Способ электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов и дефектоскоп для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01H11/02 

Изобретение относится к способам измерения механических колебаний или ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний по изменению электрических или магнитных свойств с помощью магнитных средств и может быть использовано для возбуждения и регистрации акустических импульсов электромагнитно акустическим методом в длинномерных объектах, изготовленных не только из магнитных и электропроводящих материалов.

Из уровня техники известны способы, позволяющие осуществлять трансформацию тока обмотки катушки в ток массивного витка, взаимодействующего с объектом контроля из магнитного или электропроводящего материала, например по авторским свидетельствам SU563622A1, SU487343A1. При этом для осуществления известных способов обеспечивают взаимодействие массивного витка с объектом контроля через зазор или протектор и возбуждение тока в поверхности объекта контроля [1, 2].

Недостатками известных способов является невозможность контроля образцов выполненных из немагнитного или неэлектропроводящего материала.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан способ электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов в немагнитных и неэлектропроводящих материалах известного по авторскому свидетельству SU1481671A1, предусматривающий нанесение на контролируемый образец металлического покрытия.

Недостатком известного способа является необходимость наличия токопроводящего слоя на объекте, что снижает технологичность операции контроля [3].

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа контроля труб и прутков из металлических и неметаллических материалов, в том числе не имеющих электропроводящего покрытия, с помощью электромагнитно-акустического преобразователя для возбуждения и приема крутильных волн в цилиндрических объектах.

Указанная задача решена тем, что способ электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов включает в себя установку на объект контроля электромагнитно-акустического преобразователя, состоящего из магнита, снабженного катушкой. Предварительно электромагнитно-акустический преобразователь накрывают короткозамкнутым витком ленты из проводящего материала так, что лента и обмотка катушки создают трансформатор. При этом ленту ориентируют по образующей вдоль оси контролируемого объекта и через сухой контакт прижимают к объекту контроля. При излучении сигнала с помощью дефектоскопа подают импульс тока на обмотку катушки электромагнитно-акустического преобразователя, в ленте за счет трансформаторной связи возбуждают электрические импульсы, преобразующиеся под действием магнитного поля в акустические импульсы, которые через сухой контакт передаются в объект контроля, а при приеме сигнала акустические импульсы, поступающие через сухой контакт из объекта контроля в ленту под действием магнитного поля преобразуются в ток и через трансформаторную связь поступают в катушку, где их регистрируют с помощью дефектоскопа.

Положительный технический результат, обеспечиваемый указанной выше совокупностью признаков, состоит в обеспечении возможности через сухой контакт возбудить и зарегистрировать акустические импульсы в образцах из металлических и неметаллических материалов за счет применения электромагнитно-акустического преобразователя, накрытого короткозамкнутым витком ленты из проводящего материала. Дополнительный положительный результат от применения ленты заключается в обеспечении защиты электромагнитно-акустического преобразователя от износа.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема электромагнитно-акустического преобразователя с сухим контактом для возбуждения и регистрации крутильной волны; на фиг. 2 приведена эхограмма прозвучивания крутильной волной композитного прутка длиной 5 м и диаметром 22 мм.

Устройство (дефектоскоп) для электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов для осуществления способа имеет следующую конструкцию.

Чувствительным элементом дефектоскопа, совмещенным с излучателем акустических волн, является электромагнитно-акустический преобразователь, состоящий из магнита 1, снабженного катушкой 2, накрытого короткозамкнутым витком ленты 3 из проводящего материала, в качестве которого может быть применена медь. Катушка электрически подключена к измерительному входу дефектоскопа, совмещенному с его силовым выходом, при этом измерительный вход может быть выполнен на основе операционного усилителя, а силовой выход - на основе транзисторного ключа в виде пары Дарлингтона, снабженного фильтром.

Основой дефектоскопа является микроконтроллер, содержащий многоканальный аналого-цифровой преобразователь (ADC) и универсальные восьмиразрядные двунаправленные порты ввода-вывода (GPIO). К одному из каналов аналого-цифрового преобразователя подключен измерительный вход дефектоскопа, а его силовой выход подключен к одной из линий GPIO-порта ввода-вывода. При этом к свободным линиям GPIO-портов могут быть подключены кнопочная клавиатура для управления настройками дефектоскопа и LCD-дисплей для отображения режимов его работы. Микроконтроллер дополнительно может быть снабжен универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком (USART), подключенным к радиомодулю для связи дефектоскопа с удаленной автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСТУП) для передачи результатов измерений по беспроводному каналу связи.

Способ электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов с помощью дефектоскопа осуществляют следующим образом.

Первоначально электромагнитно-акустический преобразователь накрывают короткозамкнутым витком ленты 3 так, что лента и витки обмотки катушки 2 создают трансформатор, после чего электромагнитно-акустический преобразователь через сухой контакт ленты 3 и объекта контроля 4 прижимают к объекту с некоторым усилием F, которое может составлять от 10 г/см² до 15 г/см². Затем обмотку катушки 2 подключают к измерительному входу дефектоскопа, совмещенному с его силовым выходом. После выполнения указанных операций активируют дефектоскоп.

При излучении сигнала с помощью дефектоскопа электрический импульс подается на обмотку катушки 2 и через трансформаторную связь между обмоткой катушки 2 и лентой 3 возбуждается импульс тока в ленте. Под действием магнитного поля импульс тока возбуждает в ней акустический импульс, который передается в объект контроля 4. При приеме сигнала акустические импульсы за счет контакта между электромагнитно-акустическим преобразователем и поверхностью объекта контроля 4 поступают в ленту 3, где под действием магнитного поля преобразуются в ток. За счет трансформаторной связи импульсы тока из ленты 3 поступают в обмотку катушки 2, где регистрируются с помощью дефектоскопа.

Во все время осуществления способа микроконтроллер дефектоскопа на основе управляющей программы, хранящейся в его FLASH-памяти программ, используя для буферизации измеренных амплитуд акустических импульсов SRAM-память данных микроконтроллера, осуществляет генерацию зондирующих импульсов и подачу их на силовой выход дефектоскопа, с одновременным итерационным опросом его измерительного входа с помощью аналого-цифрового преобразователя. Измеренные значения амплитуд акустических импульсов могут быть переданы с помощью радиомодуля по каналу беспроводной связи удаленной автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП), или сохраняться в долговременной памяти дефектоскопа, которая может представлять собой SD-карту, подключенную к SD-контроллеру, который, в свою очередь, может быть подключен к свободным линиям GPIO-портов ввода-вывода микроконтроллера.

В качестве примера осуществления способа на фиг. 2 приведена эхограмма прозвучивания, где наблюдается зондирующий 5 и донный 6 импульсы. Эхограмма получена при прозвучивании крутильной волной композитного прутка длиной 5 метров и диаметром 22 мм, полученная с использованием двух электромагнитно-акустических преобразователей, конструкция которых описана выше, установленных по образующей объекта контроля с разных сторон в зоне, примыкающей к его торцу. Преобразователи ориентированы так, что зондирующий импульс создавал однонаправленный крутящий момент в объекте контроля. Длина электромагнитно-акустического преобразователя L выбрана из условия L=λ/4, где λ - длина акустической волны, определяемая основной частотой f акустического сигнала и скоростью c акустической волны λ=с/f. Преобразователи были соединены друг с другом последовательно и подключены к измерительному входу дефектоскопа.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке способ акустического контроля объектов, осуществляемый с помощью дефектоскопа, с подключенным к нему чувствительным элементом, представляющим собой модифицированный электромагнитно-акустический преобразователь, снабженный короткозамкнутой лентой, позволяет эффективно выполнять операции неразрушающего контроля длинномерных цилиндрических объектов, получая достоверные результаты измерений, с возможностью их хранения и дальнейшей статистической обработки.

Список использованных источников

1. Авторское свидетельство № 563622 A1 СССР, МПК B06B 1/04, G01N 29/04. Электромагнитно-акустический преобразователь: № 2049978: заявл. 25.07.1974: опубл. 30.06.1977 / С.Н. Шубаев, Ю.М. Шкарлет, В.А. Эйчин [и др.]; заявитель предприятие П/Я Р-6303, Всесоюзный научно-исследовательский институт по работе неразрушающих методов и средств контроля качества материалов (ВНИИНК). - EDN KNYPSI.

2. Авторское свидетельство SU487343A1 СССР, МПК G01N 29/24, B06B 1/04, G01N 29/04. Электромагнитно-акустический преобразователь: № 1963231: заявл. 09.10.1973: опубл. 05.10.1975 / Г.А. Буденков, Ю.В. Волегов ; заявитель Челябинский политехнический институт. - EDN ZELNHP.

3. Авторское свидетельство SU1481671A1 СССР, МПК G01N 29/04, G01N 27/00. Электромагнитно-акустический способ контроля качества и твердости изделия: № 4299270: заявл. 05.06.1987: опубл. 23.05.1989 / А.Н. Васильев, Ю.П. Гайдуков, В.Н. Никифоров; заявитель МГУ им. М.В. Ломоносова. - EDN UGXJCF.

Использование: для электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что устанавливают на объект контроля электромагнитно-акустический преобразователь, состоящий из магнита, снабженного катушкой, при этом электромагнитно-акустический преобразователь предварительно накрывают короткозамкнутым витком ленты из проводящего материала так, что лента и обмотка катушки создают трансформатор; ленту ориентируют по образующей вдоль оси контролируемого объекта и через сухой контакт прижимают к объекту контроля; при излучении сигнала с помощью дефектоскопа подают импульс тока на обмотку электромагнитно-акустического преобразователя, в ленте за счет трансформаторной связи возбуждают электрические импульсы, преобразующиеся под действием магнитного поля в акустические импульсы, которые через сухой контакт передаются в объект контроля, а при приеме сигнала акустические импульсы, поступающие через сухой контакт из объекта контроля в ленту, под действием магнитного поля преобразуются в ток и через трансформаторную связь поступают в катушку, где их регистрируют с помощью дефектоскопа. Технический результат: обеспечение возможности через сухой контакт возбудить и зарегистрировать акустические импульсы в образцах из металлических и неметаллических материалов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ электромагнитно-акустического возбуждения и приема акустических импульсов, включающий установку на объект контроля электромагнитно-акустического преобразователя, состоящего из магнита, снабженного катушкой, отличающийся тем, что электромагнитно-акустический преобразователь предварительно накрывают короткозамкнутым витком ленты из проводящего материала так, что лента и обмотка катушки создают трансформатор; ленту ориентируют по образующей вдоль оси контролируемого объекта и через сухой контакт прижимают к объекту контроля; при излучении сигнала с помощью дефектоскопа подают импульс тока на обмотку электромагнитно-акустического преобразователя, в ленте за счет трансформаторной связи возбуждают электрические импульсы, преобразующиеся под действием магнитного поля в акустические импульсы, которые через сухой контакт передаются в объект контроля, а при приеме сигнала акустические импульсы, поступающие через сухой контакт из объекта контроля в ленту, под действием магнитного поля преобразуются в ток и через трансформаторную связь поступают в катушку, где их регистрируют с помощью дефектоскопа.

2. Дефектоскоп для осуществления способа по п. 1, содержащий электромагнитно-акустический преобразователь, состоящий из магнита, снабженного катушкой, отличающийся тем, что магнит накрыт короткозамкнутым витком ленты из проводящего материала, а катушка электрически подключена к измерительному входу устройства, совмещенному с его силовым выходом.

3. Дефектоскоп по п. 2, отличающийся тем, что короткозамкнутый виток ленты выполнен медным.

4. Дефектоскоп по п. 2, отличающийся тем, что измерительный вход выполнен на основе операционного усилителя, а силовой выход – на основе транзисторного ключа, выполненного в виде пары Дарлингтона, снабженного фильтром.

5. Дефектоскоп по п. 2, отличающийся тем, что его основой является микроконтроллер, содержащий многоканальный аналого-цифровой преобразователь и универсальные восьмиразрядные двунаправленные порты ввода-вывода; к одному из каналов аналого-цифрового преобразователя подключен измерительный вход дефектоскопа, а его силовой выход подключен к одной из линий GPIO-порта ввода-вывода.

6. Дефектоскоп по п. 5, отличающийся тем, что к свободным линиям GPIO-портов подключены кнопочная клавиатура для управления настройками дефектоскопа и LCD-дисплей для отображения режимов его работы.

7. Дефектоскоп по п. 5, отличающийся тем, что микроконтроллер дополнительно снабжен универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком, подключенным к радиомодулю для связи дефектоскопа с удаленной автоматизированной системой управления технологическими процессами.