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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Kontroll- und Messtechnikeinrichtungen und genauer
einen elektromagnetisch-akustischen Messwandler.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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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 Konzentratoren
aus einem ferromagnetischen Material besteht (siehe RU, A, 2215939).
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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.
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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 120724).
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Der
bekannte EMAT erhöht
durch die Schaffung eines gemeinsamen inneren Pols in der Arbeitszone
die magnetische Induktion und als Folge die Kontrollempfindlichkeit.
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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.
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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 RF, U, 31305).
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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.
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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.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektromagnetisch-akustischen
Messwandler zu schaffen, der eine hohe Empfindlichkeit und ein ziemlich
breites Band der Kontrolle und gleichzeitig kleine Abmessungen aufweist,
die bei seiner Benutzung eine Steigerung der Leistungsfähigkeit
und der Rentabilität
von Ultraschallkontrollen von Gegenständen gestatten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
erfüllt,
dass ein elektromagnetisch-akustischer Messwandler einen Körper, der
eine Arbeitsoberfläche
aufweist, die dazu bestimmt ist, zur Seite des kontrollierten Gegenstands
gerichtet zu werden, ein Magnetsystem zur Bildung eines Dauermagnetfelds, das
sich im Körper
befindet, Konzentratoren des Magnetfelds, die mit dem Magnetsystem
zusammenwirken, und Induktionsspulen, die dazu geeignet sind, Abtastimpulse
zu bilden und zurückgestrahlte
Impulse zu empfangen, umfasst, wobei das Magnetsystem zumindest
drei Dauermagnete umfasst, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen
und einander unmittelbar benachbart parallel zur Arbeitsoberfläche im Körper angeordnet
sind, wobei der mittlere Magnet eine vertikale Polarisierung in
Bezug auf die Arbeitsoberfläche
aufweist, und die seitlichen Magnete eine horizontale Polarisierung
aufweisen und mit Polen, die zu jenem Pol, mit dem der mittlere
Magnet zur Arbeitsoberfläche
hin ausgerichtet ist, zugeordnet sind, zum mittleren Magnet hin
ausgerichtet sind, wobei die Konzentratoren an die Oberflächen dieses Pols
in Bezug auf die Arbeitsoberfläche
angrenzen, wobei die Konzentratoren in Bezug zueinander entfernt
angeordnet sind und an die nächste
Oberfläche in
Bezug auf die Arbeitsoberfläche
angrenzen, wobei die Induktionsspulen unter den Konzentratoren angebracht
sind.
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Die
Magnete weisen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds oder
eine Ringform auf.
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Im
letzteren Fall können
die Magnete Elektromagnetspulen umfassen.
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In
einer der Ausführungsformen
können
die Magnete durch Segmente gebildet sein, die durch Bänder befestigt
sind.
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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.
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Um
die Empfindlichkeit des Messwandlers zu erhöhen, sind die Konzentratoren
vorzugsweise aus einem Carbonyleisenpulver gebildet, das mit einer
Verbindung getränkt
ist.
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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.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Raum zwischen den Konzentratoren und den induktiven Spulen
mit einer Verbindung gefüllt,
um den Messwandleraufbau zu verstärken.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird durch die Beschreibung von besonderen Ausführungsformen
und die angewendeten Zeichnungen näher beschrieben, wobei
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1 eine
Draufsicht auf die erste Ausführungsform
eines elektromagnetischakustischen Messwandlers nach der Erfindung
zeigt;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1 (die obere
Abdeckung ist bedingt entfernt) der Ausführungsform von 1 zeigt;
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3 die
Ausführungsform
gemäß 1 in eine
Schnittansicht entlang der Linie III-III in 1 zeigt;
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4 eine
Seitenansicht gemäß dem Pfeil
A in 5 der zweiten Ausführungsform eines elektromagnetisch-akustischen
Messwandlers nach der Erfindung zeigt;
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5 eine
Ausführungsform
gemäß 4 in
eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4 zeigt;
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6 die
Ausführungsform
gemäß 4 in eine
Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 4 zeigt;
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7 den
Abschnitt "B" von 5 vergrößert zeigt;
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8 ein
Verteilungsmuster der Kraftlinien des Magnetfelds für die in 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform
eines EMAT zeigt;
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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;
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10 das
gleiche wie 9, aber für den Fall einer Ausführung des
Magnetsystems auf Basis von Elektromagnetspulen zeigt.
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DIE BESTE
WEISE ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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 einstückige
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Ausführung
der Konzentratoren 7 aus einem Carbonyleisenpulver sorgt
für ein
Fehlen von Wirbelströmen
darin, welche die Signale verzerren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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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.
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Zusammenfassung:
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Der
elektromagnetisch-akustische Messwandler der Erfindung umfasst einen
Körper
(1), der mit einem Magnetsystem versehen ist, das darin
angeordnet ist und durch zumindest drei Dauermagnete (5, 6)
gebildet ist, die einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt
aufweisen und auf eine solche Weise angeordnet sind, dass sie einander
unmittelbar benachbart sind und parallel zu einer Arbeitsoberfläche (4)
liegen. Der mittlere Magnet (5) weist eine vertikale Polarisierung
in Bezug auf die Arbeitsoberfläche
(4) auf, und die seitlichen Magnete (6) weisen
eine horizontale Polarisierung auf und sind mit Polen, die jenem
Pol, durch den der mittlere Magnet (5) zur Arbeitsoberfläche (4)
hin ausgerichtet ist, zugeordnet sind, zum mittleren Magnet hin
ausgerichtet. Konzentratoren (7) sind in Bezug zueinander
entfernt und an die nächste
Oberfläche
des Pols des mittleren Magnets in Bezug auf die Arbeitsoberfläche angrenzend
angeordnet, wobei die Induktionsspulen (8) unter den Konzentratoren
angebracht sind. Die Magnete können
in der Form von rechteckigen Parallelepipeden oder in einer Ringform
geformt sein und in der Form von Dauermagneten oder Elektromagnetspulen
ausgeführt
sein.