RU2600517C2

RU2600517C2 - Induction transducer

Info

Publication number: RU2600517C2
Application number: RU2014150383/28A
Authority: RU
Inventors: Петр Николаевич Шкатов; Юрий Львович Николаев; Александра Валентиновна Чернова; Павел Владимирович Юрченко; Галина Владимировна Кузнецова
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-10-20
Also published as: RU2014150383A

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention can be used for magnetic flaw detection. Subject of invention is that induction transducer comprises a housing, vibration drive installed therein, a rod mechanically connected thereto with one end and an inductance coil placed at other end of rod, where vibration drive is made in form of bimorph piezoelectric element, having shape of rectangular plate, axis of symmetry of which coincides with axis of rod, one side plate is cantilever-fixed in housing, and its opposite side is mechanically connected with rod.

EFFECT: possibility of increasing efficiency of detection of defects.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для магнитной дефектоскопии, основанной на регистрации магнитных потоков рассеяния намагниченного ферромагнитного объекта, возникающих над дефектным участком.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used for magnetic flaw detection based on the registration of magnetic fluxes of scattering of a magnetized ferromagnetic object arising above a defective area.

Известны индукционные преобразователи, выполненные в виде накладных катушек индуктивности. Для регистрации магнитных потоков рассеяния над дефектными участками намагниченного ферромагнитного объекта контроля катушки индуктивности перемещаются над его поверхностью. При наличии магнитных потоков рассеяния, связанных с вытеснением магнитного потока из металла под действием дефектов в катушках индуктивности наводится напряжение, пропорциональное скорости сканирования и градиенту соответствующей составляющей магнитной индукции потоков рассеяния. Для повышения отношения «сигнал/помеха» используется дифференциальное включение двух идентичных катушек индуктивности, расположенных друг за другом. Подобные индукционные преобразователи используются, в частности, в магнитном дефектоскопе МД-22ФД для дефектоскопии железнодорожных рельс [1].Known induction converters made in the form of overhead coils of inductance. To register magnetic fluxes of scattering over defective sections of a magnetized ferromagnetic object of control, inductors move over its surface. In the presence of magnetic fluxes of scattering associated with the displacement of the magnetic flux from the metal under the influence of defects in the inductance coils, a voltage is proportional to the scanning speed and the gradient of the corresponding component of the magnetic induction of the scattering fluxes. To increase the signal-to-noise ratio, differential inclusion of two identical inductors located one after another is used. Such induction converters are used, in particular, in the magnetic flaw detector MD-22FD for flaw detection of railway rails [1].

Недостаток известного индукционного преобразователя состоит в низкой эффективности выявления дефектов. Это связано с невозможностью точного определения координат дефекта, так как сигнал формируется только в процессе движения. Кроме того, сложно обеспечить оптимальные условия выявления дефектов, определяемые расстоянием между катушками индуктивности. В работе [2, С. 79] показано, что наилучшие условия выявления дефектов при магнитной дефектоскопии достигаются при размещении магниточувствительных элементов на расстоянии, соответствующем расстоянию между экстремумами регистрируемой составляющей (нормальной или тангенциальной) магнитных потоков рассеяния над дефектом. Это расстояние не остается постоянным. В зависимости от типа дефектов (поверхностная или подповерхностная трещина) и величины рабочего зазора (от 0,1 мм до 1 мм) между поверхностью металла и торцом магниточувствительного элемента (от 0,1 мм до 1 мм) расстояние между экстремумами изменяется в пределах от 0,1 мм до 0,6 мм. Установить катушки индуктивности так, чтобы расстояние между их осями составляло 0,1…0,6 мм весьма проблематично, так как при этом площадь витков будет достаточно мала. Кроме того, отсутствует возможность оперативно изменять это расстояние в процессе контроля. Еще один недостаток известного преобразователя состоит в невозможности дефектоскопии объектов со сложным профилем поверхности, не допускающим перемещение накладных катушек индуктивности с постоянной скоростью и неизменным рабочим зазором над поверхностью контролируемого объекта.A disadvantage of the known induction converter is the low efficiency of defect detection. This is due to the impossibility of accurately determining the coordinates of the defect, since the signal is formed only in the process of movement. In addition, it is difficult to provide optimal conditions for detecting defects, determined by the distance between the inductors. In [2, p. 79], it was shown that the best conditions for detecting defects in magnetic flaw detection are achieved by placing magnetically sensitive elements at a distance corresponding to the distance between the extrema of the recorded component (normal or tangential) of the magnetic fluxes of scattering over the defect. This distance does not remain constant. Depending on the type of defects (surface or subsurface crack) and the size of the working gap (from 0.1 mm to 1 mm) between the metal surface and the end face of the magnetically sensitive element (from 0.1 mm to 1 mm), the distance between the extrema varies from 0 , 1 mm to 0.6 mm. To install inductors so that the distance between their axes is 0.1 ... 0.6 mm is very problematic, since the area of the turns will be quite small. In addition, there is no way to quickly change this distance in the control process. Another disadvantage of the known transducer is the impossibility of defectoscopy of objects with a complex surface profile, which does not allow the movement of overhead inductors with a constant speed and constant working clearance above the surface of the controlled object.

Известен индукционный преобразователь, содержащий катушки индуктивности, установленные на диске, выполненном с возможностью вращения, и электропривод, механически соединенный с диском и предназначенный для его вращения [2, С. 93-95]. Здесь перемещение катушек индуктивности над поверхностью контролируемого объекта создается за счет вращения диска, что позволяет проводить дефектоскопию при статичном положении блока с преобразователем и контролируемого объекта.Known induction Converter containing inductance coils mounted on a disk made with rotation, and an electric drive mechanically connected to the disk and designed for its rotation [2, C. 93-95]. Here, the movement of the inductors over the surface of the controlled object is created due to the rotation of the disk, which allows for flaw detection in the static position of the unit with the converter and the controlled object.

Данный преобразователь также не обеспечивает необходимой эффективности выявления дефектов, так как и ему присущи отмеченные выше недостатки. Кроме того, возникают значительные технические проблемы, связанные с передачей сигнала с вращающихся с высокой скоростью катушек индуктивности на электронный блок.This converter also does not provide the necessary efficiency for detecting defects, since it also has the disadvantages noted above. In addition, significant technical problems arise associated with the transmission of a signal from high-speed inductor coils to an electronic unit.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности принятый за прототип индукционный преобразователь, содержащий вибропривод, механически соединенный с ним одним концом стержень и катушку индуктивности, размещенную на другом конце стержня [3]. Отмечается, что в качестве исполнительного элемента вибропривода могут быть использованы камертон, геркон или пьезоэлемент. За счет вибрации катушки индуктивности в ней наводится напряжение, пропорциональное изменению в соответствующем направлении индукции воздействующего на нее магнитного поля, амплитуде и частоте вибрации. При этом сигнал формируется при статическом расположении индукционного преобразователя и контролируемого объекта, а амплитуда колебаний может изменяться.Closest to the proposed technical essence, the induction converter adopted for the prototype, comprising a vibrodrive, a rod mechanically connected to it by one end and an inductor placed on the other end of the rod [3], is adopted as a prototype. It is noted that a tuning fork, a reed switch or a piezoelectric element can be used as an actuating element of a vibrodrive. Due to the vibration of the inductor, a voltage is induced in it, proportional to the change in the corresponding induction direction of the magnetic field acting on it, the amplitude and frequency of the vibration. In this case, the signal is formed with a static arrangement of the induction converter and the controlled object, and the amplitude of the oscillations can vary.

Однако и этот преобразователь не обеспечивает требуемой эффективности выявления дефектов, что связано с невозможностью обеспечения приемлемой для регистрации магнитных потоков рассеяния от дефектов абсолютной чувствительности. Это связано с тем, что ни один из известных вариантов выполнения вибропривода не обеспечивает требуемую для надежной регистрации дефектов частоту вибрации 400…500 Гц при амплитуде от 0,1 до 0,6 мм.However, this converter also does not provide the required efficiency of defect detection, which is associated with the impossibility of ensuring the absolute sensitivity acceptable for recording magnetic fluxes of scattering from defects. This is due to the fact that none of the known embodiments of the vibrodrive provides the vibration frequency 400 ... 500 Hz, required for reliable registration of defects, with an amplitude of 0.1 to 0.6 mm.

Цель изобретения - повышение эффективности выявления дефектов при магнитной дефектоскопии.The purpose of the invention is to increase the efficiency of defect detection in magnetic flaw detection.

Поставленная цель в индукционном преобразователе, содержащем корпус, установленный в нем вибропривод, механически соединенный с ним одним концом стержень и катушку индуктивности, размещенную на другом конце стержня, достигается благодаря тому, что вибропривод выполнен в виде биморфного пьезоэлемента, имеющего форму прямоугольной пластины, ось симметрии которой совпадает с осью стержня, одна сторона пластины консольно закреплена в корпусе, а ее противоположная сторона механически соединена со стержнем.The goal in an induction transducer containing a housing, a vibrodrive installed in it, a rod mechanically connected to it by one end and an inductor placed on the other end of the rod is achieved due to the fact that the vibrodrive is made in the form of a bimorph piezoelectric element having the shape of a rectangular plate, the axis of symmetry which coincides with the axis of the rod, one side of the plate is cantilevered in the housing, and its opposite side is mechanically connected to the rod.

Дополнительно, поставленная цель достигается благодаря тому, что длина L_с стержня, длина L_п и толщина T пластины биморфного пьезоэлемента выбираются из соотношений 25≥L_п/T≥15; 1≥L_с/L_п≥0,5.Additionally, the goal is achieved due to the fact that the length L _{from the} rod, the length L _p and the thickness T of the plate of the bimorph piezoelectric element are selected from the ratios 25≥L _p / T≥15; 1≥L _s / L _p ≥0.5.

На фиг. 1 и фиг 2 схематично показана конструкция заявляемого индукционного преобразователя: на фиг. 1 - вид сверху, а на фиг. 2 - вид сбоку; на фиг. 3 представлена схема магнитной дефектоскопии с применением заявляемого индукционного преобразователя.In FIG. 1 and FIG. 2 schematically shows the construction of the inventive induction converter: FIG. 1 is a plan view, and in FIG. 2 is a side view; in FIG. 3 presents a diagram of magnetic flaw detection using the inventive induction transducer.

Индукционный преобразователь содержит корпус 1, биморфный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины 2, стержень 3 и катушку 4 индуктивности. Ось симметрии пластины 2 совпадает с осью стержня 3, одна сторона пластины 2 консольно закреплена в корпусе 1, а противоположная сторона пластины 2 механически соединена с прилегающим к ней концом стержня 3 через соединительный Г-образный элемент 5 с помощью клеевого соединения. Элемент 5 приклеивается к боковой поверхности пластины 2 и имеет зазор относительно ее торца. На противоположном конце стержня 3 закреплена катушка 4 индуктивности. Ось катушки 4 индуктивности может быть перпендикулярна плоскости пластины 2 или совпадать с осью стержня 3. Первый вариант предназначен для получения сигнала, пропорционального изменению тангенциальной составляющей индукции магнитных потоков рассеяния, а второй вариант - для получения сигнала, пропорционального изменению нормальной составляющей индукции магнитных потоков рассеяния над дефектным участком. Каждый из вариантов используется в магнитной дефектоскопии, что отражено, например в [3, С. 43, С. 78-79]. Длину L_с стержня, длину L_п и толщину T пластины биморфного пьезоэлемента рекомендуется выбирать из соотношений 25≥L_п/T≥15; 1≥L_с/L_п≥0,5.The induction converter comprises a housing 1, a bimorph piezoelectric element made in the form of a plate 2, a rod 3 and an inductor 4. The axis of symmetry of the plate 2 coincides with the axis of the rod 3, one side of the plate 2 is cantilevered in the housing 1, and the opposite side of the plate 2 is mechanically connected to the adjacent end of the rod 3 through the connecting L-shaped element 5 using adhesive bonding. The element 5 is glued to the side surface of the plate 2 and has a gap relative to its end. An inductance coil 4 is fixed at the opposite end of the rod 3. The axis of the inductor 4 can be perpendicular to the plane of the plate 2 or coincide with the axis of the rod 3. The first option is to obtain a signal proportional to the change in the tangential component of the magnetic flux scattering, and the second option is to receive a signal proportional to the change in the normal component of the induction of magnetic flux over defective area. Each of the options is used in magnetic flaw detection, which is reflected, for example, in [3, p. 43, p. 78-79]. The length L _{from the} rod, the length L _p and the thickness T of the plate of the bimorph piezoelectric element is recommended to choose from the ratio of 25≥L _p / T≥15; 1≥L _s / L _p ≥0.5.

Индукционный преобразователь работает следующим образом. При подаче на обкладки пластины 2 биморфного пьезоэлемента (фиг. 1) электрического напряжения от генератора синусоидального напряжения (не показан) происходит изгибная деформация плоскости пластины 2 пьезоэлемента с частотой выходного напряжения генератора. В результате происходит виброперемещение катушки 4 индуктивности в соответствии с траекторией изгиба консольной части пластины 2. Амплитуда виброперемещения и частота зависят от длины L_п и толщина Т пластины 2 биморфного пьезоэлемента, а также длины L_с стержня 3.Induction Converter operates as follows. When applying to the plates of the plate 2 of a bimorph piezoelectric element (Fig. 1) electric voltage from a sinusoidal voltage generator (not shown), a bending deformation of the plane of the plate 2 of the piezoelectric element occurs with the frequency of the output voltage of the generator. As a result, the vibration displacement of the inductor 4 occurs in accordance with the bending path of the cantilever part of the plate 2. The amplitude of the vibration displacement and frequency depend on the length L _p and the thickness T of the plate 2 of the bimorph piezoelectric element, as well as the length L _{from the} rod 3.

Для обеспечения вибрации катушки индуктивности 3 с необходимой частотой (порядка 500 Гц) и амплитудой (порядка 0,2…0,4 мм) рекомендуется выбирать длину L_с стержня, длину L_п и толщину Т пластины биморфного пьезоэлемента из соотношений 25≥L_п/T≥15; 1≥L_с/L_п≥0,5.To ensure the vibration of the inductor 3 with the required frequency (about 500 Hz) and amplitude (about 0.2 ... 0.4 mm), it is recommended to choose the length L _{from the} rod, the length L _p and the thickness T of the plate of the bimorph piezoelectric element from the ratios 25≥L _p / T≥15; 1≥L _s / L _p ≥0.5.

Выбор рекомендуемых соотношений определяется следующим образом. Увеличение отношения L_п/T приводит к уменьшению резонансной частоты и при отношении L_п/T>25 попасть в частотный диапазон, обеспечивающий приемлемую абсолютную чувствительность не удается. С другой стороны, при уменьшении отношения L_п/T снижается достигаемая амплитуда вибрации и при отношении L_п/T<15 получить вибрацию конца стержня 3 требуемой амплитуды не удается. При увеличении отношения L_с/L_п уменьшается резонансная частота системы «пластина 2 - стержень 3» из-за уменьшения ее жесткости. С другой стороны, при уменьшении отношения L_с/L_п снижается достигаемая амплитуда вибрации. Необходимое сочетание достигаемой амплитуды и резонансной частоты вибрации достигается при рекомендуемом соотношении 1≥L_с/L_п≥0,5.The choice of recommended ratios is determined as follows. An increase in the ratio L _p / T leads to a decrease in the resonance frequency, and when the ratio L _p / T> 25, it is not possible to fall into the frequency range providing an acceptable absolute sensitivity. On the other hand, with a decrease in the ratio L _p / T, the achieved vibration amplitude decreases and, with a ratio L _p / T <15, the vibration of the end of the rod 3 of the required amplitude cannot be obtained. When the ratio L _c / L _p increases, the resonance frequency of the “plate 2 - rod 3” system decreases due to a decrease in its rigidity. On the other hand, with a decrease in the ratio L _c / L _{p, the} achieved vibration amplitude decreases. The necessary combination of the achieved amplitude and resonant vibration frequency is achieved with the recommended ratio of 1≥L _s / L _p ≥0.5.

Контролируемый объект 6 с дефектом 7 намагничивают с помощью намагничивающего устройства (не показано) и создают магнитный поток Ф_н в металле (фиг. 3). При наличии дефекта 7 над ним образуется магнитный поток рассеяния 8. В процессе контроля индукционный преобразователь перемещается над поверхностью контролируемого объекта 6. Рекомендуется выбирать направление сканирования индукционного преобразователя в направлении, совпадающем с направлением создаваемого магнитного потока Ф_н. При перемещении над дефектным участком катушка 4 попадает в зону локально неоднородного магнитного потока рассеяния, что приведет к появлению выходного сигнала, изменяющегося в соответствии с частотой ее вибрации.The controlled object 6 with a defect 7 is magnetized using a magnetizing device (not shown) and create a magnetic flux F _n in the metal (Fig. 3). If there is a defect 7, a magnetic flux of scattering is formed above it 8. During the monitoring process, the induction transducer moves above the surface of the controlled object 6. It is recommended to select the scanning direction of the induction transducer in the direction coinciding with the direction of the generated magnetic flux Ф _н . When moving over the defective area, the coil 4 falls into the zone of a locally inhomogeneous scattering magnetic flux, which will lead to the appearance of an output signal that changes in accordance with its frequency of vibration.

При выборе ориентации оси катушки 4 в индукционном преобразователе перпендикулярно плоскости пластины 2 в процессе сканирования ось катушки 4 устанавливается вдоль намагничивающего магнитного потока Ф_н. При этом будут регистрироваться изменения тангенциальной составляющей магнитного потока рассеяния 8.When choosing the orientation of the axis of the coil 4 in the induction transducer perpendicular to the plane of the plate 2 during the scanning process, the axis of the coil 4 is installed along the magnetizing magnetic flux f _n . In this case, changes in the tangential component of the scattering magnetic flux 8 will be recorded.

При выборе ориентации оси катушки 4 в индукционном преобразователе вдоль оси стержня 3 в процессе сканирования ось катушки 4 устанавливается перпендикулярно поверхности контролируемого объекта 6. При этом будут регистрироваться изменения нормальной составляющей магнитного потока рассеяния 8.When choosing the orientation of the axis of the coil 4 in the induction transducer along the axis of the rod 3 during the scan, the axis of the coil 4 is set perpendicular to the surface of the controlled object 6. In this case, changes in the normal component of the magnetic flux of scattering 8 will be recorded.

Амплитуда вибрации катушки 4 может плавно изменяться путем изменения напряжения, подаваемого на обкладки пластины 2. При этом изменяются оптимальные условия выявления дефектов различного типа. Так, например, для выявления поверхностных трещин рекомендуется устанавливать амплитуду вибрации порядка 0,2…0,25 мм, а для подповерхностных - порядка 0,4…0,6 мм, что незначительно превышает расстояние между экстремумами соответствующих составляющих напряженности магнитного поля потоков рассеяния над дефектом.The vibration amplitude of the coil 4 can smoothly change by changing the voltage supplied to the plates of the plate 2. In this case, the optimal conditions for detecting defects of various types change. So, for example, to detect surface cracks it is recommended to set the vibration amplitude of the order of 0.2 ... 0.25 mm, and for subsurface - of the order of 0.4 ... 0.6 mm, which slightly exceeds the distance between the extrema of the corresponding components of the magnetic field intensity of the scattering fluxes defect.

Технические преимущества заявляемого индукционного преобразователя заключаются в следующем.The technical advantages of the inventive induction converter are as follows.

1. Возможность получать сигналы, пропорциональные изменению напряженности магнитного поля на расстояниях от поверхности контролируемого объекта до 3 мм.1. The ability to receive signals proportional to changes in the magnetic field at distances from the surface of the controlled object to 3 mm

2. Высокая абсолютная чувствительность.2. High absolute sensitivity.

3. Независимость результатов измерения от скорости сканирования.3. Independence of measurement results from scanning speed.

4. Возможность плавной регулировки амплитуды вибрации, определяющей оптимальные условия регистрации сигналов, связанных с дефектами.4. The possibility of smooth adjustment of the amplitude of the vibration, which determines the optimal conditions for recording signals associated with defects.

Совокупность отмеченных преимуществ, определяет более высокую эффективность контроля при использовании заявляемого индукционного преобразователя.The combination of these advantages determines a higher control efficiency when using the inventive induction converter.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2310836, G01N 27/83, 2007.1. RF patent No. 2310836, G01N 27/83, 2007.

2. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общей редакцией В.В. Клюева. Т. 6 в 3 кн. Кн. 1: Магнитные методы контроля / В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин. - М.: Машиностроение, 2004.2. Non-destructive testing: Reference: In 7 volumes. Under the general editorship of V.V. Klyueva. T. 6 in 3 book. Prince 1: Magnetic control methods / V.V. Klyuev, V.F. Muzhitsky, E.S. Gorkunov, V.E. Shcherbinin. - M.: Mechanical Engineering, 2004.

3. Пастушенков А.Г. Измерительные преобразователи. Часть 1. Гальваномагнитные и индукционные преобразователи. Учебное пособие. - Тверь: Тверской гос. Ун-т, 2001. - С. 76-78 (прототип).3. Pastushenkov A.G. Measuring transducers. Part 1. Galvanomagnetic and induction converters. Tutorial. - Tver: Tver state. Un-t, 2001. - S. 76-78 (prototype).

Claims

1. An induction converter comprising a housing, a vibrodrive installed therein, a rod mechanically connected to it by one end and an inductor placed on the other end of the rod, characterized in that the vibrodrive is made in the form of a bimorph piezoelectric element having the shape of a rectangular plate, the axis of symmetry of which coincides with the axis of the rod, one side of the plate is cantilevered in the housing, and its opposite side is mechanically connected to the rod.

2. The induction converter according to claim 1, characterized in that the length L _{c of the} rod, the length L _p and the thickness T of the plate of the bimorph piezoelectric element are selected from the ratios 25≥L _p / T≥15; 1≥L _c / L _p ≥0.5.