ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть применено для ультразвукового контроля листового, сортового проката и труб.

Известен электромагнитно-акустический преобразователь на «воздушной подушке», включающий, в частности, магнитную систему, позволяющую управлять магнитным полем в зоне возбуждения и приема упругих волн, электромагнитную катушку, концентратор, выполненный в виде постоянного магнита, охваченный электромагнитной катушкой, подложку, катушку индуктивности и керамическую пластину, расположенную в зоне катушки индуктивности. Предполагается, что эта пластина равнотолщинна, и локализована в зоне катушки индуктивности как отдельный элемент, и ее поверхность со стороны объекта контроля находится на одном уровне с подложкой.

Одной из целей известного изобретения является сброс с концентратора накопившейся на концентраторе окалины, которая снижает эффективность работы электромагнитно-акустического преобразователя, создавая помехи при контроле металлоизделий. Концентратор служит для более эффективной передачи магнитного потока от магнитной системы к объекту контроля. Он изготавливается из магнитного материала, например железа, феррита или прессованного ферромагнитного порошка [1].

Для возбуждения и приема ультразвуковых волн по нормали к поверхности объекта контроля очень часто используют индуктор в виде симметричной плоской катушки, напоминающей по форме бабочку. Предполагается, что катушка индуктивности (индуктор) наклеена на диэлектрическую, например керамическую, пластину и, следовательно, ее периферийные части находятся на приблизительно равном расстоянии от объекта контроля, что и рабочая часть катушки индуктивности [2].

Известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий электромагнитную катушку, магнитопровод, катушки индуктивности, источник постоянного поля и усилитель электрических сигналов.

Однако, как и в известном изобретении [1], предполагается, что катушка индуктивности наклеена на керамическую пластину и, следовательно, ее периферийные части находятся на приблизительно равном расстоянии от объекта контроля, что и рабочая часть катушки индуктивности [3]. Кроме того, габариты электромагнитной катушки не позволяют сконцентрировать нейтрализующий магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой в зоне концентратора при пропускании через электромагнитную катушку после завершения контроля тока обратной полярности. Это не дает возможности, при подводе к нему компенсирующего магнитного поля противоположной по отношению к рабочему полю направленности, осуществлять сброс окалины с концентратора,

Известен электромагнитно-акустический преобразователь, в котором постоянные магниты смонтированы в обойме из магнитного материала, вставленной в цилиндрический барабан, из немагнитного материала, установленного в корпусе преобразователя с возможностью вращения вокруг своей оси. Барабан, магниты и обойма со стороны подложки с концентратором установлены по отношению к ним с зазором и выполнены по окружности с общим радиусом, совпадающим с радиусом отверстия в корпусе, в которое вставлен барабан [4].

Общим недостатком известных электромагнитно-акустических преобразователей [1, 2, 3, 4] является: а) расположение крайних витков катушек индуктивности на одном уровне с рабочими витками, находящимися под концентратором; б) ненадежная защита катушек индуктивности и в целом рабочей поверхности подложки от механических повреждений при соприкосновении с поверхностью объекта контроля; в) невозможность сброса окалины с рабочей поверхности концентратора в известных электромагнитно-акустических преобразователях [2, 3, 4].

Целями предлагаемого изобретения является создание такого электромагнитно-акустического преобразователя, при помощи которого можно было бы оперативно управлять основным рабочим потоком, создаваемым постоянными магнитами в зоне концентратора и одновременно иметь возможность в любой момент осуществлять сброс металлических частиц, ферромагнитных предметов и окалины, притянутых магнитным полем к рабочей поверхности концентратора, обращенной к поверхности объекта контроля. Достижение этих целей позволит повысить чувствительность, помехозащищенность и достоверность ультразвукового контроля, осуществляемого с помощью ЭМА-преобразователей.

Указанные цели осуществляются тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе на «воздушной подушке», содержащем, корпус, концентратор, подложку, магнитную или электромагнитную систему, катушки индуктивности и диэлектрические пластины со стороны, примыкающей к объекту контроля, с отверстиями для выхода воздуха, питающего «воздушную подушку», защищающую подложку и катушки индуктивности, магнитная система, позволяющая управлять магнитным полем в зоне возбуждения и приема упругих волн, выполнена, например, в виде трех постоянных магнитов, одного центрального и двух боковых постоянных магнитов, вплотную прилегающих к боковым сторонам центрального постоянного магнита и к подложке и заключенных в соленоид, соединенный с источником постоянного тока, причем центральный постоянный магнит максимально близко прилегает к верхней поверхности концентратора или магнитная система выполнена, например, в виде одного центрального постоянного магнита или одного ферромагнитного стального сердечника, с высокой остаточной намагниченностью, выполняющих роль концентратора магнитного потока, заключенных в соленоид, соединенный с источником постоянного тока и примыкающей к концентратору дополнительной магнитной системой, выполненной в виде, по меньшей мере, двух пар постоянных магнитов с противоположной полярностью и разной степенью намагниченности, установленных, например, крестообразно на вращающийся диск из немагнитного материала, причем создаваемое концентратором дополнительное магнитное поле в рабочем режиме имеет направление, совпадающее по направлению с полем, создаваемым в рабочем режиме магнитной системой, часть керамической пластины за пределами керамической пластины, прилегающей непосредственно к катушкам индуктивности, выполнена в виде слоя керамики толщиной от 0,5 до 10 мм, образованного на поверхности подложки, обращенной к поверхности объекта контроля, например напылением, нанесенного на всю остальную поверхность подложки, в которой совместно со слоем керамики выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха, питающего «воздушную подушку», каждая диэлектрическая, например керамическая, пластина, прилегающая непосредственно к катушкам индуктивности, дополнительно содержит не менее двух опорных элементов, располагаемых в зоне индукторов и обеспечивающих физическое удаление периферийных частей индукторов от объекта контроля на расстояние на 0,3-10 мм большее, чем расстояние между рабочей частью индукторов и объектом контроля,

Кроме того, опорные элементы конструктивно совмещены с диэлектрической пластиной, имеющей неравномерную толщину: минимальную в активной зоне индукторов и максимальную в периферийной их области, или диэлектрическая пластина со стороны индукторов имеет цилиндрическую форму с радиусом кривизны 10-70 мм, или по крайней мере, центральная часть поверхности диэлектрической пластины со стороны объекта контроля заглублена на величину 0,1-3 мм относительно рабочей поверхности подложки, или диэлектрическая пластина со стороны объекта контроля имеет цилиндрическую форму с радиусом кривизны от 20 мм до бесконечности (плоская).

Экспериментально установлено, что наибольшая опасность возникновения помехи при контроле металлоизделий с помощью ЭМАП связана с отрицательным влиянием окалины. Природа окалины широко известна. При воздействии высокой температуры окружающий воздух окисляет поверхность металла, что приводит к возникновению слоя окалины. Слой окалины, связанный с металлом, как и частички свободной окалины, представляет собой механические колебательные системы, которые могут возбуждаться от электромагнитного импульса, генерируемого индуктором ЭМАП. Этот импульс обусловливает механические колебания частиц окалины, которые происходят вследствие проявления магнитострикционного эффекта и создают помеху, накладывающуюся на принимаемый полезный сигнал. Амплитуда этой помехи может превосходить полезный сигнал и маскировать его, снижая тем самым реальную чувствительность и достоверность ультразвукового контроля. Поскольку спектры помехи и сигнала очень близки, обычная фильтрация, как и другие методы обработки сигнала, оказываются в данной ситуации, как правило, не достаточно эффективными.

Возбуждение и прием упругих волн осуществляется, главным образом, центральной частью индуктора. Именно в центральной части индуктора концентратор преобразователя создает максимальную напряженность магнитного поля. Периферийные части («крылья бабочки») являются технологически неизбежными элементами, обеспечивающими симметрию индуктора и протекание тока возбуждения через рабочую (центральную) часть этого индуктора. В то же время, периферийные части индуктора, находясь в зоне сравнительно слабого магнитного поля, могут возбуждать частички окалины и принимать их колебания, которые являются помехой. Экранирование периферийных областей приносит положительный эффект с точки зрения подавления вредного влияния окалины, однако уменьшает ток в рабочей области и, как следствие, существенным образом снижает уровень полезного сигнала.

Является общеизвестным фактом, что амплитуда принимаемых ЭМАП сигналов существенным образом зависит от расстояния индуктора до источника упругих колебаний. Чем больше расстояние, тем меньше амплитуда принимаемых сигналов. Недостатком известных конструкций является то, что в существующих ЭМАП отсутствуют конструктивные элементы, позволяющие зафиксировать периферийные области индукторов на расстоянии от объекта контроля, существенно превышающем аналогичное расстояние для рабочей части индукторов. Это приводит к тому, что периферийные зоны индуктора, находясь в зоне относительно слабого магнитного поля и на сравнительно небольшом расстоянии от объекта контроля активно возбуждают частички окалины и принимают их вторичное электромагнитное излучение, конкурирующее с полезным сигналом, принимаемым преимущественно рабочей частью индукторов. Таким образом, в известных ЭМАП периферийные части индукторов являются потенциальными источниками сильной помехи.

Другим недостатком существующих ЭМАП является сравнительно низкое достигаемое на практике значение магнитного поля в рабочей зоне индукторов. Это связано с тем, что «пассивный» концентратор способен «втянуть» в себя и передать в рабочую область ограниченную часть магнитного потока, создаваемого магнитной системой.

В то же время, является общеизвестным фактом, что магнитострикционный эффект особенно значительно проявляется в присутствии относительно слабого магнитного поля. Практические наблюдения показывают, что при повышении напряженности магнитного поля в рабочем зазоре ЭМАП происходит существенное снижение влияния окалины. Пример зависимости амплитуды помехи, обусловленной магнитострикционным возбуждением частичек свободной окалины от магнитной индукции в зоне индуктора приведен на Фиг.6. Из рисунка видно, что максимум активности окалины наблюдался при значении поля в рабочем зазоре величиной примерно 0,2 Тл. При повышении напряженности поля происходит быстрый спад активности окалины, который носит неравномерный характер.

Это приводит к тому, что в условиях сравнительно слабого магнитного поля, подводимого с помощью пассивных концентраторов, рабочая часть индукторов также способна эффективно возбуждать частички окалины и принимать их вторичное электромагнитное излучение.

Уменьшению влияния помех способствует то, что предлагаемый электромагнитно-акустический преобразователь дополнительно содержит не менее двух опорных элементов, располагаемых в зоне индукторов и обеспечивающих физическое удаление периферийных элементов индукторов от объекта контроля на расстояние на с=0,3-10 мм большее, чем соответствующее расстояние между рабочей частью индукторов и объектом контроля а. (фиг.2, фиг.3, фиг.5) Для повышения технологичности ЭМАП, опорные элементы могут быть конструктивно совмещены с диэлектрической пластиной, имеющей в данном случае неравномерную толщину: минимальную в активной зоне индукторов и максимальную в периферийной их области.

Поскольку чаще всего индуктор (катушка возбуждения) выполняется в виде печатной платы, приклеиваемой к диэлектрической пластине и принимающей ее форму, то оптимальной с точки зрения технологичности изготовления ЭМАП является цилиндрическая форма поверхности диэлектрической пластины со стороны индукторов с радиусом кривизны R=10-70 мм. Дополнительный полезный эффект - более толстые периферийные участки диэлектрической пластины снижают вероятность механического повреждения по крайней мере периферийной части индукторов. Дополнительным полезным эффектом является также существенно меньшая вероятность резонансных явлений в диэлектрической пластине, обусловленная изменением толщины волновода. Более толстые периферийные участки способствуют также эффективному отводу колебаний диэлектрической пластины в подложку через клеевое контурное соединение.

Достижению указанной цели способствует также то, что концентратор выполнен из предварительно намагниченного магнитного материала с высокой остаточной намагниченностью, причем создаваемое концентратором дополнительное магнитное поле в рабочем режиме совпадает по направлению с полем, создаваемым в рабочем режиме магнитной системой. Это повышает эффективность передачи магнитного потока от магнитной системы в концентратор, что также способствует увеличению индукции магнитного поля в рабочей части индукторов. Это, в свою очередь, с одной стороны, позволяет увеличить амплитуду полезных сигналов, принимаемых из объекта контроля, и, с другой стороны, способствует снижению активности окалины за счет ослабления магнитострикционного эффекта. Оба вышеперечисленных фактора положительным образом сказываются на повышении отношения «Сигнал/Помеха».

Поскольку заявляемый ЭМАП обеспечивает более высокие, по сравнению с аналогами, значения магнитного поля в своей активной зоне, а значит обладает большим значением силы прижатия ЭМАП к ферромагнитному материалу, то, во избежание повреждения диэлектрической пластины неровностями или посторонними частицами на поверхности объекта контроля, по крайней мере, центральная часть поверхности диэлектрической пластины со стороны объекта контроля заглублена на величину к=0,1-3 мм относительно рабочей поверхности подложки.

Для оперативного сброса окалины с рабочей поверхности концентратора в соленоид (фиг.1) подается постоянный ток определенного направления, при котором магнитное поле соленоида «запирает» рабочий магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами или ферромагнитным сердечником с высокой остаточной намагниченностью. Для управления рабочим магнитным потоком в соленоид подается ток определенной силы и направления, что позволяет настраивать эффективную работу ЭМАП в зависимости от сортамента, механических свойств и размеров различных ферромагнитных материалов, подлежащих контролю. При варианте магнитной системы с одним центральным магнитом-концентратором или с ферромагнитным стальным сердечником-концентратором, с высокой остаточной намагниченностью и дополнительной магнитной системой из двух пар магнитов противоположной полярностью и разной степенью намагниченности, управление основным магнитным рабочим полем концентратора можно осуществлять путем комбинированного воздействия «запирающим» магнитным потоком соленоида и соответствующими поворотами магнитов, расположенных на диске. Так, при расположении полюсов магнита и концентратора (фиг.4) по схеме N-S-Nк-Sк магнитный поток Фк усилится. Однако при данном положении полюсов соленоида Sн-Nн и создании противоположного магнитного потока Фн, рабочий магнитный поток Фк может быть частично или полностью нейтрализован. Для большей маневренности управления рабочим потокам по всем возможным вариантам расположения полюсов соленоида и магнитов можно осуществить поворотом диска совмещение магнитов другой намагниченности по схеме, например, N1-S1-Nk-Sk и настроить работу ЭМАП в другом режиме. Для обеспечения защиты подложки ЭМАП (фиг.1-фиг.5) часть диэлектрической, например керамической, пластины за пределами керамической пластины, прилегающей непосредственно к катушкам индуктивности, выполнена в виде слоя керамики толщиной от b=0,5 до b=10 мм

Рисунки

Фиг.1. ЭМАП с тремя постоянными магнитами и соленоидом.

Фиг.2. ЭМАП с односторонней цилиндрической формой керамической

пластины со стороны индуктора.

Фиг.3. ЭМАП с двухсторонней цилиндрической формой керамической

пластины или только со стороны объекта контроля.

Фиг.4. ЭМАП с одним центральным магнитом-концентратором, соленоидом и

дополнительной магнитной системой.

Фиг.5. ЭМАП керамическая пластина с двумя керамическими опорами, конструктивно совмещенными с диэлектрической пластиной.

Фиг.6. График относительной активности окалины в зависимости от величины магнитной индукции в зоне катушки индуктивности (индуктора).

Согласно фиг.1-фиг.5 электромагнитно-акустический преобразователяь 1 содержит центральный постоянный магнит 2 и боковые постоянные магниты 3, заключенные в ферромагнитный корпус 4, соленоид 5, подложку 6, катушку индуктивности (индуктор) 7 диэлектрическую, например керамическую пластину 8 с односторонней вогнутостью, керамическую пластину 9 с двухсторонней вогнутостью или керамическую пластину 10 с двумя керамическими опорами 11, концентратор 12, выполненный из постоянного магнита или ферромагнитного стального сердечника с высокой остаточной намагниченностью, и керамическое покрытие 13. По другому варианту (фиг.4) магнитная система дополнительно содержит один центральный постоянный магнит 14, соленоид 15, охватывающий центральный магнит 14, к которому максимально близко установлен диск 16, в котором смонтированы две пары постоянный магнитов 17 и 18, разной полярности и степени намагниченности. Диск 16 снабжен приводом 19, позволяющим поворот диска в обе стороны на 180 градусов.

Практическая реализация и испытания ЭМАП с применением активного концентратора и диэлектрической пластины переменной толщины обеспечили существенное, как минимум на 15-17 дБ более высокое, отношение «Сигнал/помеха» по сравнению с существующей конструкцией.

Источники информации

1. Патент РФ №2300762.

2. Патент РФ №2268517.

3. Патент РФ №2270443.

4. Патент РФ №2300763.

Использование: для ультразвукового контроля проката и труб. Сущность: заключается в том, что магнитная система выполнена в виде трех постоянных магнитов, одного центрального и двух боковых постоянных магнитов, вплотную прилегающих к боковым сторонам центрального постоянного магнита и к подложке и заключенных в соленоид, соединенный с источником постоянного тока, причем центральный постоянный магнит максимально близко прилегает к верхней поверхности концентратора или магнитная система выполнена в виде одного центрального постоянного магнита или одного ферромагнитного стального сердечника, с высокой остаточной намагниченностью, выполняющих роль концентратора магнитного потока, заключенных в соленоид, соединенный с источником постоянного тока и примыкающей к концентратору дополнительной магнитной системой, выполненной в виде, по меньшей мере, двух пар постоянных магнитов с противоположной полярностью и разной степенью намагниченности, установленных крестообразно на вращающийся диск из немагнитного материала, причем создаваемое концентратором дополнительное магнитное поле в рабочем режиме имеет направление, совпадающее по направлению с полем, создаваемым в рабочем режиме магнитной системой, часть керамической пластины за пределами керамической пластины, прилегающей непосредственно к катушкам индуктивности, выполнена в виде слоя керамики, образованного на поверхности подложки, обращенной к поверхности объекта контроля напылением, нанесенного на всю остальную поверхность подложки, в которой совместно со слоем керамики выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха, питающего «воздушную подушку», каждая диэлектрическая пластина, прилегающая непосредственно к катушкам индуктивности, дополнительно содержит не менее двух опорных элементов, располагаемых в зоне индукторов. Технический результат: обеспечение возможности оперативно управлять основным рабочим потоком, создаваемым постоянными магнитами в зоне концентратора. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электромагнитно-акустический преобразователь на «воздушной подушке», содержащий корпус, концентратор, подложку, магнитную или электромагнитную систему, катушки индуктивности и диэлектрические пластины со стороны, примыкающей к объекту контроля, с отверстиями для выхода воздуха, питающего «воздушную подушку», защищающую подложку и катушки индуктивности, отличающийся тем, что магнитная система, позволяющая управлять магнитным полем в зоне возбуждения и приема упругих волн, выполнена, например, в виде трех постоянных магнитов, одного центрального и двух боковых постоянных магнитов, вплотную прилегающих к боковым сторонам центрального постоянного магнита и к подложке и заключенных в соленоид, соединенный с источником постоянного тока, причем центральный постоянный магнит максимально близко прилегает к верхней поверхности концентратора, или магнитная система выполнена, например, в виде одного центрального постоянного магнита или одного ферромагнитного стального сердечника с высокой остаточной намагниченностью, выполняющих роль концентратора магнитного потока, заключенных в соленоид, соединенный с источником постоянного тока и примыкающей к концентратору дополнительной магнитной системой, выполненной в виде, по меньшей мере, двух пар постоянных магнитов с противоположной полярностью и разной степенью намагниченности, установленных, например, крестообразно на вращающийся диск из немагнитного материала, причем создаваемое концентратором дополнительное магнитное поле в рабочем режиме имеет направление, совпадающее по направлению с полем, создаваемым в рабочем режиме магнитной системой, часть керамической пластины за пределами керамической пластины, прилегающей непосредственно к катушкам индуктивности, выполнена в виде слоя керамики, толщиной от 0,5 до 10 мм, образованного на поверхности подложки, обращенной к поверхности объекта контроля, например, напылением, нанесенного на всю остальную поверхность подложки, в которой совместно со слоем керамики выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха, питающего «воздушную подушку», каждая диэлектрическая, например, керамическая пластина, прилегающая непосредственно к катушкам индуктивности, дополнительно содержит не менее двух опорных элементов, располагаемых в зоне индукторов и обеспечивающих физическое удаление периферийных частей индукторов от объекта контроля на расстояние на 0,3-10 мм большее, чем расстояние между рабочей частью индукторов и объектом контроля.

2. Электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что опорные элементы конструктивно совмещены с диэлектрической пластиной, имеющей неравномерную толщину:
минимальную в активной зоне индукторов и максимальную в периферийной их области.

3. Электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина со стороны индукторов имеет цилиндрическую форму с радиусом кривизны 10-70 мм.

4. Электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, центральная часть поверхности диэлектрической пластины со стороны объекта контроля заглублена на величину 0,1-3 мм относительно рабочей поверхности подложки.

5. Электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина со стороны объекта контроля имеет цилиндрическую форму с радиусом кривизны от 20 мм до бесконечности (плоская).