УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МАГНИТНЫХ СУСПЕНЗИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01N15/06 

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества изделий из ферромагнитных материалов и может быть использовано для контроля и регулирования концентрации магнитных суспензий непосредственно в процессе неразрушающего автоматического контроля изделий из ферромагнитных материалов (например, осей железнодорожных вагонов) на наличие поверхностных дефектов.

Известна колба для определения концентрации магнитной суспензии (см., например, http://magnaflux. lucon-russia.ru/equipment/prinadlezhnosti/elem_tsentrobezhnaya_kolba_dlya_opredelemya_kontsent ratsii_magmtnoy_suspenzu/) производства фирмы Magnaflux. Отбор проб для заполнения колбы производится вручную. Рабочий объем колбы составляет 100 мл. Подготовка образца суспензии и выдержка образца в колбе занимают более часа. При фиксированном объеме суспензии (как правило, рабочий объем 100 мл) объем осадка на дне колбы является показателем концентрации супензии. Главными недостатками такого измерения являются крайне низкая производительность и сложность автоматизации измерений. Соответственно, в настоящее время динамический контроль состояния суспензии во время контроля качества изделий в промышленных условиях практически невозможен, хотя состав суспензии в силу разных причин может изменяться. Это оказывает негативное влияние как на обнаружение дефектов, так и на оценку их размеров.

Известны (см. Чуприн В.А. «Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей», Контроль. Диагностика, №10, 2011, с.11-17) также способ и устройство для измерения параметров жидкости, основанные на возбуждении и приеме ультразвуковых нормальных волн в тонкой пластине и на сравнении амплитуд принимаемых сигналов, когда пластина находится в воздухе и когда она погружена на определенную глубину в исследуемую жидкость. Влияние жидкости на параметры нормальной волны, распространяющейся в пластине, проявляется в увеличении коэффициента затухания волны в пластине. Если возбуждают и принимают различные типы нормальных волн или дополнительно поверхностную волну, а также измеряют скорость звука в жидкости, получают систему уравнений, содержащую комбинацию параметров жидкости. Измеряя изменение амплитуд принимаемых волн при погружении пластины в жидкость по сравнению с воздухом и решая систему уравнений, находят численные значения плотности и вязкости (см. Чуприп В.А. «Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей», Контроль. Диагностика, №10, 2011, с.11-17). Поскольку концентрация магнитных частиц в суспензии влияет на вышеназванные параметры жидкости, то теоретически возможно, измеряя, например, плотность суспензии, судить о концентрации суспензии.

Проведенные нами эксперименты показывают, что изменение концентрации магнитных частиц в пределах, представляющих для практики интерес (до 10%), влияют на сдвиговый импеданс магнитной эмульсии в несколько раз слабее, чем на ее продольный импеданс, так что контроль концентрации магнитных частиц, основанный на измерении сдвигового импеданса, становится практически невозможным. Поэтому для контроля концентрации магнитных частиц целесообразно использовать типы нормальных волн в тонкой пластине, которые наиболее чувствительны к величине продольного импеданса эмульсии, в частности нулевую моду симметричной волны Лэмба. Такие измерения могут обеспечить приемлемую для практических целей чувствительность в автоматическом режиме.

Однако недостатком прототипа является нестабильность измерений из-за влияния суспензии, находящейся в контакте с неподвижной пластиной, на параметры распространяющейся в пластине волны, которая проявляется в том, что амплитуда эхо-сигнала в погруженной в эмульсию пластине изменяется с течением времени, хотя концентрация суспензии не изменяется. Эта нестабильность обусловлена тем, что магнитные частицы, взвешенные в суспензии, оказавшись при вертикальном погружении пластины в первоначальный момент на ее поверхности, затем начинают с нее стекать. В результате измеряемые амплитуды сигналов становятся зависящими от интервала времени между моментом измерения и моментом погружения пластины. Если пластина расположена горизонтально, то зависимость измеряемых амплитуд от момента времени измерения также имеет место, однако в силу другой причины - из-за падения на пластину взвешенных частиц из расположенных выше слоев суспензии.

Задачей изобретения является повышение достоверности контроля концентраций магнитных суспензий путем повышения чувствительности измерений и обеспечения однозначной связи между измеряемым параметром жидкости и концентрацией магнитных частиц суспензии.

1. Поставленная цель достигается тем, что закрепляют ультразвуковой преобразователь, например призматический, вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в контролируемую жидкость, обеспечивая перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, и в самой эмульсии с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующие этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени T, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины по формуле:

α_n=[lnA_n+1/A_n]·F/V,

где A_n, A_n+1 - амплитуды n-го и (n+1)-го эхо-сигналов;

F - частота повторения измерений;

V - скорость погружения пластины;

вычисляют среднее значение коэффициента затухания по формуле:

,

где N=T·F - число находящихся в памяти значений измеренных амплитуд эхо-сигналов; и по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят об актуальной концентрации исследуемой суспензии.

Как показала экспериментальная проверка, такая последовательность измерительных операций позволяет реализовать воспроизводимые с погрешностью не более 10% измерения $$\overline{\alpha }$$ , вычисленные из нескольких циклов погружений при условии, что концентрация эмульсии не изменяется.

Описанная выше последовательность контроля и регулирования концентрации магнитной суспензии непосредственно в процессе неразрушающего автоматического контроля изделий из ферромагнитных материалов поясняется фиг.1. Ультразвуковой наклонный преобразователь 1 закрепляют на тонкой пластине 2. Угол призмы преобразователя выбран таким образом, чтобы в пластине оптимальным образом возбуждалась нулевая мода симметричной волны Лэмба. Тонкую пластину закрепляют в держателе 3, который перемещают по направляющей 4 в направлении измерительного сосуда 5 с контролируемой магнитной суспензией. Измерительный сосуд и перемещающий тонкую пластину механизм размещают на столе 6 для придания всей конструкции механической жесткости и устойчивости. Контролируемая эмульсия поступает в сосуд 5 из рабочей емкости (на фиг.1 не показана) через штуцер 8. В рабочей емкости размещена мешалка для придания смеси нужной консистенции и помпа, которая доставляет эмульсию в измерительный сосуд. Через штуцер 7 контролируемая эмульсия возвращается обратно в рабочую емкость.

Процесс контроля концентрации магнитной суспензии состоит из отдельных циклов. В каждом цикле в исходном состоянии пластина с преобразователем находится в крайнем верхнем положении и не касается суспензии. В этом положении включают генератор (на фиг.1 не показан), который возбуждает ультразвуковой преобразователь 1 с помощью последовательности электрических импульсов с частотой повторения F. В результате излученная волна Лэмба распространяется в пластине 2, отражается от ее противоположного торца и эхо-сигнал принимается тем же преобразователем (верхняя последовательность импульсов, изображенная на фиг.1). Затем включают перемещение держателя 3 в направлении сосуда с эмульсией с постоянной скоростью V и измеритель временного интервала. Фиксируют момент времени Т_о, когда амплитуда эхо-сигнала уменьшается до некоторого заранее выбранного значения (уровень а на фиг.1), что соответствует погружению некоторой части пластины в эмульсию, включают память, в которую записывается амплитуда каждого n-го эхо-сигнала. В момент времени T_L, когда пластина погрузилась на заранее выбранную глубину L=V·(T_L-T₀)=V·T, перемещение держателя 3 прекращается (амплитуда эхо-сигнала соответствует уровню b на фиг.1), вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины по формуле:

α_n=[lnA_n+1/A_n]·F/V,

где An, An₊₁ - амплитуды n-го и (n+1)-го эхо-сигналов;

F - частота повторения измерений;

V - скорость погружения пластины;

вычисляют среднее значение коэффициента затухания по формуле:

,

где N=T·F - число находящихся в памяти значений измеренных амплитуд эхо-сигналов; и по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии. Затем перемещают пластину в исходное крайнее верхнее положение, в котором контакт тонкой пластины с контролируемой эмульсией отсутствует, и цикл измерений повторяется.

2. Другая реализация поставленной цели достигается тем, что повторяется вся последовательность действий, описанная в пункте 1, вплоть до остановки погружения пластины при достижении заранее выбранной глубины L, затем в отличие от пункта 1 обнуляют и снова включают измеритель временного интервала и память, измеряют и записывают в память амплитуды каждого n-го эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, и соответствующий его приходу момент времени T_n, сравнивают каждое новое измеренное значение амплитуды n-го эхо-сигнала с несколькими m ближайшими предыдущими, например для m=3 это (n-1), (n-2) и (n-3), останавливают измерения амплитуд и временного интервала в момент времени T₁, когда относительные изменения сравниваемых амплитуд эхо-сигналов δ_m не превышают выбранную ранее некоторую величину, например 10% от численного значения амплитуды (n-3)-го эхо-сигнала, подбирают удовлетворяющую выбранным критериям функцию, аппроксимирующую экспериментальную зависимость от времени находящихся в памяти измеренных амплитуд эхо-сигналов, и рассчитывают момент времени T_∞, когда относительные изменения амплитуд эхо-сигналов δ_m при изменении времени не будут превышать некоторую выбранную величину Δ, например 0.1%, по численным значениям временных интервалов T₁ и/или Т_∞ и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.

Описанная выше последовательность измерительных шагов поясняется фиг.2. Так как при прекращении погружения пластины начинают стекать осевшие на ее поверхности магнитные частицы, то амплитуды эхо-сигналов с течением времени начинают расти быстро, а затем этот рост замедляется. Схематически этот процесс изображается на фиг.2 участком 1 кривой (сплошная линия). За время T₁ в памяти накопится T₁·F численных значений амплитуд и интервалов времени, отсчитанных от T=0. Используя этот набор значений, можно подобрать подходящую функцию А(Т), аппроксимирующую участок 1 экспериментальной зависимости, а затем рассчитать теоретическое время Т_∞, по прошествии которого выполнялось бы условие δ_m≤Δ.

Использование: для контроля концентрации магнитных суспензий. Сущность изобретения заключается в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, при этом движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины и среднее значение коэффициента затухания, после чего по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии. Технический результат: повышение достоверности контроля концентраций магнитных суспензий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий в процессе неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь, например призматический, вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, отличающийся тем, что движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины по формуле:
α_n=[lnA_n+1/A_n]·F/V,
где A_n, А_n+1 - амплитуды n-го и (n+1)-го эхо-сигналов;
F - частота повторения измерений;
V - скорость погружения пластины;
вычисляют среднее значение коэффициента затухания по формуле:
,
где N=T·F - число находящихся в памяти значений измеренных амплитуд эхо-сигналов; и по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после погружения тонкой пластины на выбранную глубину обнуляют и снова включают измеритель временного интервала и память, в которую записывают амплитуды каждого n-го эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, и соответствующий его приходу момент времени T_n, сравнивают каждое новое измеренное значение амплитуды n-го эхо-сигнала с несколькими m ближайшими предыдущими амплитудами, например для m=3 это (n-1), (n-2) и (n-3), останавливают измерения амплитуд и временного интервала в момент времени T₁, когда относительные изменения сравниваемых амплитуд эхо-сигналов δ_m не превышают выбранную ранее некоторую величину, например 10% от численного значения амплитуды (n-3)-го эхо-сигнала, подбирают удовлетворяющую выбранным критериям функцию, аппроксимирующую экспериментальную зависимость от времени находящихся в памяти измеренных амплитуд эхо-сигналов, и рассчитывают момент времени Т_∞, когда относительные изменения амплитуд эхо-сигналов δ_m при изменении времени не будут превышать некоторую выбранную величину Δ, например 0.1%, по численным значениям временных интервалов T₁ и/или T_∞ и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.