ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ УСТРОЙСТВА ВРАЩАТЕЛЬНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И УСТРОЙСТВО ВРАЩАТЕЛЬНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ, В КОТОРОМ ОН ИСПОЛЬЗУЕТСЯ
ROTARY TRANSFORMER FOR ULTRASONIC INSPECTION ROTARY DEVICE AND ULTRASONIC INSPECTION ROTARY DEVICE WHERE THIS TRANSFORMER IS USED

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к вращающемуся трансформатору для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии и устройству вращательной ультразвуковой дефектоскопии, в котором он используется. В частности, настоящее изобретение относится к вращающемуся трансформатору для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, обладающего высокой эффективностью передачи сигнала даже при передаче сигнала для использования во вращательной ультразвуковой дефектоскопии, и устройству вращательной ультразвуковой дефектоскопии, в котором он используется.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В уровне техники известно устройство вращательной ультразвуковой дефектоскопии, посредством которого осуществляется дефектоскопия при вращении ультразвукового зонда в направлении окружности испытуемого материала, имеющего форму трубы или бруса.
Как показано на фиг. 1, обычное устройство вращательной ультразвуковой дефектоскопии включает в себя: ультразвуковой зонд 1 для передачи/приема ультразвуковой волны в/из испытуемый/ого материал/а S; держатель 2 зонда, который с присоединенным к нему ультразвуковым зондом 1 выполнен с возможностью вращения в круговом направлении испытуемого материала S; ультразвуковой дефектоскоп 3 для управления передачей/приемом ультразвуковой волны на/от ультразвуковой/ого зонд/а 1 и дефектоскопии испытуемого материала S на основании эхосигнала, принятого на ультразвуковом зонде 1; и блок 4 передачи сигнала для передачи сигнала между ультразвуковым зондом 1 и ультразвуковым дефектоскопом 3.
В устройстве вращательной ультразвуковой дефектоскопии, имеющем вышеописанную конфигурацию, за счет прямолинейного перемещения испытуемого материала S в продольном осевом направлении и вращения держателя 2 зонда и, таким образом, ультразвукового зонда 1 (с частотой от 50 до 2000 об/мин), траектория ультразвукового зонда 1 приобретает спиральную форму на поверхности испытуемого материала S, что позволяет осуществлять быструю дефектоскопию по всему поперечному сечению испытуемого материала S.
Здесь известные способы передачи сигнала в диапазоне частот (от 1 до 10 МГц), обычно используемые для ультразвуковой дефектоскопии в блоке 4 передачи сигнала, включают в себя способы использования (1) контактного кольца, (2) емкостной связи и (3) вращающегося трансформатора. Эти способы, один за другим, будут описано ниже.
(1) Способ использования контактного кольца (см., например, патентный источник 1)
В этом способе, как показано на фиг. 2, электрод 41A неподвижной стороны и электрод 42A вращающейся стороны предусмотрены в блоке 4 передачи сигнала (см. фиг. 1). Щетка 43 предусмотрена между электродом 41A неподвижной стороны и электродом 42A вращающейся стороны. Электрод 41A неподвижной стороны электрически соединен с ультразвуковым дефектоскопом 3 (см. фиг. 1). С другой стороны, электрод 42A вращающейся стороны электрически соединен с ультразвуковым зондом 1 (см. фиг. 1) и выполнен с возможностью вращения совместно с ультразвуковым зондом 1 (держателем 2 зонда) (см. фиг. 1).
Соответственно, электрод 41A неподвижной стороны и электрод 42A вращающейся стороны контактируют через щетку 43, обеспечивая передачу сигнала между ультразвуковым зондом 1 и ультразвуковым дефектоскопом 3.
Поскольку этот способ основан на контактной схеме, проблема состоит в том, что он не пригоден для высокоскоростного вращения и его ремонтопригодность очень низка.
(2) Способ использования емкостной связи (см., например, патентный источник 2)
В этом способе, как показано на фиг. 3, электрод 41B неподвижной стороны и электрод 42B вращающейся стороны предусмотрены в блоке 4 передачи сигнала (см. фиг. 1). Диэлектрическое вещество 44, например, воздух и вода, удерживается между электродом 41B неподвижной стороны и электродом 42B вращающейся стороны. Электрод 41B неподвижной стороны электрически соединен с ультразвуковым дефектоскопом 3 (см. фиг. 1). С другой стороны, электрод 42B вращающейся стороны электрически соединен с ультразвуковым зондом 1 и выполнен с возможностью вращения совместно с ультразвуковым зондом 1 (держателем 2 зонда) (см. фиг. 1).
Таким образом, как описано выше, передача сигнала между ультразвуковым зондом 1 и ультразвуковым дефектоскопом 3 достигается за счет диэлектрического вещества 44, удерживаемого между электродом 41B неподвижной стороны и электродом 42B вращающейся стороны, которые, таким образом, формируют конденсатор.
Когда в качестве диэлектрического вещества 44 используется воздух, этот способ сталкивается с проблемой низкой ремонтопригодности, поскольку эффективность передачи воздуха мала, и, таким образом, расстояние между электродами должно быть очень малым (примерно от 0,1 до 0,5 мм).
С другой стороны, в способе использования емкостной связи, когда в качестве диэлектрического вещества 44 используется вода, необходимо удерживать воду однородно, хотя расстояние между электродами может быть довольно большим (около 2 мм).
При осуществлении многоканальной передачи сигнала (предусмотрено множество ультразвуковых зондов 1), для однородного удержания воды W, необходимо разместить множество электродов 41C неподвижной стороны и электродов 42C вращающейся стороны в продольном направлении испытуемого материала S, как показано на фиг. 4. По этой причине, длина блока 4 передачи сигнала возрастает в продольном направлении испытуемого материала S, таким образом, приводя к увеличению размеров устройства ультразвуковой дефектоскопии. Кроме того, с увеличением диаметра испытуемого материала S диаметр блока 4 передачи сигнала также возрастает, что затрудняет удержание воды W.
(3) Способ использования вращающегося трансформатора (см., например, патентный источник 3)
В этом способе, как показано на фиг. 5, катушка 45 неподвижной стороны и катушка 46 вращающейся стороны предусмотрены в блоке 4 передачи сигнала (см. фиг. 1). Катушка 45 неподвижной стороны электрически соединена с ультразвуковым дефектоскопом 3 (см. фиг. 1). С другой стороны, катушка 46 вращающейся стороны электрически соединена с ультразвуковым зондом 1 и выполнена с возможностью вращения совместно с ультразвуковым зондом 1 (держателем 2 зонда) (см. фиг. 1).
Таким образом, передача сигнала между ультразвуковым зондом 1 и ультразвуковым дефектоскопом 3 осуществляется посредством электромагнитной индукции, формируемой между катушкой 45 неподвижной стороны и катушкой 46 вращающейся стороны.
Этот способ имеет преимущество в том, что воздух A может быть обеспечен между катушками и, кроме того, расстояние между катушками может быть велико в отличие от вышеописанного способа использования емкостной связи.
Однако, поскольку вращающийся трансформатор, ранее предложенный для блока 4 передачи сигнала устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, принимает форму, в которой множество катушек 45 неподвижной стороны и множество катушек 46 вращающейся стороны размещены в продольном направлении испытуемого материала S таким же образом, как вышеописанные электрод 41C неподвижной стороны и электрод 42C вращающейся стороны при осуществлении многоканальной передачи сигнала (предусмотрено множество ультразвуковых зондов 1), проблема состоит в том, что длина блока 4 передачи сигнала возрастает в продольном направлении испытуемого материала S, таким образом, приводя к увеличению размеров устройства ультразвуковой дефектоскопии.
Здесь в качестве вращающегося трансформатора известен вращающийся трансформатор пластинчатого типа, включающий в себя пластинчатый статор, имеющий катушку, размещенную на одной его поверхности, и пластинчатый ротор, имеющий катушку, размещенную на одной его поверхности, в котором соответствующие поверхности размещения катушек статора и ротора располагаются напротив друг друга, что позволяет передавать сигнал между катушками, обращенными друг к другу (см., например, патентные документы 4 и 5).
Предполагается, что применение вышеописанного вращающегося трансформатора пластинчатого типа для блока передачи сигнала устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии позволит противодействовать увеличению размеров устройства ультразвуковой дефектоскопии даже при осуществлении многоканальной передачи сигнала. Таким образом, предполагается, что применение конфигурации, в которой множество катушек размещено для каждого из статора и ротора, составляющих вращающийся трансформатор пластинчатого типа, и ввод испытуемого материала через центральное отверстие вращающегося трансформатора пластинчатого типа приведут к уменьшению длины блока передачи сигнала в продольном направлении испытуемого материала, что позволит противодействовать увеличению размеров устройства ультразвуковой дефектоскопии.
СПИСОК ЦИТИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Патентные источники
Патентный источник 1 JP6-94685A
Патентный источник 2 JP7-12783A
Патентный источник 3 JP6-242081A
Патентный источник 4 JP7-201612A
Патентный источник 5 JP7-37736A
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Статор и ротор, составляющие обычный вращающийся трансформатор пластинчатого типа, в общем случае, конфигурированы таким образом, что предусмотрена канавка, сформированная в пластинчатой подложке, выполненной из ферромагнитного материала, например магнитно-мягкого феррита, для повышения эффективности передачи сигнала, и катушка располагается в канавке. В качестве альтернативы, подложку, выполненную из электрического проводника, например алюминия, можно использовать вместо подложки, выполненной из ферромагнитного материала. В любом случае, конфигурация такова, что катушка и подложка находятся в непосредственном контакте (механическом контакте) друг с другом.
Однако при передаче сигнала в диапазоне частот примерно от 1 до 10 МГц и имеющего напряжение примерно от 100 до 500 В, который обычно используется в ультразвуковой дефектоскопии путем использования такого пластинчатого вращающегося трансформатора, проблема состоит в том, что эффективность передачи снижается вследствие эффектов гистерезисных потерь в ферромагнитном материале, составляющем подложку, и потерь на вихревые токи в электрическом проводнике, составляющем подложку.
Настоящее изобретение призвано решить вышеописанные проблемы уровня техники, и его задача состоит в создании вращающегося трансформатора для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, обладающего высокой эффективностью передачи сигнала даже при передаче сигнала для использования во вращательной ультразвуковой дефектоскопии, и устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, в котором он используется.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Для решения задачи настоящее изобретение предусматривает вращающийся трансформатор для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, содержащий пластинчатый статор, имеющий катушку, размещенную на одной его поверхности, и пластинчатый ротор, имеющий катушку, размещенную на одной его поверхности, причем соответствующие поверхности размещения катушек статора и ротора расположены напротив друг друга таким образом, что между катушками, обращенными друг к другу, осуществляется передача сигнала в диапазоне частот от 1 до 10 МГц, причем статор содержит подложку, на которой множество одновитковых катушек сформировано в форме концентрических окружностей, и несущий элемент для поддержки подложки; ротор содержит подложку, на которой одновитковые катушки в количестве, совпадающем с количеством одновитковых катушек, сформированных в статоре, сформированы в форме концентрических окружностей, и несущий элемент для поддержки подложки; и воздух или материал, который является изолятором и имеет относительную магнитную проницаемость, по существу равную 1, находится между подложкой и несущим элементом, включенным в статор, и между подложкой и несущим элементом, включенным в ротор.
Статор и ротор, входящие в состав вращающегося трансформатора для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии согласно настоящему изобретению, включают в себя подложку, сформированную с катушкой, и несущий элемент для поддержки подложки, и воздух или материал, который является изолятором и имеет относительную магнитную проницаемость, по существу равную 1 (например, пластик, например бакелит), располагается между подложкой и несущим элементом. Другими словами, катушка и несущий элемент не находятся в непосредственном контакте (механическом контакте) друг с другом, и материал, который в меньшей степени склонен индуцировать электромагнитное поле, располагается между катушкой и несущим элементом. В результате этого, даже если несущий элемент сформирован из ферромагнитного материала, например магнитно-мягкого феррита, или проводника, например алюминия, электромагнитное поле, индуцируемое катушкой, с меньшей вероятностью будет ослабляться в несущем элементе, и снижение эффективности передачи вряд ли произойдет.
Здесь в общем случае эффективность передачи возрастает пропорционально количеству витков катушки. Однако в диапазоне частот (от 1 до 10 МГц), который обычно используется в ультразвуковой дефектоскопии, когда количество витков катушки возрастает и, таким образом, длина провода катушки увеличивается, паразитная емкость между проводами катушки возрастает, приводя к увеличению импеданса. Поскольку считается, что источник сигнала для возбуждения катушки является источником питания постоянного напряжения в смысле мгновенного значения, если импеданс возрастает, как описано выше, ток, текущий в катушке, будет ослабевать, и, таким образом, эффективность передачи между катушкой, сформированной в статоре, и катушкой, сформированной в роторе, будет сильно снижаться.
Таким образом, множество одновитковых катушек сформировано в статоре и роторе, входящих в состав вращающегося трансформатора для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии согласно настоящему изобретению. Таким образом, поскольку в случае использования одновитковых катушек паразитная емкость между проводами катушки обращается в нуль, эффективность передачи не будет снижаться.
Как описано выше, согласно настоящему изобретению можно получить вращающийся трансформатор для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, обладающего высокой эффективностью передачи сигнала даже при передаче сигнала для использования в ультразвуковой дефектоскопии.
При этом, когда множество катушек предусмотрено для передачи множества разных сигналов, может возникать проблема помехи (перекрестной помехи) между соответствующими сигналами. Во избежание этого обычно предусмотрен экранирующий электрод для экранирования электромагнитного поля (см., например, патентный источник 5). Однако в диапазоне частот (от 1 до 10 МГц), который обычно используется в ультразвуковой дефектоскопии, обеспечение экранирующего электрода вблизи катушки будет приводить к проблеме снижения эффективности передачи вследствие паразитной емкости проводов между катушкой и электродом.
Таким образом, предпочтительно множество одновитковых катушек, сформированных в подложке, включенной в каждый из статора и ротора, сформировано в форме концентрических окружностей с промежутком между ними, по существу равным ширине катушки.
Согласно такой предпочтительной конфигурации можно снизить перекрестную помеху между сигналами, передаваемыми в каждой одновитковой катушке.
Предпочтительно расстояние разделения между подложкой и несущим элементом, включенным в каждый из статора и ротора, в 5-10 раз больше зазора между одновитковыми катушками, сформированными в статоре, и одновитковыми катушками, сформированными в роторе.
Если расстояние разделения между подложкой и несущим элементом меньше чем в 5 раз превышает зазор между обеими одновитковыми катушками, электромагнитное поле, индуцируемое одновитковой катушкой, может испытывать нежелательное ослабление в несущем элементе, таким образом, приводя к снижению эффективности передачи. С другой стороны, если расстояние разделения между подложкой и несущим элементом более чем в 10 раз превышает зазор между обеими одновитковыми катушками, то, поскольку эффект ослабления электромагнитного поля несущим элементом уменьшается, толщина вращающегося трансформатора будет просто заканчиваться с увеличением толщины вращающегося трансформатора, даже когда расстояние разделения чрезмерно возрастает.
Для решения задачи настоящее изобретение также предусматривает устройство вращательной ультразвуковой дефектоскопии, содержащее: вращающийся трансформатор для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии по любому из п.п. 1-3; множество ультразвуковых зондов, которые электрически соединены с множеством одновитковых катушек, сформированных в роторе, и которые вращаются совместно с ротором; и ультразвуковой дефектоскоп, который электрически соединен с множеством одновитковых катушек, сформированных в статоре.
Согласно устройству вращательной ультразвуковой дефектоскопии, отвечающему настоящему изобретению, можно эффективно осуществлять многоканальную передачу сигнала, препятствуя при этом увеличению размеров устройства.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно устройству вращательной ультразвуковой дефектоскопии, отвечающему настоящему изобретению, эффективность передачи сигнала высока даже при передаче сигнала для использования в ультразвуковой дефектоскопии. Также согласно устройству вращательной ультразвуковой дефектоскопии, отвечающему настоящему изобретению, можно эффективно осуществлять многоканальную передачу сигнала, препятствуя при этом увеличению размеров устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематический вид, демонстрирующий общую конфигурацию обычного устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии.
Фиг. 2 - пояснительная схема для иллюстрации способа передачи сигнала, используемого в ультразвуковой дефектоскопии, путем использования контактного кольца.
Фиг. 3 - пояснительная схема для иллюстрации способа передачи сигнала, используемого в ультразвуковой дефектоскопии, путем использования емкостной связи.
Фиг. 4 - пояснительная схема для иллюстрации способа передачи сигналов, используемых в ультразвуковой дефектоскопии, через множественные каналы, путем использования емкостной связи.
Фиг. 5 - пояснительная схема для иллюстрации способа передачи сигнала, используемого в ультразвуковой дефектоскопии, путем использования вращающегося трансформатора.
Фиг. 6A и 6B - схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящегося к варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7A и 7B - схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию статора, входящего в состав вращающегося трансформатора для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящегося к варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8A и 8B - схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию ротора, входящего в состав вращающегося трансформатора для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящегося к варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 - график, демонстрирующий результат оценочного испытания устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, показанного на фиг. 6A и 6B.
Фиг. 10 - график, демонстрирующий результат другого оценочного испытания устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, показанного на фиг. 6A и 6B.
Фиг. 11A и 11B - графики, демонстрирующие пример принятой формы волны, наблюдаемой в дополнительном оценочном испытании устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, показанного на фиг. 6A и 6B.
Фиг. 12 - график, демонстрирующий уровень помехового эхосигнала (поверхностного эхосигнала), наблюдаемого в дополнительном оценочном испытании устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, показанного на фиг. 6A и 6B.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вариант осуществления настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На Фиг. 6A и 6B показаны схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящегося к варианту осуществления настоящего изобретения. На Фиг. 6A показана схема, демонстрирующая общую конфигурацию устройства, и на фиг. 6B показана схема, поясняющая отношение электрического соединения для одного ультразвукового зонда.
Как показано на фиг. 6, устройство 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящееся к настоящему варианту осуществления, включает в себя: множество ультразвуковых зондов 1 для передачи/приема ультразвуковой волны в/из испытуемый/ого материал/а S; держатель 2 зонда, который с присоединенными к нему ультразвуковыми зондами 1 выполнен с возможностью вращения в круговом направлении испытуемого материала S; ультразвуковой дефектоскоп 3 для управления передачей/приемом ультразвуковой волны на/от ультразвуковой/ого зонд/а 1 и дефектоскопии испытуемого материала S на основании эхосигнала, принятого на ультразвуковом зонде 1; и вращающийся трансформатор 5 для устройства вращательной ультразвуковой дефектоскопии (далее также именуемый просто вращающимся трансформатором) для передачи сигнала между ультразвуковым зондом 1 и ультразвуковым дефектоскопом 3. Испытуемый материал S вставляется через центральное отверстие держателя 2 зонда и вращающегося трансформатора 5.
Вращающийся трансформатор 5 конфигурирован включающим в себя пластинчатый статор 51, имеющий катушку, размещенную на одной его поверхности, и пластинчатый ротор 52, имеющий катушку, размещенную на одной его поверхности, причем соответствующие поверхности размещения катушек статора 51 и ротора 52 располагаются напротив друг друга, благодаря чему передача сигнала в диапазоне частот от 1 до 10 МГц осуществляется между катушками, обращенными друг к другу. Устройство 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящееся к настоящему варианту осуществления, включает в себя пару вращающихся трансформаторов 5 (передающего вращающегося трансформатора 5A и приемного вращающегося трансформатора 5B).
На фиг. 7A и 7B показаны схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию статора 51, входящего в состав вращающегося трансформатора 5. На Фиг. 7A показан вид в плане, и фиг. 7B показан вид в разрезе, взятый вдоль линии A-A, показанной на фиг. 7A.
Как показано на фиг. 7, статор 51 включает в себя подложку 512, в которой множество из (четырех в примере, показанном на фиг. 7A и 7B) одновитковых катушек 511 сформировано в форме концентрических окружностей, и несущий элемент 513 для поддержки подложки 512. Несущий элемент 513 поддерживает поверхность, противоположную поверхности формирования катушки, подложки 512. Несущий элемент 513 настоящего варианта осуществления сформирован из алюминия.
Воздух или материал M, который является изолятором и имеет относительную магнитную проницаемость, по существу равную 1 (например, пластик, например бакелит), располагается между подложкой 512, включенной в статор 51, и несущим элементом 513. В примере, показанном на фиг. 7A и 7B, поперечное сечение несущего элемента 513 выполнено в U-образной форме, благодаря чему участок подложки 512, где сформированы катушки 511, и несущий элемент 513, разделены в направлении толщины подложки 512 и воздух располагается между подложкой 512 и несущим элементом 513.
Настоящий вариант осуществления предпочтительно конфигурирован таким образом, что множество одновитковых катушек 511, которые сформированы в подложке 512, включенной в статор 51, сформированы в форме концентрических окружностей с промежутком D между ними, по существу равным ширине C катушки.
На фиг. 8A и 8B показаны схематические виды, демонстрирующие общую конфигурацию ротора 52, входящего в состав вращающегося трансформатора 5. На Фиг. 8A показан вид в плане, и на фиг. 8B показан вид в разрезе, взятый вдоль линии B-B, показанной на фиг. 8A.
Как показано на фиг. 8A и 8B, ротор 52 также включает в себя подложку 512, в которой множество из (четырех в примере, показанном на фиг. 8A и 8B) одновитковых катушек 521 сформировано в форме концентрических окружностей, и несущий элемент 523 для поддержки подложки 522. Несущий элемент 523 поддерживает поверхность, противоположную поверхности формирования катушки, подложки 522. Несущий элемент 523 сформирован из алюминия.
Воздух или материал M, который является изолятором и имеет относительную магнитную проницаемость, по существу равную 1 (например, пластик, например бакелит), располагается между подложкой 522, включенной в ротор 52, и несущим элементом 523. В примере, показанном на фиг. 8A и 8B, поперечное сечение несущего элемента 523 выполнено в U-образной форме, благодаря чему участок подложки 522, где сформированы катушки 521, и несущий элемент 523 разделены в направлении толщины подложки 522 и воздух располагается между подложкой 522 и несущим элементом 523.
Настоящий вариант осуществления предпочтительно конфигурирован таким образом, что множество одновитковых катушек 521, которые сформированы в подложке 522, включенной в ротор 52, сформированы в форме концентрических окружностей с промежутком D между ними, по существу равным ширине C катушки.
Как показано на фиг. 6A и 6B, ультразвуковой зонд 1 настоящего варианта осуществления выполнен в виде ультразвукового зонда двухкристалльного зонда (с раздельными передачей/приемом), который включает в себя передающий преобразователь (передатчик) 11 и приемный преобразователь (приемник) 12. Ультразвуковой зонд 1 электрически соединен с одновитковой катушкой 521, сформированной в роторе 52, и выполнен с возможностью вращения совместно с ротором 52. В частности, передатчик 11 ультразвукового зонда 1 электрически соединен с одновитковой катушкой 521, сформированной в роторе 52 передающего вращающегося трансформатора 5A, и приемник 12 электрически соединен с одновитковой катушкой 521, сформированной в роторе 52 приемного вращающегося трансформатора 5B. Таким образом, ротор 52 передающего вращающегося трансформатора 5A и ротор 52 приемного вращающегося трансформатора 5B выполнены с возможностью вращения совместно с держателем 2 зонда, благодаря чему ротор 52 передающего вращающегося трансформатора 5A и ротор 52 приемного вращающегося трансформатора 5B совместно вращаются в круговом направлении испытуемого материала S держателем 2 зонда, который вращается в круговом направлении испытуемого материала S заранее определенным источником возбуждения.
Как показано на фиг. 6A и 6B, ультразвуковой дефектоскоп 3 электрически соединен с одновитковой катушкой 511, сформированной в статоре 51. В настоящем варианте осуществления, ультразвуковой дефектоскоп 3 электрически соединен с одновитковой катушкой 511, сформированной в статоре 51 передающего вращающегося трансформатора 5A, и одновитковой катушкой 511, сформированной в статоре 51 приемного вращающегося трансформатора 5B.
Заметим, что хотя на фиг. 6B показан пример, в котором один ультразвуковой зонд 1 электрически соединен с парой одновитковых катушек 521 (одновитковой катушкой 521, сформированной в роторе 52 передающего вращающегося трансформатора 5A, и одновитковой катушкой 521, сформированной в роторе 52 приемного вращающегося трансформатора 5B), другой ультразвуковой зонд 1 будет электрически соединен с другой парой одновитковых катушек 521. Кроме того, хотя на фиг. 6B показан пример, в котором ультразвуковой дефектоскоп 3 электрически соединен с одной парой одновитковых катушек 511 (одновитковой катушкой 511, сформированной в статоре 51 передающего вращающегося трансформатора 5A, и одновитковой катушкой 511, сформированной в статоре 51 приемного вращающегося трансформатора 5B), он будет электрически соединен с другой парой одновитковых катушек 511 в зависимости от количества ультразвуковых зондов 1.
Кроме того, в настоящем варианте осуществления, хотя в описании приведен пример, в котором используется ультразвуковой зонд 1 двухкристалльного зонда, включающий в себя передатчик 11 и приемник 12, настоящее изобретение не ограничивается этим и допускает использование ультразвукового зонда однокристалльного зонда, в котором один преобразователь используется для передачи и приема. В этом случае, в качестве вращающегося трансформатора 5, не требуется использовать пару вращающихся трансформаторов 5 (передающий вращающийся трансформатор 5A и приемный вращающийся трансформатор 5B), и можно использовать единый вращающийся трансформатор 5.
При осуществлении ультразвуковой дефектоскопии испытуемого материала S путем использования устройства 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, имеющего вышеописанную конфигурацию, испытуемый материал S прямолинейно перемещается в продольном осевом направлении испытуемого материала S и держателя 2 зонда, таким образом, ультразвуковой зонд 1 вращается. При этом сигнал, инициирующий передачу ультразвуковой волны от передатчика 11, выводится из ультразвукового дефектоскопа 3 и переносится на передатчик 11 через одновитковые катушки 511 и 521 передающего вращающегося трансформатора 5A. Таким образом, ультразвуковая волна U, передаваемая от передатчика 11, поступает в испытуемый материал S через воду W в качестве контактной среды, и эхосигнал от него регистрируется приемником 12. Эхосигнал, регистрируемый приемником 12, преобразуется в электрический сигнал и вводится в ультразвуковой дефектоскоп 3 через одновитковые катушки 521 и 511 приемного вращающегося трансформатора 5B. Ультразвуковой дефектоскоп 3 тестирует испытуемый материал S на основании введенного сигнала. Поскольку траектория ультразвукового зонда 1 приобретает спиральную форму на внешней поверхности испытуемого материала S, можно осуществлять дефектоскопию по всему поперечному сечению испытуемого материала S.
Ниже будут описаны оценочные испытания, проведенные на устройстве 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящемся к настоящему варианту осуществления.
Оценочное испытание, относящееся к расстоянию разделения между подложкой и несущим элементом
В устройстве 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящемся к настоящему варианту осуществления, испытание для оценивания уровня эхосигнала от дефекта, наблюдаемого с помощью ультразвукового дефектоскопа 3, осуществлялось путем надлежащего изменения как расстояния разделения между подложкой 512, включенной в статор 51, и несущим элементом 513, так и расстояния разделения между подложкой 522, включенной в ротор 52, и несущим элементом 523 для обоих из передающего вращающегося трансформатора 5A и приемного вращающегося трансформатора 5B.
В частности, для обоих из передающего вращающегося трансформатора 5A и приемного вращающегося трансформатора 5B установка зазора между катушками 511, размещенными в статоре 51, и катушками 521, размещенными в роторе 52 равным 2 мм, и толщины воды W, находящейся между ультразвуковым зондом 1 и испытуемым материалом S, равной 0,5 мм, испытание осуществлялось с частотой испытания 5 МГц для плоскодонного отверстия, имеющего диаметр 5,6 мм в качестве дефекта. Катушки 511 и 521 представляли собой одновитковые катушки, имеющие ширину катушки 5 мм, и промежуток между соседними катушками составлял 5 мм. Заметим, что при наблюдении эхосигнала дефекта одновитковая катушка 511 (диаметр: около 1200 мм), размещенная на самой внешней стороне множества одновитковых катушек 511, была электрически соединена с ультразвуковым дефектоскопом 3. Кроме того, одновитковая катушка 521 (диаметр: около 1200 мм), размещенная на самой внешней стороне множества одновитковых катушек 521, была электрически соединена с ультразвуковым зондом 1.
На фиг. 9 показан график, демонстрирующий результаты вышеописанного оценочного испытания.
Как показано на фиг. 9, было установлено, что, когда подложка 512 (или 522) и несущий элемент 513 (или 523) разделены (когда между подложкой и несущим элементом находится воздух), уровень эхосигнала дефекта увеличивается по сравнению со случаем, когда расстояние разделения равно нулю (когда между подложкой и несущим элементом ничего не находится). Дело в том, что между подложкой (катушкой) и несущим элементом находился воздух, который в меньшей степени склонен индуцировать электромагнитное поле, что снижало вероятность ослабления электромагнитного поля, индуцируемого катушкой, в несущем элементе и уменьшало вероятность снижения эффективности передачи даже в случае, когда несущий элемент сформирован из алюминия, который является проводником, как в настоящем варианте осуществления. В частности, эффекты электромагнитной индукции между катушкой 511 и несущим элементом (алюминием) и между катушкой 521 и несущим элементом (алюминием) уменьшались, что уменьшало вероятность снижения эффективности передачи вследствие электромагнитной индукции между катушкой 511 и катушкой 521.
Кроме того, как показано на фиг. 9, было установлено, что, когда расстояние разделения между подложкой и несущим элементом составляло примерно от 10 до 20 мм (примерно в 5-10 раз больше зазора в 2 мм между катушками 511, размещенными в статоре 51, и катушками 521, размещенными в роторе 52), наблюдаемый уровень эхосигнала дефекта достигал насыщения и уровень эхосигнала дефекта не изменялся даже при дальнейшем увеличении расстояния разделения. Таким образом, было установлено, что даже при дальнейшем увеличении расстояния разделения это не давало большого эффекта в противодействии ослаблению в несущем элементе электромагнитного поля, индуцируемого катушкой. Таким образом, расстояние разделения между подложкой 512 (или 522) и несущим элементом 513 (или 523) предпочтительно в 5-10 раз больше зазора между катушками 511, размещенными в статоре 51, и катушками 521, размещенными в роторе 52.
ОЦЕНОЧНОЕ ИСПЫТАНИЕ, КАСАЮЩЕЕСЯ КОЛИЧЕСТВА ВИТКОВ КАТУШКИ
В устройстве 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящемся к настоящему варианту осуществления, испытание для оценивания уровня эхосигнала от дефекта, наблюдаемого с помощью ультразвукового дефектоскопа 3, осуществлялось путем надлежащего изменения количества витков катушек, сформированных в статоре 51 и роторе 52 передающего вращающегося трансформатора 5A в состоянии, в котором приемный вращающийся трансформатор 5B отсоединен, и приемный преобразователь 12 ультразвукового зонда 1 и ультразвуковой дефектоскоп 3 электрически соединены напрямую.
В частности, установка зазора между катушками, размещенными в статоре 51 передающего вращающегося трансформатора 5A, и катушками, размещенными в роторе 52, равным 2 мм, расстояния разделения между подложкой 512 (или 522) и несущим элементом 513 (или 523) равным 20 мм, и толщины воды W, находящейся между ультразвуковым зондом 1 и испытуемым материалом S, равной 0,5 мм, испытание осуществлялось с частотой испытания 5 МГц для плоскодонного отверстия, имеющего диаметр 5,6 мм в качестве дефекта. Три вида катушек, а именно одновитковая катушка, трехвитковая катушка и пятивитковая катушка, использовались как катушки, размещенные в передающем вращающемся трансформаторе 5A. При использовании одновитковой катушки ширина катушки составляла 5 мм и промежуток между соседними катушками составлял 5 мм. При использовании трехвитковой катушки ширина катушки составляла 1 мм, катушка была намотана в три витка с шириной катушки 1 мм и зазором 2 мм и промежуток между соседними катушками составлял 5 мм. При использовании пятивитковой катушки катушка была намотана в пять витков с шириной катушки 0,5 мм и зазором 0,5 мм и промежуток между соседними катушками составлял 5 мм. Заметим, что при наблюдении эхосигнала дефекта катушка (диаметр: около 1200 мм), размещенная на самой внешней стороне статора 51, была электрически соединена с ультразвуковым дефектоскопом 3 для любой из одновитковой катушки, трехвитковой катушки и пятивитковой катушки. Кроме того, катушка (диаметр: 1200 мм), размещенная на самой внешней стороне ротора 52, была электрически соединена с ультразвуковым зондом 1.
На фиг. 10 показан график, демонстрирующий результаты вышеописанного оценочного испытания. Заметим, что на фиг. 10 данные, отображенные на графике в позиции, где количество витков равно нулю, демонстрируют результат оценивания уровня эхосигнала от дефекта, наблюдаемого с помощью ультразвукового дефектоскопа 3, в состоянии, в котором оба из передающего вращающегося трансформатора 5A и приемного вращающегося трансформатора 5B отсоединены, и передатчик 11 и приемник 12 ультразвукового зонда 1 электрически соединены с ультразвуковым дефектоскопом 3 напрямую.
Как показано на фиг. 10, было установлено, что с увеличением количества витков катушки уровень эхосигнала дефекта уменьшается. Дело в том, что при увеличении количества витков катушки и, таким образом, увеличении длины катушки паразитная емкость между проводами катушки возрастает, что приводит к увеличению импеданса, в результате чего ток, текущий в катушке, ослабевает, приводя, таким образом, к снижению эффективности передачи между катушкой, сформированной в статоре 51, и катушкой, сформированной в роторе 52.
На основании вышеописанных результатов множество одновитковых катушек 511 и 521 размещено в статоре 51 и роторе 52, входящих в состав вращающегося трансформатора 5, относящегося к настоящему варианту осуществления, как описано выше.
Оценочное испытание, относящееся к промежутку между катушками
В устройстве 100 вращательной ультразвуковой дефектоскопии, относящемся к настоящему варианту осуществления, испытание для оценивания уровня помехового эхосигнала между соседними катушками, наблюдаемого с помощью ультразвукового дефектоскопа 3, осуществлялось путем надлежащего изменения промежутка между множественными одновитковыми катушками 511 и 521, сформированными в статоре 51 и роторе 52, для обоих из передающего вращающегося трансформатора 5A и приемного вращающегося трансформатора 5B.
В частности, для обоих из передающего вращающегося трансформатора 5A и приемного вращающегося трансформатора 5B установка зазора между катушками 511, размещенными в статоре 51, и катушками 521, размещенными в роторе 52 равным 2 мм, расстояния разделения между подложкой 512 (или 522) и несущим элементом 513 (или 523) равным 20 мм и толщины воды W, находящейся между ультразвуковым зондом 1 и испытуемым материалом S, равной 0,5 мм, испытание осуществлялось с частотой испытания 5 МГц для плоскодонного отверстия, имеющего диаметр 5,6 мм в качестве дефекта. Катушки 511, 521 представляли собой одновитковую катушку, имеющую ширину катушки 5 мм, и промежуток между соседними катушками изменялся в пределах от 0,5 до 15 мм. Заметим, что при наблюдении эхосигнала от дефекта одновитковая катушка 511 (диаметр: около 1200 мм), размещенная на самой внешней стороне множества одновитковых катушек 511, и одновитковая катушка 511, соседняя с ней, были электрически соединены с ультразвуковым дефектоскопом 3. Кроме того, одновитковая катушка 521 (диаметр: около 1200 мм), размещенная на самой внешней стороне множества одновитковых катушек 521, и одновитковая катушка 521, соседняя с ней, были электрически соединены с двумя из ультразвуковых зондов 1. Затем эхосигнал, принятый ультразвуковым зондом 1, который электрически соединен с одновитковой катушкой 521, размещенной на самой внешней стороне, наблюдался с помощью ультразвукового дефектоскопа 3.
На фиг. 11A и 11B показан пример принятой формы волны, наблюдаемой в вышеописанном оценочном испытании. На Фиг. 11A показан пример принятой формы волны, когда промежуток между соседними одновитковыми катушками составлял 5 мм, и на фиг. 11B показан пример принятой формы волны, когда промежуток между соседними одновитковыми катушками составлял 0,5 мм. Заметим, что на фиг. 11A и 11B эхосигнал, обозначенный символом T, является передаваемым эхосигналом, эхосигнал, обозначенный символом S, является поверхностным эхосигналом, эхосигнал, обозначенный символом F1 или F2, является эхосигналом дефекта, и эхосигнал, обозначенный символом B1 или B2, является донным эхосигналом.
Поскольку ультразвуковой зонд 1 настоящего варианта осуществления представляет собой ультразвуковой зонд двухкристалльного зонда, включающий в себя передатчик 11 и приемник 12, поверхностный эхосигнал (эхосигнал, отраженный на поверхности испытуемого материала S) обычно почти не принимается приемным преобразователем 12. Однако, когда предусмотрено множество одновитковых катушек для передачи множества разных сигналов, предполагается, что уровень поверхностного эхосигнала S возрастает вследствие помехи (перекрестной помехи) между соответствующими сигналами. Как показано на фиг. 11A, когда промежуток между соседними одновитковыми катушками установлен равным 5 мм, что по существу равно ширине катушки, помеха между соответствующими сигналами уменьшается и уровень поверхностного эхосигнала S мал. С другой стороны, как показано на фиг. 11B, когда промежуток между соседними одновитковыми катушками установлен равным 0,5 мм, уровень поверхностного эхосигнала S увеличивается вследствие помехи между соответствующими сигналами. Кроме того, хотя это не показано, даже когда промежуток между соседними одновитковыми катушками установлен превышающим ширину катушки, принятая форма волны демонстрирует высокий уровень поверхностного эхосигнала S. Эти результаты показывают, что существует оптимальное значение для промежутка между соседними одновитковыми катушками для снижения уровня поверхностного эхосигнала.
На фиг. 12 показан график, демонстрирующий уровень помехового эхосигнала (поверхностного эхосигнала S), наблюдаемого в вышеописанном оценочном испытании.
Как показано на фиг. 12, было установлено, что установка промежутка между соседними одновитковыми катушками равным 5 мм, что по существу равно ширине катушки, позволяет снижать уровень помехового эхосигнала, то есть перекрестную помеху между сигналами, передаваемыми каждой одновитковой катушкой.
На основании вышеописанных результатов, настоящий вариант осуществления предпочтительно конфигурирован таким образом, что множество одновитковых катушек 511, сформированных в подложке 512, включенной в статор 51, и множество одновитковых катушек 521, сформированных в подложке 522, включенной в ротор 52, сформированы в форме концентрических окружностей с промежутком между ними, по существу равным ширине катушки.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 ультразвуковой зонд
2 держатель зонда
3 ультразвуковой дефектоскоп
5 вращающийся трансформатор
5A передающий вращающийся трансформатор
5B приемный вращающийся трансформатор
11 передающий преобразователь (передатчик)
12 приемный преобразователь (приемник)
51 статор
52 ротор
100 устройство вращательной ультразвуковой дефектоскопии
511 одновитковая катушка
512 подложка
513 несущий элемент
521 одновитковая катушка
522 подложка
523 несущий элемент
M воздух или материал, который является изолятором и имеет относительную магнитную проницаемость, по существу равную 1
S испытуемый материал