователей

В стандарте есть общие требования к изготовлению ПЭП, здесь и далее будут отражены только самые важные моменты.

• ПЭП должны быть изготовлены в соответствии с требованиями настоящего стандарта и технических условий на ПЭП.
• На боковой плоской поверхности наклонных ПЭП, предназначенных для ручного контроля, должна быть нанесена метка или шкала с меткой для обозначения точки выхода.

• Каждый пьезодатчик должен иметь чёткую и устойчивую к износу маркировку.
• Надписи и защитное покрытие обязаны сохраняться при механическом воздействии и не повреждаться под действием контактных жидкостей.
• На каждый датчик оформляется индивидуальный технический паспорт по требованиям ГОСТ Р 55725-2013 и ГОСТ Р 55808. В нём указываются параметры датчика, дата проведения проверки и данные специалиста, выполнившего измерения.
• Паспорт также содержит информацию о нормативных документах, на основании которых проводились испытания, а также о рекомендуемых условиях хранения и транспортировки.
• Если температура влияет на характеристики датчика и может вызывать погрешность измерений, производитель обязан указать, как именно меняются параметры при нагреве.
• Для моделей, предназначенных для работы при повышенных температурах, дополнительно приводятся данные о максимально допустимой температуре поверхности контролируемого объекта и времени, в течение которого датчик может находиться с ней в контакте без потери точности и повреждений.
   

Разъемы ультразвукового преобразователя

Теперь немного о разъемах. Тут все относительно просто, наиболее часто применяемыми разъемами являются разъемы швейцарской фирмы LEMO и их китайские аналоги, на втором месте идут отечественные разъемы СР-50 (в основном применяются на старой аппаратуре и в РЖД). У разъемов LEMO есть 2 модификации, применяемые в дефектоскопии это LEMO 00 и LEMO 01 (большего размера чем LEMO). Если приобретаемый вами пьезодатчик имеет стандартные габариты, то, как правило, на нём установлен разъём LEMO 00.
В миниатюрных датчиках, особенно высокочастотных (10–15 МГц), иногда применяются более компактные разъёмы Microdot, но встречаются они довольно редко. Знать тип разъема на ПЭП нужно для того, чтобы верно подобрать кабель, соединяющий его с дефектоскопом (если таковой не идет в стандартном комплекте его поставки).
Далее разберем по порядку все моменты, которые стоит учесть при покупке ПЭП каждого типа.

Особенности при выборе ультразвуковых преобразователей

Особенности ультразвуковых преобразователей П111

• Материал корпуса преобразователей П111 может быть, как пластиковый, так и металлический, данное свойство влияет только на потребительские характеристики (пластиковый корпус хуже переносит падения и другие механические повреждения).

• Размер пьезоэлемента (указывается в паспорте), совместно с рабочей частотой, влияет на ширину раскрытия диаграммы направленности и как следствие, на диапазон контроля. Правило простое: чем меньше размер пьезоэлемента и выше его частота, тем меньшие толщины можно проконтролировать данным ПЭП. Обычно в НТД на проведение контроля указан размер пьезоэлемента и его частота. Эта зависимость является основной для выбора частоты при контроле малых толщин.
• Наличие (возможность установки) дополнительной линии задержки или эластичного протектора для контроля изделий с высокой шероховатостью. В российских НТД (ПНАЭ Г-7-032-91 УЗК Часть 4 Контроль сварных соединений из сталей) регламентировано использование внешних съёмных линий задержки, но это требуется, как правило, только для узкоспециализированных видов контроля. В обычной практике такие датчики применяются редко. Датчики, предназначенные для работы с поверхностями повышенной шероховатости, используются чаще, однако в основном при контроле изделий значительной толщины.

Особенности ультразвуковых преобразователей П112

• Материал корпуса преобразователей П112 может быть, как пластиковый, так и металлический, данное свойство влияет только на потребительские характеристики (пластиковый корпус хуже переносит падения и другие механические повреждения). Также для некоторых Заказчиков критично расположение разъемов, они могут располагаться как сбоку, так и сверху.
• Размеры пьезоэлементов, как и в П111 влияют на вид диаграммы направленности.
• В качестве материала для призм используют как классическое оргстекло, так и износостойкий полимер, например, Rexolite. От материала призм напрямую зависят 2 вещи – диапазон контроля ПЭП и рабочая температура контроля. При температурах до ~350 °С рекомендуются призмы из кварцевого стекла и высокотемпературные контактные гели.
• Возможность притирки под трубы малого диаметра, например, для измерения их толщины или контроля расслоений. Для П112 может выполняться притирка под трубы малого диаметра, однако такую услугу предлагают не все производители. Процесс занимает больше времени, поскольку требует дополнительных расчётов и точной подгонки геометрии.
• Все используемые для пьезодатчики условно можно разбить на 2 группы: толщиномерные и дефектоскопические, по конструктиву это будут разные ПЭП (даже имеющие одинаковые частоту и размер пьезоэлемента) и крайне нежелательна замена одного ПЭП на другой.
  Иными словами, толщиномерные ПЭП сконструированы таким образом, чтобы обеспечить уверенное озвучивание максимального диапазона толщин с возможностью как можно более точного принятия отраженного сигнала от условной донной поверхности (в них отсутствует согласование с дефектоскопом/толщиномером, которое дает дополнительную погрешность при измерении толщины). Перед дефектоскопическими П112 стоит задача выявления размеров дефектов в заявленном диапазоне контроля, погрешность измерения толщины для них не так актуальна как для толщиномерных, поэтому производители встраивают в них согласующие элементы, позволяющие улучшить их чувствительность.
• У ПЭП типа П112 на корпусе присутствует метка, которая показывает расположение генератора. При работе с данным П112, оператору-дефектоскописту, следует подключать ее к генератору дефектоскопа или толщиномера.

• В ряде случаев производители не устанавливают разъемы на корпусе ПЭП, а выводят их на кабеле, имеющим разъемы аналогичные соединительному кабелю для подключения к дефектоскопу или толщиномеру, в общем случае существенных различиев в работе это не имеет, но необходимо этот факт учитывать при заказе.

• При заказе толщиномерных ПЭП, в отличие от остальных следует учитывать тот факт, что толщиномерные ПЭП имеют так называемую V-коррекцию (в общем случае это поправка на толщину экрана между приемником и генератором) которая у каждого производителя толщиномеров уникальная и это означает, что преобразователь от производителя А не будет работать с толщиномером от производителя Б, что стоит учитывать при заказе.

Особенности ультразвуковых преобразователей П121

• Материал корпуса преобразователей П121 может быть, как пластиковый, так и алюминиевый, это влиянет на износостойкость в целом также, как и материал призмы (призма может быть, как и из износостойкого полимера, так и из классического оргстекла).
• Как было сказано ранее, призма производится из износостойкого материала и данные ПЭП будут стоить больше. Причины удорожания — это стоимость этого самого полимера, при этом технология изготовления существенно не меняется. У призмы, выполненной из полимеров есть ряд преимуществ перед оргстеклом
  К преимуществам можно отнести следующее: износостойкость, улучшенная чувствительность, уменьшение «стрелы» за счет меньшей скорости ультразвука в материале призмы, низкая зависимость скорости ультразвука от температуры окружающей среды, поэтому переплата за износостойкие ПЭП в ряде случаев может становится оправданной.

• ПЭП типа П121 могут быть притертыми (иметь призму с «выборкой») для контроля объектов цилиндрической формы. Притирка может выполняться как вдоль цилиндрической образующей объекта контроля, так и перпендикулярно ей — это определяется нормативной документацией на проведение контроля. С точки зрения конфигурации объекта, притирка может быть выполнена по внешнему радиусу трубы и по внутреннему.

• Расположение разъемов на П121 может быть различным. В большинстве случаев это стандартное расположение разъема на задней части корпуса, но бывают случаи, когда в силу сложной конфигурации объекта контроля, необходимо применять ПЭП с разъемом, находящимся на верхней поверхности или вынесенным на кабеле из корпуса П121.

• Размеры пьезоэлементов и рабочая частота изменяются в зависимости от материала и толщины объекта контроля. Важно понимать, что для ряда отраслей таких как, например, для предприятий системы ПАО «Газпром» НТД нормируются параметры «стрела» и диаметр пьезоэлемента в связке с частотой (например, в соответствии с СТО Газпром 15-2.3-005-2023 строго регламентируется применение ПЭП со стрелой не более 8 мм, частотой от 4 до 10 МГц и углом ввода 70 градусов для контроля толщин в диапазоне от 4 до 8 мм включительно, соответственно применение ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей с другими параметрами, согласно данному НТД, не допускается).

Особенности ультразвуковых преобразователей П122

Материал корпуса преобразователей П122 может быть, как пластиковый, так и алюминиевый, это влияет на износостойкость в целом также, как и материал призмы (призма может быть, как и из износостойкого полимера так и из классического оргстекла).

• Влияние материала призмы на работу датчиков П122 такое же, как у датчиков П121.
• Притирка П122 также возможна и ее параметры аналогичны параметрам, описанным для ПЭП П121 за исключением частного случая – преобразователей «хордового» типа, т.к. они изготавливаются сразу притертыми.
• Размеры пьезоэлементов, частота и стрела также, как и у преобразователей типа П121 могут меняться и в большинстве случаев определяются НТД на проведение контроля и жестко регламентированы.
• Важной особенностью данного типа ультразвуковых преобразователей является схема взаимного расположения приемного и излучающего пьезоэлементов, наиболее часто встречаются такие схемы как «дуэт» (и приемник и излучатель расположены рядом), «тандем» (приемник и излучатель расположены друг за другом) и «хордовая» схема (приемник и излучатель разнесены в одном корпусе для обеспечения прозвучивания цилиндрического объекта по «хорде»)

Итак, проводя анализ вышесказанного видно, что пакет требований достаточно серьезный и пользователю необходимо проконтролировать его соблюдение и при заказе ПЭП (ультразвуковых преобразователей) необходимо правильно указывать технические требования к преобразователям.