ИНДУКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
INDUCTION TRANSDUCER

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.
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].
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.
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.
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.
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.
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.
Цель изобретения - повышение эффективности выявления дефектов при магнитной дефектоскопии.
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.
с
п
п
с
п
Дополнительно, поставленная цель достигается благодаря тому, что длина L стержня, длина L и толщина T пластины биморфного пьезоэлемента выбираются из соотношений 25≥L/T≥15; 1≥L/L≥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.
с
п
п
с
п
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 стержня, длину L и толщину T пластины биморфного пьезоэлемента рекомендуется выбирать из соотношений 25≥L/T≥15; 1≥L/L≥0,5.
п
с
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 и толщина Т пластины 2 биморфного пьезоэлемента, а также длины L стержня 3.
с
п
п
с
п
Для обеспечения вибрации катушки индуктивности 3 с необходимой частотой (порядка 500 Гц) и амплитудой (порядка 0,2…0,4 мм) рекомендуется выбирать длину L стержня, длину L и толщину Т пластины биморфного пьезоэлемента из соотношений 25≥L/T≥15; 1≥L/L≥0,5.
п
п
п
п
с
п
с
п
с
п
Выбор рекомендуемых соотношений определяется следующим образом. Увеличение отношения L/T приводит к уменьшению резонансной частоты и при отношении L/T>25 попасть в частотный диапазон, обеспечивающий приемлемую абсолютную чувствительность не удается. С другой стороны, при уменьшении отношения L/T снижается достигаемая амплитуда вибрации и при отношении L/T<15 получить вибрацию конца стержня 3 требуемой амплитуды не удается. При увеличении отношения L/L уменьшается резонансная частота системы «пластина 2 - стержень 3» из-за уменьшения ее жесткости. С другой стороны, при уменьшении отношения L/L снижается достигаемая амплитуда вибрации. Необходимое сочетание достигаемой амплитуды и резонансной частоты вибрации достигается при рекомендуемом соотношении 1≥L/L≥0,5.
н
н
Контролируемый объект 6 с дефектом 7 намагничивают с помощью намагничивающего устройства (не показано) и создают магнитный поток Ф 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. 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.
н
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. При этом будут регистрироваться изменения тангенциальной составляющей магнитного потока рассеяния 8.
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.
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.
Технические преимущества заявляемого индукционного преобразователя заключаются в следующем.
1. Возможность получать сигналы, пропорциональные изменению напряженности магнитного поля на расстояниях от поверхности контролируемого объекта до 3 мм.
2. Высокая абсолютная чувствительность.
3. Независимость результатов измерения от скорости сканирования.
4. Возможность плавной регулировки амплитуды вибрации, определяющей оптимальные условия регистрации сигналов, связанных с дефектами.
Совокупность отмеченных преимуществ, определяет более высокую эффективность контроля при использовании заявляемого индукционного преобразователя.
Источники информации
1. Патент РФ №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.
3. Пастушенков А.Г. Измерительные преобразователи. Часть 1. Гальваномагнитные и индукционные преобразователи. Учебное пособие. - Тверь: Тверской гос. Ун-т, 2001. - С. 76-78 (прототип).