DE3234424A1

DE3234424A1 - Elektromagnetisch-akustischer wandler

Info

Publication number: DE3234424A1
Application number: DE19823234424
Authority: DE
Inventors: Kazuo Takasago Hyogo Morimoto
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1983-04-07
Also published as: GB2110053B; FR2513475B1; GB2110053A; DE3234424C2; US4471658A; FR2513475A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten elektromagnetisch-akustischen Wandler, der zum überprüfen eines Defekts in einer Rohrleitung, einer Rohrleitungsanlage oder dergl. unter Verwendung einer Uberschallwelle dient.

Ein üblicher, bisher bekannter elektromagnetischakustischer Wandler (der hier mit EMAT bezeichnet wird) ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Er ist so beschaffen, daß eine Inspektion mittels ein«i* V.iinrti' hui iw"I ι« liiirch liinuchulton in eine Rohran]H(f,e mit. klninnm Durchmesser ausgeführt wird (nuohutehernl «In Hohrleitung bezeichnet). Um das Verstandnia der Krflndung zu erleichtern, wird kurz die übliche EMAT-Anlage beschrieben.

Mehrere Permanentmagnete 1 sind so hintereinander angeordnet, daß jeder von ihnen zu einem anderen entgegengesetzt polarisiert angeordnet ist. Ferner ist eine Spule 2 um eine Gruppe von Permanentmagneten gewichelt (beispielsweise im vorliegenden Fall, fünf Stück der Permanentmagnete), die eine Einhe,it bilden. Auf diese Weise wird die EMAT-Anordnung 3 erhalten, die in die Rohrleitung M- eingesetzt ist.

Die Arbeitsweise von EMAT wird mit Hilfe der Figur 2 beschrieben. Die Spule 2 im EMAT wird hochfrequentem Strom gespeist. In der Rohrleitung 4, die sich dicht an der Spule 2 befindet, wird ein Wirbelstrom I erzeugt. Andererseits wird aus den Permanentmagneten 1 ein magnetischer Fluß 8 emittiert, der in rechtem

$0 Winkel zur Innenfläche der Rohrleitung gerichtet ist

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und al cn [,«riodiuch verändert, wodurch als Ergebnis der Gegenwirkung des Wirbelstromes I und des magnetischen Flusses B die Lorentz-Kraft F, die zur selben Zeit variiert wie der elektromagnetische· Fluß, und eine Überschallwelle (Scherwelle) erzeugt wird. Es sei bemerkt, daß das Feststellen der Überschallwelle durch zum Vorhergehenden umgekehrte·Schritte in ein elektrisches Signal umgeformt werden kann.

Da jedoch die übliche EMAT-Anlage so beschaffen ist, daß eine Überschallwelle nur an einem Teil der Rohranlage erzeugt wird, die entsprechend der Spule 2 angeordnet ist, wird es als Nachteil der üblichen EMAT-Anlage empfunden, daß das Drehen entweder der Rohrleitung oder des EMAT notwendig ist, um eine perfekte Inspektion über die ganze Rohrleitung 4 zu gewährleisten. Dadurch wird die Inspektion kompliziert. Ein weiterer Nachteil, besteht darin, daß sich unvermeidbar ein Gebiet ergibt, wo die Außenfläche der Spule 2 von der Innenfläche der Rohrleitung 4 infolge der geometrischen Ausbildung der Permanentmagneten 1 entfernt liegt, was eine Herabsetzung des Wirkungsgrades beim Erzeugen einer Überschallwelle und eine verringerte Empfindlichkeit ergibt.

Durch die Erfindung sollen die erwähnten Nachteile der bisherigen EMAT-Anlagen vermieden werden. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten elektromagnetisch-akustischen Wandler anzugeben, der eine Überschallwelle über der ganzen. Peripherie der Rohrleitung erzeugen kann, die mit einem exzellent hohen Wirkungsgrad durch Erzeugen einer Lamb-Welle inspeziert werden soll, die aus einer Scherwellenkom-

ponente mit rechtem Winkel zur Innenfläche der Rohranlage besteht, ohne daß diese gedreht werden muß.

Andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In diesen ist:

Figur 1 eine perspektische Darstellung einer üblichen EMAT-Anlage;

Figur 2 ein Teilschnitt zum Erläutern der Arbeitsweine dieser EMAT-Anlage;

Fitfur ', ein« Vorderansicht einer Kernanordnung für ei ti» vHrl>uiwierte KMAT-Anlage nach einem bevor/.uKlnn Auaführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Kernanordnung ohne Spulen dargestellt ^5 ist;

Figur A- eine Vorderansicht der Kernanordnung für die verbesserte Anlage nach Figur 3 mit herumgewickelten Spulen;

Figur 5 eine Seitenansicht der Kernanordnung nach . Figur 3;

Figur 6 ein Teilschnitt zum Erläutern der Arbeitsweise der verbesserten Anlage nach der Erfindung in größerem Maßstab; und

Figur 7 eine Vorderansicht der Kernanlage für eine verbesserte Anlage bei einem abgeänderten Aus

führungsbeispiel nach der Erfindung, bei dem die Permanetmagnete des vorhergehenden Aus-

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führungsbeispiels durch Elektroinagnete ersetzt sind.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen eine !Sternanordnung eines elektromagnetisch-akustischen Wandlers 5 (nachstehend mit EMAT bezeichnet). Insbesondere besteht die Kernanlage aus der Kombination zylindrischer Träger 6a und 6b, mehreren Ferritteilen 7 und mehreren Magneten 8. Die Ferritteile sind abwechselnd zwischen den beiden zylindischen Trägern 6a und 6b angeordnet, wie es Figur 3 zeigt.

Kti aei L'-iiiPrkt, <i"li nie jeweiligen Magnete 8 so nu\-fiuv-iiu'i, Mhd, daß dieuelben Polaritäten über du« dMZwl ;ih'tii] lebende Ferritteil 7 einander gegönüberl iHj/en. Kin Teil (T_Q) der Anordnung der Ferritteile 7 und der Magnete 8 besitzt die gleiche Länget der Überschallwelle, die vom EMAT 9 erzeugt wird. Nach den Figuren 4 und 5 sind mehrere Spulen 10 sowohl um die Ferritteile 7 wie auch um die Magnete 8herumgewickelt. Es sei noch bemerkt, daß der · Mittelabstand t zwischen den nebeneinanderliegenden Spulen 10 gleich T_Q/4 ( =06 4) ist und daß die jeweiligen Spulen 10 in Serie geschaltet sind.

Die Arbeitsweise des EMAT 9, der in die Rohranlage 4 mit kleinem Durchmesser eingesetzt ist, wird mit Hilfe der Figur 6 beschrieben. Wenn der EMAT 9 in die Rohrleitung 4 eingeschaltet ist, wird in einem Teil der Rohrleitung 4 entsprechend den jeweiligen Ferritteilen 7 ein magnetische'r Fluß B_x. erzeugt, der in rechtem Winkel zur Innenfläche 4 verläuft, wäh-

^o rend ein zweiter magnetischer Fluß B₂ in einem ande-

run TnIl (J«r Hohrlni t.unp; erzeugt wird, der dem Mitt.flt,(>i 1 (j»»r ,Jt)Wdi 1 i^öii Magnete 8 entspricht. Der iflftK.rn't i ().·>.♦» KIuIi H₀ vorläuft parallel zur Achse der Rohrleitung 4.

Wenn hochfrequenter Strom durch die Spulen 10 geleitet wird, wird in der Rohrleitung 4 durch elektromagnetische Induktion der Wirbelstrom I erzeugt, der parallel zur dichtung der Verbindung der Rohranlage 4- verläuft. Somit wird in der Rohr-

^0 anlage 4- als Ergebnis der Zwischenwirkung unter dem erwähnten Wirbelstrom I und den magnetischen Flüssen B,- und Bp eine Lorentz-Kraft erzeugt, deren Richtung in derselben Periode wie die Periode T₀ der Verteilung der magnetischen Flüsse gedreht wird.

Als Ergebnis wird eine Überschallwelle in Figur strichpunktiert dargestellt) am Rande der Rohrleitung 4- durch die erwähnte Lorentz-Kraft erzeugt. Die Uberschallwelle dient zum Übertragen einer Scherwelle, die als Lamb-Welle bezeichnet wird. Die Scherwelle erhält eine Scherwellenkomponente in rech- · tem Winkel zur Innenfläche der Rohrleitung 4. Die Welle wird in der Rohrleitung übertragen und kommt nach Reflexion an einem bestimmten Defekt in der Rohrleitung 4- zurück. Dann wird die empfangene Überschallwelle durch einen Umkehrprozess in ein elektrisches Signal umgeformt, wodurch das Bestehen eines Defekts in der Rohranlage 4- festgestellt wird. Offensichtlich kann die Erfindung durch Verwenden von Permanentmagneten im EMAT bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel praktiziert werden, aber die Erfindung soll nicht nur hierauf beschränkt sein, und es

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können auch Elektromagnete.· ,.hierfür zur Verfügung stehen. Ea wird jetzt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung beschrieben, bei dem Elektromagnete verwendet werden, wie es Figur 7 zeigt.

In der Zeichnung ist die Kernanordnung 11 aus der Kuu)'ln«i t"i. * , , ;ι, irl »eher Träger 6· und 6b, mehrerer Keri'ittell« V und mehrerer Elektromagneten 13 aufgebaut. Die Ktrrlttelle 12 und die Elektromagnete 13 1 ίβκ.βη mit Mmnf'huelnder Polarität zwischen den zylindriachen Trägern 6a und 6b. Die Elektromagnete 13 sind so angeordnet, daß sich dieselben Polaritäten einander gegenüberstehen, wobei das Ferritteil 12 sich dazwischen befindet, wenn die (nichtr-dargestellten) Spulen erregt werden. Der Teil T_Q der Anordnung der Ferritteile 12 und der Magnete 13 ist gleich der Länge { der Überschallwelle, die vom EMAT erzeugt wird. Mehrere (nicht dargestellte) weitere Spulen 10 befinden sich sowohl auf den Ferritteilen 12 wie auch auf den Elektromagneten I3 in ganz derselben Weise, wie es die Figuren 4· und 5 zeigen. Der Mittelabstand t zwischen benachbarten Spulen 10 ist gleich Tq/4-.

Ein besonderer Vorteil des EMAT nach dem abgeänderten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, ist der, daß dieser EMAT leicht in die Rohrleitung eingesetzt werden kann, die aus magnetischem Material besteht (nicht dargestellt) und ferner infolge fehlender magnetischer Anziehungskraft von den nicht erregten Spulen der Elektromagneten verscho~ ben wird. Nachdem der EMAT in der richtigen Stellung in der Rohranlage eingesetzt worden ist, werden die Spulen der Elektromagneten 13 erregt und erzeugen so

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ein Magnetfeld, wodurch eine Uberschallwelle erzeugt und die Fehlerüberwachung ermöglicht wird. Der Mechanismus zum Erzeugen von Uberschallwellen und für die Inspektion ist derselbe wie der nach Figur 6.

Besondere vorteilhafte Merkmale des EMAT nach der Erfindung sind:

1.) Da die Ferritteile und die Magnete die Form einer Scheibe oder eines Zylinders aufweisen, besteht ein geringes Spiel zwischen dein Rand des EMAT und der Innenfläche der zu inspezierenden Rohranlage, wenn sie in diese eingesetzt worden ist. Es wird somit über der ganzen Innenfläche einer Rohrleitung eine Uberschallwelle infolge der engen Anordnung des EMAT zur Rohrleitung erzeugt und dadurch leicht eine Defektinspektion ermöglicht, ohne daß der EMAT oder die Rohranlage im komplizierter Weise gedreht werden müssen.

2.) Alle Spulen am EMAT befinden sich dicht an der Innenfläche der Rohrleitung, wenn sie in diese eingefügt werden, wodurch der von den Spulen erzeugte Wirbelstrom in der Wandung der Rohrleitung eine Überschallwelle erzeugt. Es ist somit sichergestellt, daß eine Überschallwelle bei hohem Wirkungsgrad erzeugt und eine höhere Empfindlichkeit für die Inspektion erzielt wird. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung wir ein einzelner EMAT sowohl zum Erzeugen einer Leimb-Scherv/elle wie auch zur Inspektion benutzt, aber die Erfindung ist nicht nur hierauf beschränkt, sie kann auch auschließlich zum Erzeugen von Lamb-Scherwellen oder nur für die zur Inspektion verwendet werden.

Claims

Meissner & Meissner 3 ? ^ / / ο

PATENTANWALTS BÜ RO

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. W. MEISSNER(1980) DIPL-ING. P. E MEISSNER DIPL-ING. H,-J. PRESTING

Zugelassene Verlrotor vor dem Tufopiiischen Palentarnt Professional Representatives before the European Patent Office

ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen HERBERTSTR. 22, 1000 BERLIN

57-1072/ 14.9.1982 M-mh ■

Mitsubishi Jukogyo K.K.
Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Elektomagnetisch-akustischer Wandler

P a_t e η t_a_n_s g r_ü c h_e

Elektromagnetisch-akustischer Wandler mit einer Kernanordnung und mehreren Spulen um die Kernanordnung herum, die scheibenförmige Träger an beiden Enden enthält, gekennzeichnet durch mehrere Ferritteile (12) und mehrere Magnete (13), die so angeordnet sind, daß dieselben Polaritäten sich über den zwisditen ihnen liegenden Ferritteilen (12) einander gegenüber stehen.
2. Wandler nach Anspruch 1,dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Magnete (13) Permanentmagnete enthalten.
3. Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete Elektromagnete enthalten die in Serie geschaltet werden können.

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TELEX TELEGRAMM TELEFON BANKKONTO POSTSCHECKKONTO 1-85644 INVENTION BERLIN BERLINER BANK AG P MEISSNER. BLN W inven d BERLIN 030/891 60 37 BERLIN 31 404737-103 030/891 30 26 3695716000
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete so angeordnet sind, daß die Anordnungsunterteilung (Tq) gleich der Periode.* der so erzeugten Überschallwelle ist.

5>. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen sich in derselben Richtung an der Unterteilung (T₀) befinden, die gleich einem Viertel der Anordnungsunterteilung der Magnete ist, und ferner, daß sie zueinander in Serie geschaltet sind.