Электромагнитно-акустический преобразователь

 

Изобретение относится к области ультразвуковых неразрушающих испытаний материалов и изделий. В предложенном электромагнитном ультразвуковом преобразователе магнитопровод выполнен в виде полого цилиндра из магнитного материала, помещенного в рубашку, внутри которого по центру установлена тяга с укрепленным на ней шарнирно элементом, имеющим вид полусферы и обеспечивающим в сочетании с "воздушной подушкой" стабильное положение катушек параллельно поверхности объекта контроля. При этом указанный элемент вплотную прилегает к соответствующей внутренней сферической поверхности цилиндра и жестко соединен с металлической подложкой из немагнитного материала. Также в указанном элементе выполнены сквозные каналы, соединенные с внутренним каналом магнитопровода, имеющего на противоположном конце отверстия для подачи сжатого воздуха, а также сквозные отверстия в подложке. Внутри указанного элемента установлены по меньшей мере два концентратора, при этом каждый концентратор со стороны, примыкающей к катушке индуктивности, имеет по меньшей мере две фаски под углом. В результате упрощается конструкция преобразователя, уменьшаются его габариты и вес, а также потребляемая мощность. Повышается долговечность, а также точность и надежность контроля. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области ультразвуковых неразрушающих испытаний материалов и изделий и может быть использовано, в частности, для контроля качества продукции металлургической промышленности (рельсов, полос, сорта, труб и т.д.).

Известен ЭМАП, содержащий источник магнитного поля (электромагнит), высокочастотную катушку индуктивности [1]. В известном ЭМАП повышение его чувствительности достигается за счет того, что он снабжен двумя электропроводящими пластинами, расположенными в плоскости катушки индуктивности с двух сторон от нее на прямой, пересекающей катушку параллельно одной из ее осей.

Недостатком известного устройства является использование для подмагничивания электромагнита С-образной формы, сложность конструкции, большие затраты энергии, наличие значительных потоков рассеяния, невозможность надежного контроля по ширине зоны контролируемого объекта.

Известен электродинамический преобразователь [2], состоящий из магнитной цепи с кольцевым зазором, образуемым ее полюсами, в котором размещена силовая катушка с возможностью перемещения под действием протекающего по ней переменного тока, а поверхность полюсов покрыта материалом с высокой теплопроводностью.

Недостатком известного ЭМАП являются большие габариты магнитной системы и обмотки силовой катушки, что не позволяет снизить расход мощности без снижения надежности и долговечности преобразователя.

Известен ЭМАП [3], который, с целью повышения долговечности и надежности контроля, снабжен протектором, выполненным в виде эластичной ленты и обрезиненных роликов, а подмагничивание осуществляется с помощью соленоида, установленного с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной к поверхности ленты.

К недостатку известного ЭМАП следует отнести значительную сложность конструкции, наличие контакта с объектом контроля, использование внешнего источника для питания соленоида.

Цель изобретения - упрощение конструкции ЭМАП, уменьшение его габаритов и веса, уменьшение потребляемой мощности, повышение долговечности, точности и надежности контроля.

Для этого предлагаемый преобразователь содержит магнитопровод, выполненный в виде полого цилиндра из магнитного материала, помещенного в рубашку, внутри которого по центру установлена тяга с укрепленной на ней шарнирно полусферой, вплотную прижатой к сферической поверхности цилиндра и жестко соединенной с металлической ложкой из немагнитного материала, внутри которой, симметрично относительно центральной оси цилиндра установлены, по меньшей мере, два концентратора, выполненные в виде усеченных конусов, каждый концентратор, со стороны, примыкающей к катушке индуктивности, имеет, по меньшей мере, две фаски под углом, удовлетворяющим условию: где α_K - угол, образованный секущими плоскостями, пересекающимися по линии, лежащей в плоскости симметрии концентратора, а с противоположной стороны имеет скос под углом, удовлетворяющим соотношению: 30°≤α_l≤80°, где α_l характеризует угол наклона поверхности концентратора, при падении на которую, поперечная акустическая волна, возникающая в концентраторе, поляризуется полностью в продольную, не воспринимаемую, после трансформации в электромагнитную энергию, катушкой индуктивности.

Кроме того, отношения площади окна каждой катушки к площади торца каждого концентратора удовлетворяет соотношению: или где S_ОК - площадь окна катушки; S_КТ - площадь торца концентратора, обращенного к катушке индуктивности;
d_n - диаметр изолированного провода катушки;
К_з - коэффициент заполнения слоя медью;
число витков в одном слое катушки;
d_К - диаметр (длина) торца концентратора, обращенного к катушке индуктивности;
в_К - ширина торца концентратора, обращенного к катушке индуктивности.

Кроме того, в полусфере выполнены сквозные каналы, соединенные полостью с внутренним каналом цилиндра, имеющем на противоположном конце отверстия для подачи сжатого воздуха и со сквозными отверстиями в подложке, а радиусы скруглений всех ребер и торцов концентраторов удовлетворяют условию r ≈ λ/4, где r - радиус скругления, λ - длина акустической волны.

Выполнение магнитопровода преобразователя в виде полого цилиндра из магнитного материала позволяет сконцентрировать магнитный поток от внешнего источника магнитной энергии по оси преобразователя и подвести его к катушкам индуктивности через концентраторы.

Установка тяги по центру цилиндра обеспечивает шарнирное крепление полусферы с подложкой, концентраторами и катушками.

Выполнение соединения магнитопровода с подложкой, на которой смонтированы концентраторы и катушки индуктивности, при помощи полусферы, обеспечивает в сочетании с "воздушной подушкой" стабильное положение катушек параллельно поверхности объекта контроля при ее волнистости и сохраняет высокую чувствительность преобразователя, не смотря на изменение формы поверхности объекта контроля.

Выполнение торцов концентраторов в виде усеченных конусов позволяет максимально сконцентрировать электромагнитную энергию в зоне расположения катушек индуктивности и нейтрализовать акустические помехи, возникающие вследствие зарождения поперечных акустических волн в концентраторах, находящихся в зоне сильных переменных полей высокой частоты.

Выполнение фасок на торце концентратора, обращенном в сторону катушки индуктивности под углом, удовлетворяющим условию:

где α_K - угол, образованный двумя секущими плоскостями, пересекающимися по линии, лежащей в плоскости симметрии концентратора, позволяет определить оптимальные размеры концентратора: d_К - диаметр концентратора, ширину торца концентратора и высоту носка (торца) концентратора и согласовать эти размеры с размерами катушек индуктивности с целью получения максимальных значений электрических сигналов, фиксирующих дефект в объекте контроля.

Выполнение противоположного (дальнего) торца концентратора со скосом торцевой поверхности под углом, удовлетворяющим соотношению: 30^o≤α_l≤80^o, обеспечивает полное гашение энергии поперечных акустических волн, возникших в концентраторе, при их отражении от наклонной плоскости и трансформации в продольные волны, не воспринимаемые после перехода в электромагнитные волны, катушками индуктивности.

Этот угол согласно источнику [4] равен α_l=C_l/C_t, где
C_l - скорость распространения продольной акустической волны в материале концентратора;
С_t - скорость распространения поперечной акустической волны в материале концентратора (для стали, например, он равен 61^o).

Для других материалов этот угол имеет иные значения, однако в указанном выше диапазоне находится большинство ферромагнитных материалов, из которых могут быть изготовлены концентраторы магнитных полей.

Удовлетворение (в конструктивном плане) соотношению:

где число витков в слое катушки;
d_n - диаметр провода;
К_з - коэффициент заполнения слоя медью, обеспечивает получение максимальной электромагнитной энергии из энергии акустической волны, повышает максимально чувствительность преобразователя к дефектам, уменьшает потоки утечки и акустические помехи.

Выполнение в полусфере каналов, соединенных с полостью в цилиндре и со сквозными отверстиями в подложке, обеспечивает подвод сжатого воздуха под подложку для создания "воздушной подушки" и охлаждения катушек при зондировании горячего металла. Выполнение на ребрах и торцах концентраторов скруглений радиусом r ≈ λ/4 обеспечивает прохождение через концентраторы магнитного потока без искажений с минимальной потерей энергии электромагнитных волн и искажение их конфигурации.

На фиг.1 показан вертикальный разрез преобразователя.

На фиг. 2 - сечение А-А по шарнирной полусфере и подложке с концентраторами магнитных потоков и катушками индуктивности.

На фиг. 3 - вид Б на подложку, торцы концентраторов со стороны катушек индуктивности.

На фиг. 4 - разрез В-В по нижнему (ближнему к катушке) торцу концентратора.

Преобразователь состоит из магнитопровода - цилиндра 1, рубашки 2, крышки 3, корпуса 4, втулки 5, втулки 6, втулки 7, втулки 8, пружины 9, тяги 10, шайбы 11, полусферы 12, подложки (корпуса концентратора) 13, концентраторов 14, пальца 15, пальца 16, втулки 17, штифта 18 для центрирования полусферы 12, катушек 19, керамических пластин, предохраняющих катушки 19 от повреждений, твердосплавных (для защиты от истирания) вставок 21, гофра 22.

Обозначения: С - полость между тягой и внутренним каналом в цилиндре 1, R - радиус полусферы, е - каналы для воздуха в полусфере, К - сквозные каналы в подложке 13 (корпус концентратора), Ф - магнитный поток от внешнего постоянного электромагнита (условно не показан).

Преобразователь работает следующим образом.

Преобразователь вносится во внешнее постоянное магнитное поле Ф, пронизывающее магнитный цилиндр, концентраторы и катушки. Преобразователь устанавливается над контролируемым объектом в раме (условно не показана) с возможностью перемещения в вертикальном направлении.

Через отверстие во втулке 18 в полость "С" цилиндра 1 подается сжатый воздух, который по каналам "е" и сквозным отверстиям "К" в подложке 13 поступает в зону контакта преобразователя с объектом контроля (ОК), при этом создается "воздушная подушка", которая приподнимает преобразователь над поверхностью объекта контроля (листа, полосы), заставляя его свободно "парить" в воздухе на определенном расстоянии от поверхности ОК.

При движении ОК относительно преобразователя в катушки индуктивности подаются импульсы тока высокой частоты. Эти токи наводят в теле ОК индукционные токи, вызывающие в теле ОК поперечные ультразвуковые волны той же частоты, приводящие к механическим колебаниям отдельных слоев металла в постоянном магнитном поле Ф, создаваемом внешним источником (условно не показан).

При этом в этих колеблющихся относительно положения равновесия слоях металла возникают микротоки, вокруг которых образуются магнитные поля, улавливаемые катушками индуктивности и трансформируемые ими в электрические сигналы, фиксируемые приемником (условно не показан).

В процессе взаимной трансформации электромагнитной и акустической энергии в теле кондукторов, так же как и в ОК, образуются поперечные акустические волны, падающие на наклонную поверхность концентратора под углом α_l, который подбирается таким образом, чтобы он был равен отношению C_l/C_t с учетом физических особенностей материала концентраторов и обеспечивал полное гашение поперечных акустических волн при их трансформировании в продольные волны, энергия которых не воспринимается катушками индуктивности, поэтому преобразователь работает без акустических помех, понижающих чувствительность к дефектам ОК. Значения этих углов лежат в диапазоне от 30 до 80^o и практически охватывают все известные ферромагнитные материалы.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 564595 СССР, кл. G 01 N 29/04, бюллетень 25 от 05.07.77 г.

2. Патент РФ 2131163, кл. HOYR 9/00, кл. В 06 В 1/4.

3. Авторское свидетельство 590660 СССР, кл. G 01 N 29/04, бюллетень 4 от 30.01.78 г.

4. Н.П. Алешин, В.Е. Белый, А.Х. Вопилкин и др. /Под ред. Н.П. Алешина, М., Машиностроение, 1989. Методы акустического контроля металлов.

Формула изобретения

1. Электромагнитный ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, катушки индуктивности, магнитопровод и систему воздухопроводов для создания “воздушной подушки” между преобразователем и объектом контроля, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде полого цилиндра из магнитного материала, помещенного в рубашку, внутри которого по центру установлена тяга с укрепленным на ней шарнирно элементом, имеющим вид полусферы и обеспечивающим в сочетании с “воздушной подушкой” стабильное положение катушек параллельно поверхности объекта контроля, при этом указанный элемент вплотную прилегает к соответствующей внутренней сферической поверхности цилиндра и жестко соединен с металлической подложкой из немагнитного материала, также в указанном элементе выполнены сквозные каналы, соединенные с внутренним каналом магнитопровода, имеющего на противоположном конце отверстия для подачи сжатого воздуха, а также сквозные отверстия в подложке, внутри указанного элемента установлены, по меньшей мере, два концентратора, при этом каждый концентратор со стороны, примыкающей к катушке индуктивности, имеет, по меньшей мере, две фаски под углом, удовлетворяющим условию

tg(α_К /2)=(d_K-b_K)/2h,

где α_К - угол, образованный секущими плоскостями, пересекающимися по линии, лежащей в плоскости симметрии концентратора;

d_K - диаметр (длина) торца концентратора, обращенного к катушке индуктивности;

b_K - ширина торца концентратора, обращенного к катушке индуктивности;

h - высота носка (торца) концентратора,

а с противоположной стороны имеет скос под углом, удовлетворяющем условию

30° ≤ α₁ ≤ 80°,

где α₁ характеризует угол наклона поверхности концентратора, при падении на которую, поперечная акустическая волна, возникающая в концентраторе, поляризуется полностью в продольную, не воспринимаемую, после трансформации в электромагнитную энергию, катушкой индуктивности, отношение площади окна каждой катушки к площади торца каждого концентратора удовлетворяет соотношению:

s_ОК/s_КТ=(_K·d_n·K_з)/(d²_K-b²_K)^1/2=1,

где s_ОК - площадь окна катушки;

s_КТ - площадь торца концентратора, обращенного к катушке индуктивности;

_К - число витков в одном слое катушки;

d_n - диаметр изолированного провода катушки;

К_з - коэффициент заполнения слоя медью.

2. Электромагнитный ультразвуковой преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что радиусы округлений всех ребер, торцов и по периметру концентраторов удовлетворяют условию

r≈λ/4,

где r - радиус округления;

λ - длина акустической волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
Открытое акционерное общество "Нординкрафт"

(73) Патентообладатель:
Общество с ограниченной ответственностью "Нординкрафт Санкт-Петербург"

Договор № РД0040247 зарегистрирован 28.08.2008

Извещение опубликовано: 10.10.2008        БИ: 28/2008