Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь Российский патент 2024 года по МПК H04R17/00 G01N29/24 

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

Из уровня техники известны раздельно-совмещенные ультразвуковые преобразователи, используемые для построения систем ручного, автоматизированного и автоматического ультразвукового контроля материалов (см. публикацию книги: Неразрушающий контроль. Книга 2. Акустические методы контроля. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1991, с. 102-106).

Типовая конструкция раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя содержит корпус и находящиеся в нем:

- призму с, по меньшей мере, одним излучающим пьезоэлементом;

- призму с, по меньшей мере, одним приемным пьезоэлементом;

- по меньшей мере, один акустический изолирующий экран (ИЭ), поглощающий акустическую энергию;- по меньшей мере, один электромагнитный экран (ЭЭ), осуществляющий электромагнитное экранирование между излучающим и приемным пьезоэлементами.

Такая конструкция раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя, по сравнению с другими типами ультразвуковых преобразователей позволяет существенно уменьшить неконтролируемую зону вблизи поверхности объекта контроля. Это достигается за счет того, что излучающая часть преобразователя (призма с наклеенным на нее одним или несколькими излучающими пьезоэлементами) и приемная часть преобразователя (призма с наклеенным на нее одним или несколькими приемными пьезоэлементами) электрически (за счет применения ЭЭ) и акустически (за счет применения ИЭ) изолированы друг от друга.

С целью получения высоких дефектоскопических свойств преобразователя его призмы обычно изготавливают из материала с низкой твердостью, например, из оргстекла. Однако, в процессе эксплуатации преобразователя, степень акустической изоляции снижается, что приводит к постепенной деградации полезных свойств преобразователя, в частности, к снижению его чувствительности и увеличению мертвой зоны.

Одним из основных факторов, приводящих к ослаблению изолирующих свойств материала ИЭ, является его постепенное насыщение контактной жидкостью (например, водой), что приводит к снижению затухания энергии упругих волн в ИЭ, и, как следствие, к повышению акустической связи между излучающей и приемной частями преобразователя.

Другим фактором, приводящим к деградации свойств преобразователя, является разрушение его рабочей поверхности, происходящее за счет механического и эрозионного износа призм и разделяющего их ИЭ. Причем этот износ происходит, как правило, неравномерно. При этом, наиболее подвержена износу самая важная, с точки зрения сохранения свойств преобразователя, центральная часть его рабочей поверхности. Это происходит потому, что корпус преобразователя, как правило, является более твердым по сравнению с призмами и ИЭ. Поэтому, скорость его разрушения существенно меньше скорости разрушения призм и ИЭ. В результате такого неравномерного износа рабочей поверхности преобразователя ухудшаются его дефектоскопические свойства что, как следствие, приводит к снижению качества и надежности ультразвукового контроля в целом.

Также известны технические решения, в которых призмы преобразователя оснащают протекторами из износостойкого материала, например, стекла или керамики.

Например, известны износостойкие преобразователи SENDAST производства ООО «3Т», снабженные керамическим протектором (см. публикацию в сети Интернет по ссылке: https://3tsensor.com/p111-sendast).

Такие преобразователи обладают более высокой устойчивостью к износу, но, в ряде случаев, они не обеспечивают необходимых дефектоскопических характеристик. Это связано с тем, что твердые материалы обладают более высоким акустическим импедансом и плохо согласуются с акустическим импедансом воды или иной жидкости, обеспечивающей акустический контакт преобразователя с объектом контроля. Вследствие этого повышается чувствительность преобразователя к рабочему зазору, а также к искажениям спектра ультразвуковых сигналов. Последнее приводит к реверберационным шумам, расширению мертвой зоны преобразователя и к снижению его лучевой разрешающей способности. Нестабильность характеристик таких преобразователей, как правило, не позволяет их использовать в составе систем высокочувствительного многоканального ультразвукового контроля.

Таким образом, износостойкие твердые призмы обладают высоким акустическим импедансом и малопригодны для применения в системах многоканального ультразвукового контроля, а призмы, изготовленные из мягкого материала, которые в принципе обладают высокими дефектоскопическими характеристиками, быстро деградируют.

При этом, ремонт преобразователей, включающий восстановление формы рабочей поверхности призм, очень дорогостоящ и недостаточно эффективен. После нескольких восстановлений такие преобразователи, как правило, полностью теряют свои дефектоскопические характеристики.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, описанный в патенте на изобретение РФ №2718129, опубл. 30.03.2020, МПК H04R 17/00.

Известная конструкция ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя обладает хорошей стойкостью и надежностью, при этом она обеспечивает высокие дефектоскопические свойства.

Указанные характеристики достигаются тем, что ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, содержит корпус, излучающую призму с закрепленным на ней излучающим пьезоэлементом, приемную призму с закрепленным на ней приемным пьезоэлементом, и установленный между призмами электроакустический экран, включающий, по меньшей мере один изолирующий слой, при этом электроакустический экран также дополнительно содержит отражающий экран, установленный параллельно изолирующему слою непосредственно после него по ходу движения ультразвуковых волн, и который предназначен для возвращения акустической энергии обратно в изолирующий слой и, далее, в излучающую призму. В качестве варианта реализации изобретения, отражающий экран также может быть установлен между двумя изолирующими слоями.

При этом, отражающий экран выполнен из износостойкого материала, например, из диэлектрика (керамики, ферритов) или металла, обладающего твердостью, превосходящей твердость материала призм и/или изолирующего слоя, и удовлетворяющего условию: (РС)_ОЭ>>(РС)_ИС, где:

(РС)_ОЭ - произведение удельного веса материала отражающего экрана и скорости продольной упругой волны в этом материале;

(РС)_ИС - произведение удельного веса материала изолирующего слоя и скорости продольной упругой волны в этом материале.

Характер износа призм в случае применения такой системы обусловлен разделением изнашивающейся поверхности призм на две части, за счет чего износ призм происходит отдельно в каждой из этих двух частях. Однако, поскольку электроакустический экран включает твердый элемент - отражающий экран, то он продолжает сохранять свои изолирующие свойства даже при сравнительно сильном износе призм.

Тем не менее, такой преобразователь также со временем утрачивает свои эксплуатационные свойства, что требует его полной замены даже в том случае, если разрушился или потерял свои дефектоскопические свойства только какой-то один его элемент. Это связано с тем, что все три элемента - приемная и излучающая призмы, а также электроакустический экран вклеены в корпус, объединяющий их в единую неразборную конструкцию.

Технической проблемой, решаемой с помощью заявляемого технического решения, является недостаточная надежность либо низкая ремонтопригодность известных конструкций ультразвуковых раздельно-совмещенных преобразователей, в силу чего они не могут быть использованы, например, в системах автоматического многоканального ультразвукового контроля.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик, а именно надежности и ремонтопригодности ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, который может быть использован, в частности в системе автоматического многоканального ультразвукового контроля.

Указанный технический результат достигается за счет конструкции ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, который представляет собой сборно-разборную конструкцию, включающую основание, на котором последовательно установлены: корпус излучающего блока, в котором размещена призма излучающего пьезоэлемента с закрепленным на ней, по меньшей мере, одним излучающим пьезоэлементом; изолирующий экран, который содержит, по меньшей мере, один экранирующий слой - акустический или электромагнитный, либо одновременно несколько экранирующих слоев в их различных сочетаниях и комбинациях; корпус приемного блока, в котором размещена призма приемного пьезоэлемента с закрепленным на ней, по меньшей мере, одним приемным пьезоэлементом, при этом все элементы конструкции жестко соединены друг с другом при помощи фиксирующего элемента.

Кроме того, на этом же основании также могут быть установлены элементы системы подачи рабочей жидкости, обеспечивающей акустический контакт ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя с поверхностью объекта контроля.

Таким образом, заявляемая сборно-разборная конструкция ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя позволяет легко заменить или отремонтировать поврежденные детали и полностью восстановить работоспособность преобразователя без необходимости его полной замены.

Например, частой причиной замены ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя является повреждение изолирующего экрана, который, как правило, представляет собой плоскую пластину и является относительно недорогой деталью. При этом, поврежденный изолирующий экран может быть заменен на рабочий, либо его функционал может быть легко восстановлен путем его поворота на угол 90º или 180º, либо путем удаления (обрезки) его поврежденной части.

В случае повреждения одной из призм, ее замена также является простой технологической операцией, при этом стоимость такой замены будет вдвое ниже, по сравнению со стоимостью замены целого преобразователя.

Заявляемая конструкция ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя поясняется изображением на г.Фиг.1, на котором обозначены следующие позиции:

(1) - объект контроля;

(2) - основание;

(3) - корпус излучающего блока;

(4) - призма излучающего пьезоэлемента;

(5) - излучающий пьезоэлемент;

(6) - изолирующий экран;

(7) - корпус приемного блока;

(8) - призма приемного пьезоэлемента;

(9) - приемный пьезоэлемент;

(10) - фиксирующий элемент;

(11) - детали системы подачи контактирующей жидкости.

Показан ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, установленный на объекте контроля (1).

При этом, ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь представляет собой сборно-разборную конструкцию, включающую основание (2), на котором последовательно установлены:

корпус излучающего блока (3), в котором размещена призма излучающего пьезоэлемента (4) с закрепленным на ней, по меньшей мере, одним излучающим пьезоэлементом (5);

изолирующий экран (6), который содержит, по меньшей мере, один экранирующий слой - акустический или электромагнитный, либо одновременно несколько таких слоев в их различных сочетаниях и комбинациях;

корпус приемного блока (7), в котором размещена призма приемного пьезоэлемента (8) с закрепленным на ней, по меньшей мере, одним приемным пьезоэлементом (9).

При этом все элементы конструкции жестко соединены друг с другом при помощи фиксирующего элемента (10), например, при помощи винта.

Кроме того, на основании (2) также могут быть установлены элементы системы подачи контактирующей жидкости (11), обеспечивающей акустический контакт ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя с поверхностью объекта контроля (1).

Заявляемая конструкция работает следующим образом. Перед проведением исследований собранный ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь устанавливают на поверхности объекта контроля (1).

При этом, в зависимости от поставленной задачи, заранее устанавливают необходимый зазор между рабочей поверхностью призм (4) и (8) и поверхностью объекта контроля (1), а также обеспечивают прилегание изолирующего экрана (6) к поверхности объекта контроля (1).

С целью обеспечения акустического контакта в рабочую зону подают контактирующую жидкость при помощи системы ее подачи (11) и затем проводят ультразвуковые исследования объекта контроля (1) в соответствии с заданной программой.

В случае повреждения во время эксплуатации ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя элементов его конструкции, например, призм (4), (8) или изолирующего экрана (6), преобразователь разбирают, для чего отпускают фиксирующий элемент (10), после чего производят замену поврежденного элемента и конструкцию соединяют вновь также при помощи фиксирующего элемента (10).

Проведенные лабораторные испытания заявляемой конструкции доказали ее работоспособность и возможность применения в системах автоматического многоканального ультразвукового контроля, используемых на предприятиях металлургической промышленности.

Таким образом, выполнение ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя сборно-разборным, обеспечивающим возможность замены одного или сразу нескольких основных элементов конструкции: призм или изолирующего экрана, повышает его надежность и ремонтопригодность, а также приводит к снижению затрат, связанных с обслуживанием промышленного оборудования, например, конвейерных систем автоматического многоканального ультразвукового контроля, используемых при контроле качества таких изделий, как трубы, листовой или сортовой прокат.

Изобретение относится к области акустики, в частности к раздельно-совмещенным преобразователям. Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь представляет собой сборно-разборную конструкцию, включающую основание, на котором последовательно установлены: корпус излучающего блока, в котором размещена призма излучающего пьезоэлемента с закреплённым на ней по меньшей мере одним излучающим пьезоэлементом; изолирующий экран, который содержит по меньшей мере один экранирующий слой – акустический или электромагнитный либо одновременно несколько экранирующих слоёв в их различных сочетаниях и комбинациях; корпус приёмного блока, в котором размещена призма приёмного пьезоэлемента с закреплённым на ней по меньшей мере одним приёмным пьезоэлементом, при этом все элементы конструкции жёстко соединены друг с другом при помощи фиксирующего элемента. Кроме того, на этом же основании также могут быть установлены элементы системы подачи рабочей жидкости, обеспечивающей акустический контакт ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя с поверхностью объекта контроля. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик, а именно надёжности и ремонтопригодности ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, представляющий собой сборно-разборную конструкцию, включающую основание, на котором последовательно установлены: корпус излучающего блока, в котором размещена призма излучающего пьезоэлемента с закреплённым на ней по меньшей мере одним излучающим пьезоэлементом; изолирующий экран, который содержит по меньшей мере один экранирующий слой – акустический или электромагнитный либо одновременно несколько экранирующих слоёв в их различных сочетаниях и комбинациях; корпус приёмного блока, в котором размещена призма приёмного пьезоэлемента с закреплённым на ней по меньшей мере одним приёмным пьезоэлементом, при этом все элементы конструкции соединены друг с другом при помощи фиксирующего элемента.

2. Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что на основании установлены элементы системы подачи рабочей жидкости, обеспечивающей акустический контакт ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя с поверхностью объекта контроля.