Классификация преобразователей
Преобразователи подразделяются: по способу ввода ультразвуковых колебаний; по направлению ввода УЗК; по конструктивному исполнению и способу подключения.
По способу ввода УЗК ПЭП подразделяются на контактные, иммерсионные, контактно-иммерсионные, щелевые и бесконтактные (рисунок 58).
Контактные ПЭП нашли наибольшее применение в промышленности. Между ПЭП и контролируемым изделием обязателен слой контактной жидкости толщиной ¼ длины волны в контактной жидкости. Их основным недостатком является нестабильность акустического контакта в процессе сканирования.
Иммерсионный ввод УЗК чаще всего используют при автоматизированном контроле изделий небольшого размера или изделий простой геометрической формы (например, труб небольшого диаметра). При иммерсионном способе между ПЭП и контролируемым изделием вводят толстый слой жидкости (толщина его во много раз превышает длину волны), за счет чего чувствительность этого метода снижается в 10 раз в сравнении с контактным способом. При этом, изделие либо целиком погружают в иммерсионную ванну (рисунок 58, б), либо применяют локальную ванну для части изделия (рисунок 58, в), либо используют струю воды (струйный контакт, рисунок 58, г). Иммерсионные ПЭП применяют, когда очень важна стабильность акустического контакта, например, при контроле теневым методом.
Контактно-иммерсионные ПЭП снабжены локальной иммерсионной ванной с эластичной мембраной, контактирующей с изделием непосредственно или через тонкий слой жидкости (рисунок 58, д).
Щелевые (менисковые) ПЭП имеют между своей рабочей поверхностью и контролируемым изделием зазор около длины волны ультразвука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения (рисунок 58, а)
Бесконтактные ПЭП возбуждают упругие колебания в металле за счет взаимодействия переменного электрического и магнитного полей. Электромагнитно-акустические (ЭМА), лазерные и емкостные ПЭП являются наиболее перспективными после контактных, так как они не требуют контактной жидкости. Принцип действия этих преобразователей основан на превращении электромагнитных колебаний в упругие непосредственно поверхностью металла, находящегося в зоне преобразователя. Чувствительность бесконтактного способа также в 10–100 раз ниже чувствительности контактного.
Рисунок 58 – Способ ввода УЗК: а) щелевой; б) иммерсионный с применением полного погружения изделия в ванну;
в) иммерсионный с применением локальной ванны; г) иммерсионный с применением струи воды;
По направлению ввода УЗК преобразователи подразделяются на прямые, наклонные, комбинированные.
Прямой ПЭП предназначен для излучения продольных волн, направленных по нормали к поверхности контролируемого изделия (рисунок 57, а).
Наклонный ПЭП предназначен для излучения волн наклонно к поверхности контролируемого изделия. Продольная волна возбуждается в промежуточной среде – призме, создающей требуемый угол наклона. В зависимости от угла призмы в изделии распространяется либо продольная волна (β 14,5 МГц – желтый.
Рисунок 61 – Маркировка ПЭП
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое явление называется дифракцией?
2. Сколько типов дифракции Вы знаете? Поясните. Какое практическое значение для ультразвуковой дефектоскопии имеют данные типы дифракции?
3. Какой должна быть кристаллическая решетка монокристаллов, чтобы они обладали пьезоэлектрическим эффектом?
4. На какие группы подразделяются пьезоматериалы?
5. Какие материалы относятся к природным? Перечислите их?
6. Какие материалы относятся к пьезокерамике? Перечислите их?
7. Как изготавливают пьезоэлементы из пьезокерамики?
8. Какое явление называется обратным пьезоэффектом? Расскажите принцип генерирования ультразвуковых колебаний?
9. Какое явление называется прямым пьезоэффектом? Расскажите принцип преобразования ультразвуковых колебаний в электрические?
10. Какое условие должно выполняться для получения максимальной амплитуды ультразвуковых колебаний? Как выполнить это условие?
11. От каких параметров зависит собственная частота пьезоэлемента?
12. Исходя из каких условий подбирается толщина пьезоэлемента?
13. Основные элементы конструкции совмещенного прямого искателя и кратко опишите назначение каждого элемента и требования, предъявляемые к размерам этого элемента и материалу, из которого он выполнен.
14. Основные элементы конструкции раздельно-совмещенного прямого искателя.
15. Объясните конструкцию наклонного ПЭП? Чем обусловлен выбор угла ввода? Материала для демпфера? Материала призмы?
16. Обясните конструкцию комбинированного ПЭП?
17. Объясните назначение демпфера, призмы, протектора в конструкции ПЭП?
18. Какими должны быть углы призмы, чтобы в рельс вводилась поперечная волна?
19. По каким признакам классифицируются ПЭП?
20. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по способу ввода? Чем они различаются между собой?
21. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по направлению ввода? Объясните сущность каждого типа ПЭП, входящего в эту группу?
22. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по конструктивным признакам и способу подключения к дефектоскопу? Чем они различаются между собой?
23. Объясните структуру маркирования ПЭП?
Определить толщину пьезопластины из ЦТС-19 для частоты 2,5 МГц, зная, что скорость распространения УЗВ в ЦТС-19 3300 м/с.
Источник
Типы преобразователей для ультразвукового контроля
Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) применяются в ультразвуковом НК, выступая в качестве излучателя и приемника ультразвукового импульса обрабатываемого УЗ дефектоскопом. Принцип действия ПЭП основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений. Требования к УЗ ПЭП указаны в ГОСТ Р 55725-2013 — Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования (взамен ГОСТ 26266-90) и ГОСТ Р 55808-2013 — Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний. (взамен ГОСТ 23702-90). Расширенный перечень нормативов касающихся УЗ ПЭП приведен в конце данной страницы. УЗ ПЭП можно условно классифицировать по следующим признакам:
По углу ввода колебаний различают:
- Прямые преобразователи вводят и (или) принимают колебания по нормали к поверхности объекта контроля в точке ввода.
- Наклонные преобразователи вводят и (или) принимают колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля.
По способу размещения функций излучения и приема УЗ сигнала различают:
- Совмещенные ПЭП где один и тот же пьезоэлемент, работает как в режиме излучения так и в режиме приема.
- Раздельно-совмещенные преобразователи где в одном корпусе размещены два и более пьезоэлемента, один из которых работает только в режиме излучения, а другие в режиме приема.
- Высокочастотные УЗ ПЭП условно можно ограничить диапазоном 4-5 МГц, такую частоту обычно применяют при контроле мелкозернистых заготовок небольшой толщины (обычно менее 100мм) и сварных соединений толщиной менее 20мм.
- Среднечастотные УЗ ПЭП с диапазоном частот 1,8-2,5 МГц. Преобразователи с данным диапазоном частот применяются для контроля изделий большей толщины и с большим размером частиц.
- Низкочастотные УЗ ПЭП с диапазоном частот 0,5-1,8 МГц, используются для контроля заготовок с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания, например чугуна, бетона или пластика.
По способу акустического контакта
- Контактные ПЭП где рабочая поверхность соприкасается с поверхностью ОК или находится от нее на расстоянии менее половины длины волны в контактной жидкости.
- Иммерсионные которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и ОК слоя жидкости толщиной больше пространственной протяженности акустического импульса.
По типу волны возбуждаемой в объекте контроля:
- Продольные волны — колебания которых происходит вдоль оси распространения;
- Сдвиговые (поперечные) волны — колебания которых происходит перпендикулярно оси распространения;
- Поверхностные волны (волны Реллея) — распространяющиеся вдоль свободной (или слабонагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной.
- Нормальные ультразвуковые волны (волны Лэмба) – ультразвуковые волны, которые распространяются в пластинах и стержнях. Существуют симметричные и антисимметричные волны.
- Головные волны – савокупность акустических волн возбуждаемых при падении пучка продольных волн на границу раздела 2 твердых сред под первым критически углом.
Выбор ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя зависит от параметров контролируемого объекта, таких как материал, толщина, форма и ориентация дефектов и т.д.
Выбор ПЭП по углу ввода (прямой или наклонный) выбирают исходя из схемы прозвучивания конкретного объекта. Схемы прозвучивания содержатся в государственных и ведомственных стандартах, а так же технологических картах контроля. В общем случае угол ввода выбирают таким образом, что бы обеспечивалось пересечение проверяемого сечения акустической осью преобразователя (прямым или однократно отраженным лучем). Выявление дефектов выходящих на поверхность наиболее эффективно обеспечивается при падении поперечной волны под углом 45 °±5° к этой поверхности.
Выбор ПЭП по схеме включения (совмещенный или РС) выбирается в зависимости от толщины изделия или расстояния зоны контроля от поверхности ввода. Прямые совмещенные ПЭП обычно применяют при контроле изделий толщиной более 50мм, а прямые РС ПЭП для контроля изделий толщиной до 50мм включительно, или приповерхностного слоя до 50мм.
Наклонные РС ПЭП в основном используются по совмещенной схеме включения. Наклонные РС ПЭП с поперечной волной используют преимущественно для контроля сварных соединений тонкостенных (до 9мм) труб диаметром не более 400мм (хордовые преобразователи). Наклонные РС ПЭП с продольной волной применяют для контроля соединений с крупнозернистой структурой и высоким уровнем шумов (аустенитные швы).
Выбор ПЭП по частоте колебаний, выбирается в основном исходя из толщины ОК и требуемой чувствительности контроля. Благодаря более короткой волне, высокочастотные преобразователи позволяют находить дефекты меньшего размера, тогда как УЗ волны низкочастотных ПЭП глубже проникают в материал, т.к. коэффициент затухания уменьшается с частотой. Низкочастотные ПЭП применяются при контроле крупнозернистых материалов и материалов с высоким коэффициентом затухания.
При выборе частоты надо учитывать, что ее увеличение вызывает:
- увеличение ближней зоны
- уменьшение мертвой зоны, связанное с уменьшением длительности свободных колебаний пьезоэлемента;
- улучшение лучевой и фронтальной разрешающей способности;
- сужение характеристики направленности;
- увеличение коэффициента затухания и связанное с ним падение чувствительности на больших толщинах
- увеличение уровня структурных шумов в крупнозернистых материалах; уменьшение уровня собственных шумов ПЭП, связанное с увеличением затухания звуковой волны в элементах ПЭП при возрастании частоты;
Подпишитесь на наш канал You Tube
Далее приведены основные типы и характеристики преобразователей, наиболее часто применяемых в процессе ультразвукового контроля.
П111 — Прямые совмещенные преобразователи
Преобразователи типа П111 используются для дефектоскопии и толщинометрии изделий продольными волнами. На практике, прямые совмещенные преобразователи применяются для контроля листов, плит, валов, отливок, поковок, а также для поиска локальных утонений в стенках изделий. Преобразователи П111 используются для выявления объемных и плоскостных дефектов – пор, волосовин, расслоений и т.д. Характеристики ПЭП типа П111 приведены в таблице:
| Обозначение УЗ ПЭП | Эффективная частота, МГц | Диапазон контроля по стали 40х13, мм | Диаметр отражателя, мм | Диаметр рабочей поверхности, мм | Габаритные размеры, мм |
| П111-1,25-К20 | 1,25 ± 0,125 | 15 — 180 | 3,2 | 22 | Ø 32х43 |
| П111-2,5-К12 | 2,5 ± 0,25 | 10 — 180 | 1,6 | 14 | Ø 22х35 |
| П111-2,5-К20 | 2,5 ± 0,25 | 25 — 400 | 1,6 | 22 | Ø 32х43 |
| П111-5-К6 | 5,0 ± 0,5 | 5 — 70 | 1,2 | 9 | Ø 19х32 |
| П111-5-К12 | 5,0 ± 0,5 | 15 — 200 | 1,2 | 14 | Ø 22х35 |
| П111-5-К20 | 5,0 ± 0,5 | 15 — 200 | 1,2 | 22 | Ø 32х43 |
| П111-10-К6 | 10,0 ± 1,0 | 5 — 30 | 1,0 | 9 | Ø 19х32 |
П112 — прямые раздельно-совмещенные преобразователи
Контактные раздельно-совмещенные преобразователи, типа П112, как правило используются для применяются для определения остаточной толщины стенки изделий и для поиска дефектов, расположенных на относительно небольших глубинах под поверхностью. Толщина контролируемых П 112 объектов, как правило, находится в диапазоне от 1 до 30мм. Характеристики П112 приведены в таблице:
| Обозначение УЗ ПЭП | Эффективная частота, МГц | Диапазон контроля по стали 40х13, мм | Диаметр отражателя, мм | Размеры рабочей поверхности, мм | Габаритные размеры, мм |
| П112-2,5-12 | 2,5 ± 0,25 | 2 — 30 | 1,6 | Ø 16 | Ø 24 х 43 |
| П112-5-6 | 5,0 ± 0,5 | 1 — 25 | 1,2 | Ø 9 | Ø 21 х 40 |
| П112-5-12 | 5,0 ± 0,5 | 2 — 30 | 1,2 | Ø 16 | Ø 24 х 43 |
| П112-5-3×4 | 5,0 ± 0,5 | 1 — 25 | 1,2 | 10 х 15 | Ø 32 х 12 х 28 |
П121 наклонные совмещённые преобразователи
Наклонные преобразователи, типа П121, широко применяются в задачах контроля сварных соединений, листов, штамповок, поковок и других объектов. Преобразователи П121 позволяют выявлять трещины, объемные дефекты, такие как неметаллические включения, поры, непровары, усадочные раковины и т.п. С помощью преобразователей типа П121, как правило, определяются характеристики вертикально ориентированных дефектов. Характеристики и возможная маркировка П 121 одного из производителей приведены в таблице:
| Условное обозначение | Угол ввода по образцу СО-2, град | Диапазон контроля по стали, мм | Эффективная частота, МГц | Стрела, мм | Размер ПЭ, мм | Размер рабочей поверхности, мм | Габаритные размеры, мм |
| П121-1,8-40-М-002 | 40+-1,5 | 1…50 | 1,8+-0,18 | 9 | 8х10 | 24х12 | 33х16х25 |
| П121-1,8-50-М-002 | 50+-1,5 | 1…50 | 1,8+-0,18 | 10 | 8х12 | 30х16 | 33х16х25 |
| П121-1,8-65-М-002 | 65+-1,5 | 1…45 | 1,8+-0,18 | 12 | 8х12 | 32х16 | 33х16х24 |
| П121-2,5-40-М-002 | 40+-1,5 | 0,7…50 | 2,5+-0,25 | 8 | 8х12 | 30х16 | 33х16х25 |
| П121-2,5-45-М-002 | 45+-1,5 | 0,7…50 | 2,5+-0,25 | 8 | 8х12 | 30х16 | 33х16х25 |
| П121-2,5-50-М-002 | 50+-1,5 | 0,7…50 | 2,5+-0,25 | 8 | 8х12 | 30х16 | 33х16х25 |
| П121-2,5-65-М-002 | 65+-2 | 0,7…45 | 2,5+-0,25 | 10 | 8х12 | 32х16 | 33х16х25 |
| П121-2,5-70-М-002 | 70+-2 | 0,7…35 | 5+-0,5 | 12 | 8х12 | 32х16 | 33х16х25 |
| П121-5-40-М-002 | 40+-1,5 | 0,7…50 | 5+-0,5 | 5 | 5х5 | 20х16 | 20х16х16 |
| П121-5-45-М-002 | 45+-1,5 | 0,7…50 | 5+-0,5 | 5 | 5х5 | 20х16 | 20х16х16 |
| П121-5-50-М-002 | 50+-1,5 | 0,7…50 | 5+-0,5 | 5 | 5х5 | 20х16 | 20х16х16 |
| П121-5-65-М-002 | 65+-2 | 0,7…40 | 5+-0,5 | 6 | 5х5 | 20х16 | 20х16х16 |
| П121-5-70-М-002 | 70+-2 | 0,5…25 | 5+-0,5 | 7 | 5х5 | 20х16 | 20х16х16 |
П122 – наклонные раздельно-совмещенные преобразователи
Хордовые преобразователи типа П122 в основном применяют для контроля кольцевых сварных швов трубных элементов из сталей и полиэтилена диаметром от 14 до 219 мм. с толщиной стенки от 2 до 6 мм., используются контактные раздельно-совмещенные хордовые преобразователи. Применение преобразователей хордового типа особенно эффективно для контроля тонкостенных сварных швов от 2 до 4 мм.
Преобразователи типа П122 предназначены для контроля тонкостенных сварных швов, как правило из нержавеющих, малоуглеродистых сталей и сплавов алюминия Характерная особенность ПЭП – минимальная мертвая зона и фокусировка УЗ поля в определенном диапазоне толщин. Характеристики П 121 представлены в таблице:
| Наименование | Угол ввода | Стрела | Фокусное расстояние по оси Y (глубина) | Фокусное расстояние по оси X | УЗК сварных швов толщиной |
| П122-5,0-65-М | 65 о | 7 мм | 9 мм | 13 мм | 7 — 12 мм |
| П122-5,0-70-М | 70 о | 7 мм | 5 мм | 10 мм | 5 — 9 мм |
| П122-5,0-75-М | 75 о | 7 мм | 4 мм | 9 мм | 4 — 8 мм |
| П122-8,0-65-М | 65 о | 5 мм | 6 мм | 9 мм | 5 — 7 мм |
| П122-8,0-70-М | 70 о | 5 мм | 4 мм | 8 мм | 3 — 5 мм |
| П122-8,0-75-М | 75 о | 5 мм | 3 мм | 7 мм | 2 — 4 мм |
Под заказ возможна поставка специальных преобразователей:
- для контроля деталей железнодорожного подвижного состава;
- наклонные контактные совмещенные ПЭП типа П121 для контроля гибов труб;
- фокусирующие и с плоской излучающей поверхностью для иммерсионного контроля дисков из титановых сплавов и других деталей и заготовок;
- для контроля лопастей летательных аппаратов;
- широкозахватные;
- на фазированных решетках
- для контроля дифракционно-временным методом TOFD
- электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП)
Для основных типов ПЭП в России принято буквенно-цифровое обозначение, которое формируется следующим образом:
- первый знак – буква П – Преобразователь;
- первая цифра – 1 – контактный, 2 – иммерсионный, 3 – контактно-иммерсионный;
- вторая цифра – 1 – прямой, 2 – наклонный;
- третья цифра – 1 – совмещенный, 2 – раздельно-совмещенный, 3 – раздельный;
- кроме этого производители обычно указывают частоту, угол ввода, размер пьезоэлемента.
Схема обозначения ультразвуковых преобразователей фирмы АКС приведена ниже
 |
Помимо ГОСТ Р 55725-2013 и ГОСТ Р 55808-2013, ультразвуковым преобразователям посвящен ряд методических отраслевых документов, перечисленных в следующей таблице.
| Отрасль промышленности | Норматив |
| Химическая и нефтехимическая промышленность | СТО 00220256-005-2005 |
| СТО 00220256-014-2008 | |
| РДИ 38.18.016-94 | |
| Трубопроводы пара и горячей воды | РД 34.17.302-97 (ОП-501) |
| РД 153-34-1-003-01 (РТМ-1с-2002) | |
| Магистральные и промысловые газо и нефтепроводы | СТО Газпром 2-2.4-083-2006 |
| Грузоподъемные механизмы | РД РОСЭК-001-96 |
| Гибы трубопроводов | РД 34.17.418 (И№23 СД-80) |
| Оборудование атомных энергетических установок | ПНАЭ Г-7-030(031, 032)-91 |
| Контроль поковок, литых деталей и заготовок | ОСТ 5.9675-88 |
В данном описании использованы материалы монографии Е.Ф.Кретова «Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении» и учебного пособия для подготовки и аттестации контролеров по неразрушающим и разрушающим методам контроля.
Дополнительные материалы:
Купить ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и другие приборы неразрушающего контроля можно по официальной цене производителей с доставкой до двери в следующих городах: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Саратов. Амурск, Ангарск, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Бийск, Брянск, Воронеж, Великий Новгород, Владивосток, Владикавказ, Владимир, Волгоград, Волгодонск, Вологда, Иваново, Ижевск, Йошкар-Ола, Казань, Калининград, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курск, Липецк, Магадан, Магнитогорск, Мурманск, Муром, Набережные Челны, Нальчик, Новокузнецк, Нарьян-Мар, Новороссийск, Новосибирск, Нефтекамск, Нефтеюганск, Новочеркасск, Нижнекамск, Норильск, Нижний Новгород, Обнинск, Омск, Орёл, Оренбург, Оха, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский, Псков, Ржев, Ростов, Рязань, Самара, Саранск, Смоленск, Сочи, Сыктывкар, Таганрог, Тамбов, Тверь, Тобольск, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Ханты-Мансийск, Чебоксары, Челябинск, Череповец, Элиста, Ярославль и другие города. А так же Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.
Источник
