Электромагнитно-акустический преобразователь

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к средствам определения текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций и проката типа лент, полос, труб и др. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя. Электромагнитно-акустический преобразователь содержит магнитную систему с двумя компланарными разноименными полюсами и плоскую расположенную в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них расстоянии катушку прямоугольной формы, в пределах площади удлиненной части витков которой лежат проекции полюсов на плоскость катушки. Дополнительно в преобразователь введена вторая плоская катушка прямоугольной формы, также расположенная в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них и от первой катушки расстоянии, причем часть площади удлиненных витков второй катушки расположена в пределах проекции одного из полюсов магнитной системы на плоскость катушки, другая часть площади витков второй катушки находится в пространстве между проекциями полюсов на плоскость второй катушки, а витки первой и второй катушек в пределах площади их удлиненной части взаимно перпендикулярны. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к средствам определения текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций и проката типа лент, полос, труб и др. из черных и цветных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем бесконтактном доступе, и предназначено для применения в металлургии, машиностроении, в авиастроении, автомобилестроении и др. отраслях промышленности.

Известны электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП) для определения текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций и проката типа лент, полос, труб и др. из черных и цветных металлов и сплавов, содержащие магнитную систему и индуктор в виде плоской катушки [Авт. свид. СССР №466930, БИ №14, 1975; Wormley S.J., Thompson R.B. A semi-automatik system for the ultrasonic measurement of texture. «Rev. Progr. Quant. Nondestruct. Eval. Vol. 6A: 1 half Proc. 13 Annu. Rev. Progr. Nondestruct. Eval., La Jolla, Calif, 3-8, 1986», New York; London, 1987].

Эти технические решения позволяют измерять время распространения ультразвуковых колебаний и расчетным путем определять величину текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций и проката путем поворота ЭМАП на 90° или использования двух рядом расположенных ЭМАП для возбуждения сдвиговых горизонтально-поляризованных волн со смещениями вдоль или поперек направления прокатки или приложенного усилия. Однако эти решения имеют недостатки: невозможность автоматизации процесса контроля и низкая производительность измерений при использовании одного ЭМАП, недостаточная точность измерений из-за конечных размеров ЭМАП и изменения состояния поверхности и структуры материала различных локальных областей проката, на которых располагаются указанные ЭМАП.

Наиболее близким решением является устройство для ультразвукового контроля прочностных характеристик материала движущегося проката, содержащее магнитную систему, два ЭМАП, каждый из которых состоит из плоской катушки, расположенной параллельно поверхности проката, и блоки преобразования и обработки сигналов ЭМАП, при этом направление поляризации одного ЭМАП совпадает с направлением прокатки, а второго - перпендикулярно ему [Патент RU №2231055, G01N 29/04, 2003].

Это устройство имеет функциональные ограничения в том, что перпендикулярные направления поляризации создаются в разных точках (локальных областях) материала проката, а это не может обеспечить достоверность определения прочностных характеристик в заданной локальной области, а следовательно, выявить параметры и координаты дефектов структуры материала проката.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему с двумя компланарными разноименными полюсами и плоскую расположенную в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них расстоянии катушку прямоугольной формы, в пределах площади удлиненной части витков которой лежат проекции полюсов на плоскость катушки, введена вторая плоская катушка прямоугольной формы, также расположенная в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них и от первой катушки расстоянии, причем часть площади удлиненных витков второй катушки расположена в пределах проекции одного из полюсов магнитной системы на плоскость катушки, другая часть площади витков второй катушки находится в пространстве между проекциями полюсов на плоскость второй катушки, а витки первой и второй катушек в пределах площади их удлиненной части взаимно перпендикулярны.

В другом варианте электромагнитно-акустического преобразователя вторая катушка прямоугольной формы выполнена в виде двух одинаковых рядом расположенных секций, намотанных встречно, при этом внешние витки секций расположены в пределах проекций полюсов магнитов, а внутренние части витков расположены между проекциями полюсов на плоскость катушки.

На фиг.1 показан общий вид ЭМАП для возбуждения продольных и сдвиговых ультразвуковых волн в материале конструкций и проката; на фиг.2 - показан вариант ЭМАП.

ЭМАП содержит магнитную систему 1 с двумя компланарными разноименными полюсами 2, 3 и две плоские катушки 4 и 5, лежащие в параллельных полюсам плоскостях на минимальном расстоянии друг над другом. Магнитная система 1 выполнена с применением постоянных магнитов, возможно использование электромагнита, работающего от источника постоянного или импульсного тока.

Катушки 4 и 5 выполнены прямоугольной формы и расположены одна над другой с взаимно перпендикулярным положением витков в пределах площади их удлиненной части. Катушка 4 расположена симметрично относительно магнитной системы поперек полюсов магнитов 2 и 3, а протяженность ее удлиненной части должна быть не менее суммы размеров полюсов и межполюсного расстояния магнитной системы. Вторая катушка 5 смещена относительно продольной оси O₁-O₁ катушки 4. Часть площади удлиненных витков катушки 5 расположена в пределах проекции полюса 3 магнитной системы 1 на плоскость катушки, другая часть площади витков катушки 5 находится в пространстве между проекциями полюсов 2, 3 на плоскость катушки 5.

В другом варианте ЭМАП (фиг.2) вторая катушка 5 прямоугольной формы выполнена в виде двух одинаковых рядом расположенных секций, намотанных встречно, при этом внешние витки секций расположены в пределах проекций полюсов 2, 3 магнитной системы, а внутренние части витков расположены между проекциями полюсов на плоскость катушки 5.

В зависимости от конструктивных параметров и формы катушек 4, 5 и ориентации подмагничивающего поля магнитной системы 1 в объекте контроля 6 возбуждаются продольные (L) и сдвиговые горизонтально поляризованные (SH) волны линейной поляризации со смещениями (на фиг.1 показаны горизонтальными стрелками или кружочками) вдоль и поперек направления прокатки или приложенного усилия. Для возбуждения продольной волны L использованы магнитная система 1 и часть витков, расположенная между проекциями полюсов 2, 3 магнитной системы на плоскость катушки 5, то есть в области касательной составляющей магнитного поля (направление смещений в продольной волне совпадает с направлением ее распространения - на фиг.1 показано малыми вертикальными стрелками).

В другом варианте ЭМАП для возбуждения продольной волны используются расположенные между полюсами 1 и 2 внутренние примыкающие части витков катушки 4, включенные последовательно.

Для возбуждения сдвиговых горизонтально поляризованных (SH) волн с линейной поляризацией ЭМАП, представленный на фиг.1, 2, обеспечивает магнитные потоки противоположного направления через локальные области поверхности материала с наведенными вихревыми токами, созданными в материале электромагнитными полями катушек 3, 4, тоже противоположного направления. Под действием сил Лоренца в поверхностном слое объекта контроля 6 возникает SH-волна, распространяющаяся по нормали к поверхности слоя. Силы ориентированы нормально по отношению к линиям вихревого тока и параллельно поверхности слоя. При таких условиях SH-волна возбуждается синфазно во всей зоне действия сил Лоренца. Благодаря единственному направлению вектора смещений в колебаниях, генерируемых в материале и принимаемых им, можно исследовать зависимость скорости распространения сдвиговых SH-волн от ориентации вектора смещений по отношению к направлению проката.

Работа ЭМА преобразователя

ЭМА преобразователь для возбуждения УЗ колебаний располагают над поверхностью контролируемой конструкции или проката 6. Одновременно или поочередно на первую и вторую катушки индуктора ЭМА преобразователя подают импульсы высокочастотных колебаний, наводящие в поверхностном слое конструкции или проката вихревые токи. Благодаря воздействию на указанный поверхностный слой с вихревыми токами постоянным или импульсным магнитным полем в нем возбуждают продольную ультразвуковую волну и две сдвиговые горизонтально поляризованные волны со смещениями вдоль и поперек направления прокатки или приложения усилия. Далее фиксируют многократно отраженные акустические сигналы, выделяют из них эхосигналы продольной и каждой из сдвиговых волн и производят их корреляционную обработку. Временные интервалы между эхосигналами соответствующей поляризации измеряют и по соотношению этих временных интервалов определяют наличие и степень напряженно-деформированного состояния материала изделия. По скорости и времени распространения УЗ колебаний в материале проката судят о толщине проката.

Техническим преимуществом предложенного ЭМАП является то, что он позволяет одновременно определять с высокой точностью напряженно-деформированное состояние и толщину конструкций и проката из черных и цветных металлов и сплавов за счет возбуждения и приема продольных и сдвиговых ультразвуковых колебаний с линейной поляризацией в локальной области объекта контроля.

1. Электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему с двумя компланарными разноименными полюсами и плоскую расположенную в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них расстоянии катушку прямоугольной формы, в пределах площади удлиненной части витков которой лежат проекции полюсов на плоскость катушки, отличающийся тем, что в него введена вторая плоская катушка прямоугольной формы, также расположенная в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них и от первой катушки расстоянии, причем часть площади удлиненных витков второй катушки расположена в пределах проекции одного из полюсов магнитной системы на плоскость катушки, другая часть площади витков второй катушки находится в пространстве между проекциями полюсов на плоскость второй катушки, а витки первой и второй катушек в пределах площади их удлиненной части взаимно перпендикулярны.

2. Электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вторая катушка прямоугольной формы выполнена в виде двух одинаковых рядом расположенных секций, намотанных встречно, при этом внешние витки секций расположены в пределах проекций полюсов магнитов, а внутренние части витков расположены между проекциями полюсов на плоскость катушки.