Акустическая антенна и способ ее работы Российский патент 2020 года по МПК G01N29/04 

Изобретения относятся к области неразрушающего контроля и могут быть использованы для исследования технического состояния трубопроводов, контейнеров, емкостей, рельсов, бетонных стен и других изделий акустическим способом.

Известна акустическая антенна того же назначения, содержащая подложку, выполненную с возможностью закрепления на поверхности контролируемого объекта, прижимное устройство пьезопреобразователей для обеспечения сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта и программно-аппаратный комплекс, электрически соединенный с пьезопреобразователями антенны. / Патент Китая 201322742, кл. G01N 29/14, 2009/.

Данное техническое решение принято за прототип антенны.

В прототипе для увеличения дальности зондирования контролируемого объекта акустическими волнами пьезопреобразователи выполнены только приемными, а передающий преобразователь выполнен магнитострикционным.

Недостатком прототипа является его сложность из-за наличия двух типов преобразователей (магнитострикционный и пьезоэлектрический) и недостаточная зона зондирования контролируемого объекта из-за отсутствия возможности использования свойств фазированной акустической решетки при работе в прототипе одного магнитострикционного передающего преобразователя.

Известен способ аналогичного назначения, заключающийся в закреплении на поверхности контролируемого объекта гибкой подложки и пьезопреобразователей с последующим формированием и электронным сканированием зондирующих лучей путем подачи на пьезопреобразователи антенны с программно-аппаратного комплекса электрических импульсов с модулированной во времени фазой, приеме отраженных от дефектов контролируемого объекта акустических импульсов той же акустической антенной с последующей обработкой принятых сигналов в программно-аппаратном комплексе, в результате которой определяют координаты и форму дефектов / Патент Франции №2796153, кл. G01N 29/26, G01N 29/34, G01N 29/38, 2001/.

Данный способ принят за прототип способа работы акустической антенны.

Недостатком прототипа способа является недостаточно большая зона зондирования контролируемого объекта из-за отсутствия высококачественного сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта.

Техническим эффектом от применения акустической антенны является упрощение антенны за счет использования в ней одного типа пьезопреобразователей как для передачи, так и для приема зондирующих акустических волн, и увеличение зоны зондирования за счет повышения качества сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта и возможности быстрого смещения антенны по поверхности объекта на новое место зондирования.

Техническим эффектом от применения способа является увеличение зоны зондирования контролируемого объекта за счет возможности фазирования пьезопреобразователей антенны как линейных и матричных акустических решеток.

В части акустической антенны данные технические результаты достигаются за счет того, что в акустической антенне с сухим точечным контактом пьезообразователей с поверхностью контролируемого объекта, содержащей подложку, выполненную с возможностью закрепления на поверхности контролируемого объекта, прижимное устройство пьезопреобразователей для обеспечения сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта и программно-аппаратный комплекс, электрически соединенный с пьезопреобразователями антенны, подложка выполнена гибкой с параллельными пазами, а преобразователи объединены в несколько съемных модулей, установленных в эти пазы, и выполнены приемо-передающими, при этом прижимное устройство выполнено в виде магнитопроводов, установленных в съемных модулях пьезопреобразователей.

Пьезоэлектрические преобразователи в съемных модулях установлены в шахматном порядке.

Магнитопроводы установлены в съемных модулях между преобразователями в шахматном порядке.

Вокруг каждого преобразователя антенных решеток установлены защитные манжеты.

Для усиления сухого акустического контакта пьезоэлектрических преобразователей с наружной поверхностью трубопровода каждый из преобразователей антенных решеток выполнен подпружиненным.

Гибкая подложка с продольными пазами выполнена из винипласта, закрепляемого на трубопроводе с помощью магнитов.

В части способа данные технические результаты достигаются за счет того, что в известном способе работы акустической антенны, заключающемся в закреплении на поверхности контролируемого объекта гибкой подложки и пьезопреобразователей с последующим формированием и электронным сканированием зондирующих лучей путем подачи на пьезопреобразователи антенны с программно-аппаратного комплекса электрических импульсов с модулированной во времени фазой, приеме отраженных от дефектов контролируемого объекта акустических импульсов той же акустической антенной с последующей обработкой принятых сигналов в программно-аппаратном комплексе, в результате которой определяют координаты и форму дефектов, гибкую подложку выполняют с параллельным пазами, а пьезопреобразователи объединяют в съемные модули, установленные в пазы подложки и закрепляемые на поверхности контролируемого объекта, при этом пьезопреобразователи в съемных модулях фазируют как линейные и (или матричные) акустические решетки.

Аналогичные акустические исследования проводят в другом месте контролируемого объекта путем перемещения акустической антенны по поверхности объекта.

Изобретения поясняются чертежами. На фиг. 1 представлена общая схема антенны; на фиг. 2 - схема расположения антенны на поверхности объекта для исследования трубопровода; на фиг. 3 и 4 - схемы съемных модулей (виды сверху и сбоку); на фиг. 5 показаны временные диаграммы, поясняющие работу антенны, изображенной на фиг. 3.

Устройство и работа акустической антенны представлены на примере исследования дефектов трубопровода.

Антенна для обнаружения дефектов трубопровода содержит приемо-передающую акустическую систему, выполненную в виде пьезоэлектрических преобразователей, объединенных в съемные модули 1 антенных решеток (фиг. 1, 2), прикрепляемых к открытому участку трубопровода 2 с помощью прижимного устройства, описанного ниже, для обеспечения сухого акустического контакта пьезоэлектрических преобразователей с наружной поверхностью трубопровода 2.

Имеется также устройство позиционирования модулей 1 антенных решеток на трубопроводе 2, выполненное в виде гибкой подложки (пояса) 3 с пазами 4, направленными вдоль образующих трубопровода 2.

Антенные решетки, выполненные в виде съемных модулей (фиг. 3, 4), устанавливаемые в пазы 4 гибкой подложки (пояса) 3, прижимаются к поверхности трубопровода 2 с помощью магнитопроводов 5.

Для этой же цели (обеспечение необходимого усилия прижима) внутри корпуса 6 модуля 1 каждый пьезоэлектрический приемо-передающий преобразователь 7 (фиг. 3, 4) оснащен пружинным механизмом (на чертежах не показан).

Для предотвращения попадания влаги, пыли или грязи внутрь корпуса 6 модуля 1 вокруг каждого преобразователя 7 предусмотрена защитная манжета (на рисунках не показана).

Пьезоэлектрические преобразователи 7 в каждом съемном модуле 1 (фиг. 3, 4) установлены в шахматном порядке. Магнитопроводы 5 в съемных модулях 1 между пьезоэлектрическими преобразователями 7 также установлены в шахматном порядке.

Это позволяет усилить технический эффект за счет увеличения прижимающего усилия каждого пьезоэлектрического преобразователя в модуле к поверхности трубопровода 2 (фиг. 2).

Гибкая подложка в виде пояса 3 с пазами 4 может быть выполнена из винипласта, закрепляемого на трубопроводе 2 с помощью магнитов (на чертежах не приведены).

Таким образом, прижимным устройством для обеспечения акустического контакта пьезоэлектрических приемо-передающих преобразователей 7 с поверхностью трубопровода 2 служат магнитопроводы 5 и непоказанный на чертежах пружинный механизм внутри корпуса 6 модуля 1.

На чертежах обозначения х, у, z направлений представлены в декартовой системе координат.

Антенна также содержит модуль 8 коммутации для обеспечения совместно работы модулей 1 пьезоэлектрических преобразователей (фиг. 1), который подключается к управляющему компьютеру (не показан). Совместно с компьютером модуль 8 коммутации образуют программно-аппаратный комплекс для коммутации сигналов и интерпретации полученных данных.

Модуль 8 коммутации соединен с пьезоэлектрическими преобразователями 7 модулей 1 проводами 9. Каждый из преобразователей 7 механически контактирует с трубопроводом 2 через протекторы 10 (фиг. 3).

Под позицией 11 показаны электрические контакты пьезоэлектрических преобразователей 7.

Антенна работает следующим образом.

На боковой поверхности контролируемого трубопровода 2 с помощью магнитопроводов (не показаны) закрепляют гибкую подложку 3 с пазами 4 (фиг. 1). Затем в пазы 4 подложки 3 устанавливают модули 1 и закрепляют на трубопроводе 2 с помощью магнитопроводов 5 до обеспечения сухого акустического контакта пьезоэлектрических приемо-передающих преобразователей 7 с поверхностью трубопровода 2.

С помощью модуля 8 коммутации преобразователи 7 в отдельных съемных модулях 1 фазируют как линейные акустические решетки. В направлении X образующих трубопровода 2, при этом формируются суммарные акустические волны (фиг. 5а), усиленные в данном случае в 8 раз (по количеству приемопередающих преобразователей 7 в модуле 1).

Это суммирование наблюдается потому, что каждый из преобразователей 7 возбуждается в момент прихода акустической волны от предыдущего преобразователя по ходу волны (направление X).

При исследовании плоского объекта (например, днища резервуара) акустическая антенна, например, из нижних и верхних преобразователей 7 (фиг. 3, 5) фазируется как матричная акустическая решетка.

Преобразователи 7 в фазированной решетке в данном случае состоят из множества пьезоэлектрических элементов, которые могут активироваться не только последовательно, как в предыдущем случае, но и с задержкой во времени t (фиг. 5в).

Акустические поля от нескольких элементов (на фиг. 5б - нижних) накладываются друг на друга, формируя, так называемый, виртуальный датчик.

Таким образом, полученное акустическое поле и его направление 11 (фиг. 5в) можно перемещать (линейное сканирование) или вращать (секторное сканирование).

Прибор (фиг. 1, 2, 3, 4) позволяет генерировать как продольные, так и поперечные волны, расширяя возможности антенны, в части неразрушающей дефектоскопии.

Механическое перемещение антенны на другое место позволяет неограниченно расширять зону зондирования контролируемого объекта.

Таким образом достигаются поставленные технические результаты.

Использование: для неразрушающего акустического контроля объекта. Сущность изобретения заключается в том, что акустическая антенна с сухим точечным контактом пьезопреобразователей с поверхностью контролируемого объекта содержит подложку, выполненную с возможностью закрепления на поверхности контролируемого объекта, прижимное устройство пьезоэлектрических преобразователей и программно-аппаратный комплекс, электрически соединенный с пьезоэлектрическими преобразователями антенны, при этом подложка выполнена гибкой с параллельными пазами, а пьезоэлектрические преобразователи соединены в несколько съемных модулей антенных решеток, установленных в эти пазы, выполнены приемопередающими и способны активироваться как последовательно, так и с задержкой во времени t, при этом прижимное устройство выполнено в виде магнитопроводов, установленных в съемных модулях пьезоэлектрических преобразователей. Технический результат: увеличение зоны зондирования. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Акустическая антенна с сухим точечным контактом пьезопреобразователей с поверхностью контролируемого объекта, содержащая подложку, выполненную с возможностью закрепления на поверхности контролируемого объекта, прижимное устройство пьезоэлектрических преобразователей и программно-аппаратный комплекс, электрически соединенный с пьезоэлектрическими преобразователями антенны, отличающаяся тем, что подложка выполнена гибкой с параллельными пазами, а пьезоэлектрические преобразователи соединены в несколько съемных модулей антенных решеток, установленных в эти пазы, выполнены приемопередающими и способны активироваться как последовательно, так и с задержкой во времени t, при этом прижимное устройство выполнено в виде магнитопроводов, установленных в съемных модулях пьезоэлектрических преобразователей.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что пьезоэлектрические преобразователи в съемных модулях установлены в шахматном порядке.

3. Антенна по п. 2, отличающаяся тем, что магнитопроводы установлены в съемных модулях между пьезоэлектрическими преобразователями в шахматном порядке.

4. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что вокруг каждого пьезоэлектрического преобразователя антенных решеток установлены защитные манжеты.

5. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из пьезоэлектрических преобразователей антенных решеток выполнен подпружиненным.

6. Способ работы акустической антенны по п. 1, заключающийся в закреплении на поверхности контролируемого объекта гибкой подложки и пьезоэлектрических преобразователей, с последующим формированием и электронным сканированием зондирующих лучей путем подачи на пьезоэлектрические преобразователи антенны с программно-аппаратного комплекса электрических импульсов с модулированной во времени фазой, приеме отраженных от дефектов контролируемого объекта акустических импульсов той же акустической антенной с последующей обработкой принятых сигналов в программно-аппаратном комплексе, в результате которой определяют координаты и форму дефектов, при этом пьезоэлектрические преобразователи в съемных модулях фазируют как линейные и/или матричные акустические решетки.