CZ306512B6

CZ306512B6 - Způsob bezkontaktního měření elektricky vodivého materiálu a elektromagneticko akustická sonda

Info

Publication number: CZ306512B6
Application number: CZ2009-633A
Authority: CZ
Inventors: tarman Stanislav Ĺ
Original assignee: tarman Stanislav Ĺ
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2017-02-22
Also published as: CZ2009633A3

Abstract

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 přijímání, 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 s využitím nejméně jedné budicí cívky, kdy intenzita tohoto stacionárního magnetického pole se během vysílání elektrického signálu působením zdroje budicích impulzů nebo budicí cívky posiluje, zatímco během přijímání elektrického signálu se účinek stacionárního magnetického pole neuplatňuje nebo uplatňuje s menší intenzitou. Přijímání elektrického signálu se provádí déle oproti jeho vysílání, v závislosti na rozsahu měření, s eliminací rušení slabých signálů proudem budicí cívky buzené i při měření, čímž se zvyšuje opakovací frekvence měření a posilující účinek se snižuje. Elektromagneticko akustická sonda k provádění tohoto způsobu, 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 budicích impulzů. Ke stranám permanentního magnetu (1) přiléhá nejméně jedna budicí cívka (4) bez feromagnetického jádra, synchronizovaně připojitelná k výstupu generátoru svých budicích impulzů během funkčního spojení pracovní cívky (3) se zdrojem budicích impulzů a souhlasně orientovaná s orientací magnetického pole permanentního magnetu (1).

Description

Název vynálezu:

Způsob bezkontaktního měření elektricky vodivého materiálu a elektromagneticko akustická sonda

Anotace:

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 přijímání, 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 s využitím nejméně jedné budicí cívky, kdy intenzita tohoto stacionárního magnetického pole se během vysílání elektrického signálu působením zdroje budicích impulzů nebo budicí cívky posiluje, zatímco během přijímání elektrického signálu se účinek stacionárního magnetického pole neuplatňuje nebo uplatňuje s menší intenzitou. Přijímání elektrického signálu se provádí déle oproti jeho vysílání, v závislosti na rozsahu měření, s eliminací rušení slabých signálů proudem budicí cívky buzené i při měření, čímž se zvyšuje opakovači frekvence měření a posilující účinek se snižuje. Elektromagneticko akustická sonda k provádění tohoto způsobu, 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 budicích impulzů. Ke stranám permanentního magnetu (1) přiléhá nejméně jedna budicí cívka (4) bez feromagnetického jádra, synchronizované připojitelná k

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu bezkontaktního měření elektricky vodivého materiálu, zejména jeho tloušťky a podpovrchových vad jeho struktury, a uspořádání 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 opaěný 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 při 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 použít elektromagnet, který je schopen vytvořit vyšší intenzitu magnetického pole, ale nevýhodou je velká spotřeba energie a při trvalém provozu nutnost chlazení. Při přerušovaném provozu elektromagnetu magnetické indukční čáry protínají cívku a indukují do ní rušivý signál.

V současné době není k dispozici 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 potlačení šumu.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je 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 přijímání, kde přijímaný elektrický signál se vytváří transformací ultrazvukových vln z interakcí vířivých proudů v měřeném materiálu a stacionárního magnetického pole, vytvářeného magnetem elektromagneticko akustické sondy s využitím nejméně jedné budicí cívky. Podstata vynálezu spočívá v tom, že intenzita tohoto stacionárního magnetického pole se během vysílání elektrického signálu působením zdroje budicích impulzů nebo budicí cívky posiluje, zatímco během přijímání elektrického signálu se účinek sta

- 1 CZ 306512 B6 cionámího magnetického pole neuplatňuje nebo uplatňuje s menší intenzitou. Přijímání elektrického signálu se provádí déle oproti jeho vysílání, v závislosti na rozsahu měření, se snížením až eliminací rušení slabých signálů proudem budicí cívky buzené i při měření, čímž se zvyšuje opakovači frekvence měření.

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, uplatňuje se pouze reziduální část magnetizace. Tím se eliminuje zásadní nevýhoda těchto sond s budicí resp. magnetizační cívkou, kde dochází k rušení slabých signálů budicím proudem magnetizační cívky, která je buzena i při měření. Zvyšuje podstatně opakovači frekvenci měření, neboť budicí resp. magnetizační cívka pracuje v režimu vysílání 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 budicích impulzů. Ke stranám permanentního magnetu přiléhá nejméně jedna budicí cívka bez feromagnetického jádra, synchronizované připojitelná k výstupu generátoru svých budicích impulzů během funkčního spojení pracovní cívky se zdrojem budicích impulzů a souhlasně orientovaná s orientací magnetického pole permanentního magnetu.

Pole v současné době dostupných permanentních magnetů se pohybují v rozsahu 1,2 až 1,6 T. Pomocí známé 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. Při využití superpozice pole permanentního magnetu sondy s budicí (magnetizační) cívkou, souhlasně orientovanou s orientací pole permanentního magnetu je možné dosáhnout vyšší citlivosti sondy s využitím kvadratické závislosti magnetického pole. Budicí cívka je vzduchová, neboť u feromagnetik dochází k nasycení hysterezní smyčky. Výhodou je, že budicí (magnetizační) cívka je v režimu vysílání 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 impulzů a chlazením budicí cívky nebo cívek.

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

Pracovní cívky jsou s výhodou 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. 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 cívky, 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.

Budicí cívka nebo cívky mohou být s výhodou připojeny k výstupu generátoru svých budicích impulzů s nezávislým nastavením zpoždění a délky impulzů, přičemž magnetizační pole, vyvola

-2CZ 306512 B6 né spolupůsobením budicích cívek a permanentního magnetu, je orientováno kolmo k povrchu měřeného materiálu. Budicí cívka nebo alespoň dvě budicí cívky jsou s výhodou 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 budicí 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 těle je permanentní magnet a kde mezi měřeným materiálem a permanentním magnetem je v těle sondy pracovní cívka, připojená ke zdroji budicích impulzů. Pracovní cívky jsou s výhodou 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 s výhodou jednotlivě tvořeny plochým vodičem a situovány nad sebou nebo alespoň jejich část bifilámě a pak propojeny do série.

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

Objasnění výkresů

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 provedení sondy podle tohoto vynálezu, zahrnující permanentní magnet, budicí cívku a jednu pracovní cívku. Na obr. 4 je příklad provedení sondy 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 uskutečnění 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 pro měření tloušťky materiálu, vnitřních 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 bočním stranám je navinuta budicí cívka 4 elektromagnetu. Permanentní magnet 1 může být tvořen soustavou magnetů, kde jednotlivé magnety jsou opatřeny budicími cívkami 4. Vinutí budicí 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 1 je v těle 2 sondy (v pouzdru) nejméně jedna pracovní cívka 3, případně soustava pracovních cívek 3 pro metodu s řízenou fází (phase-array). Pracovní cívky 3 mohou být vzájemně odděleny a uspořádány do sekcí. Jsou tvořeny plochým vodičem a jsou situovány nad sebou nebo proloženě (bifilámě), případně část bifilámě, a pak spojeny do série, nebo vedeny nezávisle k zesilovačům a dalšímu zpracování 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 impulzů tak, že budicí impulz (který je podle pracovní frekvence sondy v rozsahu délky 10 ns až 10 ps) do ní přichází současně s budicím impulzem 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 příjmu signálu z měřeného předmětu 5 může být pomocné pole budicí cívky 4 zapnuto nebo jeho intenzita snížena, čímž se sníží rušení budicího impulzního zdroje.

Do pracovních cívek 3 bezkontaktní elektromagnetické - akustické sondy se z generátoru budicích impulzů (pulzního zdroje) vyšle elektrický impulz nebo soustava impulzů, které jsou působením Lorentzovy síly 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 měření 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 cívek 3 nese indukované napětí ve všech těchto cívkách stejnou informaci o fyzikálních vlastnostech materiálu 5 a dále náhodný tepelný šum, daný reálnou částí impedance pracovní cívky 3, kteiý 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 měření, a to tak, že lze v měřeném materiálu 5 identifikovat defekty o velikosti přibližně jednoho milimetru.

Průmyslová využitelnost

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

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

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 přijímání, 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 s využitím nejméně jedné budicí cívky, vyznačující se tím, že intenzita tohoto stacionárního magnetického pole se během vysílání elektrického signálu působením zdroje budicích impulzů nebo budicí cívky posiluje, zatímco během přijímání elektrického signálu se účinek posilování snižuje, přičemž přijímání elektrického signálu se v závislosti na rozsahu měření provádí déle oproti jeho

-4CZ 306512 B6 vysílání, se současným snížením rušení slabých signálů proudem budicí cívky buzené i při měření, čímž se zvyšuje opakovači frekvence měření.
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 budicích impulzů, 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 impulzů během funkčního spojení pracovní cívky (3) se zdrojem budicích impulzů 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 impulzů s nezávislým nastavením zpoždění a délky impulzů, přičemž magnetizační pole, vyvolané spolupůsobením budicích 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.
6. Elektromagneticko akustická sonda podle některého z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že vinutí budicích cívek (4) je vytvořeno z drátu nebo plochého 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 podle některého z nároků 3 až 7, vyznačující se tím, že pracovní cívky (3) jsou jednotlivě tvořeny plochým vodičem a situovány nad sebou nebo alespoň jejich část bifilámě a pak propojeny do série.