УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC TRANSDUCER

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к неразрушающему ультразвуковому контролю и, может быть использовано для контроля изделий, в том числе для контроля изделий в потоке производства.
Известно, что для обеспечения достоверности контроля, необходимо создать надежный акустический контакт измерительного устройства с контролируемым изделием. При осуществлении контроля в потоке производства наилучший результат можно получить при использовании иммерсионной ванны. В патенте РФ №2140629, МПК G01N 29/04 предложено для контроля листового проката в потоке производства заглублять часть рольганга в иммерсионную ванну таким образом, чтобы профиль рольганга образовал прогнутую кривую, форма которой совпадает с формой упругой линии контролируемого листа при его прохождении по рольгангу, при этом ультразвуковые датчики размещают в жидкости. Такой прием годится не для всех изделий, а только для достаточно гибких, таких как листовой прокат, и совершенно не пригоден для контроля длинномерных не гибких изделий таких, например, как трубы.
Более распространен ультразвуковой контроль, при котором каждый датчик имеет с контролируемым объектом индивидуальный жидкостной контакт. Известны разные конструкции преобразователей, в которых реализуется такой прием. Рассмотрим одну из них, защищенную патентом US №3946599, МПК G01N 29/04, наиболее часто используемую. В корпусе преобразователя, заполненного жидкостью, установлен блок пъезодатчика. Поверхность пъезодатчика контактирует с жидкостью. Отверстие корпуса, обращенное в сторону контролируемого изделия, закрыто пористой мембраной, которая удерживается в этом отверстии внешним прижимом. Прижим снабжен выступами, которые контактируют с поверхностью контролируемого изделия и образуют узкий замкнутый объем между мембраной и контролируемой поверхностью. Этот объем заполнен жидкостью. Таким образом акустический сигнал проходит через жидкость в корпусе, мембрану и слой жидкости между мембраной и контролируемым изделием. Достоинством такого преобразователя является то, что жидкость, которая является проводником ультразвука, находится практически в неподвижном состоянии, так как через мембрану проходит очень небольшое ее количество, поэтому и поступление в корпус происходит в очень небольших количествах, практически не вызывая турбулентных явлений. Но такие преобразователи можно использовать только для контроля изделий с очень гладкой поверхностью. Неровности поверхности, например коробоватость металла, могут механически разрушить корпус преобразователя. Этот недостаток уменьшается при формировании полости с жидкостью гофрированной насадкой. Но требования к качеству контролируемой поверхности остаются высокими.
Более независимы от качества контролируемой поверхности струйные преобразователи.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и решаемой задач к предлагаемому является ультразвуковой струйный преобразователь, описанный в патенте US №3564903, МПК G01N 29/04, G01N 29/24, G01N 29/28.
Известный преобразователь (фиг.1 патента №3564903) содержит корпус, в котором размещен акустический блок с задающим генератором… Корпус заполнен водой, которая поступает со стороны, противоположной выходному отверстию, напротив которого расположена излучающая поверхность акустического блока, например, пьезопластина. В выходном отверстии корпуса, выполненного напротив пьезопластины, установлена втулка, внутренний диаметр которой сужается до размера не менее диаметра датчика, на стенках которой установлены продольные ребра, высота которых уменьшается до нулевых размеров к меньшему диаметру втулки.
При контроле изделий акустический сигнал от пьезопластины проходит через жидкость в корпусе, затем через жидкость во втулке и далее по водяной струе попадает в контролируемое изделие. В этом случае сам преобразователь отдален от изделия на величину струи. Для того чтобы избежать искажений акустического сигнала необходимо, чтобы на всех трех водных участках, турбулентные явления были минимальны. Для уменьшения турбулентности в известном преобразователе воду в корпус подают сверху с обтеканием нескольких горизонтальных преград, которые уменьшают воздействие падающей воды на воду в корпусе. Также для уменьшения возмущающего воздействия полость корпуса с водой делают достаточно большой для увеличения массы воды. Для создания ламинарного потока во втулке в ней устанавливают продольные ребра, а длина втулки и наличие ребер обеспечивают ламинарную струю воды.
Недостатком известного устройства является невозможность настройки преобразователя в рабочем режиме. Это вызвано тем, что вода подается с той же стороны, с какой происходит настройка датчика. Также недостатком является сложность конструкции ультразвукового преобразователя. Это вызвано тем, что для уменьшения турбулентных явлений в жидкости используется конструктивно сложная система подачи воды в камеру, которая не достаточно хорошо справляется с этой задачей. При используемом способе подачи воды происходят достаточно большое ее возмущение. Это объясняется тем, что в камеру, в которой расположен акустический блок, вода поступает по ее периферии, и сталкивающиеся в центре потоки воды образуют воронку. Свой вклад в создание турбулентности вносят и вертикально падающие струи воды. Для того чтобы уменьшить турбулентность, чтобы она не передавалась в струю воды, используется достаточно длинная втулка - чем больше возмущение воды, тем длиннее ламинатор, т.е. сужающаяся втулка с продольными ребрами. Но длина ламинатора ограничивает диапазон частот, в котором можно проводить неразрушающий контроль. Закономерность такая: чем дальше отстоит излучающая поверхность акустического блока от контролируемого объекта, тем меньшую частоту контролирующего сигнала можно использовать, а также скорость движения контролируемого изделия и, следовательно, тем больше будет минимальный размер обнаруживаемого дефекта.
Технической задачей, решаемой изобретением является упрощение конструкции ультразвукового струйного преобразователя, без ухудшения его акустических характеристик.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой преобразователь так же, как и известный, содержит устройство для подачи воды, корпус, открытый на одном конце и снабженный выходным отверстием на противоположном, установленный в корпусе акустический блок с излучающей поверхностью на торце, расположенной напротив выходного отверстия, в котором установлена втулка, внутренний диаметр которой сужается в направлении от торца акустического блока до размера не менее диаметра излучающей поверхности, а внутренняя поверхность втулки снабжена продольными ребрами, высота которых уменьшается до нулевых значений у меньшего диаметра втулки. Но, в отличие от известного, в предлагаемом ультразвуковом преобразователе устройство для подачи воды выполнено в виде впускного отверстия в корпусе со штуцером, излучающая поверхность акустического блока расположена в плоскости, содержащей ось впускного отверстия, а промежуток между акустическим блоком и стенками корпуса от впускного отверстия до открытого конца корпуса заполнен гидроизоляцией.
Технический результат - упрощение конструкции преобразователя достигается за счет того, что при подаче воды в корпус параллельно излучающей поверхности отпадает необходимость создания лабиринтов, замедляющих скорость падения воды в камеру, также отпадает необходимость увеличивать объем камеры для того, чтобы увеличить массу воды в ней и, следовательно, ее инерционность.
Необходимым условием для достижения технического результата является установка излучающей поверхности, например пьезопластины в плоскости, содержащей ось впускного отверстия. Именно в этой части равномерно перемещающегося потока менее всего проявляются турбулентные явления. Перпендикулярное относительно ультразвукового пучка преобразователя направление потока воды позволяет снизить вертикальный размер камеры и приблизить пъезодатчик ко входному отверстию ламинатора, в который вода поступает достаточно ламинарным потоком, и поэтому нет необходимости выполнять его длинным. Таким образом, возникает возможность приблизить пъезопластину к поверхности контролируемого изделия. Следствием этого появилась возможность проводить контроль на более высоких частотах по сравнению с известным устройством, а также увеличить скорость движения контролируемого объекта.
Гидроизоляционный материал используется для того, чтобы жидкость не вытекала из корпуса через открытый конец и тем самым уменьшается количество факторов, влияющих на турбулентность, и не возникает препятствий для настройки ультразвукового преобразователя в рабочем режиме.
Также техническим результатом является упрощение настройки преобразователя, так как отверстие для подачи воды и конец акустического блока конструктивно разнесены.
Совокупность признаков, сформулированная в п.2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором гидроизоляция выполнена в виде втулки, выполненной из гидроизоляционного материала.
Выполнение гидроизоляции в виде втулки позволяет выполнять ее сменной с изменением ее толщины для того, чтобы не привязывать жестко диаметр акустического блока к диаметру полости корпуса, и за счет этого увеличивать универсальность преобразователя.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором часть корпуса со стороны расположения акустического блока выполнена в виде цангового зажима.
Цанговый зажим упрощает настройку преобразователя.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан вид ультразвукового преобразователя сбоку в разрезе;
на фиг.2 - вид сбоку без разреза;
на фиг.3 - вид сверху.
Рассмотрим пример выполнения ультразвукового преобразователя. Он выполнен в виде корпуса 1, открытого с одной стороны. На противоположном конце корпуса выполнено выходное отверстие 2. Внутри корпуса установлен акустический блок 3 (на чертеже его разрез не показан). На торце акустического блока 3, напротив выходного отверстия 2, расположена пьезопластина 4. В выходном отверстии установлена втулка 5. Ее внутренний диаметр сужается в направлении от пьезопластины. Минимальный диаметр втулки не должен быть меньше диаметра пьезопластины для того, чтобы акустический сигнал не отражался от ее стенок. При увеличении размера увеличивается расход воды. На внутренней поверхности втулки выполнены продольные ребра 6, высота которых уменьшается к меньшему отверстию втулки до нулевых значений. Вода в корпус 1 подается через штуцер 7 и впускное отверстие 8 в корпусе. Соотношение положений впускного отверстия 8 и пьезопластины 4, закрепленной на торце акустического блока следующее: пьезопластина располагается в плоскости, проходящей через ось впускного отверстия 8. Акустический блок отделен от корпуса втулкой 9, выполненной из гидроизоляционного материала, например из капролона. При замене одного акустического блока на другой с иным диаметром, втулка заменяется на другую с иной толщиной. Для установки акустического блока 3 в корпусе 1 используют цанговый зажим 10 с винтами 11.
Вода, попадая в корпус через отверстие 8 выливается через сужающееся отверстие втулки 5 с ребрами 6, образуя ламинарную струю. Состояние водной среды на всех трех участках проверялось в рабочем режиме преобразователя по флуктуациям электронного сигнала, принятого от контролируемого изделия. Для проверки качества преобразователя использовался ультразвуковой контроль длинномерных прутков эхометодом. Диаметр минимального искусственного проверочного дефекта был равен 1,1 мм. Для обнаружения столь малого дефекта можно использовать только высокочастотные преобразователи. Испытания проводились ультразвуковым преобразователем, частота которого равна 6 МГц. При этом были выбраны следующие параметры устройства: размер пьезопластины равен 8 мм, ее расстояние до втулки - 8 мм, длина втулки - 15 мм, максимальная высота ребер - 2 мм, выпускной диаметр втулки - 9 мм. Диаметры впускного отверстия для воды и большего размера втулки равны. Длина струи составляла 15 мм. Контролируемое изделие перемещалось со скоростью 2 м/с, контроль проводился 10 раз. При всех испытаниях флуктуации принятого сигнала не превышали шумовых аппаратурных значений, и контрольный дефект определялся во всех испытаниях.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что, несмотря на значительное упрощение устройства, рассматриваемый преобразователь позволяет надежно контролировать изделия в потоке производства даже на высоких частотах и скоростях движения объекта контроля. К тому же подача воды на уровне расположения пьезопластины позволяет производить настройку датчика в рабочем режиме.