CZ2009633A3 - Zpusob bezkontaktního merení elektricky vodivého materiálu a elektromagneticko akustická sonda - Google Patents

Abstract

Zpusob bezkontaktního merení elektricky vodivého materiálu, zejména jeho tlouštky a podpovrchových vad jeho struktury, založený na vysílání elektrického signálu elektromagneticko akustickou sondou a jeho zpetném prijímání, kde prijímaný elektrický signál se vytvárí transformací ultrazvukových vln z interakcí vírivých proudu v mereném materiálu (5) a stacionárního magnetického pole, vytváreného magnetem elektromagneticko akustické sondy. Intenzita tohoto stacionárního magnetického pole se posiluje behem vysílání elektrického signálu, zatímco behem prijímání elektrického signálu se posilující úcinek snižuje. Elektromagneticko akustická sonda k provádení tohoto zpusobu, v jejímž tele (2) je situován permanentní magnet (1), kde mezi mereným materiálem (5) a permanentním magnetem (1) je v tele (2) sondy nejméne jedna pracovní cívka (3), pripojená ke zdroji budicích impulsu. Ke stranám permanentního magnetu (1) priléhá nejméne jedna budicí cívka (4) bez feromagnetického jádra, synchronizovane pripojitelná k výstupu generátoru svých budicích impulsu behem funkcního spojení pracovní cívky (3) se zdrojem budicích impulsu a souhlasne orientovaná s orientací magnetického pole permanentního magnetu (1).

Description

Způsob bezkontaktního měření elektricky vodivého materiálu a elektromagneticko akustická sonda

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu bezkontaktního měření elektricky vodivého materiálu, zejména jeho tloušťky a podpovrchových vad jeho struktury, a uspořádáni elektromagneticko akustické sondy.

Dosavadní stav techniky

Jednou z metod, které slouží pro detekci a lokalizaci podpovrchových vad materiálu, je využití elektromagneticko akustické sondy. Střídavý proud I procházející vhodně navrženou cívkou sondy, která je orientována kolmo k povrchu vodivého materiálu, vyvolá střídavé magnetické pole, které je zastoupeno vektorem magnetické indukce B. Střídavé magnetické pole indukuje ve vodivém materiálu vířivé proudy, které vytvářejí střídavý magnetický tok, který má opačný směr proti počátečnímu proudu protékajícímu cívkou. Hloubka vniku elektromagnetického pole, daná frekvencí proudu a parametry materiálu, musí být menší než vlnová délka λ ultrazvukové vlny. Výsledkem interakce vířivých proudů a stacionárního magnetického pole permanentního magnetu je tzv. Lorentzova síla F, která způsobí deformaci vodivého materiálu, jejímž důsledkem je akustická vlna, šířící se požadovaným směrem v testovaném materiálu. Ultrazvukové vlny, které se dále šíří materiálem, se odrážejí od struktury testovaného materiálu. Odražené ultrazvukové vlny způsobují změnu kmitání krystalické mřížky, což se projeví změnou velikosti detekovaného elektrického pole v elektromagneticko akustické sondě. Ultrazvukové vlny jsou tedy transformovány na elektrický ultrazvukový signál. Odražené ultrazvukové vlny jsou v sejmutém elektrickém signálu zastoupeny obálkou ultrazvukového signálu, takzvanými ultrazvukovými echy.

Oproti standardním bezkontaktním metodám se pří využití této sondy pracuje bez akustické vazby mezi sondou a materiálem. Jelikož pro vznik ultrazvukových vln musí z principu této sondy v testovaném prostředí protékat vířivé proudy, je tato metoda ultrazvuková defektoskopie použitelná pouze pro elektricky vodivé materiály. Elektromagneticko akustická sonda se skládá z vodiče nebo plošné cívky (případně více cívek) a permanentního magnetu (nebo více magnetů), umístěného nad testovaným objektem (obr. 1). V některých případech lze místo permanentního magnetu použit elektramagnet, který je schopen vytvořit vyšší intenzitu magnetického pole, ale nevýhodou je velká spotřeba energie a pří trvalém provozu nutnost chlazení. Pn přerušovaném provozu elektromagnetu magnetické indukční čáry protínají cívku a indukují do ní rušivý signál.

*4 ·* 4 · 4 4 4444

44 4 φ βφ φ φ « φ φ

4 »44« 4 444

444 φ φ «·· φ φ φ «Φ4

4 4 φ 4444

4444 44 4* φφ φφ φ«

V současné době není k dispozicí defektoskopický systém s elektromagneticko akustickou sondou, který by umožňoval detekovat vadové ultrazvukové echo, vzniklé odrazem ultrazvukové vlny od podpovrchové vady měřeného materiálu o rozměru přibližně 1 mm. Úkolem předloženého vynálezu je konstrukce elektromagneticko akustické sondy s takovou citlivostí, která by takovou detekci umožňovala, s doplněním účinných algoritmů pro potlačeni šumu.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob bezkontaktního měřeni elektricky vodivého materiálu, zejména jeho tloušťky a podpovrchových vad jeho struktury, založený na vysílání elektrického signálu elektromagneticko akustickou sondou a jeho zpětném přijímání, kde přijímaný elektrický signál se vytváří transformaci ultrazvukových vln z interakcí vířivých proudů v měřeném materiálu a stacionárního magnetického pole, vytvářeného magnetem elektromagneticko akustické sondy. Podstata vynálezu spočívá v tom, že intenzita tohoto magnetického poíe se posiluje během vysílání elektrického signálu, zatímco během přijímáni elektrického signálu se posilující účinek snižuje.

Elektromagneticko akustická sonda využívá přídavné budicí cívky nebo více cívek pro zvýšení intenzity pole permanentních magnetů a umožňuje zvýšit magnetickou indukci nad možnosti v současné době existujících magnetů . Zvyšuje intenzitu statického magnetického pole při vysílacím pulzu, při příjmu elektrického signálu neposiluje statické magnetického pole vůbec nebo jen částečně podle rozsahu zkoušení. Tím eliminuje zásadní nevýhodu těchto sond s budicí resp. magnetizačni cívkou, kde dochází k rušení slabých signálů budicím proudem magnetizačni cívky, která je buzena i při měření. Zvyšuje podstatně opakovači frekvenci měření, neboť budicí resp, magnetizačni cívka pracuje mnohem kratší dobu, přibližně do 1 ps. Zvyšuje i rychlost zkoušení materiálu, protože není zapotřebí provádět průměrování více měření, které může být znehodnoceno při pohybu sondy.

Vynález se dále týká elektromagneticko akustické sondy k provádění výše popisovaného způsobu, v jejímž těle je situován permanentní magnet, kde mezi měřeným materiálem a permanentním magnetem je v těle sondy nejméně jedna pracovní cívka, připojená ke zdroji budících impulsů. Podstata vynálezu spočívá v tom, že ke stranám permanentního magnetu přiléhá nejméně jedna budicí cívka bez feromagnetického jádra, synchronizované připojitelná k výstupu generátoru svých budicích impulsů během funkčního spojení pracovní cívky se zdrojem budicích impulsů a souhlasně orientovaná s orientací magnetického pole permanentního magnetu.

• · «* ·· «« V»«· ·· · * « · « · «· • · · · B · · · * ·· • ··♦ · · * *·Ι · · ····

Pole v současné době dostupných permanentních magnetů se pohybují v rozsahu 1,2-1,6 T. Pomocí klasické elektromagneticko akustické sondy, využívající permanentních magnetů, nelze zvýšit citlivost při optimální cívce sondy, magnet musí být z důvodu principu a používání sondy přibližně 1 až 3 mm nad měřeným materiálem. Pn využiti superpozice pole permanentního magnetu sondy s budicí (magnetizačni) cívkou, souhlasně orientovanou s orientací pole permanentního magnetu je možné dosáhnout vyšší citlivostí sondy s využitím kvadratické závislosti magnetického pole. Budicí cívka je vzduchová, neboť u feromagnetik dochází k nasycení hysterezni smyčky. Výhodou je že budiči (magnetizačni) cívka je namáhána výkonově pouze krátkou dobu a při buzení není spotřebovávána energie jako u klasických sond s elektromagnetem. Indukci magnetického poleje možné dále zvýšit paralelním řazením generátorů budicích impulsů a chlazením budiči civky nebo cívek.

Magnetizačni resp. budicí cívka sondy s přídavným magnetizačním buzením a s dvojitou pracovní civkou zvyšuje citlivost pomocí magnetického pole na vyšší magnetickou indukci než mají dostupné permanentní magnety (1,2-1,6 T), a to až na hodnotu 1,85-2,48 T. Při použití chlazené budiči cívky nebo supravodivé cívky, případně civky z nanomateriálů, je možné zvýšit magnetickou indukci až na přibližně 30 T.

Pracovní cívky mohou s výhodou být nejméně dvě, s nízkou vzájemnou kapacitou, a jsou situovány v podstatě ve stejně vzdálenosti od měřeného materiálu, kde každá z nich má stejné elektrické vlastnosti vybrané ze skupiny, zahrnující impedanci, kapacitu, indukčnost, vodivost, počet závitů a tvar, čímž indukované napětí v jednotlivých pracovních cívkách nese stejnou informaci o fyzikálních vlastnostech měřeného materiálu. V případě dvou nebo více pracovních cívek nese indukované napětí ve všech těchto cívkách nejenom stejnou informaci o fyzikálních vlastnostech materiálu, ale rovněž náhodný tepelný šum, daný reálnou částí impedance civky, který je v každé z těchto cívek odlišný. Tento tepelný šum je možné eliminovat například následným elektronickým zpracováním signálu ve dvou nebo více kanálech nebo po vzorkování signálu digitálním zpracováním, například vzájemnou korelací nebo slepou separaci signálu.

Budiči cívka nebo cívky mohou být s výhodou připojeny k výstupu generátoru svých budicích impulsů s nezávislým nastavením zpožděni a délky impulsů, přičemž magnetizačni pole, vyvolané spolupůsobením budících cívek a permanentního magnetu, je orientováno kolmo k povrchu měřeného materiálu. Budicí cívka nebo alespoň dvě budicí civky jsou jednotlivě vzájemně odděleny a uspořádány do sekcí. Vinutí budicích cívek je vytvořeno z drátu nebo plochého vodiče, kde jednotlivé vrstvy jsou od sebe odděleny elektricky izolační vrstvou. V jiném provedení tohoto vynálezu jsou permanentní magnety nejméně dva, kde tato soustava má horizontální magnetizaci, přičemž každý z permanentních magnetů je opatřen alespoň jednou budící cívkou.

Další provedení vynálezu se týká elektromagneticko akustické sondy pro bezkontaktní měření vlastností vodivého materiálu, zejména jeho tloušťky a podpovrchových vad jeho struktury, v jejímž tele je permanentní magnet a kde mezi měřeným materiálem a permanentním magnetem je v těle sondy pracovní cívka, připojená ke zdroji budicích impulsů. Podstata vynálezu spočívá v tom, že pracovní cívky jsou nejméně dvě, s nízkou vzájemnou kapacitou, a jsou situovány v podstatě ve stejné vzdálenosti od měřeného materiálu, kde každá z nich má stejné elektrické vlastnosti vybrané ze skupiny, zahrnující impedanci, kapacitu, indukčnost, vodivost, počet závitů a tvar, čímž indukované napětí v jednotlivých pracovních cívkách nese stejnou informaci o fyzikálních vlastnostech měřeného materiálu. Pracovní cívky Jsou nejméně dvě a jsou jednotlivě tvořeny plochým vodičem a situovány nad sebou nebo alespoň jejich část bifílárně a pak propojeny do série.

Elektromagneticko akustická sonda využívá principů duálni či vícenásobně cívky, uspořádané tak, aby snímala, případně vysílala užitečný signál synchronně s nezávislým tepelným šumem, šum pak je možné separovat.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen pomocí připojených výkresů a v následujícím textu podrobněji popsán. Na obr.1 je schematicky zobrazeno základní uspořádání elektromagneticko akustické sondy, na obr.2 současné známé uspořádání této sondy. Na obr.3 je vyobrazen příklad provedeni sondy podle tohoto vynálezu, zahrnující permanentní magnet, budící cívku a jednu pracovní cívku. Na obr.4 je příklad dalšího provedení sondy podle tohoto vynálezu s permanentním magnetem a dvěma pracovními cívkami. Na obr.5 je příklad sondy podle tohoto vynálezu s permanentním magnetem, budicí cívkou a dvěma pracovními cívkami.

Příklady provedení vynálezu

K měřenému elektricky vodivému materiálu 5, například kovu, pokovenému plastu, vodivému kovovému prášku, případně emulzi nanesené na povrch měřeného vzorku, přiléhá přes vzduchovou mezeru bezkontaktní elektromagnetická akustická sonda (EMAT sonda) pro měřeni tloušťky materiálu, vnitrních vad a poruch jeho struktury a fyzikálních parametrů, jako jsou například modul pružnosti a vnitřní nebo povrchové mechanické napětí. Uspořádání

sondy je následující. V těle 2 sondy je permanentní magnet 1, k jehož bočních stranám je navinuta budicí cívka 4 elektromagnetu. Permanentní magnet 1_ může být tvořen soustavou magnetů, kde jednotlivé magnety jsou opatřeny budicími cívkami 4. Vinutí budící cívky 4 je vytvořeno z drátu nebo plochého vodiče a jednotlivé vrstvy jsou od sebe odděleny elektricky izolační vrstvou. Orientace permanentního magnetu 1 je libovolná, to znamená ve svislém nebo vodorovném směru, nebo s alternujícími póly. Mezi měřeným materiálem 5 a permanentním magnetem ije v těle 2 sondy (v pouzdru) nejméně jedna pracovní cívka 3, případně soustava pracovních cívek 3 pro metodu s řízenou fázi (phase-array). Pracovní cívky 3 mohou být vzájemně odděleny a uspořádány do sekcí. Jsou tvořeny plochým vodičem a jsou situovány nad sebou nebo proloženě (bifilárně), případně část bifilárně, a pak spojeny do série, nebo vedeny nezávisle k zesilovačům a dalšímu zpracováni signálu. Elektrické vývody pracovních cívek 3 mohou být připojeny na konektory 6 sondy buďto přímo nebo přes předzesilovač 7. Obdobně je tomu i u budicí cívky 4 nebo soustavy budicích cívek

4.

Pracovní cívky 3 mají vždy stejné elektrické vlastnosti, to je impedanci, počet závitů, tvar. Jestliže je použita jedna pracovní cívka 3, vykonává funkci přijímací a vysílací cívky, jestliže jsou použity dvě pracovní cívky 3, mohou pracovat v libovolné kombinaci, to znamená přijímá jedna nebo obě cívky, nebo vysílá jedna nebo obě cívky.

Budicí cívka 4 sondy je napájena z generátoru svých budicích impulsů tak, že budicí impuls (který je podle pracovní frekvence sondy v rozsahu délky 10 ns až 10 ps) do ní přichází současně s budicím impulsem do pracovní cívky nebo cívek 3, tak aby vyvolal elektromagnetické pole o velikosti stejné nebo větší než pole permanentního magnetu o velikosti 1,2 až 1,6 T. Při přijmu signálu z měřeného předmětu 5 může být pomocné pole budicí cívky 4 zapnuto nebo jeho intenzita snížena, případně vypnuto, čímž se sníží rušení budicího impulsního zdroje.

□o pracovních cívek 3 bezkontaktní elektromagnetické - akustické sondy se z generátoru budicích impulsů (pulzního zdroje) vyšle elektrický impuls nebo soustava impulsů, které jsou působením Lorentzovy sily přeměněny na ultrazvukový signál, který se šíří v měřeném materiálu 5. Odražený ultrazvukový signál od konce materiálu 5 (při měření jeho tloušťky) nebo od jeho nehomogenit (při měřeni jeho fyzikálních vlastností) se přijímá recipročním jevem jako při vysílání pracovní cívkou 3, ve které se indikuje elektrické napětí. Toto napětí obsahuje informaci nejenom o materiálu 5, ale i o tepelném šumu. V případě dvou nebo více pracovních civek 3 nese indukované napětí ve všech těchto cívkách stejnou informaci o fyzikálních vlastnostech materiálu 5 a dále náhodný tepelný šum, daný reálnou částí v ·

v · impedance pracovní cívky 3, který je v každé z těchto cívek odlišný. Tento tepelný šum je možné eliminovat například následným elektronickým zpracováním signálu ve dvou nebo více kanálech nebo po vzorkování signálu digitálním zpracováním, například vzájemnou korelací nebo slepou separací signálu. Použití elektromagnetu v sondě umožňuje zvýšit intenzitu budicího elektromagnetického pracovního pole nad hodnotu existujících permanentních magnetů. Se zvyšováním intenzity budicího pole se kvadraticky zvyšuje velikost indukovaného napětí v pracovních cívkách 3. Zvyšuje se tak citlivost měřeni, a to tak, že lze v měřeném materiálu 5 identifikovat defekty o velikosti přibližné jednoho milimetru.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Vynález je využitelný pro bezkontaktní měřeni vlastností vodivého materiálu, například kovu, pokoveného plastu, vodivého kovového prášku, připadne emulze nanesené na povrch měřeného vzorku, zejména jeho tloušťky a podpovrchových vad jeho struktury. Dále je možné vynález využit pro měření průtoku kapalin a plynů jako náhrada piezoelektrických měničů, kde je nutná kontaktní vazba s potrubím, ve kterém je průtok měřen.

Seznam vztahových značek

... permanentní magnet

... tělo sondy

... pracovní cívka sondy

... budicí cívka sondy

... měřený materiál

... konektory sondy

... předzesílovač

Claims (9)

1. Způsob bezkontaktního měření elektricky vodivého materiálu, zejména jeho tloušťky a podpovrchových vad jeho struktury, založený na vysílání elektrického signálu elektromagneticko akustickou sondou a jeho zpětném přijímáni, kde přijímaný elektrický signál se vytváří transformací ultrazvukových vln z interakcí vířivých proudů v měřeném materiálu (5) a stacionárního magnetického pole, vytvářeného magnetem elektromagneticko akustické sondy, vyznačující se tím, že intenzita tohoto stacionárního magnetického pole se posiluje během vysílání elektrického signálu, zatímco během příjímání elektrického signálu se účinek posilování snižuje.

2. Elektromagneticko akustická sonda k provádění způsobu podle nároku 1, v jejímž těle (2) je situován permanentní magnet (1), kde mezi měřeným materiálem (5) a permanentním magnetem (1) je v těle (2) sondy nejméně jedna pracovní cívka (3), připojená ke zdroji budících impulsů, vyznačující se tím, že ke stranám permanentního magnetu (1) přiléhá nejméně jedna budicí cívka (4) bez feromagnetického jádra, synchronizované připojitelná k výstupu generátoru svých budicích impulsů během funkčního spojení pracovní cívky (3) se zdrojem budicích impulsů a souhlasně orientovaná s orientací magnetického pole permanentního magnetu (1).

3. Elektromagneticko akustická sonda podle nároku 2, vyznačující se tím, že pracovní cívky (3) jsou nejméně dvě, s nízkou vzájemnou kapacitou, a jsou situovány v podstatě ve stejné vzdálenosti od měřeného materiálu (5), kde každá z nich má stejné elektrické vlastnosti vybrané ze skupiny, zahrnující impedanci, kapacitu, indukčnost, vodivost, počet závitů a tvar, čímž indukované napětí v jednotlivých pracovních cívkách (3) nese stejnou informaci o fyzikálních vlastnostech měřeného materiálu (5).

4. Elektromagneticko akustická sonda podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že budicí cívky (4) jsou připojeny k výstupu generátoru svých budicích impulsů s nezávislým nastavením zpoždění a délky impulsů, přičemž magnetizační pole, vyvolané spolupůsobením budících cívek (4) a permanentního magnetu (1), je orientováno kolmo k povrchu měřeného materiálu (5).

5. Elektromagneticko akustická sonda podle některého z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že budicí cívky (4) jsou alespoň dvě a jsou jednotlivě vzájemně odděleny a uspořádány do sekcí.

• ··· · β » toto· ·· · toto* • toto· · to · to «••to ·* ·· toto ·· ··

6. Elektromagneticko akustická sonda podle některého z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že vinutí budicích cívek (4) je vytvořeno z drátu nebo plachého vodiče, kde jednotlivé vrstvy jsou od sebe odděleny elektricky izolační vrstvou.

7. Elektromagneticko akustická sonda podle některého z nároků 2 až 6, vyznačující se tím, že permanentní magnety (1) jsou nejméně dva, kde tato soustava má horizontální magnetizaci, přičemž každý z permanentních magnetů (1) je opatřen svou budicí cívkou (4).

8. Elektromagneticko akustická sonda pro bezkontaktní měřeni vlastností vodivého materiálu, zejména jeho tloušťky a pod povrchových vad jeho struktury, v jejímž těle (2) je permanentní magnet (1) a kde mezi měřeným materiálem (5) a permanentním magnetem (1) je v těle (2) sondy pracovní cívka (3), připojená ke zdroji budicích impulsů, vyznačující se tím, že pracovní cívky (3) jsou nejméně dvě, s nízkou vzájemnou kapacitou, a jsou situovány v podstatě ve stejné vzdálenosti od měřeného materiálu (5), kde každá z nich má stejné elektrické vlastnosti vybrané ze skupiny, zahrnující impedanci, kapacitu, indukčnost, vodivost, počet závitů a tvar, čímž indukované napětí v jednotlivých pracovních cívkách (3) nese stejnou Informaci o fyzikálních vlastnostech měřeného materiálu (5).

9. Elektromagneticko akustická sonda podle některého z nároků 2 až 8, vyznačující se tím, že pracovní cívky (3) jsou nejméně dvě a jsou jednotlivě tvořeny plochým vodičem a situovány nad sebou nebo alespoň jejích část bífilárně a pak propojeny do série.