ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROMAGNETIC-ACOUSTIC TRANSDUCER

Задачей заявляемого изобретения является создание бесконтактного устройства, что позволит повысить выявляемость разноориентированных дефектов за счет применения различных направлений поляризации, а это приведет к снижению числа аварий.
В настоящее время известны некоторые конструкции электромагнитно-акустических преобразователей для неразрушающего определения действующих механических напряжений и нахождения несплошностей.
Так, известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий намагничивающее устройство с полюсом, параллельным поверхности контролируемого изделия, и две плоские катушки, электрически изолированные друг от друга и расположенные под полюсом одна над другой таким образом, что витки одной катушки направлены под углом 90° к виткам другой катушки (Патент RU 134658, G01N 29/04, 2013). Данная схема позволяет выявлять дефекты, ориентированные под углами от 0° до 30°, от 60° до 120° и от 120° до 150° к нормали от направления поляризации на одном уровне чувствительности. Если же дефект расположен под углами от 30° до 60° или от 120° до 150°, амплитуда сигнала этого дефекта будет ниже, что приведет к снижению достоверности контроля.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является электромагнитно-акустический преобразователь (патент RU №2441230, G01N 29/04, 2010), содержащий намагничивающее устройство в виде сплошного цилиндрического постоянного магнита и две плоские катушки в форме меандра, электрически изолированные друг от друга и расположенные под магнитом одна над другой. Витки одной плоской катушки направлены под углом 90° к виткам другой катушки.
Недостатком устройства-прототипа является то, что преобразователь не позволяет выявлять разнонаправленные дефекты на одном уровне чувствительности, что в свою очередь снижает достоверность контроля.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - возбуждение горизонтально поляризованных ультразвуковых волн с различным направлением поляризации, обеспечивающая «зону захвата» в 360°. Это позволит обнаруживать дефекты произвольной ориентации в плоскости поляризации.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция электромагнитно-акустического преобразователя обеспечивает генерацию механических колебаний с поляризацией ультразвуковых волн в плоскости, параллельной поверхности ввода, под углом 120° относительно друг друга.
Это достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе, содержащем магнитную систему в виде постоянного магнита и три плоские катушки, электрически изолированные друг от друга и расположенные под магнитом одна под другой, постоянный магнит выполнен в виде сплошного цилиндра при отношении его диаметра к высоте 1:3, витки одной плоской катушки направлены под углом 120° к виткам другой катушки, а диаметр окружности, описывающей витки каждой катушки, равен диаметру постоянного магнита.
Заявляемый электромагнитно-акустический преобразователь за счет отсутствия влияния состояния поверхности объекта контроля и отсутствия влияния контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля на результат измерений дает возможность повысить достоверность результатов контроля.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что аналоги, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения, не обнаружены, а из перечня аналогов подобран прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков, что позволило определить отличительные признаки заявляемого технического решения. По мнению заявителя, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна» по действующему законодательству.
Предлагаемое техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники, поэтому оно соответствует критерию «изобретательский уровень». Для подтверждения промышленной применимости изобретения представлен чертеж, поясняющий работу электромагнитно-акустического преобразователя.
Электромагнитно-акустический преобразователь состоит из магнитной системы 1 в виде постоянного магнита, при этом постоянный магнит выполнен в виде сплошного цилиндра диаметром D и высотой Н при соотношении D/H как 1/3, и трех плоских катушек 2, 3 и 4, электрически изолированных друг от друга и расположенных под магнитом 1 одна под другой. Витки катушки 3 направлены под углом 120° к виткам катушки 2, а витки катушки 4 направлены под углом 120° к виткам катушки 3. Диаметр окружности D1, описывающей витки каждой катушки, равен диаметру D постоянного магнита 1.
Далее на чертеже обозначены: 5 - изделие; N, S - полюса магнита 1, В - направление магнитного поля; J2, J3, J4 - направления вихревых токов в поверхностном слое изделия 5 от, соответственно, катушек 2, 3 и 4; FJI2, FЛ3, FЛ4 - направления действия сил Лоренца.
Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом.
Для возбуждения поперечной (сдвиговой) волны он имеет магнитную систему с постоянным магнитом 1 цилиндрического типа, обеспечивающую магнитный поток по нормали к поверхности изделия 5, и индуктор виде трех катушек 2, 3 и 4 в форме меандра, причем витки плоских катушек расположены под углом 120° по отношению друг к другу. В результате взаимодействия наведенного вихревого тока J2 от катушки 2 и магнитного поля В в поверхностном слое материала изделия 5 возникают силы Лоренца FЛ2, направленные нормально по отношению к линиям вихревого тока J2. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца FЛ2. Для возбуждения волны с другой поляризацией на катушку 3 подается напряжение, в результате чего в поверхностном слое материала изделия 5 возникают вихревые токи J3, которые при взаимодействии с магнитным полем В образуют силу Лоренца FЛ3, которая направлена нормально по отношению к линиям вихревого тока J3. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца FЛ3. Для возбуждения волны с третьей поляризацией на катушку 4 подается напряжение, в результате чего в поверхностном слое материала изделия 5 возникают вихревые токи J4, которые при взаимодействии с магнитным полем В образуют силу Лоренца FЛ4, которая направлена нормально по отношению к линиям вихревого тока J4. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца FЛ4.
Прием ультразвуковых колебаний, прошедших через изделие 5 и отразившихся от его противоположной поверхности, происходит по обратному ЭМА-преобразованию, т.е. преобразованию акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы. По временам прохождения ультразвуковых колебаний до противоположной поверхности изделия и обратно можно судить о напряженном состоянии объекта.
Попеременная подача напряжения на катушки 2, 3 и 4 приводит к возбуждению поперечных волн с разными поляризациями. Это позволяет избежать поворота электромагнитно-акустического преобразователя вокруг своей оси, что вызывает изменение позиционирования электромагнитно-акустического преобразователя относительно изделия 5, т.е. одним электромагнитно-акустическим преобразователем можно возбуждать волны трех различных поляризаций, а следовательно, повысить выявляемость разноориентированных дефектов. Другой особенностью предлагаемого изобретения является возможность автоматизации процесса выявления разноориентированных дефектов.
Что касается размеров постоянного магнита и катушек, то они выбраны из следующих соображений. При отношении D к Н 1:1 постоянное магнитное поле будет недостаточным для возбуждения УЗ колебаний требуемой амплитуды. При отношении D к Н больше 1:3 амплитуда УЗ колебаний незначительно возрастает, что не сильно сказывается на результате измерений, а массогабаритные характеристики увеличиваются значительно, что нерационально. Таким образом, отношение D к Н, равное 1:3, является оптимальным. Что касается катушки, при диаметре катушки меньше диаметра постоянного магнита, то есть D1 меньше D, интенсивность УЗ волны недостаточна, что снижает достоверность контроля, при D1 больше D необоснованно увеличиваются размеры преобразователя. Таким образом, предложенный электромагнитно-акустический преобразователь соответствует критерию «промышленная применимость» в соответствии с действующим законодательством.