ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G01N29/04 

Предлагаемое изобретение относится к области ультразвуковых неразрушающих испытаний материалов и изделий и может быть использовано, в частности, для контроля качества продукции металлургической промышленности (рельсов, полос, сорта, труб и т.д.).

Известен ЭМАП, содержащий источник магнитного поля (электромагнит), высокочастотную катушку индуктивности [1]. В известном ЭМАП повышение его чувствительности достигается за счет того, что он снабжен двумя электропроводящими пластинами, расположенными в плоскости катушки индуктивности с двух сторон от нее на прямой, пересекающей катушку параллельно одной из ее осей.

Недостатком известного устройства является использование для подмагничивания электромагнита С-образной формы, сложность конструкции, большие затраты энергии, наличие значительных потоков рассеяния, невозможность надежного контроля по ширине зоны контролируемого объекта.

Известен электродинамический преобразователь [2], состоящий из магнитной цепи с кольцевым зазором, образуемым ее полюсами, в котором размещена силовая катушка с возможностью перемещения под действием протекающего по ней переменного тока, а поверхность полюсов покрыта материалом с высокой теплопроводностью.

Недостатком известного ЭМАП являются большие габариты магнитной системы и обмотки силовой катушки, что не позволяет снизить расход мощности без снижения надежности и долговечности преобразователя.

Известен ЭМАП [3], который, с целью повышения долговечности и надежности контроля, снабжен протектором, выполненным в виде эластичной ленты и обрезиненных роликов, а подмагничивание осуществляется с помощью соленоида, установленного с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной к поверхности ленты.

К недостатку известного ЭМАП следует отнести значительную сложность конструкции, наличие контакта с объектом контроля, использование внешнего источника для питания соленоида.

Цель изобретения - упрощение конструкции ЭМАП, уменьшение его габаритов и веса, уменьшение потребляемой мощности, повышение долговечности, точности и надежности контроля.

Для этого предлагаемый преобразователь снабжен, по меньшей мере, тремя плоскими катушками индуктивности, тремя концентраторами магнитных полей. выполненных в виде усеченных конусов из ферромагнитного материала и расположенных над катушками, вплотную к которым установлен один или несколько постоянных кольцевых магнитов с чередующимися полюсами, причем суммарная площадь поверхности нижних оснований конусов, соприкасающихся с магнитами, по отношению к их торцевой поверхности удовлетворяет соотношению
0,1<S_к/S_м<0,7,
где S_к - суммарная площадь нижних оснований конусов; S_м - площадь торцевой поверхности магнита, прилегающая к нижним основаниям конусов, геометрические центры симметрии концентраторов расположены на окружности с центром, совпадающим с центром преобразователя, а расстояние между двумя соседними концентраторами удовлетворяет условию
a_mах=d_нк+(0-40 мм),
где a_max - максимальное расстояние между осями концентраторов, d_нк - диаметр нижнего основания концентратора, каждая катушка выполнена в виде, по меньшей мере, двух одинаковых, симметрично расположенных относительно центра преобразователя однорядных спиральнообразных обмоток, наклеенных на пластину из диэлектрика с выводными концами, расположенными по обе стороны внутри обмоток катушки, наружные витки которых расположены эквидистантно окружности, проведенной из геометрического центра концентратора, причем соотношение площади описанной вокруг катушки окружности к площади верхнего основания концентратора удовлетворяет соотношению
3<S_oк/S_вк<40,
где S_ок - площадь описанной вокруг катушки окружности; S_вк - площадь верхнего основания концентраторов, а со стороны объекта контроля вплотную к катушкам установлена, по крайней мере, одна керамическая пластина, защищающая их от повреждений.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан продольный вертикальный разрез преобразователя; на фиг. 2 - вид А на концентраторы магнитного потока; на фиг.3 - вид Б на катушки; на фиг. 4 - схема расположения катушек в зонах I, II, III объекта контроля; на фиг.5 - конструкция спиральнообразной катушки (в форме бабочки; на фиг.6 - поперечный разрез В-В по центральной оси катушки (а,b,с,d,е,ж,и,к,l,m,n - установочные и конструктивные размеры).

Преобразователь содержит несущую пластину 1 из немагнитного материала, корпус 2 из немагнитного материала, стакан 3 из немагнитного материала, крышку 4 из немагнитного материала, 5 - керамическую пластину, 6 - постоянный магнит (или ряд постоянных магнитов с чередующимися полюсами), 7 - катушки, 8 - конические концентраторы, 9 - крепление, 10 - выводы, 11 - пластину из диэлектрика, 12 - контакты от генератора высокой частоты, 13 - контакты от дефектоскопа, α - угол между осью преобразователя и осью, проходящей через геометрический центр концентратора 8, D_мн - наружный диаметр кольцевого магнита, D_мв - внутренний диаметр кольцевого магнита, δ - воздушный зазор между торцом преобразователя и объектом контроля (например, поверхности листа или полосы).

Снабжение ЭМАП, по меньшей мере, тремя катушками индуктивности (поз.7) гарантирует повышение чувствительности, которое зависит от величины соотношения К=S_д/S_к, где S_д - площадь дефекта, S_к - площадь катушки. Чем больше это отношение, тем чувствительней ЭМАП.

Наличие концентраторов вблизи катушки позволяет увеличить индукцию в воздушном зазоре δ и в поверхностном слое объекта контроля, уменьшить потоки рассеяния, затраты мощности, повысить чувствительность к дефектам.

Выбранное соотношение площадей S_к и S_м позволяет подобрать оптимальные размеры магнита, концентраторов и преобразователя в целом, при которых в зазоре δ и объекте контроля наводится максимальная индукция.

Соотношение размеров a_max и a_min также позволяет эффективно использовать магнитный поток постоянного магнита для получения более сильных электрических сигналов, передаваемых катушками в дефектоскоп, рациональнее использовать мощность зондирующего импульса генератора высокой частоты.

Выполнение катушки в виде двух одинаковых спиральнообразных обмоток, намотанных одним проводом, позволяет эффективно использовать энергию поля постоянных кольцевых магнитов, расходуемую на генерацию тока в катушках.

При этом выбранные размеры катушек и концентраторов, удовлетворяющие условию
3<S_oк/S_вк<40,
позволяют оптимально использовать энергию поля постоянных магнитов по всей поверхности катушек.

Выполнение концентраторов в виде усеченных конусов позволяет сконцентрировать магнитный поток в площади катушек, то есть в максимальной степени использовать энергию зондирующего импульса.

Установка керамической пластины между катушками и объектом контроля позволяет защитить их от повреждений.

Воздушный зазор δ между ЭМАП и объектом контроля обеспечивается "воздушной подушкой", уменьшающей риск соприкосновения ЭМАП с поверхностью металла. "Воздушная подушка" создается с помощью сжатого воздуха, подаваемого в зазор δ через воздушную систему и штуцеры (условно не показаны).

ЭМАП работает следующим образом.

На катушки 7 подается мощный электрический импульс переменного тока с частотой до 10⁷ Гц (зондирующий импульс - А_з). В результате в объекте контроля возникает мощное переменное поле и, как следствие, индукционный ток. Возникшие в результате взаимодействия полей силы Лоренца возбуждают в металле ультразвуковые волны, вызывающие колебания отдельных слоев металла в поле постоянного магнита. В результате этих перемещений возникают индукционные токи, создающие магнитные поля, взаимодействующие с катушками ЭМАП (поз. 7), в которых возникают токи, воспринимаемые в виде электрических сигналов дефектоскопом: А_д - импульса, характеризующего дефект (размеры и координаты) и A_о - остаточного импульса, то есть той части энергии импульса ультразвуковой волны, которая отразилась от противоположной стороны объекта контроля. По значению отношения А_д/А_о=К судят о величине, характере и местоположении дефекта.

Предлагаемый ЭМАП предназначен для контроля стальной полосы толщиной от 6 до 16 мм и шириной 1000-2000 мм и позволяет выявлять расслоение, неметаллические включения, дыры, закаты, зоны рыхлости и другие нарушения сплошности.

Использованные источники
1. Авторское свидетельство СССР 564595, кл. G 01 N 29/04, бюллетень 25 от 05.07.77 г.

2. Патент РФ 2131163, кл. H 01 R 9/00, кл. В 06 В 1/04.

3. Авторское свидетельство СССР 590660, кл. G 01 N 29/04, бюллетень 4 от 30.01.78 г.

Изобретение относится к ультразвуковым неразрушающим испытаниям материалов и изделий. Предложенный электромагнитно-акустический преобразователь обеспечивает повышение долговечности, уменьшение габаритов веса, потребляемой мощности и повышение надежности и снабжен, по меньшей мере, тремя плоскими катушками индуктивности, тремя концентраторами магнитных полей, выполненными в виде усеченных конусов, суммарная поверхность нижних оснований конусов, соприкасающихся с магнитами, удовлетворяет условию 0,1<S_к/S_м<0,7. Геометрические центры концентраторов расположены на окружности с центром, совпадающим с центром преобразователя, а расстояния между соседними концентраторами удовлетворяет условию a_max=d_нк+(0-40 мм). Каждая катушка выполнена в виде, по меньшей мере, двух одинаковых, симметрично расположенных относительно центра преобразователя однорядных спиралеобразных обмоток, наклеенных на пластину из диэлектрика с выводными концами, расположенными внутри обмоток по обе стороны катушки. Наружные витки обмоток расположены эквидистантно окружности, проведенной из геометрического центра концентратора. Отношение площади описанной вокруг катушки окружности к площади верхнего основания концентратора удовлетворяет соотношению 3<S_ок/S_вк<40, а со стороны объекта контроля вплотную к катушкам установлена керамическая пластина, защищающая их от повреждений. Технический результат: упрощение конструкции преобразователя, уменьшение его габаритов, повышение долговечности, точности и надежности контроля. 6 ил.

Электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий корпус, постоянный кольцевой магнит и катушки индуктивности, расположенные в его поле, отличающийся тем, что преобразователь снабжен по меньшей мере тремя плоскими катушками индуктивности, тремя концентраторами магнитных полей, выполненных в виде усеченных конусов из ферромагнитного материала, смонтированных на пластине из немагнитного материала и расположенных над катушками, вплотную к которым установлен один или несколько постоянных кольцевых магнитов с чередующимися полюсами, причем суммарная площадь поверхности нижних оснований конусов, соприкасающихся с магнитами, по отношению к их торцевой поверхности удовлетворяет соотношению

0,1<S_к/S_м<0,7,

S_к - суммарная площадь нижних оснований конусов,

S_м - площадь торцевой поверхности постоянного кольцевого магнита, прилегающая к нижним основаниям конусов, геометрические центры симметрии концентраторов расположены на окружности с центром, совпадающим с центром преобразователя, а расстояние между двумя соседними концентраторами удовлетворяет условию

а_max=d_нк+(0-40 мм),

где а_max - максимальное расстояние между осями концентраторов;

d_нк - диаметр нижнего основания концентратора,

каждая катушка выполнена в виде по меньшей мере двух одинаковых, симметрично расположенных относительно центра преобразователя однорядных спиральнообразных обмоток, наклеенных на пластину из диэлектрика с выводными концами, расположенными по обе стороны внутри обмоток катушки, наружные витки которых расположены эквидистантно окружности, проведенной из геометрического центра концентратора, причем соотношение площади описанной вокруг катушки окружности к площади верхнего основания концентратора удовлетворяет соотношению

3<S_ок/S_вк<40,

где S_ок - площадь описанной вокруг катушки окружности;

S_вк - площадь верхнего основания концентратора,

а со стороны объекта контроля вплотную к катушкам установлена по крайней мере одна керамическая пластина, защищающая их от повреждений.