RU166262U1 - Электромагнитно-акустический преобразователь - Google Patents

Abstract

1. Электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему в виде электромагнита с расположенными у его полюсов плоских катушек, отличающийся тем, что магнитопровод электромагнита выполнен крестообразной формы, причем излучающие и приемные катушки расположены на разных полюсах магнитопровода и разделены электрически.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катушки выполнены в виде меандра с шагом, определяемым типом излучаемой волны и условием максимальной чувствительности к анизотропии проката заданной толщины.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полюсы электромагнита выполнены сужающимися в направлении рабочей поверхности.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полюсы электромагнита снабжены концентраторами магнитного потока.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено механизмом регулировки угла поворота в плоскости полюсов электромагнита.

Description

ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ультразвукового неразрушающего контроля, а именно к средствам определения текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния листового проката.

Известен электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) для измерения текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния в толстостенных металлоконструкциях из ферромагнитных материалов, содержащий магнитную систему с Ш-образным поперечным сечением, катушки, выполненные в виде двух симметричных овальных лепестков с примыкающими друг к другу линейными участками, расположенными под центральным полюсом магнитной системы (патент RU 134658, МПК G01N 29/04, опубл. 20.11.2013). Это устройство позволяет измерять время распространения ультразвуковых колебаний и расчетным путем определять величину текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций с использованием сдвиговых волн, горизонтально-поляризованных вдоль или поперек направления прокатки или приложенного усилия.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ЭМАП, содержащий магнитную систему с двумя компланарными разноименными полюсами, и плоскую, расположенную в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них расстоянии катушку прямоугольной формы, в пределах площади удлиненной части витков которой лежат проекции полюсов на плоскость катушки, введена вторая плоская катушка прямоугольной формы, также расположенная в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них и от первой катушки расстоянии. При этом часть площади удлиненных витков второй катушки расположена в пределах проекции одного из полюсов магнитной системы на плоскость катушки, другая часть площади витков второй катушки находится в пространстве между проекциями полюсов на плоскость второй катушки, а витки первой и второй катушек в пределах площади их удлиненной части взаимно перпендикулярны (RU 2334981, МПК G01N 29/24, опубл. 27.09.2008). Такое устройство позволяет одновременно определять напряженно-деформированное состояние и толщину конструкций и проката из черных и цветных металлов и сплавов за счет возбуждения и приема продольных и сдвиговых ультразвуковых колебаний с линейной поляризацией в локальной области объекта контроля.

Общим недостатком известных ЭМАП являются: сложность контроля проката малой толщины ввиду существенной мертвой зоны ЭМАП при работе в совмещенном режиме при прозвучивании в направлении толщины проката; недостаточная точность измерений на малой базе прозвучивания и при отклонениях по толщине листа; невысокая эффективность ЭМАП ввиду наличия технологических зазоров между магнитопроводом и объектом контроля, обусловленных введением в зазор нескольких катушек, а также недостаточным полем подмагничивания; невысокая чувствительность используемого типа волн к анизотропии упругих свойств, обусловленная чувствительностью только к модулю сдвига. Кроме того, на результат контроля оказывает влияние качество отражающей поверхности. Известные ЭМАП не позволяют оценить угловое распределение степени анизотропии в плоскости проката.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности ЭМАП, увеличение чувствительности, расширение функциональных возможностей устройства, повышение точности и достоверности результатов измерений, выполненных с его помощью.

Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе, содержащем магнитную систему в виде электромагнита с расположенными у его полюсов плоских катушек, согласно предложению, магнитопровод электромагнита выполнен крестообразной формы, причем излучающие и приемные катушки расположены на разных полюсах магнитопровода и разделены электрически.

Катушки могут быть выполнены в виде меандра с шагом, определяемым типом излучаемой волны и условием максимальной чувствительности к анизотропии проката заданной толщины.

Полюсы электромагнита могут быть выполнены сужающимися в направлении рабочей поверхности либо дополнительно снабжены концентраторами магнитного потока.

Кроме того, устройство может быть дополнительно снабжено механизмом регулировки угла поворота в плоскости полюсов электромагнита.

Выполнение магнитопровода крестообразной формы позволяет разделить функции излучения и приема УЗ волн и разместить ультразвуковые излучатели и приемники на фиксированных базах, что позволяет: расширить функциональные возможности ЭМАП за счет контроля проката любой толщины за счет исключения мертвой зоны ЭМАП; повысить точность и достоверность контроля за счет введения фиксированной базы прозвучивания, существенно большей толщины проката и отстройки от отклонений по толщине листа и от качества противоположной поверхности.

Выполнение катушек в виде меандра с шагом, определяемым типом излучаемой волны и условием максимальной чувствительности к анизотропии проката заданной толщины, повышает чувствительность к анизотропии упругих свойств за счет выбора симметричных или антисимметричных типов волны Лэмба, скорость которых определяется упругими модулями сдвига и Юнга, и имеет максимальную чувствительность к анизотропии свойств проката заданной толщины.

Выполнение магнитной системы с сужающимися полюсами в направлении рабочей поверхности либо применение концентраторов магнитного потока позволяет увеличить плотность магнитного Потока в полюсах магнитной системы, и соответственно, повысить эффективность преобразователя, а применение механизма регулировки угла поворота в плоскости полюсов электромагнита позволяет дополнительно расширить функциональные возможности преобразователя за счет возможности оценки углового распределения степени анизотропии в плоскости проката.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид сбоку преобразователя на основе электромагнита с крестообразным магнитопроводом; на фиг. 2 - вид преобразователя снизу; на фиг. 3 - распределение магнитного поля в системе «преобразователь-объект контроля»; на фиг. 4 - чувствительность N скорости волн Лэмба к изменению упругих модулей среды.

Электромагнитно-акустический преобразователь содержит магнитную систему в виде электромагнита, состоящего из магнитопровода 1 крестообразной формы (фиг. 1, 2) и катушек 2, расположенных на каждом из четырех плеч магнитопровода. У каждого из полюсов магнитопровода расположены плоские катушки 3, 4, 5 и 6. Электромагнит работает от источника постоянного или импульсного возбуждения (на фигурах не показан). Катушки 3-6 выполнены в виде меандра прямоугольной формы, каждая из которых может возбуждать в контролируемом изделии 7 или принимать акустические импульсы. В зависимости от шага меандра могут возбуждаться (приниматься) волны Лэмба различных типов, tH-волна или волна Релея в зависимости от толщины проката, рабочей частоты и требуемой чувствительности к анизотропии упругих свойств.

Полюсы магнитопровода 1 могут быть выполнены сужающимися в направлении рабочей поверхности (фиг. 1-3) или снабжены концентраторами магнитного потока (на фигурах не показаны).

Устройство может быть дополнительно снабжено механизмом регулировки угла поворота в плоскости, параллельной поверхности контролируемого изделия (на фигурах не показан).

Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом. После установки преобразователя на объект контроля 7 (фиг. 1, 2), например, изделие после прокатки, и подачи электрического тока на катушки 2 электромагнита 1 происходит последовательное циркулярное намагничивание плеч конструкции, соответствующих продольному и поперечному направлению проката, в приповерхностном слое контролируемого изделия под полюсами магнитной системы формируется магнитное поле с преобладающей нормальной составляющей (фиг. 3). На плоские катушки 3, 5 (фиг. 2) подаются последовательно импульсы высокочастотных колебаний. В поверхностном слое изделия под всеми полюсами электромагнита формируются области с высокой линейной плотностью вихревых токов. Взаимодействие наведенных вихревых токов катушки с магнитным полем приводит к генерации ультразвуковой волны заданного типа. Импульсы упругих волн, возбужденных катушками 3, 5, распространяются вдоль листа в продольном и поперечном направлениях, и принимаются катушками 4, 6, расположенными под магнитной системой на известном фиксированном расстоянии от возбуждающих катушек вдоль оси магнитопровода. Прием происходит за счет обратного электромагнитно-акустического преобразования, т.е. преобразования акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы. В зависимости от шага меандра могут возбуждаться (приниматься) волны Лэмба различных типов, tH-волна или волна Релея в зависимости от толщины проката, рабочей частоты и требуемой чувствительности к анизотропии упругих свойств.

Фиг. 4 йллюстрирует зависимости чувствительности N к изменению упругих модулей скоростей симметричных (S0, S1) антисимметричных (А0, А1) и tH-волн первых двух порядков от произведения fh (f - частота, h - толщина пластины). Под чувствительностью понимается абсолютное изменение групповой скорости волны при изменении на 1% модулей упругости Е и G. Из фиг. 4 следует, что для волны tH нулевого порядка, традиционно используемой при оценке акустической анизотропии, наблюдается равномерная чувствительность, составляющая N_SH0=16 м/с на 1% изменения упругих свойств. В то же время для симметричных мод S0 и S1, а также для антисимметричной моды А1 имеется некоторая область значений произведения fh, при которой чувствительность скорости к изменению упругих модулей максимальна и в несколько раз превосходит N_SH0: N_S0=78 м/с; N_S1=82 м/с; N_A1=42 м/с. Таким образом, грамотный выбор частотного диапазона для проката данной толщины позволяет обеспечить максимальную чувствительность выбранной моды волны Лэмба к анизотропии акустических свойств и повысить точность оценки фактора анизотропии.

Далее фиксируют время распространения акустических сигналов двух волн, прошедших фиксированное расстояние вдоль и поперек направления прокатки, по соотношению которых оценивают коэффициент анизотропии проката, а по известным корреляционным зависимостям между коэффициентом анизотропии и пределом прочности и текучести оценивают механические характеристики листа.

По измеренному времени распространения акустических сигналов при известной базе прозвучивания могут быть определены абсолютные значения скоростей распространения волн различных типов и при помощи известных методик получена информация о напряжениях, текстуре, пределе прочности и пределе текучести, других механических характеристиках материала.

Изменение угла поворота устройства позволяет оценить угловое распределения степени анизотропии в плоскости проката.

Claims (5)

1. Электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему в виде электромагнита с расположенными у его полюсов плоских катушек, отличающийся тем, что магнитопровод электромагнита выполнен крестообразной формы, причем излучающие и приемные катушки расположены на разных полюсах магнитопровода и разделены электрически.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катушки выполнены в виде меандра с шагом, определяемым типом излучаемой волны и условием максимальной чувствительности к анизотропии проката заданной толщины.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полюсы электромагнита выполнены сужающимися в направлении рабочей поверхности.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полюсы электромагнита снабжены концентраторами магнитного потока.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено механизмом регулировки угла поворота в плоскости полюсов электромагнита.

Images