TRANSDUCTORES ACUSTICOS EIJECTITOHAGNETTCOS
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención es concerniente con transductores acústicos electromagnéticos para inspeccionar materiales ferromagnéticos , en particular pero no exclusivamente líneas de tubería de gas. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La inspección no destructiva de materiales metálicos, por ejemplo materiales de los cuales están compuestos materiales de diseño estructural, se puede emprender al introducir ultrasonido al material. Luego se puede obtener información acerca de los defectos dentro del material al recibir y analizar la señal de ultrasonido después que ha viajado dentro del material. El ultrasonido es comúnmente introducido a un material por medio de transductores piezoeléctricos , que tienen una cara que vibra mecánicamente a frecuencias de ultrasonido. El ultrasonido se hace pasar normalmente al material a ser probado mediante un medio de acoplamiento, por ejemplo agua, que se introduce entre la cara del transductor y el material bajo prueba. Para la prueba ultrasónica de algunos materiales, no es práctico o en algunos casos es desventajoso, introducir un medio de acoplamiento, por ejemplo durante la-íñspeccióñ
Ref.: 157617 de líneas—de—tubería—de—gas—ai—hacer—mover—cm—vehículo—deinspección, comúnmente denominado como un pistón para inspección interior. Bajo estas circunstancias, se requiere de un medio de acoplamiento en seco del ultrasonido al material . El ultrasonido puede ser excitado en materiales eléctricamente conductores mediante la aplicación de un campo magnético de alta frecuencia, en presencia de un segundo campo magnético que es permanente o varía muy lentamente. Los dispositivos para obtener esto son llamados transductores acústicos electromagnéticos. (De aquí en adelante en la presente denominados como EMAT, por sus siglas en inglés) . Para los EMAT usados en conjunción con un campo magnético permanente, los medios de operación usuales es que el campo magnético de alta frecuencia creado por el EMAT produce corrientes eléctricas de remolino dentro del material. Estas corrientes de remolino fluyen en presencia del campo magnético permanente y generan fuerzas de Lorentz que actúan dentro del material. Estas fuerzas crean desplazamientos mecánicos dentro del material, que se propagan como ondas acústicas. En el material ferromagnético hay otros dos mecanismos mediante los cuales el campo magnético de alta frecuencia inicia ondas acústicas, es decir magnetostricción y fuerzas de cuerpo magnético. Estas fuerzas adicionales pueden también desempeñar una parte en el inicio dé-ondas- acústicas^ Se han propuesto numerosas a¾¾eños—para—tos—EMAT-r cada uno de los cuales está caracterizado por una geometría particular para los dos componentes clave del EMAT, es decir el mecanismo para generar un campo magnético permanente en la muestra de prueba y el devanado eléctrico usado para transportar la corriente eléctrica de alta frecuencia. El resultado de alterar estos componentes del EMAT puede ser que el ultrasonido introducido a la muestra de prueba sea alterado en la dirección que es irradiado o en el modo de propagación, por ejemplo modo de compresión o modo transversal (corte) . Casi todos los transductores de EMAT sufren de ruido de "barkhausen" cuando son movidos sobre la superficie de un sistema ferromagnético . El ruido de barkhausen es debido al movimiento descontinuo de fronteras de dominio ferromagnético durante cambios en la magnetización global del material ferromagnético debajo del campo de saturación para el material . Es una consecuencia de los componentes de magnetización dentro del transductor de EMAT. El ruido de barkhausen puede ser un problema severo para la inspección de tubos por EMAT utilizando pistones, debido a que la inspección se lleva a cabo a una cierta velocidad. Hay una variedad de soluciones intermedias efectuadas en el diseño de cualquier EMAT, pero el arreglo de los componentes del campo maghetTico y los demarrados" eléctricos puede solamente ser manipulado denTro de—rxrnites-establecidos por el método físico fundamental de su operación. Cada tipo de EMAT tiene su arreglo fundamental de imanes y devanados. Una vez que este ha sido seleccionado, usualmente para crear un modo de onda deseado, otros aspectos de diseño, tales como tamaño, espesor de la placa de desgaste, masa, rigidez, tolerancia al calor y manejo de potencia pueden ser decididos. Estas son elecciones prácticas que están restringidas por el ambiente de operación y frecuentemente limitan el desempeño acústico del transductor, tal como es medido mediante, por ejemplo, la amplitud de salida acústica o la prominencia del ruido de barkhausen. Por consiguiente, el problema de diseño es fuertemente afectado por el método fundamental de la operación del EMAT, que en algunos ambientes puede impedir cualquier solución práctica. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Sería deseable tener la capacidad de proporcionar un EMAT, la construcción del cual sea de tal manera para proporcionar significativamente más flexibilidad en el diseño del transductor y que permita que el transductor sea usado en un intervalo más amplio de ambientes de operación que hasta ahora . De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un transductor acústico electromagnético para excitar ultrasonido en un material e1éctTromágñético Bajo prueba, el transductor comprende medios mag7let^co~s~ar glddos para ser movidos en relación con el material bajo prueba, para magnetizar una capa superficial del material y un devanado eléctrico alimentado mediante una fuente de corriente alterna, el devanado está arreglado para ser colocado adyacente al material, subsecuente a la magnetización del mismo mediante los medios magnéticos, mediante lo cual el flujo magnético alternante creado por el devanado interactúa con la magnetización remanente del material para crear vibración ultrasónica del material. Se apreciará que, con tal arreglo, el componente magnético del transductor esta físicamente separado del componente de devanado eléctrico, los dos componentes del transductor son aplicados en secuencia al material bajo prueba, con un intervalo de tiempo arbitrado entre la aplicación de los dos componentes. Tal separación de los dos componentes tiene un efecto muy grande sobre las posibilidades de diseño del transductor. En algunas aplicaciones especificas, por ejemplo inspección de tubos, se obtienen una variedad de ventajas técnicas y comerciales. Además, el ruido de barkhausen es eliminado . Los medios magnéticos, que pueden contener materiales de imán permanente o una horquilla electromagnética, pueden ser traídos rir-eaTménEe sobre Ta superficie del material bajo prueba o se pueden nacer rociar-sobre la superficie. En cada caso, el patrón de magnetización remanente toma la forma de una o más bandas de magnetización remanentemente orientada diferentemente, cada una sigue la trayectoria de los medios magnéticos. El devanado eléctrico continuo puede comprender una o más bobinas interconectadas , las cuales pueden ser enrolladas en un plano, por ejemplo como un panqué o bobina de meandro o enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético , tal como un núcleo C. En una modalidad preferida de la invención, los medios magnéticos y el devanado eléctrico están enlazados con untamente para ser movibles como un solo conjunto (aunque con algún grado de flexibilidad para permitir que cada uno se conforme a la superficie de prueba) , el devanado eléctrico sigue la trayectoria de los medios magnéticos con una separación predeterminada entre los mismos. De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona un método para excitar ultrasonido en un material de prueba ferromagnético, que comprende las etapas de establecer un patrón de magnetización remanente en una capa superficial del material y subsecuente a la magnetización, aplicar un flujo magnético alternante al material para interactuar con el campo magnético remanente, para crear mediante esto vibración ultrasónica del matef a .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA La figura 1 muestra parcialmente en corte un EMAT de acuerdo con la invención. DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERIDA Refiriéndose a la figura 1, un material ferromagnético bajo prueba, el cual puede ser, por ejemplo, una línea de tubería de gas de acero de alta presión, es indicado en general con 2 y un EMAT, de acuerdo con la invención, es indicado en general con 4 para generar ondas de corte guiadas polarizadas horizontalmente . El EMAT comprende dos componentes distintos y separados, es decir un magnetizador indicado en general con 6 y un conjunto de devanado eléctrico indicado en general con 8. El magnetizador 6 incluye un arreglo lineal de imanes 10 con polos magnéticos alternantes N, S los centros de los cuales están separados espaciadamente por una distancia igual o más corta que la mitad de la longitud de onda del ultrasonido que se desea establecer en el material de la línea de tubería 2. Los imanes 10 están protegidos por una banda de material no magnético resistente al desgaste mostrado parcialmente al corte con el número 12, el cual no interfiere con o cubre el lado de los imanes 10, pero sirve para limitar la abrasión de los imanes 10 contra el material de prueba 2 - el lado inferior de los imanes 10 puede hacer contacto con la línea de tubería 2 o puede separada de la misma por un espacio muy pequeño" El magnetizador 6 incluye üñ aloj amiento ?? q e-contiene los imanes 10 y que permite la anexión conveniente del magnetizador 6 mediante un primer enlace 16 a una estructura de soporte 18, por medio de la cual el magnetizador 6 puede ser jalado a lo largo de la superficie de prueba en una dirección perpendicular a aquella del arreglo de imanes 10. El conjunto de devanado eléctrico 8 comprende un conjunto de núcleos C20, las bobinas los cuales están interconectadas entre sí para formar un solo devanado continuo 22. Los núcleos 20 están montados sobre una placa de desgaste 24 de material eléctricamente aislante adaptado para acoplarse con la superficie de la línea de tubería 2. La placa 24, que puede ser de varios milímetros de espesor, en tanto que tiene efecto despreciable sobre la eficiencia acústica del dispositivo cuando opera a frecuencias útiles para la inspección del tubo, protege los núcleos 20 de la superficie material . El conjunto 8 incluye un alojamiento 26 que protege los núcleos 20 contra la interferencia electromagnética, lo cual es importante cuando se reciben señales acústicas y que permite que el conjunto 8 sea fácilmente conectado a la estructura de soporte 18 por medio de un segundo enlace 28. El conjunto 8 está así posicionado hacia atrás del magnetizador 6 con los núcleos 20 en una hilera perpendicular a la dirección de viaje anticipada y paraleTo~a~-^~hrrgra de imanes 10, las bobinas están posicionadas de tal manera que el flujo magnético producido por la excitación de alta frecuencia de los núcleos 20 interactúa con la superficie del material de prueba 2. En uso, el magnetizador 6 y el conjunto de devanado eléctrico 8 son movidos con untamente por medio de los enlaces 16, 28 y la estructura de soporte 18 a lo largo de la superficie de la línea de tubería 2, de tal manera que los núcleos 20 siguen los imanes 10 y con el devanado 22 impulsado mediante una fuente eléctrica de alta frecuencia. Los imanes 10 magnetizan la superficie de la línea de tubería 2 como se detalla anteriormente para establecer magnetización remanente en la misma, el flujo magnético alternante de alta frecuencia aplicado subsecuentemente creado por el conjunto 8 interactúa con esta magnetización remanente para iniciar ondas de corte polarizados horizontalmente dentro de la línea de tubería 2 desde la vecindad de los núcleos 20, el ultrasonido resultante se propaga sustancialmente paralelo con la hilera de núcleos 20. Si se usa el conjunto 8 como receptor, el devanado es sensible a las ondas de corte horizontales que llegan desde una dirección sustancialmente paralela con la hilera de núcleos 20. Así, el EMAT de la invención comprende efectivamente dos componentes distintos que pueden estar o no
ser generado simplemente al arrastrar el dispositivo de manera transversal a la superficie en un movimiento lineal. En este caso, el patrón remanente toma la forma de una o más bandas lineales de magnetización remanente orientadas diferentemente, cada banda sigue la trayectoria del magnetizador . En una modalidad alternativa, el magnetizador puede comprender un cilindro que incorpora a un patrón magnético y que se puede hacer rodar a lo largo del material de prueba para crear la magnetización remanente la cual otra vez pueda estar en forma de una o más bandas lineales de magnetización remanente orientadas diferentemente, cada banda sigue la línea de una porción magnética asociada del cilindro. El segundo componente es un conjunto de devanado eléctrico el cual, cuando es colocado cerca del material de prueba, es capaz de generar un flujo magnético alternante de alta frecuencia en la superficie del material . Un amplio intervalo de devanados son posibles y algunos-~dé~~ésfos pueden" ser combinados con horquTTTas eléctricas 3e aTta f"fercren xarr Los arreglos de devanado pueden ser aquellos convencionales a los transductores de EMAT con la excepción de que no tienen arreglo de imán fijo asociado con los mismos. El componente de devanado está arreglado de tal manera que, cuando el flujo magnético alternante de alta frecuencia interactúa con el patrón de magnetización remanente, surgen vibraciones ultrasónicas dentro del material de prueba y se propagan a través del mismo para permitir la inspección ultrasónica del material. Como una alternativa a los núcleos C ilustrados, el conjunto de devanado eléctrico puede comprender una o más bobinas planas interconectadas de construcción de "panqué" . La generación de ultrasonido en el material de prueba ferromagnético se obtiene fundamentalmente mediante un proceso de dos etapas. La primera es el preacondicionamíento del material ferromagnético, análogo a registrar un patrón magnético sobre medios magnéticos tal como una cinta magnética. Para cualquier material que tiene una remanencia significativa, tales como aceros estructurales, este patrón permanece como una configuración magnética estable en el material de prueba después del paso o remoción del magnetizador. La segunda etapa es la introducción del flujo magnético alternante de alta frecuencia que interactúa con el patrón magnético remanente e inicia el ultrasonido. Si el ultrasonido va hacer recibido, el material es pre"1" acondicionado magnéticamente como antes , pero el devaTrarto eléctrico se pone en operación como una bobina de recepción y convierte el ultrasonido en una señal eléctrica. El arreglo descrito e ilustrado muestra el devanado que sigue en la trayectoria del componente magnetizador, con una separación conveniente entre ellos, cada uno arrastrado de manera lineal mediante una armazón que soporta a ambos. Este arreglo es particularmente útil en vehículos de inspección de tuberías y es apropiado tanto para la transmisión como la recepción de ultrasonido. Una ventaja importante de este tipo de EMAT es que, cuando opera como un receptor, esto es con el devanado que actúa como un dispositivo que escucha solamente, el EMAT está libre del ruido de barkhausen. Esto es debido a que el patrón magnético remanente dentro del material ferromagnético es estable, esto es no evoluciona con el tiempo, dentro del marco de referencia del material de prueba, en el sitio del receptor. Esto es cierto independientemente si el receptor se está moviendo o no. Esto es diferente de un receptor convencional el cual podría iniciar el ruido de barkhausen durante su movimiento sobre la superficie en material de prueba, debido a que los imanes contenidos en el receptor modifican continuamente el estado de magnetización del material . Otra ventaja importante de este tipo de EMAT es que el diseño práctico de los dos componentes clave se puede obtener independientemente . Ya ño es necesario a^omoda —ros-imanes alrededor de los devanados o viceversa, puesto que ya no ocupan la misma región física. Ambos componentes pueden tener menos masa que el arreglo convencional de devanado e imanes, lo que mejora la dinámica del sistema. Las fuerzas de sujeción magnéticas entre el transductor y el material de prueba están confinadas al magnetizador y de aquí los problemas de desgaste ocurren principalmente solamente sobre una unidad. El problema de desgaste puede luego ser resuelto mediante medios convencionales, por ejemplo al permitir que ocurra un desgaste significativo y utilizar las caras de horquillas desechables en lugar de la superficie de desgaste endurecida. Además, el espesor de la placa de desgaste o zapata utilizada con el devanado eléctrico puede ser mucho mayor que el normalmente utilizado por un EMAT. Esto es debido a que el devanado es altamente tolerante al "levantamiento" , puesto que el campo remanente es impreso al material de prueba y no disminuye con el levantamiento. Esto contrasta con un EMAT normal, en donde la fuente del campo se levanta de la superficie junto con el devanado y reduce la eficiencia muy rápidamente con el levantamiento. El EMAT de la invención se compara de manera extremadamente favorable con los EMAT existentes para generar ondas de corte polarizadas horizontalmente las cuales utilizan un arreglo de imanes en proximidacT "estrecha entre sir. En traHres CHSÜS cxmy±áas~, e~±—cam a—aplicado—en—ra: superficie de la placa cambia rápidamente en amplitud y dirección para cambios pequeños en posición espacial dentro del material de placa y netamente debajo del transductor. La complejidad del patrón de campo hace que estos transductores particularmente susceptibles al ruido de barkhausen inducido por el movimiento. Adicionalmente , los EMAT existentes para operación en ambiente de tuberías son voluminosos, sufren de perdida aguda de eficiencia con el levantamiento del detector y son severamente afectados por la abrasión. Se hace constar que, con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.