-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft Kontroll- und Messtechnikeinrichtungen und genauer einen elektromagnetisch-akustischen Messwandler nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
Es ist ein elektromagnetisch-akustischer Messwandler (EMAT) bekannt, der ein Magnetsystem umfasst, das durch Ringdauermagnete mit abwechselnden Polen, zumindest drei flachen induktiven Spulen und drei Konzentrationen aus einem ferromagnetischen Material besteht (siehe
RU 2 219 539 C1 ).
-
Der gegebene Messwandler weist jedoch einen hohen Streufluss auf, was zu einer Verringerung seiner Empfindlichkeit führt. Bei dieser Messwandlergestaltung fließt der Großteil des magnetischen Flusses durch Luft, wobei er einen bedeutenden Widerstand überwindet, der nicht gestattet, in der Arbeitszone den benötigten Grad an magnetischer Induktion sicherzustellen.
-
Es ist auch ein EMAT bekannt, der einen Körper, eine Abdeckung, eine Basis und ein Magnetsystem umfasst, das aus zwei Ringdauermagneten, die einander unmittelbar benachbart sind und Pole aufweisen, die an der äußeren und an der inneren Seitenfläche angeordnet sind, und einem runden Dauermagnet, der sich an einer ihrer Endflächen befindet und mit einem zugeordneten Pol zu ihren inneren Polen gerichtet ist, gebildet ist. Dieser EMAT umfasst ebenfalls eine induktive Spule und einen Konzentrator, der aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist und an der gleichen Achse mit dem runden Dauermagnet eingerichtet ist (siehe die Anmeldung Nr.
RU 2003 120 724 A ).
-
Der bekannte EMAT erhöht durch die Schaffung eines gemeinsamen inneren Pols in der Arbeitszone die magnetische Induktion und als Folge die Kontrollempfindlichkeit.
-
Doch dieser bekannte EMAT weist eine enge Kontrollzone auf, die durch 10 bis 12 mm begrenzt ist. Um eine fortlaufende Kontrolle für die gesamte Oberfläche des kontrollierten Gegenstands bereitzustellen, sollten an seinem Umfang mehrere Messwandler in mehreren Reihen angeordnet werden, was zu einem deutlichen Anstieg der Kosten der Ausrüstung für die Mängelfeststellung von gewalztem Metall führt.
-
Es ist auch ein EMAT bekannt, der einen Körper aufweist. Der Körper umfasst eine Arbeitsoberfläche, die zur Seite des kontrollierten Gegenstands gerichtet werden soll, ein Magnetsystem zur Bildung eines Dauermagnetfelds, wobei das System im Körper angeordnet ist, Magnetfeldkonzentratoren, die mit dem Magnetsystem zusammenwirken, und Induktionsspulen, die eingerichtet sind, um Abfühlimpulse zu erzeugen und zurückgestrahlte Impulse zu empfangen. Dieser EMAT weist ein Magnetsystem in Form eines Kerns auf, der von allen Seiten außer der Seite, die zur Arbeitsoberfläche gerichtet ist, durch Dauermagnete umgeben ist, die zugeordnete Pole aufweisen, welche einwärts gerichtet sind. Der Kern ist als mehrere elektrotechnische Stahlplatten gebildet und an der Symmetrieachse durch ein Distanzstück getrennt, das der elektrischen und der akustischen Isolierung dient. Der Arbeitsbereich des Kerns ist als Trapez gebildet, dessen kleinere Basis zur Arbeitsoberfläche gerichtet ist.
-
Dieser EMAT umfasst zwei Induktionsspulen, wobei eine zur Aussendung von Abtastimpulsen und die andere zum Empfang der zurückgestrahlten Impulse dient (siehe
RU 31 305 U1 ).
-
Diese Variante eines EMAT ist durch einen hohen Arbeitseinsatz bei der Herstellung des Kerns gekennzeichnet, da sie die Anwendung von Tätigkeiten des Schneidens, Fräsens und Reinigens der Plattenendflächen, die Herstellung von Distanzstücken, sowie Streich- und Lackierarbeiten erfordert. Die Dauermagnete, die den Kern am Umfang umgeben, erzeugen an den Stellen ihrer Verbindung Stellen eines erhöhten magnetischen Widerstands, der zum Auftreten eines bedeutenden Streuflusses führt.
-
Daneben weist dieser bekannte EMAT genau wie der zuvor beschriebene eine enge Kontrollzone auf, und im Fall der Verwirklichung einer fortlaufenden Prüfung des kontrollierten Gegenstands sollten zusätzliche Einrichtungen verwendet werden, um eine Gruppe von EMATs um die überwachte Oberfläche des Stabs zu drehen.
-
Aus der gattungsbildenden
EP 0 451 375 A2 ist ein elektrodynamischer Ultraschallwandler zur Prüfung elektrisch leitender Werkstücke bekannt. Der Ultraschallwandler verfügt über eine Permanentmagnetanordnung mit Stabmagneten, bei welcher der Rückschluss der Magnetfeldlinien über das Werkstück und über Luft erfolgt. Außerdem ist ein Konzentratorkörper zum Sammeln von Magnetfeldlinien realisiert, der an die vorgesehenen Magnete angrenzt. Insgesamt geht es darum, Luftspaltinduktionen derart zu erhöhen, dass für die Ultraschallprüfung geeignete Schallamplituden selbst bei unmagnetischen zu prüfenden elektrisch leitfähigen Werkstoffen ermöglicht werden.
-
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen derartigen elektromagnetisch-akustischen Messwandler zu schaffen, welcher eine hohe Empfindlichkeit und ein ziemlich breites Band der Kontrolle sowie gleichzeitig kleine Abmessungen aufweist, die bei seiner Benutzung eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und der Rentabilität von Ultraschallkontrollen von Gegenständen gestatten.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektromagnetisch-akustischen Messwandler nach Anspruch 1 gelöst.
-
Die Magnete weisen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds oder eine Ringform auf.
-
Im letzteren Fall können die Magnete Elektromagnetspulen umfassen.
-
In einer der Ausführungsformen können die Magnete durch Segmente gebildet sein, die durch Bänder befestigt sind.
-
Um den Streufluss zu verringern, ist es angemessen, an der Oberfläche des Magnetsystems eine ferromagnetische Platte anzubringen, wobei die Platte jener Oberfläche, die zur Arbeitsoberfläche hin ausgerichtet ist, entgegengesetzt ist.
-
Um die Empfindlichkeit des Messwandlers zu erhöhen, sind die Konzentratoren vorzugsweise aus einem Carbonyleisenpulver gebildet, das mit einer Verbindung getränkt ist.
-
Um die Wahrscheinlichkeit von Wirbelströmen, die im Material der Magnete induziert werden, zu verringern, ist es angemessen, zwischen den Oberflächen der Magnete, die zueinander gerichtet sind, und den Konzentratoren ein Distanzstück aus einem elektrisch leitfähigen Material anzubringen.
-
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Raum zwischen den Konzentratoren und den Induktionsspulen mit einer Verbindung bzw. Bindemittel gefüllt, um den Messwandleraufbau zu verstärken.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die Erfindung wird durch die Beschreibung von besonderen Ausführungsformen und die angewendeten Zeichnungen näher beschrieben, wobei
-
1 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform eines elektromagnetisch-akustischen Messwandlers nach der Erfindung zeigt;
-
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1 (die obere Abdeckung ist bedingt entfernt) der Ausführungsform von 1 zeigt;
-
3 die Ausführungsform gemäß 1 in eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 1 zeigt;
-
4 eine Seitenansicht gemäß dem Pfeil A in 5 der zweiten Ausführungsform eines elektromagnetisch-akustischen Messwandlers nach der Erfindung zeigt;
-
5 eine Ausführungsform gemäß 4 in eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4 zeigt;
-
6 die Ausführungsform gemäß 4 in eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5 zeigt;
-
7 den Abschnitt ”B” von 5 vergrößert zeigt;
-
8 ein Verteilungsmuster der Kraftlinien des Magnetfelds für die in 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform eines EMAT zeigt;
-
9 Verteilungsmuster der Kraftlinien des Magnetfelds für die in 4 bis 7 gezeigte Ausführungsform eines EMAT zeigt, wobei das Magnetsystem auf Basis von Dauermagneten aufgebaut ist;
-
10 das gleiche wie 9, aber für den Fall einer Ausführung des Magnetsystems auf Basis von Elektromagnetspulen zeigt.
-
DIE BESTE WEISE ZUR AUSFÜHRUNGS DER ERFINDUNG
-
1 bis 3 zeigen einen elektromagnetisch-akustischen Messwandler, der einen Körper 1 umfasst, welcher eine Basis 2 und eine Abdeckung 3 aufweist, wobei die untere Oberfläche der Basis 2 eine Arbeitsoberfläche 4 des Messwandlers ist. Im Körper 1 ist ein Magnetsystem gebildet, das durch zumindest drei Magnete, im gegebenen Beispiel Dauermagnete, 5, 6 mit einem im Wesentlichen recheckigen Querschnitt gebildet ist, die einander unmittelbar benachbart parallel zur Arbeitsoberfläche 4 im Körper 1 angeordnet sind. In der beschriebenen Ausführungsform des Messwandlers weisen die Dauermagnete 5, 6 die Form von rechteckigen Parallelepipeden auf. Der mittlere Magnet weist eine vertikale Polarisierung auf, und die seitlichen Magnete weisen eine horizontale Polarisierung auf und sind mit Polen (in diesem Fall ”S”-Pole), die dem Pol des mittleren Magnets 5, durch den dieser zur Arbeitsoberfläche 4 hin ausgerichtet ist, zugeordnet sind, zum mittleren Magnet 5 hin ausgerichtet. Konzentratoren 7 des Magnetfelds sind um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet und grenzen an die nächste Oberfläche des mittleren Magnets 5 in Bezug auf die Arbeitsoberfläche 4 an. Unter den Konzentratoren 7 sind Induktionsspulen 8 angebracht, wobei die Induktionsspulen 8 zur Aussendung von Abtastimpulsen und zum Empfang der Impulse, die vom kontrollierten Gegenstand zurückgestrahlt werden, bestimmt sind. Die Konzentratoren 7 sind aus einem Carbonyleisenpulver hergestellt, das mit einer Verbindung, zum Beispiel Epoxidharz, getränkt ist.
-
Eine Platte 9 aus einem ferromagnetischen Material ist an der Oberfläche des Magnetsystems, die jener Oberfläche, die zur Arbeitsoberfläche gerichtet ist, entgegengesetzt ist, angeordnet. Eine Keramikplatte 10 ist unter den Induktionsspulen 8 in der Ebene der Arbeitsoberfläche 4 angeordnet. Der Raum zwischen den Konzentratoren 7 und den Induktionsspulen 8 ist mit einer Verbindung 11 gefüllt. In der Abdeckung 3 sind Steckverbinder 12 eingerichtet, und die Abdeckung 3 und die Basis 2 sind durch Schrauben 13 am Körper 1 befestigt.
-
In der in 4 bis 7 gezeigten Ausführungsform eines EMAT ist das Magnetsystem anders als bei der oben beschriebenen durch drei Dauermagnete 14, 15 gebildet, die die Form von Ringen aufweisen und im gegebenen besonderen Beispiel in Form von Segmenten gebildet sind, die in Bändern 16 eines nichtmagnetischen Materials gehalten sind. Die Magnete 14, 15 können auch als einstöckige Teile ausgeführt sein. Als Magnete 14, 15 können sowohl Dauermagnete als auch Elektromagnetspulen verwendet werden. Dauerringmagnete 14, 15 sind einander unmittelbar benachbart im zylinderförmigen Körper 17 angeordnet, weshalb der mittlere Magnet 14 (5) eine radiale (im Querschnitt vertikale) Polarisierung aufweist, und die seitlichen Magnete 15 eine axiale (im Querschnitt horizontale) Polarisierung aufweisen und analog zum ”N”-Pol, durch den der mittlere Magnet 15 zur Arbeitsoberfläche 18, die in diesem Beispiel eine zylinderförmige Form aufweist, hin ausgerichtet ist, zu den mittleren Polen (in diesem Fall ”N”-Polen) hin ausgerichtet sind. Ein Keramikring 19, ist aus Segmenten 20 gebildet, die in regelmäßigen Abständen auf dem Umfang des Rings 19 verteilt angebracht sind, wobei der Ring 19 konzentrisch mit dem mittleren Magnet 14 angeordnet ist. An die Segmente 20 sind Induktionsspulen 8 geklebt, und an die Induktionsspulenoberfläche sind Konzentratoren 7 geklebt, die zu den Magneten 14, 15 hin ausgerichtet sind. In dieser Ausführungsform des EMAT ist der Raum zwischen den Induktionsspulen 8 und den Konzentratoren 7 so wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform mit einer Verbindung 11 gefüllt. Der Ring 19 wird durch eine Übergangsmanschette 21 mit Durchgangsrillen 22, die in regelmäßigen Abständen in einem Kreis ausgebildet sind (7) im zylinderförmigen Körper 17 gehalten. Die Durchgangsrillen 22 weisen von der Innenseite her Aussparungen 23 auf, und die Segmente 20 sind an einer Kontur in sie geklebt.
-
Um Wirbelströme im Material der Ringmagnete 14, 15 zu verhindern, welche die Qualität des EMAT-Betriebs beeinflussen, ist ein Distanzstück 24 aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel eine Folie, zwischen die Oberfläche dieser Magnete und die äußere Oberfläche der Übergangsmanschette 21 ein gefügt.
-
Die Übergangsmanschette 21 mit dem Ring 19 ist von den Endflächen her durch Flansche 25, 26, 27, 28 und 29 fixiert, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sind und durch Bolzen 30, 31 am Körper 17 befestigt sind.
-
Zum Verlegen der Leitungen 32 (4) der Induktionsspulen 8 sind Kanäle 33 durch die Durchgangsrillen 22 in der Übergangsmanschette 21 hindurch vorgesehen. Daneben ist am Körper 17 ein elektrischer Steckverbinder 34 zum Anschluss des Messwandlers an die Leistungsversorgung angebracht.
-
Die in 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform eines EMAT ist die bequemste zur Verwirklichung einer Ultraschall-Qualitätskontrolle von flachen Gegenständen wie etwa Stahlblechen, Walzmetall, usw.
-
In der tatsächlichen Ausführungsform der Ultraschallkontrolle wird der Messwandler derart nahe am kontrollierten Gegenstand angeordnet, dass die Arbeitsoberfläche 4 des Messwandlers zur Oberfläche des kontrollierten Gegenstands hin ausgerichtet ist, und in einer Entfernung angeordnet, die dem Magnetfeld des Messwandlers gestattet, eine Anordnungszone des kontrollierten Gegenstands abzudecken. Daher wird das Magnetfeld im Metall eingeschlossen. Die Induktionsspulen 8 werden mit Abtastimpulsen mit einer vorbestimmten Frequenz angeregt, die im kontrollierten Gegenstand Ultraschallschwankungen induzieren, wobei die Schwankungen im Dauermagnetfeld des Messwandler-Magnetsystems in magnetische Wechselfelder umgewandelt werden. Diese magnetischen Wechselfelder induzieren in den Induktionsspulen 8 Wechselströme, die durch einen Empfänger (in den Figuren nicht gezeigt) in Form von elektrischen Signalen empfangen werden. Die Koordinaten und die Größe eines Fehlers werden durch ein Verhältnis eines Impulses, der vom Fehler zurückgestrahlt wurde, zu einem Bezugs(abtast)impuls beurteilt.
-
Die vorgeschlagene Gestaltung des Messwandler-Magnetsystems gestattet, unter dem mittleren Magnet 5 die maximale Induktion zu erzielen, wie in 8 ersichtlich ist, wo die maximale Konzentration der Kraftlinien unter dem mittleren Magnet 5 im Arbeitsspalt ”C” beobachtet wird. Wie die Versuche gezeigt haben, konzentriert sich in der Praxis der gesamte Magnetfluss, der durch die Magnete 5, 6 geschaffen wird, in einer Zone der Anordnung der Induktionsspulen 8, was bei der Ultraschallkontrolle einen hohen Grad an Signalen bereitstellt, die von Fehlern zurückgestrahlt werden.
-
Die Ausführung der Konzentratoren 7 aus einem Carbonyleisenpulver sorgt für ein Fehlen von Wirbelströmen darin, welche die Signale verzerren.
-
Die Anbringung einer Platte 9 aus ferromagnetischem Material an den Oberflächen der Magnete 5, 6 verringert Magnetflussverluste durch eine Streuung und gestattet den Empfang von Signalen mit höherem Pegel.
-
Die Anbringung der großen Anzahl von Induktionsspulen 8 unter dem mittleren Magnet 5 im Wesentlichen an seiner gesamten Länge gestattet, den vom Messwandler kontrollierten Bereich wesentlich auszuweiten.
-
Die in 4 bis 7 gezeigte zweite Ausführungsform eines EMAT ist hauptsächlich zur Verwendung bei der Ultraschallkontrolle eines Stabs bestimmt. Dieser EMAT weist eine Mehrkanal-Gestaltung mit einer radialen Anordnung der Induktionsspulen 8 in Bezug auf den kontrollierten Gegenstand, insbesondere einen Stab, auf, der während der Kontrolle durch eine Öffnung in den Ringmagneten 14, 15 geführt wird.
-
Wie in 5 ersichtlich ist, gestattet die radiale Anordnung der Induktionsspulen 8 an der inneren Oberfläche der Dauerringmagnete oder der Elektromagnetspulen, in Bezug auf die Oberfläche des kontrollierten Objekts 35 eine praktisch 100%ige (fortlaufende) Kontrolle des Gegenstands zu erzielen. Im Besonderen stellen die Induktionsspulen 8 bei der Ultraschallkontrolle eines Stabs, der einen Durchmesser von 95 mm aufweist, durch den EMAT nach der Erfindung eine gesamte Kontrollzone von 120 mm in einem Kreis bereit.
-
Für die Ultraschallkontrolle von Stäben mit anderen Durchmessern kann ein EMAT von gleicher Gestaltung, aber mit einer anderen Anzahl und Größe der Induktionsspulen und Magnete oder Elektromagnetspulen hergestellt werden.
-
Falls es nötig ist, 100% mit einer Reserve bereitzustellen, kann im Verlauf des Gegenstands ein weiterer EMAT angebracht werden, der dem ersten gleichartig ist, aber in Bezug darauf geringfügig gedreht ist.
-
Diese Ausführungsform eines EMAT, die unbedeutende Abmessungen aufweist, stellt eine breite Kontrollzone bereit, wodurch vier bis zehn oder mehr Einzelkanal-EMATs ersetzt werden, die aus baulichen Gründen nicht in einer Ebene angeordnet werden können.
-
Diese Ausführungsform eines EMAT ist ebenso wie die vorhergehende durch eine hohe Empfindlichkeit gekennzeichnet, da sich der gesamte Magnetfluss, der durch die Magnete 14, 15 erzeugt wird, im Arbeitsspalt ”C” unter den Induktionsspulen 8, der in 9 und 10 veranschaulicht ist, konzentriert.
-
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform eines EMAT ist das Fehlen von Nachführmechanismen in der Gestaltung einer Ultraschall-Kontrollvorrichtung an der Stabsteuerung, deren Anwendung nötig ist, um den EMAT bei der Kontrolle an die Staboberfläche anzunähern und den EMAT nach dem Abschluss der Kontrolle zurückzuziehen.
-
Industrielle Anwendbarkeit
-
Der nach der vorliegenden Erfindung ausgeführte elektromagnetisch-akustische Messwandler ist hauptsächlich zur Verwendung in einer Vorrichtung zur nichtzerstörenden Ultraschall-Qualitätskontrolle von Materialien und Gegenständen, insbesondere Walzmetall mit hoher Qualität, Stahlblechen oder Stäben, bestimmt.
