Многоканальный электромагнитно-акустический преобразователь

В многоканальном электромагнитно-акустическом преобразователе, с интегрированной магнитной системой или присоединяемом к магнитной системе, применяющегося для ультразвукового контроля листового проката, стальных заготовок преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, включающем металлическую, керамическую или пластиковую подложку с плоской рабочей поверхностью, с отверстиями для выхода воздуха, образующего «воздушную подушку», на рабочую поверхность которой может быть нанесен керамический упрочняющий слой, один или более активных элементов, интегрированных, например, вклеенных в подложку, либо механическим путем отделяемых от подложки, представляющих собой плоские или переменной толщины протекторы-субмодули, выполненные из диэлектрика или слабо-проводящего, ударопрочного, достаточно гибкого материала, например, пластика в который могут быть дополнительно внедрены твердые, например, керамические или твердосплавные элементами, на которых размещены индукторы и, как минимум, один концентратор магнитного поля,

и размещенные на нем один или несколько индукторов, например, в форме «бабочки», а так же, как минимум, один концентратор магнитного поля, либо индукторы, образующие совокупность линий с периодически меняющимся направлением обхода, причем индукторы, как правило, образуют линию, преимущественно перпендикулярную линии рабочего перемещения ЭМАП относительно объекта контроля, индукторы размещены на протекторе попарно, причем в каждой паре для излучения и приема используются разные индукторы, наложенные друг на друга со сдвигом на величину В, определяемую по формуле:

В=Н/4, где Н - шаг изменения направления обхода,

а расстояние между соседними парами индукторов должно быть примерно одинаковым и выбираться из соотношения R=1-40 мм в зависимости от решаемой задачи и геометрических параметров объекта контроля. Кроме того, один из индукторов в паре содержит существенно меньшее число витков, нежели другой индуктор, принадлежащий той же паре, а его проводник имеет, как правило, большую площадь сечения при этом, по крайней мере, один из индукторов в каждой паре выполнен печатным способом.

Многоканальный электромагнитно-акустический преобразователь, с интегрированной магнитной системой или присоединяемый к магнитной системе, может быть использован для ультразвукового контроля труб, листового проката, стальных заготовок преимущественно круглого или квадратного сечения.

Известен электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП), содержащий корпус, подложку, концентратор и магнитную систему с постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами, который снабжен двумя концентраторами, один из которых установлен неподвижно на корпусе ЭМАП между постоянными магнитами, другой, прилегающий к нему вплотную, установлен на подложке, а магнитная система заключена во внутренний корпус, снабженный приводом, например пневмоцилиндром, с возможностью вертикальных перемещений по направляющим относительно концентраторов, корпуса ЭМАП и подложки. Кроме того, в известном электромагнитно-акустическом преобразователе корпус ЭМАП и внутренний корпус выполнены из немагнитного материала с боковыми стенками-экранами, выполненными из ферромагнитного материала [1].

Известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий корпус, подложку с концентратором, магнитную систему с постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами, катушку индуктивности, в котором постоянные магниты смонтированы в обойме из магнитного материала, вставленной в цилиндрический барабан из немагнитного материала, установленного в корпусе преобразователя с возможностью вращения вокруг своей оси и соединенного при помощи ползуна, вставленного в направляющую гильзу из немагнитного материала, со штоком пневмоцилиндра, закрепленного на корпусе, барабан, магниты и обойма со стороны подложки с концентратором установлены по отношению к ним с зазором и выполнены по окружности с общим радиусом, совпадающим с радиусом отверстия в корпусе, в которое вставлен барабан.

Известно устройство для ультразвукового контроля круглого проката, содержащее ультразвуковой преобразователь, опоры, подложку и систему регулирования положения ультразвукового преобразователя относительно поверхности объекта контроля, отличающееся тем, что система регулирования состоит из механизма подвода и прижима подложки к объекту контроля и механизма центрирования и независимого прижима ультразвукового преобразователя к объекту контроля, [3].

Известна катушка индуктивности ультразвукового преобразователя, на плате из диэлектрика, однослойная или многослойная, содержащая одну или несколько секций, изготовленная в ручную или печатным методом, например, из полиимида фольгированного, выполненная в виде двух симметричных эллипсовидных лепестков с шириной рабочей зоны С, удовлетворяющей соотношению: 1<С<25 (мм) и длиной рабочей зоны D, удовлетворяющей соотношению: 3<D<40 (мм), с количеством витков W, удовлетворяющем соотношению: 5<W<100, с шагом t, удовлетворяющем соотношению: 0,15<t<1,2 (мм),

или в виде правильного многоугольника с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<20 (мм); 2,5<D<25 (мм); 10<W<100; 0,05<t<1,8 (мм),

или в виде двух симметрично расположенных эллипсов с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<25 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,15<t<1,8 (мм),

или в виде спаренной эллипсовидной катушки индуктивности с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<30 (мм); 4<D<30 (мм); 10<W<130; 0,15<t<l,8 (мм),

или в виде фигурной многослойной катушки с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:

1,5<С<35 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,05<t<2,9,

при этом индуктивность L и сопротивление R катушек указанных форм должны соответственно удовлетворять соотношениям:

катушки в виде двух симметричных

в многослойных катушках витки одного слоя располагаются в зазоре между витками другого слоя без перекрытия, на одной или на противоположных сторонах катушки и соединены последовательно между собой при помощи металлизированных отверстий, а переход из одного слоя в другой выполнен через 2-3 витка, спаренная эллипсовидная катушка индуктивности выполнена из двух автономных секций, расположенных на плате в одной плоскости, или одна под другой на различных сторонах одной платы, с возможностью совместной работы по любому из выше перечисленных соединений и расположению [4].

Общим недостатком известных ЭМАП является сравнительно большая неконтролируемая зона, наличие которой объясняется недостаточно оптимальной конфигурацией и расположением индукторов (катушек индуктивности), являющихся основной деталью ЭМАП, обеспечивающей его чувствительность и эффективность.

Целью настоящего изобретения является создание надежного, технологичного и эффективного ЭМАП для высокопроизводительного автоматического ультразвукового контроля листового и сортового проката, уменьшение неконтролируемой зоны ЭМАП, повышение его эффективности и помехозащищенности, повышение количества каналов внутри одного блока ЭМАП без заметного ухудшения его свойств.

Указанная цель достигается тем, что в многоканальном электромагнитно-акустическом преобразователе, с интегрированной магнитной системой или присоединяемом к магнитной системе, применяющегося для ультразвукового контроля листового проката, стальных заготовок преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, включающем металлическую, керамическую или пластиковую подложку с плоской рабочей поверхностью, с отверстиями для выхода воздуха, образующего «воздушную подушку», на рабочую поверхность которой может быть нанесен керамический упрочняющий слой, один или более активных элементов, интегрированных, например, вклеенных в подложку, либо механическим путем отделяемых от подложки, представляющих собой плоские или переменной толщины протекторы - суб-модули, выполненные из диэлектрика или слабо-проводящего, ударопрочного, достаточно гибкого материала, например, пластика в который могут быть дополнительно внедрены твердые, например, керамические или твердосплавные элементами, на которых размещены индукторы и, как минимум, один концентратор магнитного поля, и размещенные на нем один или несколько индукторов, например, в форме «бабочки», а так же, как минимум, один концентратор магнитного поля, либо индукторы, образующие совокупность линий с периодически меняющимся направлением обхода, причем индукторы, как правило, образуют линию, преимущественно перпендикулярную линии рабочего перемещения ЭМАП относительно объекта контроля, индукторы размещены на протекторе попарно, причем в каждой паре для излучения и приема используются разные индукторы, наложенные друг на друга со сдвигом на величину В, определяемую по формуле:

В=Н/4, где Н - шаг изменения направления обхода,

а расстояние между соседними парами индукторов должно быть примерно одинаковым и выбираться из соотношения R=1-40 мм в зависимости от решаемой задачи и геометрических параметров объекта контроля. Кроме того, один из индукторов в паре содержит существенно меньшее число витков, нежели другой индуктор, принадлежащий той же паре, а его проводник имеет, как правило, большую площадь сечения при этом, по крайней мере, один из индукторов в каждой паре выполнен печатным способом.

ПОЯСНЕНИЕ.

ЭМАП для возбуждения и приема волн Рэлея, Лэмба или поперечных волн под углом к поверхности имеет, как правило, единственный индуктор, имеющий, например, форму «Змейка» (Фиг.1). «Змейка» может иметь несколько заходов и выглядеть, как изображено на Фиг.2. Этот индуктор соединен и с генератором, и с приемником, что позволяет ему и возбуждать, и принимать упругие волны. Недостатком такого ЭМАП является сравнительно большая неконтролируемая зона.

На Фиг.3. показан индуктор, выполненный в виде совокупности плоских катушек О-образной формы. Данный тип индуктора так же удовлетворяет условию периодического изменения направления обхода и так же может быть использован для целей настоящего изобретения.

Большая неконтролируемая зона обусловлена непосредственной электрической связью, между генератором, вырабатывающим импульсы амплитудой до нескольких тысяч Вольт, и приемником, с чувствительностью к микровольтовым сигналам. Эта связь, осуществляемая непосредственно через индуктор, играет чрезвычайно отрицательную роль и не позволяет обнаруживать дефекты расположенные в непосредственной близости к индуктору. В этих условиях создание эффективного многоканального преобразователя, действующего в составе установки для автоматизированного УЗК, является весьма проблематичным. Суммарная мощность генераторов многоканального преобразователя может довести размер неконтролируемой зоны до неприемлемого значения. В то же время, создание многоканального широкозахватного ЭМА-преобразователя для возбуждения волн Рэлея, Лэмба, поперечных волн, распространяющихся под углом к поверхности, например для высокопроизводительного обнаружения продольных дефектов, расположенных на обеих сторонах листового проката при одностороннем доступе для размещения преобразователей, является актуальной промышленной задачей. На фиг.4. показаны предлагаемые индукторы пары, выполненные в виде совокупности плоских катушек, сдвинутых на величину В=Н/4, где Н - шаг изменения направления обхода. Как видно из рисунка, катушки находятся в нейтральной зоне друг друга.

Такое взаимное размещение приемного и излучающего индукторов (по сути, приемная катушка находится в нейтральной, с точки зрения электромагнитной связи, зоне излучающей катушки) позволяет существенным образом, как минимум на 20 дБ снизить воздействие зондирующего импульса на приемник и существенно, как минимум на 30%-40%, сократить неконтролируемую зону.

Для снижения электромагнитной связи между соседними парами индукторов и вредного влияния соседних каналов, расстояние между парами должно быть примерно одинаковым и выбираться из соотношения R=1-40 мм в зависимости от решаемой задачи и геометрических параметров объекта контроля. В этом случае приемные катушки находятся в зоне, где влияние остальных генераторных катушек частично компенсируется.

Цель достигается так же тем, что один из индукторов в паре содержит существенно меньшее число витков, нежели другой индуктор, принадлежащий той же паре, а его проводник имеет, как правило, большую площадь сечения. Для обеспечения наибольшего тока через индуктор, соединенный с генератором, его активное сопротивление и индуктивность (стало быть, число витков) должны иметь сравнительно небольшое значение. Для оптимального приема, наоборот, целесообразно иметь индуктор с достаточно большим числом витков, обеспечивающий суммирование элементарных э.д.с. и увеличение исходных сигналов до приемлемых значений. Этим достигается повышение к.п.д. преобразователя.

На фиг.5 показаны предлагаемые индукторы пары, выполненные в виде совокупности плоских катушек, сдвинутых на Н/4, но одна из катушек обладает меньшим количеством токовых элементов и полностью заключены в пределы большей катушки. Такая конфигурация обеспечивает еще большую степень подавления влияния зондирующего импульса на прием.

Достижению цели способствует так же то, что, по крайней мере, один из индукторов в каждой паре выполнен печатным способом. Это обеспечивает минимальные значения индуктивности и омического сопротивления излучающего индуктора, а так же максимальное согласование формы индуктора с поверхностью объекта контроля, что благоприятно сказывается на эффективности пары. Кроме того, печатная катушка обладает высокой технологичностью, стабильностью и воспроизводимостью характеристик.

На фиг.6 показан внешний вид предлагаемого ЭМАП для возбуждения и приема волн Релея, Лэмба, а также объемных волн, распространяющихся под углом к поверхности листового проката, применяющихся для обнаружения продольных дефектов на обеих сторонах проката.

На фиг.7 изображена линейка ЭМАП для сплошного высокопроизводительного контроля листового проката.

Источники информации

1. Патент РФ 2295125

2. Патент РФ 2300763

3. Патент РФ 2325636

4. Патент РФ 2268517

1. Многоканальный электромагнитно-акустический преобразователь с интегрированной магнитной системой или присоединяемый к магнитной системе, применяющийся для ультразвукового контроля листового проката, стальных заготовок преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, включающий металлическую, керамическую или пластиковую подложку с плоской рабочей поверхностью, с отверстиями для выхода воздуха, образующего «воздушную подушку», на рабочую поверхность которой может быть нанесен керамический упрочняющий слой, один или более активных элементов, интегрированных, например вклеенных, в подложку либо механическим путем отделяемых от подложки, представляющих собой плоские или переменной толщины протекторы-субмодули, выполненные из диэлектрика или слабопроводящего, ударопрочного, достаточно гибкого материала, в который могут быть дополнительно внедрены твердые, например керамические, или твердосплавные элементы, на которых размещены индукторы и как минимум один концентратор магнитного поля, и размещенные на нем один или несколько индукторов, а также как минимум один концентратор магнитного поля либо индукторы, образующие совокупность линий с периодически меняющимся направлением обхода, причем индукторы как правило образуют линию, преимущественно перпендикулярную линии рабочего перемещения ЭМАП относительно объекта контроля, отличающийся тем, что индукторы размещены на протекторе попарно, причем в каждой паре для излучения и приема используются разные индукторы, наложенные друг на друга со сдвигом на величину В, определяемую по формуле

В=Н/4, где Н - шаг изменения направления обхода.

2. Многоканальный электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что один из индукторов в паре содержит существенно меньшее число витков, нежели другой индуктор, принадлежащий той же паре, а его проводник имеет как правило большую площадь сечения.

3. Многоканальный электромагнитно-акустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из индукторов в каждой паре выполнен печатным способом.