CN114018188B - 一种风水复合冷却电磁超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风水复合冷却电磁超声换能器。水冷却中心固定件通过上盖板固定安装在外壳内，水冷却中心固定件上部的中间固定安装有超声信号接头，超声信号接头两侧的水冷却中心固定件中分别开设进水口和出水口，水冷却中心固定件的圆周侧外开设有上下设置的水冷却通道，水冷却通道的底部和顶部分别与进水口和出水口连通；外壳的一侧内开有上下布置的风冷通路，外壳一侧的上表面开有进气口，外壳的底部开有通风口，进气口和通风口分别与风冷通路的顶部和底部连通；水冷却中心固定件和外壳的下部内嵌装有电磁组件，电磁组件固定安装在超声信号接头的正下方。本发明用于解决长时间、不间断地进行高温试件壁厚测量工作的技术难题。

Description

一种风水复合冷却电磁超声换能器

技术领域

本发明涉及了一种电磁超声换能器，具体涉及了一种风水复合冷却电磁超声换能器。

背景技术

我国的管道运输经过60多年的发展，已成为一种重要的能源物流运输手段，在工业生产过程中扮演者重要的角色。2005年无缝钢管产量首次突破千万吨，跃居世界第一位，成为钢管生产与消费大国。但在管道运输的实际使用中，随着时间的推移，无论是暴露在空气中还是埋于地下、水中的管道都会受到氧化磨损等而出现壁厚变薄、裂纹等腐蚀现象，未及时处理则可能导致生命财产的损失。同时大多数钢管的实际使用环境都比较恶劣，从源头把握钢管质量，保证良好的刚度和强度等，是遏制上述隐患的一个有效的手段，壁厚作为一项质量指标也越来越受到使用方的关注。当前管道无损检测测厚的方法主要有压电测厚、涡流测厚、人工巡检等方法，压电测厚属于接触性测量，需要耦合剂，不适于在高温条件下使用；涡流测厚为相对测量，需要基准值才能获得厚度信息，灵活性较差；人工巡检只能发现管道外表面缺陷，且费时费力。利用电磁超声非接触式的激励原理可实现高温下管道的快速测厚。为适应现场的工况，安装的换能器应当集中紧凑、拆装方便、散热能力强。

近些年，电磁超声已应用于高温管道、板材测厚等各个领域，但其工作温度条件均在400℃左右，或无法在600℃-700℃的高温下长时间工作。专利号为202021592266.7的实用新型专利公开了一种高温电磁超声换能器，该换能器采用水冷结构，仅能实现450℃以下的温度测量。专利号为201610078153.7的发明专利公开了一种超高温电磁超声传感器，该传感器可用于检测750℃时的设备情况，但其内部仅靠隔热结构带走换能器底部的热量，散热效率较低，无法在高温下长时间连续工作。目前，尚无一种针对于600℃左右，拆装方便，能长时间连续进行检测工作的电磁超声换能器。

发明内容

本发明的目的是克服背景技术领域的不足，提供了一种风水复合冷却的电磁超声换能器，能对高温工件进行检测，并且能长时间不间断地对高温铁磁类金属工件进行厚度检测工作，解决了在高温状态下长时间不间断地进行壁厚测量工作的技术难题，换能器结构紧凑，安装方便牢固。

本发明技术方案如下：

本发明包括超声信号接头、上盖板、外壳、水冷却中心固定件、进水口、出水口、电磁组件、水冷却盖片、水冷却通道、风冷通路、进气口和通风口；

水冷却中心固定件通过上盖板固定安装在外壳内，水冷却中心固定件上部的中间开设有超声信号接头安装口，超声信号接头安装口中固定安装有超声信号接头，超声信号接头安装口两侧的水冷却中心固定件中分别开设进水口和出水口，水冷却中心固定件的圆周侧外开设有上下设置的水冷却通道，水冷却通道的底部与进水口连通，水冷却通道的顶部与出水口连通，水冷却中心固定件的水冷却通道外设置有水冷却盖片，通过水冷却盖片固定安装在水冷却中心固定件的外圆周侧面，使得水冷却通道封闭，水从进水口进经水冷却通道后从出水口出，形成环形且自底向上的水通道；外壳的一侧内开有上下布置的风冷通路，外壳一侧的上表面开有进气口，外壳的底部开有通风口，进气口和通风口分别与风冷通路的顶部和底部连通，使得风从进气口进经风冷通路后从通风口出；水冷却中心固定件和外壳的下部内嵌装有电磁组件，电磁组件固定安装在超声信号接头的正下方。

所述电磁组件包括紧固螺钉、导磁片、磁钢保持架、陶瓷片、磁铁、铁粉布、铜箔纸和电磁线圈；

水冷却中心固定件下部的中间开设有磁铁安装腔，磁铁安装腔设置在超声信号接头安装口的正下方，磁铁安装腔中从上到下依次层叠布置有导磁片、磁铁、铜箔纸、铁粉布和电磁线圈，紧固螺钉的一端从超声信号接头安装口的底面向下穿过水冷却中心固定件中部后与导磁片通过螺纹连接；

外壳的底部设置有一圈向中心凸起的凸起缘，陶瓷片下表面的外缘与凸起缘配合使得陶瓷片固定安装在外壳的底部，陶瓷片的上表面分别与磁钢保持架和电磁线圈紧密接触，其中磁钢保持架的上表面与水冷却中心固定件的底面紧密接触，磁钢保持架的内侧面分别与磁铁的下部、铜箔纸、铁粉布和电磁线圈的外侧面紧密接触。

所述通风口处的外壳上设置有挡风板，挡风板用于盖住通风口，通风口底部的外壳边缘形状为圆弧，使得挡风板与通风口的底部之间具有缝隙；进气口上装有风冷接头，风冷接头吹出的冷却风经进气口流入外壳的风冷通路，经通风口从挡风板底部与外壳间的缝隙中流出。

所述水冷却通道具体为：

在水冷却中心固定件的外圆周侧面开设有上下间隔且平行设置的多圈环状槽，相邻圈的环状槽之间的水冷却中心固定件的外圆周侧面上还开设有条形槽，相邻圈的环状槽之间通过对应的条形槽连通，进水口与最底圈的环状槽连通，出水口与最顶圈的环状槽连通，使得水流由进水口流入后，先流至水冷通路的底部，在水冷中心固定件中形成环形且自底向上流动的流路后由出水口流出。

所述磁铁的材质为Sm2Co17。

所述电磁线圈的结构为螺旋形。

所述靠近超声信号接头安装口的水冷却中心固定件中开有信号线通路，线圈导线一端与超声信号接头电连接，线圈导线的另一端通过信号线通路与电磁线圈电连接。

所述陶瓷片的材质为氧化铝。

所述陶瓷片的截面呈扁平倒梯形。

所述上盖板和外壳之间通过四个紧固螺栓连接，四个紧固螺栓分布在上盖板的四个角上。

本发明实验中发现针对不同的检测环境，可采用不同的冷却结合方式，对低于300℃长时检测或500℃以上短时检测的被测工件，可只采用风冷工作，对长时间检测500℃以上的被测工件，可采用水冷风冷同时工作，对其它一般的高温情况，可单独开启水冷工作。

通常高温电磁超声换能器为防止换能器触碰被测工件过热而烧坏，换能器与被测工件的提离距离一般设置较大，这会极大地影响换能器的超声回波信号的幅值和信噪比。本发明通过底部的隔热陶瓷片可有效减小被测工件对换能器内部各零部件的高温影响，水冷流路可带走换能器内腔的大部分热量，风冷流路可带走换能器外壳的大部分热量，使换能器在高温下工作时仍能保持较低的温度，因此在实际检测时，可降低换能器与被测工件的提离至2mm以下，甚至可与高温被测件短时间直接接触测量。

本发明的有益效果是：

本发明基于电磁超声原理，采用风冷和水冷两种冷却方式，在600℃左右的高温下长时间不间断进行壁厚测量工作时，可保证换能器的磁铁和线圈等核心元器件维持在较低温度，可在较小的提离的情况下正常工作，输出连续稳定的回波信号，从而对厚度信息进行更精准的判断。本发明可以在高温环境下长时间进行铁磁类金属件的壁厚检测。该换能器结构紧凑、易于安装，可满足多种外形尺寸工件的检测需求。

若将本发明的换能器进行阵列式布置或环形布置，可构成多通道监测系统，实现对工件区域面或管道的周向全覆盖检测，极大的节约人工成本、提高检测效率、减少高温下人工频繁操作带来的诸多安全隐患。

附图说明

图1是本发明的装配结构正面剖视图。

图2是水冷中心固定件的正视图。

图3是水冷中心固定件的左视图。

图4是水冷中心固定件的俯视图。

图5是水冷中心固定件的右视图。

图6是本发明的装配结构侧面剖视图。

图7是外壳的正视图。

图8是外壳的俯视图。

图9是本发明中的螺旋形电磁线圈示意图。

图10是本发明换能器在660℃温度下对5mm钢管的检测信号。

图中：超声信号接头1、水冷中心固定件2、进水口3、上盖板4、水冷件盖片5、外壳6、磁钢保持架7、陶瓷片8、磁铁9、铁粉布10、铜箔纸11、电磁线圈12、导磁片13、水冷通路14、紧固螺钉15、出水口16、通风口17、挡风板18、风冷通路19、信号线通路20、进气口21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-6所示，本发明包括超声信号接头1、上盖板4、外壳6、水冷却中心固定件2、进水口3、出水口16、电磁组件、水冷却盖片5、水冷却通道14、风冷通路19、进气口21和通风口17；

外壳6为从上到下的中空结构且底部设置有台阶，水冷却中心固定件2的底面卡在外壳6的台阶上，使得水冷却中心固定件2通过上盖板4固定安装在外壳6内，水冷却中心固定件2上部的中间开设有超声信号接头安装口，超声信号接头安装口中固定安装有超声信号接头1，超声信号接头安装口两侧的水冷却中心固定件2中分别开设进水口3和出水口16，二者沿换能器中心对称分布，水冷却中心固定件2的圆周侧外开设有上下设置的水冷却通道14，水冷却通道14的底部与进水口3连通，水冷却通道14的顶部与出水口16连通，水冷却中心固定件2的水冷却通道14外设置有水冷却盖片5，通过防水密封胶将水冷却盖片5固定安装在水冷却中心固定件2的外圆周侧面，使得水冷却通道14封闭，水从进水口3进经水冷却通道14后从出水口16出，形成环形且自底向上的水通道；优选地，防水密封胶如丙烯酸酯密封胶。外壳6的一侧内开有上下布置的风冷通路19，外壳6一侧的上表面开有进气口21，外壳6的底部开有通风口17，进气口21和通风口17分别与风冷通路19的顶部和底部连通，使得风从进气口21进经风冷通路19后从通风口17出；水冷却中心固定件2和外壳6的下部内嵌装有电磁组件，电磁组件固定安装在超声信号接头1的正下方。

如图6-8所示，通风口17处的外壳上设置有挡风板18，挡风板18用于盖住通风口17，通风口17底部的外壳边缘形状为圆弧，使得挡风板18与通风口17的底部之间具有缝隙，即挡风板18底部与外壳之间具有缝隙；进气口21上装有风冷接头，风冷管一端插在风冷接头，另一端与空气压缩机相连，实现连续供气，风冷接头吹出的冷却风经进气口21流入外壳6的风冷通路19，经通风口17从挡风板18底部与外壳间的缝隙中流出，构成风冷流路，气流在换能器底部形成一层均匀的冷却气膜，同时带走换能器外壳的大部分热量，在提升冷却性能的同时可吹走换能器底部吸附的铁屑等杂质；此外可根据实际需要将风冷气体换为惰性气体(如氮气等)，隔绝换能器底部高温区域与空气的直接接触，可一定程度地减缓换能器底部的金属面在高温中被氧化的速率，抑制氧化层的生成，提升换能器使用寿命。

如图3-5所示，水冷却通道14具体为：

在水冷却中心固定件2的外圆周侧面开设有上下间隔且平行设置的多圈环状槽，相邻圈的环状槽之间的水冷却中心固定件2的外圆周侧面上还开设有条形槽，相邻圈的环状槽之间通过对应的条形槽连通，相邻的条形槽之间交错设置，即相邻的两个条形槽与中心的连线之间成夹角设置，本实施例中，环状槽为三圈，相邻的两个条形槽与中心的连线的夹角为180°，进水口3与最底圈的环状槽连通，出水口16与最顶圈的环状槽连通，使得水流由进水口3流入后，先流至水冷通路14的底部，在水冷中心固定件中形成环形且自底向上流动的流路后由出水口16流出，构成水冷流路。进水口3、出水口16和水冷却通道14构成的水冷模块可带走换能器内腔的大部分热量。

进水口3和出水口17处装有水冷接头，水冷接头周围涂有防水密封胶，两接头分别连接水管至水泵和水箱，实现连续供给冷却水。

电磁组件包括紧固螺钉15、导磁片13、磁钢保持架7、陶瓷片8、磁铁9、铁粉布10、铜箔纸11和电磁线圈12；

上盖板4和外壳6之间通过四个紧固螺栓连接，四个紧固螺栓分布在上盖板的四个角上，上盖板4将水冷中心固定件压在外壳6的内部，水冷中心固定件2将磁钢保持架7压在外壳6下部，磁钢保持架7将陶瓷片压在外壳6底部，使换能器成为一个结构紧凑的整体。水冷却中心固定件2下部的中间开设有磁铁安装腔，磁铁安装腔设置在超声信号接头安装口的正下方，磁铁安装腔中从上到下依次层叠布置有导磁片13、磁铁9、铜箔纸11、铁粉布10和电磁线圈12，紧固螺钉15的一端从超声信号接头安装口的底面向下穿过水冷却中心固定件2中部后与导磁片13中部通过螺纹连接，具体地，导磁片13中心处开有螺纹孔，水冷中心固定件2的中心处有通孔，紧固螺钉15穿过通孔与螺纹孔相配合，将导磁片和水冷中心固定件连为一个整体；磁铁9、铜箔纸11、铁粉布10和电磁线圈12均通过磁性吸附在导磁片13上，紧固螺钉15的另一端设置在超声信号接头安装口中。

外壳6的底部设置有一圈向中心凸起的凸起缘，陶瓷片8下表面的外缘与凸起缘配合使得陶瓷片8固定安装在外壳6的底部，陶瓷片8的下表面与外壳6的下表面齐平，可与被测工件直接接触，保证被测工件与换能器之间的热量隔绝。陶瓷片8的上表面分别与磁钢保持架7和电磁线圈12紧密接触，其中磁钢保持架7的上表面与水冷却中心固定件2的底面紧密接触，磁钢保持架7均与磁铁9、铜箔纸11、铁粉布10、电磁线圈12同轴设置，并且磁钢保持架7的内侧面分别与磁铁9的下部、铜箔纸11、铁粉布10和电磁线圈12的外侧面紧密接触，磁钢保持架7的外侧面与外壳6的内侧面紧密接触。

优选地，磁铁9的材质为Sm2Co17，磁体下部卡在磁钢保持架7的中心通孔上。

如图9所示，电磁线圈12的结构为螺旋形。

优选地，陶瓷片8的材质为氧化铝。陶瓷片8的截面呈扁平倒梯形，卡在外壳6底部通孔的凸起缘上。

靠近超声信号接头安装口的水冷却中心固定件2中开有信号线通路20，线圈导线一端与超声信号接头1电连接，线圈导线的另一端通过信号线通路20与电磁线圈12电连接。超声信号接头1的信号线与下位机相连，将回波信号传输至下位机中进行放大、滤波等处理。

本发明是一种风水复合冷却的电磁超声换能器，两种冷却方式可根据实际检测需要自由选择与搭配，从而实现不同温度下，不同检测时间要求下的功能全覆盖。

本发明的实施工作过程如下：

将本发明所述的风水复合冷却的电磁超声换能器各功能模块进行组装，在超声信号接头处插上信号线，进水、出水口处的水冷接头上分别接上水管；进水口端水管接水泵，水泵上接上流量控制阀，出水口端水管接水槽；通风口处的风冷接头上接上气管，气管另一端经气阀接空气压缩机。接线完成后将换能器装入检测架上。

在检测开始前，需先使用标准试块对换能器作波速校准处理，取一块与被测件材料相同，厚度l已知的标准试块；让换能器对此试块进行厚度检测，得到回波时间t，根据公式v＝l/(2*t)可得到常温下当前材料中的横波波速，并将其设置为检测的标准波速。校准完成后，根据实际测试需求选择开启空气压缩机和水泵，通过气阀控制进气量，通过流量阀控制水流量，温度越高，气体流速与水流速可设置的越大。水冷风冷功能调试完毕后，操作检测架，将换能器靠近工件，为降低温度对换能器的影响，同时防止钢管上下轻微抖动撞击到换能器，造成损坏，一般换能器底部与被测件间保持1mm及以上的提离。提离设置完成后固定并锁死换能器的当前位置，开启检测。

由于电磁感应现象，换能器中的线圈在通入高频交流电后在被测件表面感应出动态涡流，动态涡流在静磁场的作用下，生成动态洛伦兹力，带动被测件表面质点来回振动，产生超声体波。体波沿着被测件表面垂直方向传播，遇到被测件底面后会发生反射，将沿着相反路径传播并被换能器所接收。回波传至表层时带动质点做周期性切割磁感线运动，由于电磁感应，在换能器线圈中产生周期性变化的电流。换能器的信号接收可看作信号激励的逆过程。电信号经超声信号接头处连接的信号线传至高温测厚仪。由于不同温度下，金属材料的杨氏模量、泊松比等各项物理属性会发生改变，因此材料中的波速也会出现差异。高温测厚仪根据当前被测件温度作出波速补偿后，便可根据波速和时间差计算出当前被测件的厚度大小，在计算机上显示出当前检测信号与厚度值等信息。

具体为：换能器对660℃下厚度为5mm的钢管进行检测，钢管材质为45钢。设置采样频率为100MHz，A扫范围为80μs，脉冲重复频率为100Hz，平均次数为64次，得到的检测信号如图10所示。以第六次和第七次回波为例，两次信号峰值时间差为3.6μs，由于峰值信号时间差为声波在钢板中一次来回的传播时间，故单次传播时间t＝1.8μs。根据测量前的波速校准操作可得常温下45钢内的横波标准波速v约为3200m/s，经测厚系统内高温算法计算补偿后计算得660℃时，波速v降为约2760m/s，跟据前述公式l＝v*t，可求得，此时钢管的厚度值为4.97mm，可看出检测厚度与实际厚度的误差在1％左右，具有良好的检测性能。在长时间工作过程中，风冷与水冷模块带走换能器内部大部分热量，换能器始终维持在安全的工作温度，信号保持稳定。

实际使用过程中，可根据实际需要在检测系统内设置误差阈值，若该换能器检测厚度与标准厚度之差大于此阈值，系统及时报警并作出相应处理。

由此，本发明的针对于铁磁性金属材料高温下检测设计的一种风水复合冷却电磁超声换能器，可以准确的检测600℃左右高温环境下的金属件壁厚情况。

上述的实施方法只是用来解释本发明，本发明的具体实施方法包括但不限于上述提到的方法，在本发明的权利要求范围内对本发明的任何修改都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，包括超声信号接头（1）、上盖板（4）、外壳（6）、水冷却中心固定件（2）、进水口（3）、出水口（16）、电磁组件、水冷却盖片（5）、水冷却通道（14）、风冷通路（19）、进气口（21）和通风口（17）；

水冷却中心固定件（2）通过上盖板（4）固定安装在外壳（6）内，水冷却中心固定件（2）上部的中间开设有超声信号接头安装口，超声信号接头安装口中固定安装有超声信号接头（1），超声信号接头安装口两侧的水冷却中心固定件（2）中分别开设进水口（3）和出水口（16），水冷却中心固定件（2）的圆周侧外开设有上下设置的水冷却通道（14），水冷却通道（14）的底部与进水口（3）连通，水冷却通道（14）的顶部与出水口（16）连通，水冷却中心固定件（2）的水冷却通道（14）外设置有水冷却盖片（5），通过水冷却盖片（5）固定安装在水冷却中心固定件（2）的外圆周侧面，使得水冷却通道（14）封闭，水从进水口（3）进经水冷却通道（14）后从出水口（16）出，形成环形且自底向上的水通道；外壳（6）的一侧内开有上下布置的风冷通路（19），外壳（6）一侧的上表面开有进气口（21），外壳（6）的底部开有通风口（17），进气口（21）和通风口（17）分别与风冷通路（19）的顶部和底部连通，使得风从进气口（21）进经风冷通路（19）后从通风口（17）出；水冷却中心固定件（2）和外壳（6）的下部内嵌装有电磁组件，电磁组件固定安装在超声信号接头（1）的正下方；

所述通风口（17）处的外壳上设置有挡风板（18），挡风板（18）用于盖住通风口（17），通风口（17）底部的外壳边缘形状为圆弧，使得挡风板（18）与通风口（17）的底部之间具有缝隙；进气口（21）上装有风冷接头，风冷接头吹出的冷却风经进气口（21）流入外壳（6）的风冷通路（19），经通风口（17）从挡风板（18）底部与外壳间的缝隙中流出；

所述水冷却通道（14）具体为：

在水冷却中心固定件（2）的外圆周侧面开设有上下间隔且平行设置的多圈环状槽，相邻圈的环状槽之间的水冷却中心固定件（2）的外圆周侧面上还开设有条形槽，相邻圈的环状槽之间通过对应的条形槽连通，进水口（3）与最底圈的环状槽连通，出水口（16）与最顶圈的环状槽连通，使得水流由进水口（3）流入后，先流至水冷却通道（14）的底部，在水冷中心固定件中形成环形且自底向上流动的流路后由出水口（16）流出。

2.根据权利要求1所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，所述电磁组件包括紧固螺钉（15）、导磁片（13）、磁钢保持架（7）、陶瓷片（8）、磁铁（9）、铁粉布（10）、铜箔纸（11）和电磁线圈（12）；

水冷却中心固定件（2）下部的中间开设有磁铁安装腔，磁铁安装腔设置在超声信号接头安装口的正下方，磁铁安装腔中从上到下依次层叠布置有导磁片（13）、磁铁（9）、铜箔纸（11）、铁粉布（10）和电磁线圈（12），紧固螺钉（15）的一端从超声信号接头安装口的底面向下穿过水冷却中心固定件（2）中部后与导磁片（13）通过螺纹连接；

外壳（6）的底部设置有一圈向中心凸起的凸起缘，陶瓷片（8）下表面的外缘与凸起缘配合使得陶瓷片（8）固定安装在外壳（6）的底部，陶瓷片（8）的上表面分别与磁钢保持架（7）和电磁线圈（12）紧密接触，其中磁钢保持架（7）的上表面与水冷却中心固定件（2）的底面紧密接触，磁钢保持架（7）的内侧面分别与磁铁（9）的下部、铜箔纸（11）、铁粉布（10）和电磁线圈（12）的外侧面紧密接触。

3.根据权利要求2所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，所述磁铁（9）的材质为Sm2Co17。

4.根据权利要求2所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，所述电磁线圈（12）的结构为螺旋形。

5.根据权利要求2所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，靠近所述超声信号接头安装口的水冷却中心固定件（2）中开有信号线通路（20），线圈导线一端与超声信号接头（1）电连接，线圈导线的另一端通过信号线通路（20）与电磁线圈（12）电连接。

6.根据权利要求2所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，所述陶瓷片（8）的材质为氧化铝。

7.根据权利要求2所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，所述陶瓷片（8）的截面呈扁平倒梯形。

8.根据权利要求1所述的一种风水复合冷却电磁超声换能器，其特征在于，所述上盖板（4）和外壳（6）之间通过四个紧固螺栓连接，四个紧固螺栓分布在上盖板的四个角上。

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