RU138342U1

RU138342U1 - INDUCTOR WITH COMPENSATOR OF ANISOTROPY OF OBJECT OF CONTROL FOR ELECTROMAGNETIC-ACOUSTIC CONVERTER OF ULTRASONIC DEFECTOSCOPE

Info

Publication number: RU138342U1
Application number: RU2013151321/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Кашин; Игорь Семенович Суглобов; Константин Николаевич Макаренков; Владимир Валерьевич Козлов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Ультракрафт"
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-03-10

Abstract

1. Индуктор, содержащий пару катушек индуктивности, вытянутых в плане вдоль соответствующих осей, при этом данные катушки лежат в одной плоскости или в параллельных плоскостях, а их геометрические центры совпадают или расположены на одной оси, перпендикулярной плоскостям катушек, причем оси катушек в плане образуют угол, отличный от нуля.2. Индуктор по п.1, в котором угол между осями катушек составляет от 10 до 80 градусов.3. Индуктор по п.1, в котором катушки имеют одинаковую форму.4. Индуктор по п.1, в котором отношение размеров катушек составляет от 1 до 5.5. Индуктор по п.1, выполненный с возможностью вращения катушек относительно друг друга с изменением угла между их осями.1. An inductor containing a pair of inductors, elongated in plan along the respective axes, while these coils lie in the same plane or in parallel planes, and their geometric centers coincide or are located on the same axis perpendicular to the planes of the coils, and the axis of the coils in plan form non-zero angle. 2. The inductor according to claim 1, in which the angle between the axes of the coils is from 10 to 80 degrees. The inductor according to claim 1, in which the coils have the same shape. The inductor according to claim 1, in which the ratio of the sizes of the coils is from 1 to 5.5. The inductor according to claim 1, configured to rotate the coils relative to each other with a change in the angle between their axes.

Description

Полезная модель относится к электромагнитно-акустическим преобразователям (ЭМАП) для неразрушающего контроля различных объектов посредством ультразвукового (УЗ) бесконтактного воздействия. Основной областью применения данного устройства является дефектоскопический ультразвуковой контроль (УЗК) металлических изделий листового, сортового и фасонного проката, в частности, железнодорожных рельсов.The utility model relates to electromagnetic acoustic transducers (EMAT) for non-destructive testing of various objects by means of ultrasonic (US) non-contact action. The main field of application of this device is flaw detection ultrasonic testing (UZK) of metal products of sheet, long and shaped steel, in particular, railway rails.

ЭМАП является преобразователем бесконтактного типа. Данные преобразователи обладают важным на практике преимуществом, заключающемся в относительной простоте создания акустического контакта между преобразователем и контролируемым объектом. При этом исключается необходимость расхода контактной жидкости, замены эластичных протекторов или применения сложных конструкций, что имеет решающее значение при контроле протяженных объектов. Однако чувствительность бесконтактных преобразователей ниже чувствительности преобразователей других типов. По данной причине в процессе УЗК с использованием ЭМАП, особенно при контроле поперечными УЗ волнами, большое практическое значение имеет борьба с шумами. Одним из видов шумов являются структурно-реверберационные шумы, вызванные частичным рассеянием УЗ волны вследствие анизотропии механических свойств применяемых на практике металлов (Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин Α.X. и др. Методы акустического контроля металлов. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 21, 131). Кроме того, материал всех контролируемых объектов, как правило, характеризуется присутствием осей анизотропии механических свойств. В результате, УЗ волна распространяется в виде двух различных волн с разными модами, преимущественно вдоль и поперек указанных осей анизотропии, что способно привести к появлению сильных помех и ложной сигнализации дефекта.EMAP is a non-contact type converter. These transducers have an important practical advantage, which consists in the relative simplicity of creating an acoustic contact between the transducer and the controlled object. This eliminates the need for contact fluid consumption, replacement of elastic protectors or the use of complex structures, which is crucial in the control of extended objects. However, the sensitivity of proximity sensors is lower than the sensitivity of other types of converters. For this reason, in the ultrasonic testing process using EMAT, especially when controlling transverse ultrasonic waves, the fight against noise is of great practical importance. One of the types of noise is structural reverberation noise caused by partial scattering of the ultrasonic wave due to anisotropy of the mechanical properties of metals used in practice (Aleshin N.P., Bely V.E., Vopilkin Α.X. and others. Methods of acoustic control of metals. - M.: Mechanical Engineering, 1989 .-- S. 21, 131). In addition, the material of all controlled objects, as a rule, is characterized by the presence of anisotropy axes of mechanical properties. As a result, the ultrasonic wave propagates in the form of two different waves with different modes, mainly along and across the indicated anisotropy axes, which can lead to the appearance of strong noise and false signaling of the defect.

Наиболее близким аналогом полезной модели является индуктор ЭМАП, представляющий собой катушку индуктивности (патентный документ RU 2476949 C1). Известный индуктор не позволяет компенсировать помехи и шумы, вызванные анизотропными свойствами объекта контроля, что отрицательно сказывается на точности УЗК.The closest analogue of the utility model is an EMAT inductor, which is an inductor (patent document RU 2476949 C1). The known inductor does not allow to compensate for interference and noise caused by the anisotropic properties of the test object, which negatively affects the accuracy of ultrasonic testing.

Задачей является повышение чувствительности ЭМАП и точности УЗК.The objective is to increase the sensitivity of EMAT and the accuracy of ultrasonic testing.

Из патентного документа US 4106327 A известно о возможности компенсации анизотропных свойств объекта контроля при УЗК путем введения соответствующей коррекции. Однако при этом компенсацию вводят на основании данных об образцах материала объекта контроля, которые на практике не всегда полностью отражают свойства реального объекта контроля. В результате не удается в требуемой степени очистить измерительный сигнал от помех и шумов анизотропной природы. По данной причине известное техническое решение не подходит для усовершенствования ЭМАП.From patent document US 4106327 A it is known about the possibility of compensating for the anisotropic properties of the test object with ultrasonic testing by introducing an appropriate correction. However, compensation is introduced based on data on samples of the material of the control object, which in practice do not always fully reflect the properties of the real control object. As a result, it is not possible to sufficiently clear the measuring signal from interference and noise of anisotropic nature. For this reason, the known technical solution is not suitable for improving EMAT.

Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в очищении измерительного сигнала от структурно-реверберационных помех, включая шумы, вызванных частичным рассеянием УЗ волн из-за анизотропии механических свойств объекта контроля.The technical result provided by this useful model is to clean the measuring signal from structural reverberation noise, including noise caused by partial scattering of ultrasonic waves due to anisotropy of the mechanical properties of the test object.

Технический результат достигается благодаря тому, что индуктор содержит пару катушек индуктивности, вытянутых в плане вдоль соответствующих осей. При этом данные катушки лежат в одной плоскости или в параллельных плоскостях, а их геометрические центры совпадают или расположены на одной оси, перпендикулярной плоскостям катушек. Причем оси катушек в плане образуют угол отличный от нуля.The technical result is achieved due to the fact that the inductor contains a pair of inductors, elongated in plan along the corresponding axes. Moreover, these coils lie in one plane or in parallel planes, and their geometric centers coincide or are located on the same axis perpendicular to the planes of the coils. Moreover, the axis of the coils in terms of form an angle other than zero.

В частном случае реализации индуктора угол между осями катушек составляет от 10 до 80 градусов.In the particular case of the implementation of the inductor, the angle between the axes of the coils is from 10 to 80 degrees.

В другом частном случае катушки имеют одинаковую форму.In another particular case, the coils have the same shape.

Также в частном случае отношение размеров катушек составляет от 1 до 5.Also in the particular case, the ratio of the sizes of the coils is from 1 to 5.

В еще одном частном случае индуктор выполнен с возможностью вращения катушек относительно друг друга с изменением угла между их осями.In another particular case, the inductor is made with the possibility of rotation of the coils relative to each other with a change in the angle between their axes.

Полезная модель поясняется фиг. 1, на которой изображен индуктор из пары так называемых катушек - «бабочек».A utility model is illustrated in FIG. 1, which shows an inductor from a pair of so-called coils - "butterflies".

Осуществление полезной модели показано на следующем примере предпочтительной реализации устройства.The implementation of the utility model is shown in the following example of a preferred implementation of the device.

Основными частями ЭМАП являются магнитная система и индуктор.The main parts of EMAT are the magnetic system and inductor.

Индуктор 1 является составным и содержит пару плоских однослойных многовитковых катушек индуктивности 2 и 3 с обмотками одинаковой формы, но разного размера. Катушка 2 является основной рабочей катушкой ЭМАП для поиска внутренних дефектов в объекте контроля, а катушка 3 представляет собой измерительный компенсатор и предназначена для устранения влияния анизотропии механических свойств материала объекта контроля на результат измерения. По форме обмоток показанные на фиг. 1 катушки называют «бабочками», однако в общем случае выбор формы и иных параметров катушек 2 и 3 осуществляют исходя из возможности возбуждения и приема требуемых УЗ волн в объекте контроля, руководствуясь стандартами ASTM E1774 и E1816.Inductor 1 is composite and contains a pair of flat single-layer multi-coil inductors 2 and 3 with windings of the same shape, but of different sizes. Coil 2 is the main EMAT working coil for searching for internal defects in the test object, and coil 3 is a measuring compensator and is designed to eliminate the influence of the anisotropy of the mechanical properties of the material of the test object on the measurement result. The shape of the windings shown in FIG. 1 coils are called “butterflies”, however, in the general case, the shape and other parameters of coils 2 and 3 are selected based on the possibility of exciting and receiving the required ultrasonic waves in the control object, guided by ASTM E1774 and E1816 standards.

Катушки 2 и 3 наложены одна на другую с небольшим зазором, при этом катушка 2 лежит в плоскости M и вытянута вдоль оси A, а катушка 3 расположена в плоскости N, параллельной плоскости M, и вытянута вдоль оси B. Геометрические центры катушек 2 и 3 расположены на оси Z, перпендикулярной плоскостям M и N. Ось В повернута в плане относительно оси A на угол α.Coils 2 and 3 are stacked on top of each other with a small gap, with coil 2 lying in the M plane and elongated along the A axis, and coil 3 located in the N plane parallel to the M plane and elongated along the B axis. Geometric centers of the coils 2 and 3 located on the Z axis, perpendicular to the planes M and N. The axis B is rotated in plan relative to the axis A by an angle α.

Через центр катушек 2 и 3 проходит стержень 4, являющийся осью вращения в подвижном соединении данных катушек. Для исключения в конструкции подвижных частей подвижная катушка 3 может быть заменена набором аналогичных катушек, повернутых на фиксированный угол относительно друг друга. Если направление осей анизотропии в материале объекта контроля известно, то достаточно одной катушки 3, жестко зафиксированной по отношению к катушке 2.Through the center of the coils 2 and 3, a rod 4 passes, which is the axis of rotation in the movable connection of these coils. To exclude the design of the moving parts, the moving coil 3 can be replaced by a set of similar coils rotated by a fixed angle relative to each other. If the direction of the anisotropy axes in the material of the test object is known, then only one coil 3, rigidly fixed in relation to the coil 2, is sufficient.

Форма витков катушки 3 аналогична форме витков катушки 2, чтобы их характеристики были максимально сопоставимы и сигнал помехи (шума), регистрируемый катушкой 3 был пропорционален соответствующей нежелательной составляющей в измерительном сигнале, регистрируемом катушкой 2. Минимальное и максимальное отношение размеров катушек выбирают исходя из условий достижения достаточной чувствительности катушки 3 и допустимой величины электромагнитной связи между данными катушками, что сказывается на качестве измерительного сигнала. Установлено, что наилучшие результаты по очищению измерительного сигнала от структурно-реверберационных помех и шумов, вызванных частичным рассеянием УЗ волн из-за анизотропии механических свойств объекта контроля, достигаются при отношении размеров катушек от 1 до 5. При этом под размерами катушек понимаются их габаритные размеры.The shape of the turns of the coil 3 is similar to the shape of the turns of the coil 2, so that their characteristics are as comparable as possible and the interference signal (noise) detected by the coil 3 is proportional to the corresponding undesirable component in the measuring signal recorded by the coil 2. The minimum and maximum ratio of the sizes of the coils is chosen based on the conditions of achievement sufficient sensitivity of the coil 3 and the permissible magnitude of the electromagnetic coupling between these coils, which affects the quality of the measuring signal. It was established that the best results in cleaning the measuring signal from structural reverberation noise and noise caused by partial scattering of ultrasonic waves due to the anisotropy of the mechanical properties of the test object are achieved with a coil size ratio of 1 to 5. In this case, the dimensions of the coils are their overall dimensions .

Соединение катушек 2 и 3 с электронными системами дефектоскопа допускает два варианта. В первом варианте катушки 2 и 3 связаны с отдельными генераторами и усилителями, а во втором варианте катушка 3 связана только с усилителем, специально предназначенным для увеличения энергетических параметров сигнала коррекции. Усилители в свою очередь связаны с АЦП и устройством для обработки данных.The connection of coils 2 and 3 with electronic systems of the flaw detector allows two options. In the first embodiment, coils 2 and 3 are connected to separate generators and amplifiers, and in the second embodiment, coil 3 is connected only to an amplifier specially designed to increase the energy parameters of the correction signal. Amplifiers, in turn, are connected to the ADC and the device for data processing.

При необходимости в состав индуктора 1 включают аналогичные пары катушек 2 и 3, образуя линейную или плоскостную антенную решетку. Устройство работает следующим образом.If necessary, the composition of the inductor 1 include similar pairs of coils 2 and 3, forming a linear or planar antenna array. The device operates as follows.

ЭМАП служит для преобразования электрической энергии в акустическую в магнитном поле. Для этого индуктор 1 размещают вблизи от объекта контроля. Намагничивают объект контроля при помощи магнитной системы ЭМАП, а посредством устройства управления от генератора подают на катушку 3 высокочастотный импульс. В результате в объекте контроля возникает упругая волна.EMAT is used to convert electrical energy into acoustic energy in a magnetic field. For this, the inductor 1 is placed close to the control object. The control object is magnetized using an EMAT magnetic system, and through the control device from the generator, a high-frequency pulse is supplied to the coil 3. As a result, an elastic wave arises in the control object.

Катушкой 3 принимают отраженный сигнал с последующем усилением и цифровой обработкой. Вращая катушку 3 вокруг стержня 4 и повторяя излучение и прием сигнала ищут такой угол α, чтобы получить максимально сильный ложный сигнал, обусловленный анизотропией материала объекта контроля. На практике величина данного угла составляет от 10 до 80 градусов, что определяет взаимное расположение катушек 2 и 3.Coil 3 receive the reflected signal, followed by amplification and digital processing. Rotating the coil 3 around the rod 4 and repeating the emission and reception of the signal, they search for such an angle α in order to obtain the maximum false signal due to the anisotropy of the material of the test object. In practice, the value of this angle is from 10 to 80 degrees, which determines the mutual arrangement of coils 2 and 3.

При этом начальные пространственные координаты магнитных полей катушек 2 и 3 совмещены, что достигнуто размещением данных катушек в параллельных плоскостях M и N (при наличии достаточного пространства катушки располагают в одной плоскости, одна внутри другой), с геометрическими центрами катушек на одной оси Z, перпендикулярной плоскостям указанных катушек (или с совпадающими центрами). При этом параллельность плоскостей, расположение в одной плоскости или на одной оси, перпендикулярность оси плоскости, совпадение геометрических центров, понимаются в техническом смысле с учетом допустимых для достижения технического результата отклонений и допусков.In this case, the initial spatial coordinates of the magnetic fields of coils 2 and 3 are combined, which is achieved by placing these coils in parallel planes M and N (if there is sufficient space, the coils are located in one plane, one inside the other), with the geometric centers of the coils on one Z axis perpendicular to the planes of the indicated coils (or with coincident centers). In this case, the parallelism of the planes, the location in the same plane or on the same axis, the perpendicularity of the axis of the plane, the coincidence of geometric centers, are understood in the technical sense, taking into account the deviations and tolerances allowed to achieve the technical result.

Благодаря тому, что начальные пространственные координаты магнитных полей катушек 2 и 3 совмещены, обеспечено очищение измерительного сигнала от помехи в виде мешающего ложного сигнала и структурно-реверберационных шумов. На основании данного сигнала производят контроль и оценку состояния объекта контроля.Due to the fact that the initial spatial coordinates of the magnetic fields of coils 2 and 3 are combined, the measurement signal is cleared of interference in the form of an interfering false signal and structural reverberation noise. Based on this signal, control and assessment of the state of the control object is carried out.

Выбрав исходя из указанного условия оптимальный угол α записывают в память дефектоскопа сигнал коррекции, пропорциональный измеренному сигналу с катушки 3. Затем прозвучивают объект контроля при помощи основной катушки 2, получая полезный сигнал. В случае соединения катушки 3 только с усилителем, сигнал коррекции измеряют как отклик на сигнал, излученный катушкой 2, одновременно с полезным сигналом. После этого из полезного сигнала вычитают сигнал коррекции. Подобным образом продолжают сканирование объекта контроля.Having chosen the optimal angle α on the basis of the indicated condition, a correction signal proportional to the measured signal from coil 3 is written into the flaw detector memory. Then, the test object is heard using the main coil 2, receiving a useful signal. In the case of connecting the coil 3 only with the amplifier, the correction signal is measured as the response to the signal emitted by the coil 2, simultaneously with the useful signal. After that, the correction signal is subtracted from the useful signal. Similarly, continue to scan the object of control.

Claims

1. An inductor containing a pair of inductors, elongated in plan along the respective axes, while these coils lie in the same plane or in parallel planes, and their geometric centers coincide or are located on the same axis perpendicular to the planes of the coils, and the axis of the coils in plan form non-zero angle.

2. The inductor according to claim 1, in which the angle between the axes of the coils is from 10 to 80 degrees.

3. The inductor according to claim 1, in which the coils have the same shape.

4. The inductor according to claim 1, in which the ratio of the sizes of the coils is from 1 to 5.

5. The inductor according to claim 1, made with the possibility of rotation of the coils relative to each other with a change in the angle between their axes.