МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ДЕФЕКТОСКОП Российский патент 2000 года по МПК G02F1/09 F17D5/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в дефектоскопии стенок трубопроводов, в других областях техники.

Известен способ контроля трубопроводов ультразвуковым методом (Евразийский патент по заявке N 199600002 МКИ⁶ G 01 N 29/00 1998). Для контроля газопроводящих трубопроводов с помощью ультразвука чувствительные элементы должны быть погружены в жидкость.

Недостатком способа является его неэкономичность, связанная с расходом в процессе контроля контактной жидкости и невысокое качество контроля.

Известен также магнитооптический дефектоскоп, состоящий из источника поляризованного света, формирователя светового пучка, пленки магнитооптического материала (МОМ) с защитным покрытием, анализатора, оптической системы формирования изображения дефектов, расположенных последовательно по ходу светового пучка, источника постоянного магнитного поля для возбуждения магнитного потока в исследуемом образце параллельно плоскости МОМ, полюса источника магнитного поля расположены симметрично с двух сторон относительно МОМ (Вилесов Ю.Ф., Вишневский В.Г., Грошенко Н.А. Устройство для визуализации и топографирования магнитных полей. -ИЛ 38-98, Крымский ЦНТИ, 1998). Устройство позволяет визуализировать скрытые дефекты в ферромагнитных материалах. Для этого в исследуемом образце создается магнитный поток. На дефектах исследуемого образца, например в трещинах в его объеме, образуются магнитные заряды, которые создают поле рассеяния, перпендикулярное поверхности образца. Поля рассеяния индуцируют в МОМ структуру намагниченности, перпендикулярную ее поверхности, которая визуализируется за счет эффекта Фарадея.

Минимальная интенсивность светового потока, прошедшего через анализатор, соответствует максимальной величине магнитного поля в одном из двух перпендикулярных плоскости МОМ направлений. Соответственно, максимальная интенсивность светового потока будет при максимальной интенсивности поля в противоположном направлении. Нулевым значениям магнитного поля рассеяния соответствует среднее значение светового потока. Скрытые дефекты ферромагнетика проявляются и наблюдаются в виде соседствующих темной и светлой областей. Координата дефекта определяется по точке или линии (для протяженного дефекта, например трещины) перехода от светлой области к темной.

Недостатком устройства является низкий контраст изображения дефектов с малой величиной полей рассеяния. Дефекты, расположенные на большом расстоянии от поверхности трубопровода или имеющие малые геометрические размеры создают магнитные поля рассеяния с малой напряженностью.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать магнитооптический дефектоскоп за счет повышения качества дефектоскопии стенок трубопровода путем повышения контраста изображения дефектов.

Поставленная задача решается тем, что в магнитооптическом дефектоскопе, состоящем из источника поляризованного света, формирователя пучка света, пленки МОМ с защитным покрытием, оптической системы формирования изображения дефектов, расположенных последовательно по ходу луча света, формирователя магнитного потока в исследуемом ферромагнитном образце, согласно изобретению защитное покрытие выполнено из чередующихся четвертьволновых слоев диэлектрика с различным показателем преломления, свет освещает границы раздела слоев диэлектрика под углом Брюстера, поляризация излучения ориентирована в плоскости падения света.

При отсутствии магнитных полей рассеяния на дефектах в стенках трубопровода световой поток нулевой, так как освещенные участки многослойного диэлектрического покрытия имеют нулевой коэффициент отражения вследствие эффекта Брюстера. Излучение пройдет сквозь многослойное диэлектрическое покрытые и поглотится нефтью в трубопроводе. При наличии магнитного поля рассеяния в МОМ индуцируется структура намагниченности, отображающая дефекты, и вследствие эффекта Фарадея появятся колебания, перпендикулярные плоскости падения, которые будут отражаться и сформируют изображение.

Интенсивность отраженного многослойным покрытием света пропорциональна напряженности магнитного поля рассеяния. Дефекты различаются между собой яркостью изображения, а не его контрастом. Кроме того, в магнитооптическом дефектоскопе функции анализатора выполняют защитное покрытие и нефть трубопровода, за счет чего упрощается конструкция дефектоскопа.

На чертеже представлена оптическая схема устройства. Магнитооптический дефектоскоп содержит источник поляризованного света (1), формирователь пучка света (2), пленку МОМ (3), на наружную поверхность которой нанесено многослойное диэлектрическое покрытие (4), оптическую систему формирования изображения (5), матрицу фотоприемников (6), расположенных последовательно по ходу пучка света, матрицу фотоприемников (6) в области изображения МОМ (3), формирователь (7) магнитного потока в исследуемом образце (8) параллельно плоскости МОМ, полюса формирователя магнитного потока (7) расположены симметрично с двух сторон относительно МОМ (3).

Устройство работает следующим образом. В исследуемом образце источником постоянного поля 7 создается магнитный поток. В бездефектном исследуемом образце силовые линии магнитного поля не выходят из образца, и вектор намагниченности в пленке МОМ 3 лежит в ее плоскости. На дефектах в стенках трубопровода, например трещинах, образуются магнитные заряды, которые создают поля рассеяния, силовые линии которых выходят из образца и наводят в МОМ 3 структуру намагниченности, перпендикулярную ее поверхности. Геометрия структуры намагниченности, перпендикулярной поверхности МОМ, совпадает с геометрией дефектов. Источник поляризованного света 1 через формирователь пучка света 2 освещает пленку МОМ 3. Свет, прошедший через участки МОМ, содержащие перпендикулярную поверхности структуру намагниченности, изменит вследствие эффекта Фарадея ориентацию плоскости поляризации на ортогональную первоначальной и отразится многослойным диэлектрическим покрытием 4.

Свет, прошедший участки МОМ, не содержащие перпендикулярную поверхности структуру намагниченности, и не изменивший поляризацию, проходит через многослойное диэлектрическое покрытие и поглощается в нефти. Оптическая система 5 сформирует изображение бездефектной области на поверхности матрицы фотоприемников 6 в виде темного поля и дефектов в виде светлых участков. Геометрические размеры и форма светлого участка на изображении воспроизводит геометрические размеры и форму дефекта в исследуемом образце. Яркость светлой области пропорциональна, например, глубине и ширине трещины в стенке трубопровода (величине магнитного дипольного момента дефекта). Существует однозначная зависимость между размерами дефекта и интенсивностью отраженного МОМ света. Регистрируя матрицей фотоприемников 6 пространственное распределение и яркость сформированного изображения производят оценку дефекта и эксплуатационную пригодность трубопровода.

В прототипе поля рассеяния дефектов не приводят к изменению общего светового потока, отраженного от пленки МОМ. Поля рассеяния, обусловленные дефектами, приводят к перераспределению отраженного МОМ светового потока между различными участками МОМ. Полезный световой сигнал проявляется на фоне средней интенсивности. В заявляемом техническом решении полезный световой сигнал проявляется на фоне с минимальной освещенностью, что позволяет повысить контраст изображения и отношение полезного сигнала к фону. В прототипе интенсивность света, отраженного от дефектного участка, пропорциональна:
I_±~ sin²(Φ±ϕ)+Δ
где Φ - угол отклонения анализатора от скрещенного состояния, ϕ - угол фарадеевского вращения, Δ _ освещенность, обусловленная несовершенством оптики и поляризаторов. Интенсивность излучения, отраженного от бездефектных участков, пропорциональна:
I_Φ~ sin²Φ+Δ
Контраст наблюдаемой картины с учетом того, что Δ ≪ sin²Φ, равен:

и при ϕ ≪ π/2 равен приблизительно нулю.

В заявляемом техническом решении интенсивность света пропорциональна:
I_±~ sin²ϕ+Δ
а контраст

Пленка МОМ (4) имеет состав (BiLu)₃(FeGaAl)₅O₁₂. Поле насыщения пленки МОМ в направлении, перпендикулярном его поверхности, 200 Э. Поворот плоскости поляризации света, дважды прошедшего МОМ, равен 20^o. На пленку МОМ нанесено шестислойное прозрачное диэлектрическое покрытие из чередующихся слоев Al₂O₃ и TiO₂ с оптической толщиной в четверть длины волны освещающего МОМ света. Коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости падения, на бездефектных участках исследуемого образца от участков покрытия практически равен нулю. Отношение интенсивностей света с ортогональными поляризациями при отражении от многослойного диэлектрического покрытия неполяризованного света равно 1/1000.

Поля рассеяния дефектов с напряженностью магнитного поля в 50 Э осуществят поворот плоскости поляризации отраженного от МОМ света на 5^o. В прототипе контраст изображения такого дефекта составит 0,48. В заявляемом техническом решении контраст будет равен 0,75. Зарегистрированное матрицей фотоприемников изображение с более высоким контрастом позволит с большей точностью произвести диагностику состояния стенки трубопровода.

Как видим, заявляемый магнитооптический дефектоскоп обеспечивает повышение качества дефектоскопии стенок трубопровода путем повышения контраста изображения дефектов. Кроме того, он обладает более простой конструкцией вследствие отсутствия поляризатора. Следует особо отметить, что магнитооптические дефектоскопы по сравнению, например, с акустооптическими, обладают более высокой надежностью, простотой эксплуатации, низкой энергоемкостью, низкой стоимостью и, соответственно, наиболее перспективны для неразрушающего путевого контроля трубопроводов.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в дефектоскопии стенок трубопроводов, в других областях техники. Магнитооптический дефектоскоп состоит из источника поляризованного света, формирователя пучка света, пленки магнитооптического материала с защитным покрытием, оптической системы формирования изображения дефектов, матрицы фотоприемников, формирователя магнитного потока в исследуемом ферромагнитном образце, Причем фотоприемники в матрице фотоприемников расположены последовательно по ходу пучка света. Защитное покрытие выполнено из чередующихся четвертьволновых слоев диэлектрика с различным показателем преломления. Свет освещает границы раздела слоев диэлектрика под углом Брюстера. Поляризация излучения ориентирована в плоскости падения света. Магнитооптический дефектоскоп повышает качество дефектоскопии стенок трубопровода путем повышения контраста изображения дефектов и имеет более простую конструкцию. 1 ил.

Магнитооптический дефектоскоп, состоящий из источника поляризованного света, формирователя пучка света, пленки магнитооптического материала с защитным покрытием, оптической системы формирования изображения дефектов, матрицы фотоприемников в области изображения магнитооптического материала, расположенных последовательно по ходу пучка света, формирователя магнитного потока в исследуемом ферромагнитном образце, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из чередующихся четвертьволновых слоев диэлектрика с различным показателем преломления, свет освещает границы раздела слоев диэлектрика под углом Брюстера, поляризация излучения ориентирована в плоскости падения света.