SE445614B - Forfarande och anordning for sendning och mottagning av elektromagnetiskt alstrade och mottagna pulser av ultraljud, fremst vid oforstorande provning av elektriskt ledande material - Google Patents

Description

7811511-0 z en kort tid jämfört med tiden mellan två efter varandra uppträdande magnet- fält och där en puls av ultraljudfrekvens alstras medelst en andra pulsgene- rator och tillföres nämnda sändarspole vid eller omkring magnetfältets eller -fältens maximala styrka och utmärkes av att pulsen av ultraljudfrekvens är en i längd väldefinierad puls och av att mottagarspolen därefter på i och för sig känt sätt avkännes likaledes omkring eller vid magnetfältets eller -fäl- tens maximala styrka, och av att nämnda puls till sändarspolen endast består av en till flera hela i huvudsak sinusformade perioder, företrädesvis en till två hela perioder, således med en varaktighet väsentligt kortare än nämnda magnetfälts varaktighet.

Vidare avser uppfinningen en anordning för sändning och mottagning av elektro- magnetiskt alstrade och mottagna pulser av ultraljud, främst vid oförstörande provning, innefattande en eller flera elektromagneter för alstring av ett eller flera magnetfält, samt en sändarspole och en mottagarspole placerade vid var sin elektromagnets eller samma elektromagnets poler, samt anordningar för att förse nämnda elektromagneter och sändarspole med energi, där sistnämnda anord- ningar innefattar en första pulsgenerator anordnad att tillföra energi till elektromagneten eller -magneterna i form av en puls under en kort tid jämfört med tiden mellan två efter varandra kommande pulser, och innefattar en andra pulsgenerator anordnad att en kort tid därefter, vid eller omkring det av elek- tromagneten eller -magneterna alstrade magnetfältets eller -fältens maximum tillföra nämnda sändarspole en puls av ultraljudfrekvens och utmärkes av att den andra pulsgeneratorn är anordnad att avge en ultraljudpuls med väldefini- erad längd, företrädesvis en till två hela perioder, således med en varaktig- het väsentligt kortare än nämnda magnetfälts varaktighet, samt av att avkänn- ingsanordningar förefinns anordnade att på känt sätt, efter det att sistnämnda puls tillförts sändarspolen, avkänna nämnda mottagarspole likaledes vid eller omkring det av elektromagneten eller -magneterna alstrade magnetfältets eller -fältens maximum.

Nedan beskrives uppfinningen närmare i samband med bifogade ritningar, där - fig. l visar ett blockschema över en anordning enligt uppfinningen, - fig. 2 visar ett kopplingsschemn över en föredragen utföringsform av en pulsgenerator för en elektromagnet, - fig. 3 visar ett kopplingsschema över en föredragen utföringsform av en puls- generator för en sändarspole, - fig. R visar en kurva över clvktromnnnclcn. mngnellällstyrkn och en ultra- ljudpuls, som funktion av tiden. 7811511-0 k/J I fig. 1 visas en Första elektromagnet 1 avsedd att användas vid sändning och en andra elektromagnet 2 avsedd att användas vid mottagning, båda med tillhör- ande lindningar 3 resp. Ä.

Elektromagneternas 1,2 magnetkärnor är företrädesvis av ferromagnetiskt mate- rial och är utförda så att virvelströmmar i dessa undvikes. Företrädesvis är magnetkärnorna laminerade, men även kärnor uppbyggda av Ferromagnetiskt pulver eller trådar kan användas.

Elektromagneternas 1,2 lindningar 3,Ä är anslutna till en första pulsgenerator 5, anordnad att alstra korta, mycket kraftiga pulser. Pulsernas längd är före- trådesvis 0,5 - 100 ms.

En föredragen utföringsform av pulsgeneratorn visas i fig. 2. Pulsgeneratorn är ansluten till och styres av en programmerad tidskrets 6 av lämplig känd typ.

Nämnda tidskrets är även anordnad att styra en andra pulsgenerator 7, visad i fig. 3, vilken är anordnad att generera pulser av ultraljudfrekvens till en sän- darspole 8. Sändarspolen 8 är så placerad relativt den första elektromagneten l, att sändarspolen 8 kommer att befinna sig i maqnetfältet från den första elekt- romagneten 1.

Enligt en föredragen utföringsform av sändarspolen 8 är denna utformad som en ändlös bana, såsom en löparbana, sedd ovanifrån, varvid dess räta delar befinner sig under magnetkärnans l poler.

Den första pulsgeneratorn 5, visad i tig. 2, innefattar en transformator 9 en diodlikriktare 10, en kondensator ll eller kondensatorkrets med en stor kapaci- tens, exempelvis 10 mF, samt en tyristor 12. Vidare förefinns två reläer l3,lh Från vilka ledare 15,16 tillsammans med en ledare 17 ansluten efter likriktaren 10, är anslutna till en som ett block visad jämförelsekrets 18a_Jämförelsekrets- en 18 är anordnad att utvärdera pulslängd och uppladdning av kondensatorn ll.

Jämförelsekretsen 18 utgöres av en lämplig känd krets.

Nämnda tyristors 12 styrledare 19 är via en transformator 20 ansluten till nän- da tidskrets 6. Vidare förefinnes resistanser 21-25 och säkringar 26-29 av olika styrka. Utgången 30 är ansluten direkt till elektromagneternas 1,2 lindningar 3,Ä och ingången 31 är ansluten till en spänningskälla, lämpligen nätspänning.

Elektromagneternas líndningar är inbördes parallellt anslutna till den första pulsgeneratorn. Lindningarna kan istället vara seríeanslutna. Lindningarna kan även matas från separata enheter.

TSllEH-Û h Den i fig. 2 visade kretsens funktion är följande: Vid uppladdning, medelst likspänning från likriktaren lO, av kondensatorn li är tyristorn l2 spärrad.

Efter uppladdningen avges en styrpuls från tidskretsen 6 till tyristorn 12 via ledaren 19, varvid kondensatorn ll urladdas genom elektromagneternas l,2 lindningar 3,ü. Därefter uppladdas kondensatorn ll åter, en ny urladdning följer o.s.v.

Den andra pulsgeneratorn 7, visad i fig. 3, innefattar en variabel spännings- delare 32 bestående av resistanser 33, från vilken en ledare 34 är ansluten via en resistans 35 och en kondensator 36 till omkopplingselement såsom ett vakuumgaprör 37. Vidare innefattas en huvudkondensator 38 eller kondensator- krets och en shuntkrets 39 bestående av dioder #0 och RC-kretsar ål. En tyris- tor #2 utgör tillsammans med resistansen 35, kondensatorn 36 och en ytterliga- re resistans Å3 en urladdningskrets för tändning av vakuumgaprörets 37 trigger- elektrod.

Vidare förefinns en krets åh bestående av dioder #5, resistanser #6 och en kon- densator Ä7 avsedd att dämpa spänningstoppar över vakuumgapröret 37 och shunt- kretsen 39.

Parallellt över sändarspolen 8 förefinns en RC-krets 58, vilken är avstämd att dämpa ut frekvenser över nämnda ultraljudfrekvens. ingången 48 till kretsen är ansluten tili en likspänningskälla med hög spänning, exempelvis 1500 volt, och utgången Å9 är ansluten direkt till nämnda sändarspole 8.

Den andra pulsgeneratorns 7 principiella funktion är följande.

Kondensatorn 38 uppiaddas helt, genom en resistor 50. Samtidigt laddas konden- satorn Å7 upp till samma spänning och vidare laddas kondensatorn 36 upp till en spänning given av nämnda spänningsdelare. En kort puls via tyristorns 42 styrledare 51 öppnar denna, varvid kondensatorn 36 urladdas, varigenom en nega- tiv spänning uppträder på vakuumgaprörets 37 trigger-elektrod. Därvid tändes röret 37, varvid kondensatorn 38 urladdas genom sändarspolen 8, varefter induk- tansen i spolen 8 åter uppladdar kondensatorn 38 med omvänd polaritet. Konden- satorn 38 omladdas därefter till sin ursprungliga polaritet genom shuntkretsen 39 och spolen 8, men när denna omladdning är klar kan vidare omladdningar hind- ras om vakuumgapröret 37 har återfått sin blockeringsförmåga, d.v.s. om den ej genomtänder. Vidare är shuntkretsen 39 spärrad, varför signalen helt utsläckes.

Härvid har således en hel sinusvåg alstrats, varefter ingen ström flyter genom sändarspolen 8, såsom tydligt framgår erhålles en kort och mycket väldefinierad 5 7811511-0 puls av ultraljudfrekvens.

Ovan innefattar den som exempel visade utföringsformen av den andra pulsgene- ratorn ett vakuumgaprör. Andra omkopplíngselement såsom ett relä, en tyristor, eller andra halvledarkomponenter liksom gasurladdníngsrör kan användas, var- för uppfinningen inte skall anses begränsad till användande av ett vakuumgap- rör.

Den ultraljudfrekvens, som härvid åsyftas är under 2MHz, företrädesvis 50 kHz till 500 kHz.

Genom lämplig vald genombrottsspänning för vakuumgapröret 37 och smärre lämp- liga förändringar hos kretsen i övrigt kan varje puls fås att omfatta ett fler- tal hela sinusformade perioder liksom endast en halv period. Härvid avpassas bl.a. vakuumgapröret 37 till kondensatorn 38 så att kondensatorn har tillräck- ligt hög spänning för att tända vakuumgapröret flera gånger än en gång. Enär den i fig. 3 visade pulsgeneratorn endast utgör ett utföringsexempel skall så- ledes inte uppfinningen anses begränsad till ett utförande där endast en hel period genereras.

Enligt en föredragen utföringsform genereras en till två hela perioder.

En mottagarspole 52 förefinns placerad under den andra elektromagneten 2 på samma sätt och företrädesvis med samma konfiguration som sändarspolen 8.

Strömpulser i sändarspolen 8 inducerar en liknande varierande ström i ytlagret av provmaterialet 53. När ett negnetfält B existerar I en ledare och en ström- styrka I samtidigt flyter i ledaren (d.v.s. provmateríalet) utbildas en kraft F, en s.k. Lorentz~kraft, på ledaren lika med F = 1 x B, där l har dimensionen A/m2 och B lesia. i föreliggande fall är kraften oscillerande med ultraljudfrekvens, varvid så- ledes ultraljud introduceras i provmaterialet. När ultraijudet, efter att ha reflekterats, når mottagaren 2,4,52 genererar ultraljudvâgorna, enligt Faraday's induktionslag en motsvarande elektromotorisk kraft, som ger en varierande signal i mottagarspolen 52.

Denna mottagna signal passerar genom ett förefintligt högpassfilter 53 i syfte att eliminera komponenter med låg frekvens. Därefter förstärkes signalen i en förstärkare SÅ, varefter resultatet behandlas och/eller åskådliggöres i en där- för avsedd enhet S5 såsom t.ex. en databehandlingsenhet och/eller ett oscillo- skop eller liknande.

Ovan har ett arrangemang med två elektromagneter l,2 beskrivits, Emellertid 7811511-0 e kan för vissa tillämpningar endast en elektromagnet användas, vid vilken både sändarspole och mottagarspoie anordnas.

Vid känd ultraljudsteknik medelst eiekromagnetšskt ultraljud är de utsända pulserna av en odefinierad längd, beroende på att en svans bildas efter den egentliga pulsen. Längden hos denna svans är i allmänhet sådan att den påverk- ar mottagaren under den tid mottagaren är avsedd att mottaga reflexer från den egentliga pulsen. Detta medför att brusnivån och/eller störningsnivån blir hög.

Vad gäller provning av icke magnetiska material medför den kända tekniken en så hög brusnivå att man svårligen kan urskilja den egentliga signalen.

Emellertid är det för många fall otillräckligt att utsända en puls med välde- finierad längd eftersom magnetfälten från elektromagneterna inte är tillräck- ligt starka. Orsaken till detta är att en elektromagnet som utsänder ett till- räckligt kraftigt magnetfält är komplicerad att kyla, delvis beroende på de största dimensioner den tillåts ha och den miljö, i vilken provning sker. Ett exempel på sådan provning är provning av stål över Curie-temperaturen, d.v.s. då stålet är icke magnetiskt. Vidare är kylda elektromagneter med tillhörande kylanordningar relativt dyra.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommas ett pulsat magnetfält, vars varak- tighet är kort relativt avståndet mellan magnetfältspulserna, under vilka pul- sers maximum en väldefínierad ultraljudpuls utsändes och mottages. Under dessa förhållanden höjs signal/brus-nivån högst avsevärt.

Genom att det pulsade magnetfältet har kort varaktighet, exempelvis 5 ms, vid en pulsrepetition av l0 per sekund, kan mycket starka magnetfält utbildas utan att nämnvärd uppvärmning av elektromagneterna sker.

Elektromagneterna l,2 är enligt föreliggande uppfinning luftkylda. Tryckluft bringas härvid strömma runt magnetkärnan, från ett icke visat lämpligt känt tryckluftaggregat. l fig. 4 visas schematiskt två diagram med samma tidsskala. Det övre visar elektromagneternas magnetfältstyrka B som funktion av tiden och det undre strömmen i genom sändarspolen som funktion av tiden.

Tiden t] är väsentligt mindre än tiden t3. Vidare är tiden t3 väsentligt mind- re än tiden tz.

Såsom exempel kan nämnas följande tidsintervall: 0,5)1s é t] få l00 fis; 50 ns så t2 5; 2000 ms; 0,5 ms :E t3 så 100m _ Typiska värden är företrädes- vis Ll = l0)Js, tz = 500 ms och LB = l0 ms. __..- -.. .._........ , 7s11s11~o Når ovanstående tider användes tillförsäkras att sändning av en puls är helt avslutad före det att mottagning av en reflekterad ultraljudvåg sker. Likaledes tillförsäkras även att ultraljudvågen är utsläckt före det att nästa sändning sker. Vidare sker även mottagning vid eller omkring magnetfältets maximum.

Funktionen hos anordningen ges nedan i korthet.

Tidskretsen 6 avger en puls till den första pulsgeneratorn 5 via transformatorn 20, varvid eiektromagneterna l,2 alstrar nämnda magnetfält. En puls avges här- efter från tidskretsen 6 till den andra pulsgeneratorn 7 via dess trigger-ingång 56 till tyristorn H2, varvid en eller flera hela sinusformade perioder matas till sändarspoien 8. Sistnämnda puls avges vid eller omkring magnetfältets maxi- v mum. Den 1 provmaterialet alstrade ultraljudvågen reflekteras mot ett fel eller en vägg och ger efter reflektion upphov till en signal i mottagarspolen 52, vil- ken signal utvärderas och/eller åskådliggöres.

Tidskretsen 6 kan på känt sätt utföras att i en förutbestämd tidsordning av- giva nämnda pulser eller utföras att avge pulsen till den första pulsgeneratorn i en förutbestämd tidsordning och avge pulsen till den andra pulsgeneratorn när magnetfältet eller -fälten nått avsedd styrka. I sistnämnda fall kan magnetfäl- tets styrka utläsas ur en signal från en utgång S7 från den första pulsgenera- torn 5, se fig. 2. Den programmerade tidskretsen 6 kan även innehålla lämplig databehandlingsutrustning, från vilken olika sekvenser av pulser styres.

Genom föreliggande uppfinning, där ett magnetfält alstras under kort tid, under vilken tid en väsentligt kortare och avseende längd väldefinierad puls med ult- raljudfrekvens utsändes och mottages, höjes signal/brus-förhållandet avsevärt, samtidigt som behovet av kylning av elektromagneten eller magneterna blir litet trots höga pålagda effekter. Genom uppfinningen åstadkommas således ett enklare förfarande och en enklare anordning för utnyttjande av elektromagnetiskt ultra- ljud än tidigare känt.

Givetvis kan föreliggande uppfinning modifieras utan att uppfinningstanken från- gås. Exempelvis kan pulsgeneratorernas uppbyggnad förändras. En eller flera elekt- romagneter kan användas. Sändarspolen och mottagarspolen kan vara densamma, var- vid en omkopplingsanordning förefinns mellan högpassfiltret resp. den andra puls- generatorn och spolen för omkoppling från sändning till mottagning.

Uppfinningen skall således inte anses begränsad till ovan angivna utföringsform utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram. 7811511-0 8 Föreliggande uppfinning är exemplifíerad med ultraijud som reflekteras i mate- riaïet, men kan även användas för det fall att ultraljudet transmitteras genom provmateríalet.

Claims (5)

1. . ........~--....-..-..arv-u---_~_-a----- 7811511-0 9 gH/gENTKR/iv l. Förfarande för sändning och mottagning av elektromagnetiskt alstrade och mottagna pulser av ultraljud, främst vid oförstörande provning av elektriskt ledande materiel, speciellt stål med en temperatur över Curie-temperaturen, innefattande att alstra ett eller flera magnetfält, medelst en eller flera elektromagneter (1,2 3,Å) och att tillföra en sändarspole (8) i nämnda magnetfält en signal av ultra- ljudfrekvens, samt att avkänna en mottagarspole (52) i nämnda magnetfält, där nämnda magnetfält medelst en första pulsgenerator (S) alstras under en kort tid jämfört med tiden mellan två efter varandra uppträdandc magnetfält och där en puls av ultraljud- frekvens alstras medelst en andra pulsgenerator (73 och tíllföres nämnda sändarspole (8) vid eller omkring magnetfältets eller -fältens maximala styrka k ä n n e t e c k - n a t a v, att pulsen av ultraljudfrekvens är en i längd väldefinierad puls och av att mottagarspolen (52) därefter på i och för sig känt sätt avkännes likaledes omkring eller vid magnetfältets eller -fältens maximala styrka, och av att nämnda puls till sändarspolen (8) endast består av en till flera hela i huvudsak sinusform- ade perioder, företrädesvis en till två hela perioder, således med en varaktighet vä- sentligt kortare än nämnda magnetfälts varaktighet. _

2. Förfarande enl. krav l, där en prcgrammerad tidskrets (6) Éringas avge en första puls till nämnda första pulsgenerator (5) avsedd att generera nämnda magnet- fält och därefter en ytterligare, andra puls till nämnda andra pulsgenerator (7) av- sedd att generera nämnda puls av ultraljudfrekvens, där sistnämnda puls bringas att avges vid eller omkring magnetfältets eller -fältens maximala styrka, k ä n n e - t e c k n a t a v, att nämnda väldefinierade puls bringas att genereras i den andra pulsgeneratorn (7) genom att en kondensator (38) eller kondensatorkrets bringas att urladdas genom sändarspolen (8) via ett omkopplíngselement såsom ett vakuumgaprör (37), varefter kondensatorn (38) bringas att urladdas genom sändarspolen (8) via en shuntkrets (39) innefattande dioder (M0), och av att kondensatorn (38) ånyo en eller flera gånger urladdas via vakuumgapröret (37) och därefter shuntkretsen (39) förut- satt att kondensatorns (šß) spänning är tillräckligt hög för att ledas via vakuum- gapröret (37), varefter pulsen helt utsläckes.

3. Förfarande enl. krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a L a v, att magnet- fältet eller -fälten bringas att ha en varaktighet av 0,5 ms till 100 ms, företrädes- vis l0 ms och av att nämnda puls till sändarspolen (8) bringas att ha en varaktig- het av 0,5 gs till 100 gs, företrädesvis 10 gs. Å. Anordning för sändning och mottagning av elektromagnetiskt alstrade och mottagna pulser av ultraljud, främst vid oiörstörande provning, innefattande en eller flera elektromagneter (l,2,3,b) för alstring av ett eller Flera magnetfält, samt en sändarspole (8) och en mottagarspole (52) placerade vid var sin elektro- magnets eller samma elektromagnets poler, samt anordningar för att förse nämnda ...--v»---.-|v--......VVVV-. ..._ ..~.«.-«-----.-..-,f---> a lfi 78il5ll~Û elektromagneter (l,2,3,ü) och sändarspole 58) med energi, där sistnämnda anord~ ningar innefattar en första pulsgenerator i5) anordnad att tillföra energi till elektromagneten (l,Z,3.

4. ) eller -magneterna i form av en puls under en kort tid jämfört med tiden mellan två efter varandra kommande pulser, och innefattar en andra pulsgenerator (7) anordnad att en kort tid därefter, vid eller omkring det av elektromagneten (l,2,3,h) eller -magneterna alstrade magnetfältets eller -fäl- tens maximum tillföra nämnda sändarspole (3) en puls av ultraljudfrekvens, k ä n - n e t e c k n a d a v, att den andra pul-generatorn (7) är anordnad att avge en ultraljudpuls med väldefinierad längd, företrädesvis en till två hela perioder, således med en varaktighet väsentligt kortare än nämnda magnetfälts varaktighet, samt av att avkänníngsanordningar (5Ä,55) rörefinns anordnade att på känt sätt. efter det att sistnämnda puls tillförts sändarspolen, avkänna nämnda mottagarspole (52) likaledes vid eller oml<ñng det av elektromagneten (l,2,3,h) eller -magneter* na alstrade magnetfältets eller -fältens maximum.

5. Anordning enl. krav Ä, k ä n n e t e c k n a d a v, att den andra puls- generatorn (7) innefattar ett omkopplingselement såsom ett vakuumgaprör (37) och en kondensator (38) eller kondensatorkrets i serie med nämnda sändarspole (8), samt innefattar en shuntkrets (39) innefattande en mot vakuumgaprörets (37) led- ningsrikining riktad diodkrets, samt av att företrädesvis en tyristor (#2) före- finns anordnad att i ledande tillstånd påverka vakuumgaprörets (37) triggerelek- trod så att röret tänder, varvid då nämnda andra puls tillföres från tidskretsen (6) kondensatorn (38) urladdas via vakuumgapröret (37) genom sändarspolen (8) och därefter via shuntkretsen (39) genom sändafspolen (8), varefter kondensatorn (38) ånyo en eller flera gånger urladdas via vakuumgapröret (37) Och därefter shuntkretsen (39) förutsatt att kondensatorns (38) spänning är tillräckligt hög för att ledas via vakuumgapröret (37), varefter pulsen helt utsläckes.