-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft das Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung,
im Besonderen mit Ultraschall, von Materialien und Gegenständen,
und kann zum Testen von gerolltem Blech und Profilstahl, und ebenso
für Rohre, verwendet werden.
-
Stand der Technik
-
Es
ist ein elektromagnetischer akustischer Wandler (EMAT) gemäß
RU 2295125 bekannt, der aufweist:
einen Induktor oder eine Gruppe von Induktoren, ein aus einem nichtferromagnetischen
Metall hergestelltes Gehäuse und auch ein dielektrisches, normalerweise
keramisches Schutzelement, das um die Induktoren in das Gehäuses
angeheftet ist. Der bekannte Wandler umfasst ein Gehäuse,
einen Induktor und ein Schutzelement in der Gestalt einer keramischen
Platte, das zum Schutz des Induktors gegen Schäden vorgesehen
ist. Das Schutzelement schützt den Induktor lediglich vor
mechanischen Schäden und ist in der Regel verglichen mit
der Größe des Induktors oder der Gruppe der Induktoren eher
klein, und weist eine den Induktoren entsprechende Gestalt auf.
-
Die
Arbeitsebene des Schutzelements ist in der Regel auf dem gleichen
Niveau mit der Arbeitsfläche des Gehäuses oder
ist etwas in ihm zurückgesetzt. Man kann sagen, dass sich
das Schutzelement innerhalb des Trägers befindet, es also
in ihm „eingesetzt” ist. In der Regel muss seine
Arbeitsfläche nicht mit der Flächengestalt des
im Test befindlichen Objekts im Hinblick auf die kleine Schutzelementgröße zusammenpassen.
Bei einem solchen Ansatz reduziert eine Minimierung der Schutzelementgröße
eine Erstreckung seines mit dem Gehäuse in Berührung kommenden
und mit ihm interagierenden Umfangs, und begünstigt insgesamt
das Betriebsleben des EMAT. Eine Verkleinerung der Gehäusegröße
wird jedoch durch die Größe des Induktors oder
die Gruppe der Induktoren beschränkt.
-
Der
Träger umfasst passend zur Gestalt des geprüften
Objekts Auslässe für komprimierte Luft und ist
dafür verantwortlich, ein Luftpolster zu bilden. Der Träger
ist ein Hauptelement, welches das Luftpolster ausbildet und eine
Effizienz des Betriebs im bekannten Wandler bestimmt. Die Gestalt
der Trägerarbeitsfläche entspricht immer derjenigen
des im Test befindlichen Objekts, nachdem der Träger ein
Element des EMAT ist, das aus geometrischer Sicht während der
Durchführung des Ultraschalltests das dem geprüften
Objekt nächst gelegene Element ist.
-
Ein
Mangel eines solchen EMAT sind eher akustische Interferenzen auf
hohem Niveau, die durch das Auftreten einer akustischen Streukopplung zwischen
Induktoren und einem Schutzelement und durch die kleine Größe
des Schutzelements verursacht werden.
-
Wenn
ein Stromimpuls durch den Induktor fließt, der in der Regel
in einem Einsatzgebiet eines starken Magnetfeldes gelegen ist, beeinflußt
die Lorentz-Kraft den Induktor, welche Kraft proportional zum Produkt
des Induktorstroms, der Anzahl der Windungen des Induktors und des
Induktionswertes des Magnetfeldes im Arbeitsgebiet ist.
-
Weil
in der Praxis unvermeidbar eine akustische Kopplung zwischen dem
Induktor und dem Schutzelement auftritt, werden im letzteren elastische
Vibrationen erzeugt, die zu nahegelegenen Grenzen des Schutzelements
fortschreiten, dann von diesen Grenzen reflektiert werden und zurück
zur Induktorzone gelangen, und hierdurch elektrische Pulse darin
erzeugen, die eine Interferenz zum Empfang nutzbarer Signale vom
im Test befindlichen Objekt hervorrufen können.
-
Ein
Mangel eines solchen EMAT ist ebenso sein relativ geringer Interferenzschutz,
der durch das Auftreten einer elektromagnetischen Streukopplung zwischen
Metallbestandteilen des Wandlers (Träger) und dem geprüften
Objekt bedingt werden.
-
Der
Grund für eine mögliche negative Beeinflussung
auf eine Gültigkeit des Ultraschalltests durch eine elektromagnetische
Kopplung zwischen dem EMAT und dem getesteten Gegenstand wird nachfolgend
erklärt.
-
Wenn
eine Ultraschallprüfung von sich bewegenden Bestandteilen
auf Transportbändern durchgeführt wird, fließen
Ströme auf der Oberfläche dieser. Diese Ströme
werden durch eine Inhomoginität von Potentialen der Transportsystemelemente und
einer hohen Stärke der Charakteristik des elektromagnetischen
Feldes für eine fortschrittliche Herstellung gerollten
Metalls und Rohren bedingt. Ein Potential jedes besonderen Abschnitts
des Blechs kann im Wesentlichen verschiedene Werte aufweisen, und
zwar aus der Betrachtung der EMAT-Anwendung aus dem „Null-Punkt” Potential.
Wenn deshalb der Metallträger das im Test befindliche Objekt berührt,
erzeugt dies Bedingungen, dass ausgleichende Ströme durch
Metallelemente des Wandlers strömen, und schützt
das den EMAT mit der Eingabevorrichtung (Vorverstärker)
verbindenden Kabels. Eine deutliche Amplitude und ein breites Frequenzspektrum
der durch diese Phänomene verursachten Interferenz können
zu einer wesentlichen Reduzierung der Sensitivität und
Zuverlässigkeit der Ultraschallprüfung führen.
-
Eine
hohe Wahrscheinlich der Interferenzerzeugung tritt nicht nur bei
einem unmittelbaren Kontakt des Metallträgers mit dem geprüften
Gegenstand auf, sondern auch bei einem kleinen Spalt dazwischen,
der durch eine kapazitive Kopplung des „im Test befindlichen
Trägermetalls” bedingt wird.
-
Eine
Interferenzquelle kann ebenso durch Ströme erzeugt werden,
die durch einen Schaltpuls im Schutzmantel des den Wandler mit elektronischen Systemen
verbindenden Kabels induziert wird, und ebenso durch den Induktor
auf der Fläche des geprüften Gegenstands. Im Falle
einer kleinen Spaltcharakteristik für das Luftpolster wird
eine starke kapazitive Kopplung zwischen der Fläche des
geprüften Objekts und dem Metallträger erzeugt.
Diese Kopplung kann zu einer Stromresonanzanregung in Schutz- und
Erdungskreisen führen, im Besonderen im Schutzmantel des
den Vorverstärker mit dem EMAT verbindenden Kabels. Diese
besondere Referenzart tritt im Wesentlichen als „Verzögerung” der Schallpulse
an einer A-Evolvente des empfangenen Signals auf.
-
Ein
weiterer Mangel des EMAT mit einem Schutzelement in einer dem Induktor
oder der Gruppe der Induktoren entsprechenden Größe
und Gestalt ist eine geringe mechanische, temperaturbezogene und
erosive Beständigkeit einer solchen Konstruktion.
-
Das
Luftpolster ist für einen effektiven Schutz des Wandlers
gegen Temperatur und Abrieb gedacht. Zur gleichen Zeit kann das
getestete Metall Unebenheit, hervorstehende Fehlstellen an der Fläche
und Abweichungen der Gestalt von der nominalen Gestalt aufweisen.
Dadurch kann es zu einem direkten mechanischen Kontakt des EMAT
mit dem Gegenstand kommen, und folglich seiner Beschädigungen.
Im Übrigen bedingen die durch den das Luftpolster ausbildenden
komprimierten Luftstrom abgerissenen festen Partikel, die zu einer
hohen Geschwindigkeit beschleunigt werden, einen erosiven, zerstörenden
Effekt auf die Wandlerarbeitsfläche.
-
Ein
Trägermetall ist in allen praktisch relevanten Fällen
ein nachgiebigeres Material, verglichen mit Keramiken, aus denen
das Schutzelement hergestellt ist. Kerben, Risse und lokale Abtragungen reduzieren
eine Effizienz des Luftpolsters deutlich. Eine Differenz der physikalischen
Eigenschaften der in der Luftpolsterzone vorliegenden Materialien
definiert eine ungleichmäßige mechanische und
erosive Abtragung des Wandlers. Die haftende Verbindung zwischen
dem Keramikumfang und dem Träger wird im Besonderen einer
intensiven Abtragung unterworfen. Im Zuge einer Hochtemperatur-Ultraschallprüfung
beeinflussen die „Erwärmungs-Abkühlungs”-Zyklen
wegen der Differenz der Ausdehnungsfaktoren der verwendeten Materialien
das Betriebsleben des EMAT ebenso negativ.
-
Inhalt der Erfindung
-
Es
ist ein Ziel der Erfindung, die Sensitivität, den Interferenzschutz
und die Zuverlässigkeit der Ultraschallprüfung
wegen Verringerung des negativen Einflusses akustischer Kopplung
zwischen dem Induktor und dem Schutzelement, einer Verkleinerung der
elektrischen und elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Wandler
und dem im Test befindlichen Objekt und einer Verkleinerung der
durch diese Kopplung verursachten elektrischen und elektromagnetischen
Interferenzen zu erhöhen.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Herstellbarkeit
des Wandlers zu erreichen und seine Betriebseigenschaften wegen
des Verbesserns der Effizienz des Luftpolster zu verbessern, der
mechanischen Festigkeit und der erosive Beständigkeit des
Trägers zu erhöhen.
-
Diese
und ebenso weitere Ziele werden durch einen elektromagnetischen
akustischen Wandler erreicht, umfassend: Ein Gehäuse mit
einem Träger, zumindest einem Induktor und ein den Induktor von
der Trägerrückseite abdeckendes Schutzelement
in der Gestalt einer keramischen Platte, wobei Löcher im
Träger zur Luftversorgung ausgebildet sind, die im Betrieb
ein Luftpolster zwischen der unteren Fläche des Trägers
und des im Test befindlichen Objektes erzeugen. Gemäß der
Erfindung ist die keramische Platte an der unteren Fläche
des Trägers vorgesehen und weist eine solche Größe
auf, dass ihre äußere Kontur die Löcher
im Träger umspannt, wodurch Löcher in der Platte
ausgebildet sind, wobei diese Löcher koaxial zu den Löchern
im Gehäuse sind.
-
Die
Fläche der keramischen Platte kann im Wesentlichen gleich
der Fläche der unteren Fläche des Trägers
sein, und ihre Gestalt deckt sich bevorzugt im Wesentlichen mit
der Gestalt der unteren Fläche des Trägers.
-
Bevorzugt
ist die keramische Platte fest an der unteren Fläche des
Trägers fixiert, zum Beispiel angeheftet.
-
Bevorzugt
ist die Anzahl der Löcher im Träger und die der
entsprechenden Löcher in der keramischen Platte nicht weniger
als zwei.
-
Weiter
ist die Dicke der keramischen Platte bevorzugt konstant und entspricht
0,1 bis 5 mm, abhängig von der Art und Größe
des Induktors, der Art und Eigenschaften der erregten und/oder empfangenen
elastischen Vibrationen, Umweltbedingungen und einer benötigten
Sensitivität der Ultraschallprüfung.
-
Die
zuvor genannten Ziele werden auch dadurch erreicht, dass der elektromagnetische
akustische Wandler umfasst: Ein Gehäuse mit einem Träger,
zumindest einen Induktor und ein von der Seite des Trägers
hiervon abdeckendes Schutzelement, wobei das Schutzelement die Gestalt
einer keramischen Platte aufweist, wodurch Löcher im Träger
für eine Luftversorgung vorgesehen sind, die im Betrieb zwischen
dem Träger und dem im Test befindlichen Objekt ein Luftpolster
ausbilden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist
der Träger aus Keramik hergestellt und integral mit dem
Schutzelement ausgebildet.
-
Das
keramische Schutzelement des elektromagnetischen akustischen Wandlers
gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Element,
welches das Luftpolster gemeinsam ausbildet und eine Betriebsbeständigkeit
des EMAT bestimmt. Eine Homogenität des in der Zone eines
aggressiven Effekts des im Test befindlichen Objekts vorliegenden
Materials, hohe Widerstandseigenschaften der Keramik in Bezug auf
Reibung, Verschleiß, mechanische Schäden, Erosion,
Temperatureffekt spielen eine stark positive Rolle beim Erhöhen
der Betriebsbeständigkeit des EMAT.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
schematisch eine Querschnittansicht der ersten Ausführungsform
des elektromagnetischen akustischen Wandlers gemäß der
vorliegenden Erfindung;
-
2 illustriert
die zweite Ausführungsform des elektromagnetischen akustischen
Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
-
In 1 gezeigt,
weist der elektromagnetische akustische Wandler (EMAT) ein Gehäuse 1 auf (symbolisch
illustriert), das hieran von der zum geprüften Objekt 6 weisenden
Seite her fixiert ist, einen Träger 2 mit Löchern 5 zur
Luftversorgung, einen im Träger vorgesehenen Induktor 3 und
ein keramisches Schutzelement 4. Andere Elemente des EMAT, wie
zum Beispiel ein Konzentrator, ein Magnetkreis, ein Verbindungskabel,
sind üblicherweise nicht gezeigt.
-
Der
Träger 2 ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
hergestellt, und das keramische Schutzelement ist in der Gestalt
einer keramischen Platte mit bevorzugt konstanter Dicke ausgebildet. Die
das Schutzelement 4 ausbildende keramische Platte ist in
einer solchen Größe hergestellt, dass ihr Umfang
die Löcher 5 im Träger 2 umfasst.
Bevorzugt ist das Gebiet einer keramischen Platte im Wesentlichen
gleich dem Gebiet der unteren Fläche des Trägers 2,
und die Gestalt der keramischen Platte deckt sich im Wesentlichen
mit der Gestalt der unteren Fläche des Trägers 2.
Die keramische Platte ist an der unteren Fläche des Trägers 2 fest
fixiert, zum Beispiel hieran angeklebt. Löcher sind in
der keramischen Platte ausgebildet, und diese Löcher sind
koaxial zu den Löchern im Träger 2. Bevorzugt
ist die Anzahl der Löcher im Träger 2 und
hierzu passende Löcher in der keramischen Platte nicht
weniger als zwei.
-
Die
Aufbaudicke und das Material der keramischen Platte (Schutzelement 4)
sollte die folgende Bedingung erfüllen: C0 << 1/(2πf0)2·Leq,wobei
- C0
- = Kapazität
zwischen dem EMAT und dem getesteten Objekt in einer Betriebsposition,
- f0
- = mittige Frequenz
im Schallpulsspektrum,
- Leq
- = äquivalente
Induktivität des Kreises „geprüftes Objekt – Verstärker – Kabelschirm – EMAT-Gehäuse”.
-
Für
flache EMAT-Schutzelemente, die zur Prüfung von gerollten
Blechen gedacht sind, wird C0 durch eine
Formel eines ebenen Kondensators berechnet: C0 = εε0S/d,wobei
- ε
- = dielektrische Leitfähigkeit
des Trägermaterials,
- ε0
- = dielektrische Konstante, ε0 = 8,85 × 10–12 F/m;
- S
- = Fläche
der dielektrischen Platte (Träger),
- d
- = Dicke der dielektrischen
Platte.
-
Es
hat sich herausgestellt, dass die Dicke der keramischen Platte im
Bereich von 0,1 bis 5 mm liegt, abhängig von der Art und
Größe des Induktors, Art und Eigenschaften der
erregten und/oder empfangenen elastischen Vibrationen, Umweltbedingungen
und der benötigten Sensitivität der Ultraschallprüfung.
-
Ein
vergleichsweise großes Schutzelement 4 definiert
einen Abfall des natürlichen akustischen Rauschens des
Wandlers. Auf dem großen Weg wird eine wesentliche Reduktion
der im Schutzelement angeregten Rauschsignalenergie sichergestellt.
In einigen Fällen, zum Beispiel bei der Prüfung
gerollten Blechs, wird die nützliche Signalanalyse lange
vor einem Austritt der von den Kanten der keramischen Platte/des
Schutzelements 4 reflektierten störenden Impulse
fertig gestellt.
-
Eine
Stabilisierung und ein Abfall des Einflusses einer elektromagnetischen
Kopplung zwischen dem Wandler und dem geprüften Gegenstand werden
durch die Anwesenheit der dielektrischen keramischen Platte zwischen
ihnen bedingt, was eine Abwesenheit der konduktiven Kopplung und
einer wesentlichen Abnahme der kapazitiven Kopplung zwischen dem
EMAT und dem getesteten Objekt sicherstellt.
-
Somit
werden die Funktionen des EMAT-Schutzelements gemäß der
Erfindung erweitert: Abgesehen vom üblichen Schutz des
Konduktors, weist das Schutzelement eine Funktion auf, ein Luftpolster
auszubilden, und einen Schutz jeglicher Arbeitsfläche des
Wandlers gegen einen aggressiven Effekt des geprüften Objekts
bereitzustellen, sei es erosiv, mechanisch oder temperaturbedingt.
-
Weiter
gestattet das Schutzelement gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Unterdrücken eines störenden akustischen
Signals, um eine galvanische Isolation des EMAT vom getesteten Objekt
bereitzustellen und eine kapazitive Kopplung zwischen dem EMAT und
dem geprüften Gegenstand zu stabilisieren und zu verringern.
-
2 zeigt
die zweite Ausführungsform der Erfindung, die noch weiter
eine Verringerung der kapazitiven Kopplung zwischen dem EMAT und
dem getesteten Objekt darstellt. In dieser Ausführungsform
der Erfindung sind, anders als in der zuvor dargelegten Ausführungsform,
der Träger 2 und das Schutzelement 4 integral
aus Keramiken hergestellt. Dies gestattet es praktisch sicher, ein
Resonanzphänomen in den Screening-Kreisen zu vermeiden,
und noch besser eine akustische Beeinträchtigung zu unterdrücken.
-
Als
ein Ergebnis der durchgeführten Tests wurde herausgefunden,
dass, im Vergleich zu einem bekannten Wandler, die Lebenszeit des
EMAT gemäß der vorliegenden Erfindung ungefähr
25% zunimmt, und das Niveau des natürlichen akustischen Rauschens
um 6–8 dB verringert wird.
-
Zusammenfassung
-
Ein
elektromagnetischer akustischer Wandler (EMAT), betrifft das Gebiet
der zerstörungsfreien, im Besonderen UltraschallPrüfung
von Materialien und Gegenständen, und kann zum Testen von
gerolltem Blech und Formstahl, und ebenso Rohren verwendet werden.
Der EMAT umfasst ein Gehäuse mit einem Träger,
zumindest einen Induktor und einen den Induktor von der Trägerrückseite
abdeckendes Schutzelement in der Gestalt einer keramischen Platte,
wobei Löcher im Träger zur Luftversorgung ausgebildet
sind, die im Betrieb ein Luftpolster zwischen der unteren Fläche
des Trägers und des getesteten Objekts erzeugen. Gemäß der
Erfindung ist die keramischen Platte an der unteren Fläche
des Trägers vorgesehen und weist eine derartige Größe
auf, dass ihre äußere Kontur die Löcher
im Träger umfasst, wodurch Löcher in der Platte
ausgebildet werden, wobei die Löcher koaxial zu den Löchern
im Gehäuse sind. Eine Gestalt der keramischen Platte deckt
sich im Wesentlichen mit der Gestalt der unteren Fläche
des Trägers, und ihre Fläche ist im Wesentlichen
gleich der Fläche der unteren Fläche des Trägers.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist
der Träger aus Keramik hergestellt und integral mit dem Schutzelement
ausgebildet. Die Erfindung gestattet ein Erhöhen der Sensitivität,
eines Interferenzschutzes und einer Zuverlässigkeit der
Ultraschallprüfung aufgrund der Reduzierung des negativen
Einflusses einer akustischen Kopplung zwischen dem Induktor und
dem Schutzelement, einer Abnahme der elektrischen und elektromagnetischen
Kopplung zwischen dem Wandler und dem getesteten Objekt und einer Abnahme
des Niveaus der elektrischen und elektromagnetischen Interferenzen,
die durch diese Kopplung verursacht werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-