УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО АКУСТИЧЕСКОГО (ЭМА) КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано в металлургии, машиностроении и при контроле различных изделий (труб, листов, сварных соединений и др.) при монтаже и эксплуатации атомных и тепловых электростанций.
На протяжении многих десятилетий в практике ультразвукового контроля различных изделий из металлов и сплавов находили и находят широкое применение ультразвуковая дефектоскопия и толщинометрия, и структурометрия с применением в качестве измерителя и приемника пъезоэлементов. При этом необходимым условием является применение жидкости между рабочей поверхностью пъезодатчика и поверхностью контролируемого изделия, так называемый "мокрый" метод.
Практически, указанные выше отрасли промышленности во всем мире насыщены "мокрыми" дефектоскопами и толщиномерами общего и специализированного назначения (см. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - С.142-235.). Достаточно глубоко и подробно освещены вопросы теории УЗ дефектоскопии, толщинометрии и структурометрии "мокрым" методом. Вследствие того, что "мокрый" контакт между поверхностью пъезодатчиков (ПЭП) и поверхностью контролируемого изделия приводит к очень большим неприятностям (прежде всего - нестабильность контакта в зависимости от состояния поверхности изделия, которая приводит к уменьшению точности дефектоскопии и толщинометрии) впервые в 1933 г. был использован бесконтактный электромагнито-акустический (ЭМА) метод дефектоскопии и структуроскопии. Аналитический обзор этого метода (в части развития теории и практики) был выполнен Г.А.Буденковым, С.Ю.Гуревичем в статье "Современное состояние бесконтактных методов и средств УЗ контроля", ("Дефектоскопия", 1981 г., №5, стр.6-22). Этот обзор охватывает период вплоть до 1978 г.
Большой всплеск работ посвященных теории и практике в развитии ЭМА методов произошел примерно в последние 4-6 лет. Обзор работ (в основном современных ЭМА-толщиномеров) нашел отражение, частично в статье Г.М.Сучкова "Возможности современных ЭМА-толщиномеров" (Дефектоскопия, 2004, №12, стр.16-35).
Из этой работы следует, что к настоящему времени различными организациями (НИИ электронной интроскопии г. Москва, НИИИН, ИЭС им. Патона г. Киев, ЗАО НИИНН МНПО СПЕКТР г. Москва, ЗАО "НИКО-ТЬЮБ" г. Никополь, Харьковский политехнический институт и др.) разработан целый ряд ЭМА-толщиномеров ручных и автоматических установок, таких как УВТ-03, УТ-40Б, УТ-80Б, ЭМАТ-100, ЭМАТ-1, КРМ-Ц-"Дельта"; А1270, отличительной особенностью которых является:
- повышение импульсной мощности от 600 Вт до 12 квт с током в индукторе до 100 А (в основном для установок);
- формирование оптимальной формы, длительности и частоты синусоидального в/ч сигнала;
- корреляционный способ обработки информации или когерентное накопление сигнала с целью уменьшения погрешности измерения и толщины контролируемых изделий (А270 и ЭМАТ-100).
К основным недостаткам следует отнести:
- не достаточно оптимальное построение индуктора ЭМАП с целью получения максимального значения AW в/ч импульса (не только за счет увеличения импульсной мощности генератора зондирующих импульсов (ГЗИ) и увеличения тока индуктора до 100 А);
- значительные величины индукции В в зазоре - до 1,2 Тс, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик ЭМАП (сильное притяжение его к контролируемой поверхности);
- отсутствие рекомендаций по управлению диаграммой излучения ЭМАП с целью достижения максимальной чувствительности.
Эти недостатки в значительной степени устраняются в предложенном автором электромагнито-акустическом преобразователе (Патент на изобретение №2246101 С 2 G 01 N 29/04) с приоритетом от 17 марта 2003 г.
В этом изобретении предложен многоэлементный (многоиндукторный) ЭМАП позволяющий существенно увеличить AW в/ч сигнала, без существенного увеличения его мощности и создающий предпосылки для создания фазированных решеток, позволяющих управлять диаграммой направленности ЭМАП, как прямых (например, фокусировка УЗ пучка), так и создание наклонных ЭМАП.
С учетом сказанного, в т.ч. и названных недостатков, к настоящему времени существенно продвинулись работы по разработке ЭМА толщиномеров (портативных и автоматизированных установок). Это нашло отражение на количестве и качестве ЭМА толщиномеров и дефектоскопов, выставленных на 4-ой Международной выставке и конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности", Москва. 17-20 мая 2005 г.
На этой выставке были представлены:
Фирмой PANAMETRIR-NDT, США представлен прямой ЭМАП типа E110-SB, работающий совместно с дефектоскопом LSB-74-4 и фильтром-адаптером типа 1/2 ХА/Е110, а также с толщинометрами 37 DL PLUS и ЕРОСН4 PLUS. (Диапазон контроля - 2,0-125 мм, при температуре детали - от 0 до 80 С, через толстый слой коррозии).
2. Универсальный толщиномер "4Д4-Т" фирмы "Вотум" Москва, оснащенный ЭМАП - раздельным и ЭМАП - раздельно-совмещенным, использующий корреляционно-фазовый метод обработки. Диапазон контроля - 0,3-60 мм, погрешность - 10 мкм.
3. Ассоциация "СПЕКИР-ГРУПП", Москва.
3.1. ЭМА толщиномер А 1270 (в основном для алюминиевых сплавов), с применением корреляционной обработки информации.
- диапазон контроля толщин - 0,5-100 мм
- дискретность измерения - 0,01 мм
- масса - 650 г.
- рабочие частоты - 2,5-5,0 МГц.
3.2. ЭМА - дефектоскоп А1272, с применением прямых ЭМАП.
- рабочие частоты 0,4; 1,0; 1,8 МГц
- питание - аккумуляторы
- габариты - 250×160×110 мм
- масса электронного блока - 2,7 кг.
4. ЗАО НИИИН МНПО "СПЕКТР", Москва.
Толщиномер ЭМАТ - 100. Контролируемые материалы в т.ч. ферромагнитные стали и сплавы. Применяется когерентное накопление сигналов.
- диапазон контролер толщин - 3-50,0 мм
абсолютная погрешность измерения толщины, d, мм - (0,1+0,001 Т), где Т - номинальное значение толщины;
- габаритные размеры, электронного блока, мм - 195×100×45
- масса с батареями "Крона ВЦ" - не более 0,6 кг.
5. ООО "Компания Нординкрафт", г. Череповец.
Установки ЭМА автоматизированного УЗК типа "Маяк-7-02", "Север 6-08-3000-2", "Волна 6 - Оскол"
- толщина контролируемы стенок - 2-60 мм
- температура поверхности труб - +20 до +400 С
- масса электронного оборудования - ≤250 кг.
6. НПП "Вигор", Москва.
6.1. Многоканальный аналого-цифровой программно-аппаратный комплекс УД-ЭМА-РСП, для однониточного контроля рельсов (4D-EMA-RO-2)
- частота УЗК, МГц - 1,8 - прямой канал
- 1,0 - наклонный канал;
- угол ввода УЗК, град. - 0; 45; 90;
- импульсная мощность зондирующих импульсов, квт - 30,0;
- потребляемая мощность, ВА - не более 200,0.
Перечисленная выше аппаратура выпускается серийно. Представленная на международной выставке 2005 г. (и в предшествующие годы) ЭМА аппаратура свидетельствует о существенном пробеле в теоретических и экспериментальных исследованиях акустического поля ЭМАП в зависимости от его конструктивных и схемных решений, что затрудняет разработку наклонных ЭМАП для дефектоскопии различных металлов и сплавов. Это в меньшей степени, по известным причинам, касается дефектоскопии с помощью прямых ЭМАП. Кроме теоретических и экспериментальных исследований полей ЭМАП, выполненных в указанных обзорах и справочниках, в последние годы, появились теоретические исследования поля ЭМАП при прямом и наклонном возбуждении УЗК объемных волн.
Здесь, намеренно, не упоминаются работы связанные с возбуждением и приемом нормальных волн ЭМА методом, поскольку они достаточно хорошо описаны в первом обзоре и справочнике и не вызывают особых затруднений в разработке ЭМАП и аппаратуры для дефектоскопии и структуроскопии тонкостенных листов, труб, в т.ч. с коррелированными поверхностями (см. статью Г.М.Сучкова, Ю.А.Катасонова "О практическом применении ЭМАП для дефектоскопии поверхности изделий сложной формы эхо-методом", ж. Дефектоскопия, 1999 г., №10, стр.15-19).
В работе В.Е.Чебанова, В.И.Горделий "Теоретическое и экспериментальное исследование ЭМА-преобразователей" (4-я Национальная научно-техническая конференция и выставка "Неразрушающий контроль и техническая диагностика - 2003", Киев, 19-23 травня 2003 г.) теоретически и экспериментально исследовались прямые ЭМАП с индуктором типа "бабочка", а также преобразователь с переменным шагом между токопроводами катушки.
Приведены расчетные и экспериментальные данные зависимости амплитуды УЗК от отражателя и от угла его наклона по отношению к вертикали. Отмечается, что на основании этих исследований удалось спроектировать ЭМАП надежно работающий под большими углами.
Однако в работе отсутствуют более менее простые и четкие соотношения для наклонных ЭМАП на заданный угол ввода с необходимой чувствительностью.
Отсутствует достаточно прозрачная связь размеров рабочей части ЭМАП с количеством витков, диаметром провода с привязкой к длине волны λt или λ1, как для линейных катушек так и для спиральных, величины зазора, конструктивных особенностей датчиков обеспечивающих однородные в/ч и подмагничивающие поля, влияющие на соотношение сдвиговой и продольной составляющих и в итоге - на диаграмму направленности ЭМАП в режиме излучение - прием.
В работе Г.М.Сучкова, Ю.А.Катасонова "Экспериментальные исследования нового способа бесконтактной ультразвуковой дефектоскопии труб эхо-методом" (ж. "Дефектоскопия", 1999 г., №11, стр.77-80) приведены результаты экспериментальных исследований по контролю ЭМА методом труб ⌀28 мм с толщиной стенки d=1 мм, ⌀51,3 мм, d=3,5 мм (сталь 45), повидимому, с помощью нормальных волн, труб ⌀168 мм, d=10,4 мм; ⌀12,3 мм, d=7 мм с помощью объемных волн.
УЗ импульсы возбуждали и принимали ЭМАП с одной поверхности. Рабочая зона ЭМАП имела размеры 6×12 мм. Величина поляризующего магнитного поля составляла 0,6 Тс. Зазор между ЭМАП и поверхностью металла равнялся 0,5 мм, частотный диапазон - 2-2,7 МГц, длительность импульсов изменялась в интервале от 1 до 18 периодов. При этом уверенно обнаруживали продольные и поперечные дефекты на наружной и внутренней поверхностях труб, а так же внутренние дефекты в стенке трубы листа при доступе с одной стороны. Отмечается, что с высокой достоверностью определяются дефекты типа трещин с раскрытием менее 0,1 мм и глубиной более 0,2 мм, а также непровары в сварных швах.
Одновременно, одним и тем же описанным выше датчиком способ позволяет измерять толщину изделия.
При этом не приведены никакие сведения о конструкции ЭМАП, типе обмотки, особенностях ее намотки и особенностях электронной аппаратуры.
В работе Г.М.Сучкова, Ю.А.Катасонова, В.В.Гарькавого "Экспериментальные исследования чувствительных ЭМАП при дефектоскопии эхо методом сдвиговыми объемными волнами", (ж. Дефектоскопия, 200, №2, стр.12-16) приведены результаты экспериментальных исследований чувствительности прямого ЭМАП в режиме эхо-контроля металла рельсов. Сделан вывод о возможности дефектоскопии металлов с помощью ЭМАП эхо-методом с чувствительностью, близкой к чувствительности пъезопреобразователей. Об ЭМАП сказано лишь, что в нем использован постоянный магнит, который создает индукцию в зазоре В=0,6 Тс, индуктор содержит 20 витков медного провода ПЭВ 0,2 мм, размер рабочей зоны индуктора 6×12 мм. Генератор зондирующих импульсов позволяет формировать в индукторе ЭМАП пакеты импульсов тока амплитудой 12-18А, напряжением 200-3000 В. Пакет содержит от 1 до 18 периодов тока высокой частоты. Частота заполнения регулируется от 1 до 10 периодов в пределах 1,8-5 МГц. Генератор потребляет около 35 Вт. Предварительный усилитель выполнен с коэффициентом усиления регулируемым в пределах 10-5000 раз. Шум, приведенный к входу усилителя не превышает 0,2-0,3 МКВ.
Сведения о типе обмотки индуктора и его особенностях отсутствует. Подчеркивается, что мертвая зона при эхо-методе контроля не превышает 7-8 мм.
Известна также работа В.А.Комарова "Акустическое поле ближней зоны излучения при ЭМАП в металлах" (ж. Дефектоскопия, 200 г., №3, стр.56-68).
В этой работе проанализировано поведение объемных волн, генерированных круглой шиной (обмотка ЭМАП близкая к спиральной). Целью данной статьи являлось получение сведений о поведении акустического поля в твердой хорошо проводящей среде (металле) при его излучении за счет электромагнито-акустического преобразования на основе индуктивных излучателей. Принципиальное различие контактных ("мокрых") излучателей и излучателей ЭМАП заключается в том, что первые, как правило, однофазны (вся плоскость излучает поле в одной фазе и в основном однофазно), а вторые зачастую двухфазны с неоднородным распределением сил.
Для ЭМАП характерно, что распределение проекций первичного поля в материале зависит от его макроскопических характеристик; электропроводности и соотношения магнитных восприимчивостей. Существенное значение имеет степень затухания проекций полей вдоль границы раздела сред, меняющая как форму излучателя, так и градиенты проекций полей вдоль границы в зависимости от величины упомянутых параметров среды. Даже контур вихревого тока в проводящей среде примерно повторяет контур тока в излучателе только на высоких частотах.
На основе расчетов и анализа сделаны следующие выводы:
- ближняя зона у ЭМАП заметно меньше, чем у "мокрых" ПЭП;
- нулевой максимум излучения, как правило, затухает быстрее, чем второй, третий и др. В результате чего на больших расстояниях от границы диаграмму направленности формируют максимумы с большими порядковыми номерами, а в ближней - с меньшими.;
- в ближней зоне волны не являются чисто сдвиговыми или чисто продольными;
- нулевой максимум формируется за счет незатухающей части спектра и, повидимому, распространяется со скоростью чистых мод. Также со скоростью близкой к объемной движется третий экстремум.
- с определенной точностью можно говорить, об условной точке (области) перехода ближней зоны в дальнюю зону излучения.
На основании результатов этой работы можно сделать с определенной долей вероятности вывод, что многоэлементный спиральный индуктор с возможностью сдвига фаз, между его секциями позволит (по аналогии с кольцевым пъезопреобразователем); управлять зоной перехода ближней зоны в дальнюю, фокусировать УЗ пучок и смещать его по вертикали относительно плоскости контролируемого изделия.
Следовательно, для управления диаграммой направленности ЭМАП и улучшения структуры его поля целесообразна разработка оптимальной конструкции многоэлементного ЭМАП и электронной схемы его возбуждения, управления и
обработки результатов контроля полученного с помощью ЭМАП с фазированием решеток.
Наиболее актуальной задачей в настоящее время является теоретические и экспериментальные исследования ЭМА преобразователей в ферромагнитных материалах, наиболее распространенных в промышленности. Теория ЭМАП для неферромагнитных материалов, в которых эффект возбуждения упругих волн обусловлен силами Ампера, получила достаточное развитие в работах указанных в приведенном выше первом обзоре Г.А.Буденкова (см. стр.1). В работе Г.А.Буденкова, В.Н.Квятковского и др. достаточно тщательно была построена диаграмма направленности секционного ЭМАП сдвиговых волн, представляющего собой набор параллельных ленточных проводников с электромагнитом. Показано, что противофазное питание секций датчика обеспечивает наклонный ввод УЗК.
В практике УЗ дефектоскопии наиболее часто бывает необходимым применять ЭМАП с несимметричной диаграммой направленности. Такой результат можно получить (см. стр.1 первого обзора), используя в качестве индуктора ЭМАП несколько плоских прямоугольных рамок, расположенных периодически в пространстве (датчик типа "решетка") и возбуждаемых с временным сдвигом Δt (ж. Дефектоскопия, 1974 г., №1, стр.38-41).
Исследования пространственной структуры полей объемных волн, возбуждаемых ЭМАП в неферромагнитных материалах в ближней и дальней зонах дифракции выполнены Г.Г.Луценко "К вопросу о наклонном излучении объемных сдвиговых волн с помощью ЭМАП", (ж. Дефектоскопия, 2001 г., №10, стр.36-47). Отмечено, что ввод волн в образец под тем или иным углом наиболее эффективен, когда индуктор является периодической структурой большой протяженности.
Показано, что введение фазового сдвига при возбуждении элементов индуктора приводит к ожидаемым эффектам: повороту главного максимума и, одновременно, к уменьшению максимальной амплитуды смещения и росту боковых лепестков в области малых углов.
В заключении указывается на возможность наклонного ввода сдвиговой волны в металле при вихретоковом механизме возбуждения и достаточно малом расстоянии между плоскостью индуктора и поверхностью металла. Однако, увеличение угла ввода сопряжено с уменьшением амплитуды сдвиговой волны по сравнению с максимально возможным значением, которое наблюдается при синфазном возбуждении и вертикальной магнитной поляризации. Поэтому для реализации больших углов ввода с помощью ЭМАП целесообразна разработка ЭМАП с максимально возможной чувствительностью.
Анализ представленных выше теоретических и экспериментальных исследований по ЭМА методу УЗК металлов и сплавов (неферромагнитных и ферромагнитных) во многом дают представление о физических процессах имеющих место при возбуждении и приеме УЗК импульсов различных частот в зависимости от типа катушки индуктора, величины зазора, поля подмагничивания с помощью постоянных и импульсных магнитов. Изучены, с учетом определенных допущений, ультразвуковые поля и их характеристики в ближней и дальней зонах диаграммы направленности в зависимости от формы катушек индуктора, направления тока в их секциях и величины зазора. Вместе с тем, теоретические исследования в большинстве случаях, не дают конкретных соотношений для расчета ЭМАП прямых и особенно наклонных с заданными параметрами по чувствительности, характеристике диаграммы направленности поля УЗК, особенно для ферромагнитных сталей. Вместе с тем разработаны экспериментальные ЭМАП с учетом известных теоретических исследований. Но в основном, с учетом глубины проникновения конкретных разработчиков, в физические процессы имеющие место при возбуждении и приеме УЗК ЭМА методом.
Благодаря этому разработаны, в первую очередь ЭМА толщиномеры (в т.ч. портативные серийного производства) и дефектоскопические установки, которые по своим эксплуатационным характеристикам (погрешности определения толщины, и выявлению минимально допустимых дефектов) не уступают современным "мокрым" толщиномерам и дефектоскопам, а по таким эксплуатационным характеристикам, как
контроль по сильно корродированным поверхностям и покрытых толстым слоем неметаллических покрытий, температуре контролируемых изделий и скорости контроля в автоматизированном режиме, превосходит "мокрые" толщиномеры и дефектоскопы. Вместе с тем, существует и ряд недостатков ЭМА метода контроля. Это прежде всего невозможность контроля большого класса неметаллических изделий (пластмассы, бетон и др.), влияние магнитострикционного эффекта при контроле ферромагнитных металлов, отсутствие достаточно чувствительных ЭМАП наклонного типа, особенно на углы ввода более 40-50° большое значение индукции в зазоре, обеспечивающее необходимую чувствительность, но при этом имеющих сильное притяжение ЭМАП к поверхности контролируемого изделия (особенно для ферромагнитных сталей), которое препятствует сканированию изделия. Особенно для портативных ЭМА толщиномеров и дефектоскопов. Все это свидетельствует о том, что "мокрые", ЭМА толщиномеры и дефектоскопы, в настоящее время и в обозримом будущем лишь дополнит друг друга. И поскольку все отрасли промышленности во всех промышленно развитых странах насыщены "мокрыми" толщиномерами и дефектоскопами высокого класса с возможностью УЗ контроля металлических и неметаллических изделий по многочисленным технологиям контроля, в настоящее время целесообразна разработка универсальных ЭМА приставок с комплектом необходимых ЭМАП к "мокрым" толщиномерам и дефектоскопах, используя их аппаратную часть для селекции, обработки и представления полученной информации о характеристиках контролируемого изделия в форме необходимой для конкретной технологии контроля. Такое решение целесообразно и с экономической точки зрения, поскольку не все потребители способны дополнительно купить дорогостоящий законченный вариант ЭМА толщиномера или дефектоскопа.
Существующие в настоящее время наработки по разработке ЭМАП и электронной аппаратуры для ЭМА контроля различных изделий нашли отражение в многочисленных патентах, статьях и справочниках.
С учетом указанного выше целью настоящего изобретения является разработка портативного ЭМА устройства с более высокой чувствительностью,
помехозащищенностью и возможностью дефектоскопии металлов и сплавов с помощью наклонных, ЭМАП, в т.ч. для больших углов ввода УЗК.
Известен электромагнито-акустический дефектоскоп (А.с. SU 1377716 А1, G 01 N 29/24 от 3 мая 1989 г.), в котором с целью повышения чувствительности дефектоскопа его ЭМАП выполнен дифференциальным. Сигналы на обеих катушках синфазны и их выходы поданы на инверсный и неинверсные входы дифференциального усилителя.
Это решение имеет ограниченное применение поскольку предназначено для выявления дефектов, плоскость которых расположена параллельно поверхности контролируемого изделия (прямой ЭМАП).
Известен также электромагнито-акустический преобразователь (А.с. SU 1587439 F1 G 01 N 29/04 от 23.08.90 г.), содержащий магнитную систему из двух разнополярных установленных на ферромагнитной пластине постоянных магнитов и вытянутую симметрично вдоль линии стыковки магнитов первую плоскую катушку и две аналогичные плоские катушки, расположенные соосно с первой одна под другой и электрически раздельно, причем первая и вторая катушки включены последовательно и являются приемными, а третья возбуждающая. Причем суммарное количество витков приемных катушек на порядок больше количества витков возбуждающей катушки, а габаритные размеры возбуждающей катушки не превышают габариты приемных катушек.
Такое решение, действительно, позволяет существенно повысить чувствительность ЭМА метода, но применимо только для толщинометрии и дефектоскопии прямым ЭМАП.
Известен электромагнито-акустический преобразователь (А.с. №357518, G 01 N 29/24 от 11.12.72 г.), в котором в каждом прямолинейном участке секций катушек индуктивности протекают противофазные токи и ЭМАП формирует как плоская противофазная антенная решетка акустическое поле в виде двух основных лепестков, максимумы которых наклонены под заданным углом к поверхности изделия.
К недостаткам этого ЭМАП следует отнести, прежде всего наличие двух лепестков и низкую чувствительность из-за большой индуктивности катушки ЭМАП.
Известен также ЭМАП (А.с. №487343, М, 5, G 01 N 29/2), содержащий импульсный электромагнит и возбуждающий (приемный) элемент. При этом электромагнит выполнен в виде плоского намагничивающего проводника с подключенным к нему согласующим трансформатором и источником импульсного тока, а возбуждающий элемент - в виде трапецеидальной рамки из плоской ленты, подключенной к другому трансформатору и предназначенной для расположения между плоским намагничивающим проводником и контролируемым изделием симметрично относительно намагничивающего проводника.
Такой ЭМАП громоздок, потребляет большую мощность, так как через 1 виток проходит большой ток. Кроме того он малоэффективен, так как, несмотря на большой ток в одном витке, суммарное значение AW для в/ч импульса невелико. Такой ЭМАП, скорей всего, может быть применен для мощных стационарных установок.
Известна серия изобретений по разработке ЭМАП для возбуждения нормальных волн:
- А.с. №410306, G 01 N 29/24 посвящено разработке проходного ЭМАП для возбуждения нормальных волн в цилиндрических изделиях;
- А.с. №596876, М, кл.5, G 01 N 29/10 - посвящено разработке ЭМА способа контроля ферромагнитных изделий, при котором вектор напряженности низкочастотного магнитного поля ориентируют по отношению к удаленным сторонам рамки индуктора под углом, величину которого выбирают из условия получения равных амплитуд импульсов поперечной и продольной нормальных волн на заданной базе контроля.
Известно "Устройство для электромагнито-акустического контроля" (А.с. №1784909 А1, G 01 N 29/24), в котором, с целью повышения точности определения местонахождения дефектов и достоверности контроля, в его индукторе внутрилежащие секции n-ой катушки последовательно сопряжены с внутрилежащими
участками остальных катушек. При этом все катушки электрически соединены и расположены так, что сопрягаемые участки при открытых ключах включены встречно, а несопрягаемые участки - электрически согласно. При этом достоверность контроля достигается за счет возбуждения зондирующих ультразвуковых импульсов по достаточно протяженному контуру и регистрация их на локальном участке с максимально однородным распределением упругого поля.
Такое построение индуктора обеспечивает синфазное возбуждение сдвиговых (или продольных) УЗ волн на поверхности контролируемого изделия (в пределах длины волны УЗК) с фазой в/ч синусоидальных импульсов. Основным недостатком его являются сложная конструкция индуктора и его большая индуктивность, усложняющая получение высокой чувствительности.
Известен также электромагнито-акустический преобразователь (А.с. RU №37833 U 1; 7 G 01 N 29/24 от 10.05.2005 г.), содержащий раздельно-совмещенный индуктор, при этом каждая в/ч катушка образована восемью размещенными на расстоянии друг от друга встречновключенными обмотками, причем каждая последующая обмотка, расположенная от периферии к центру (повидимому спиральная катушка), по отношению к предыдущей содержит большое количество витков. Кроме того этот ЭМАП выполнен с возможностью возбуждения импульсными сигналами с различной частотой заполнения, при котором генерируется акустические сигналы, максимумы которых соответствуют углам 35° и 60-65°, с минимальным излучением под другими углами.
Очевидно, здесь имеет место экспериментальный подбор схемы намотки, обеспечивающий синфазное возбуждение и подбор частот возбуждения в/ч импульсов, обеспечивающих суммирование фаз на наклонной прямой, с соответствующими углами ввода. Такой ЭМАП не следует из приведенных выше теоретических исследований (в т.ч. исследований авторов заявки) и не представлен действующий образец, кроме наклонного ЭМАП с углом ввода 40° для контроля рельсов.
С точки зрения достижения цели по обеспечению помехозащищенности и увеличения чувствительности ЭМА устройства аналогом может служить
"Ультразвуковой толщиномер" (Патент RU, №2185600, C 1; 7 G 01 B 17/02 от 20.07.2002 г.), который содержит последователь соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, раздельно-совмещенный ЭМАП (по патенту RU, №31305; U 1; 7 H 04 R 1/00, G 01 N 29/04 от 27.07.2003 г.), предварительный усилитель, АЦП, когерентный накопитель сигналов, блок задания режимов и выбора параметров в/ч импульсов, включенный между вторым входом когерентного накопителя сигналов и синхронизатором, арифметически-логические устройство (выполненное на микропроцессоре) последовательно соединенное со вторым блоком ЦАП и включенные между третьим входом когерентного накопителя сигналов и входами предварительного усилителя и кварцевый генератор подключенный к четвертому входу когерентного накопителя сигналов. На основании этого патента разработан упоминаемый выше серийный толщиномер типа ЭМАТ-100.
К недостаткам его следует отнести сильное притяжение ЭМАП к поверхности ферромагнитных контролируемых изделий и отсутствие возможности управлять диаграммой направленности датчика.
С точки зрения конструктивного решения прототипом заявленного изобретения является ЭМА приставка "Ритм-1", к ультразвуковому "мокрому" дефектоскопу (см. ж. Дефектоскопия, 1972 г., №6, стр.125) и сообщение Буденкова Г.А. и др. "Приставка к дефектоскопу ДУК-613 (см. "Информационный листок" №484-74, Челябинск, ЦНТИ, 1974 г., стр.1-4). В ЭМА приставку входит ЭМАП, импульсный подмагничивающий электромагнит, генератор в/ч зондирующих импульсов, индуктор, предварительный усилитель для подключения к "мокрым" дефектоскопам.
Однако, приставка имеет большие габариты (320×250×170 - электронный блок и 80×115 мм - ЭМАП) и большую потребляемую мощность - ≥200 ВА.
Приставка выполнена на  старой элементной базе электроники и не соответствует современному уровню. Кроме того дефектоскопия осуществлялась только прямым ЭМАП.
Наиболее близким аналогом по технической сути для решения поставленных целей является электромагнито-акустический преобразователь для ультразвукового
контроля материалов, включающий систему подмагничивания и n генераторов зондирующих импульсов каждый из которых подключен к электрически изолированным катушкам индуктивности (индукторам) с одинаковым направлением намотки витков и пассивными элементом (R и С) образующими в совокупности n независимых генераторов в/ч импульсов.
При этом активные элементы (транзисторы) выполнены с возможностью их включения синхронно или со сдвигом по фазе (см. Патент RU 22246106 С 2 G 01 N 29/04, с приоритетом от 17.03.2003).
Однако, данное техническое решение, которое по сути дела представляет многоэлементный индуктор с подключенными к нему n генераторов в/ч (по числу индукторов) может являться лишь основой для разработки ЭМА устройства реализующего поставленные цели.
Поэтому она не решает заявленные предлагаемым ЭМА устройствам цели:
- разработка многоэлементного индуктора повышенной чувствительности позволяющего, в совокупности с n генераторами в/ч импульсов и соответствующими элементами электронной схемы, обеспечить реализацию системы с фазирующими решетками, которая обеспечит по заданному алгоритму формирование диаграммы направленности ультразвукового пучка с заданными характеристиками, в том числе углами ввода УЗК в контролируемое изделие, обработку принятых из изделия УЗ импульсов с целью повышения помехоустойчивости и чувствительности контроля при ЭМА толщинометрии и дефектоскопии.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом устройстве применены блок n генераторов в/ч зондирующих импульсов и многоэлементный индуктор, каждый из которых состоит из генераторной и двух приемных обмоток, расположенных друг над другом, и намотка которых выполнена из секций с одинаковым или противоположным направлением намотки, соответствующим знаком фазы в/ч зондирующего импульса, дифференциальные усилители, включенные между соответствующими приемными обмотками каждого индуктора и входом предварительного усилителя, АЦП, когерентный накопитель сигналов, первый ЦАП,
блок задания режимов и выбора параметров в/ч импульсов, включенный между вторым входом когерентного накопителя сигналов и синхронизатором, арифметически - логическое устройство последовательно соединенное со вторым блоком ЦАП и включенные между третьим входом когерентного накопителя сигналов и соответствующими входами предварительного усилителя и кварцевый генератор подключенный к четвертому входу когерентного накопителя сигналов. Кроме того между  синхронизатором и блоком n генераторов в/ч зондирующих импульсов включены, соответственно, n блоков плавно регулируемых задержек синхроимпульса, а к выходу первого ЦАП подключена сменная плата согласования его выхода с входом приемного тракта «мокрых» толщиномеров или дефектоскопов.
Кроме того между выходами каждого дифференциального усилителя и входом предварительного усилителя включены последовательно соединенные блок управляемой задержки приемного сигнала и соответствующий вход когерентного сумматора, а между каждым из блоков формирования пачки в/ч синусоидальных сигналов и соответствующим предварительным усилителем мощности зондирующего в/ч сигнала включены последовательно соединенные усилитель-ограничитель и второй когерентный сумматор, второй вход которого подключен к выходу соответствующего блока формирования пачки в/ч синусоидальных сигналов.
Индукторы же ЭМАП выполнены в виде тонкой металлической пластинки (каркаса), на которую наматываются приемные обмотки, поверх которых наматываются рядовой намоткой генераторная обмотка и которые размещены между протектором и постоянным или импульсным магнитом, а между последним и верхней плоскостью индукторов размещен тонкий слой магнитного клея с малой электрической проводимостью. Кроме того индуктор ЭМАП может быть выполнен в виде расположенных друг над другом трех тонких металлических пластин, которые могут выполнены из медного провода или провода из сплавов типа константант; нихром, или фехраль.
Кроме того, в качестве постоянного магнита для ЭМАП могут быть использованы фокусирующий постоянный магнит или наклонно поляризованный.
Сущность изобретения поясняется чертежами представленными на Фиг.1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10.
На фиг.1 представлено устройство для ЭМА контроля качества металлов и сплавов в виде приставки к «мокрым» толщиномерам и дефектоскопам, где:
1 - синхронизатор;
2 - блок n плавно регулируемых задержек синхроимпульса;
3 - блок генераторов в/ч синусоидальных импульсов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока формирования пачки синусоидальных сигналов с регулируемым числом периодов от 1/4λ до n периодов (3-1; 3-2;...3-n), блоков предварительных усилителей (4-1; 4-2;...4-n) и усилителей мощности (5-1; 5-2;...5-n);
4 - ЭМАП;
5 - постоянный магнит;
6 - генераторные обмотки многоэлементного индуктора (в данном случае, 4 элемента);
7, 8 - приемные обмотки индуктора;
9 - тонкий слой магнитного клея с малой электрической проводимостью, исключающей наведение вихревых токов и, следовательно, появление ультразвуковых импульсов помех в теле постоянного магнита;
10 - входной дифференциальный усилитель;
11 - предварительный усилитель;
12 -АЦП;
13 - когерентный накопитель сигналов;
14 - первый ЦАП;
15 - сменная плата согласования выхода первого ЦАП с входом приемных трактов «мокрых» толщиномеров и дефектоскопов;
16 - второй ЦАП для выработки аналоговых сигналов обеспечивающих работу предварительного усилителя 11 в режимах МАРУ, АРУ и слежения за величиной
зазора между рабочей поверхностью ЭМАП и поверхностью контролируемого изделия;
17 - арифметически-логическое устройство;
18 - кварцевый генератор;
19 - блок задания режимов и выбора параметров в/ч импульсов;
20 - импульсный блок питания;
21 - блок аккумуляторов.
На Фиг.2. представлена конструкция линейного 4-х элементного каркаса индуктора ЭМАП (вид сверху), где
L - длина индуктора;
h - суммарная толщина генераторной и приемной обмоток;
b - толщина экрана;
В - длина пластины (22) каркаса для намотки обмоток индуктора.
На Фиг.3. представлен вид сбоку этого каркаса, где:
d - высота индуктора;
b - толщина каркаса для намотки обмоток индуктора;
К - ширина намотки одного из 4-х элементов индуктора;
Н - ширина 4-х элементного индуктора.
На Фиг.4. представлено сечение А-А одного из n элементов индуктора ЭМАП (фиг.2), где:
δ - толщина протектора ЭМАП;
5 - постоянный магнит;
23 - тонкая магнитная прокладка из феррита;
24 - протектор;
25 - контролируемое изделие;
λ=Ct/f, где f - частота в/ч генератора,
Ct - скорость распространения сдвиговых УЗ колебаний;
λ - длина волны сдвиговых колебаний.
На Фиг.5. представлена функциональная схема соединения приемных катушек индуктора:
27; 29; 31; 33 - дифференциальные усилители приемного сигнала;
28; 30; 32; 34 - блоки регулируемой задержки принятых от изделия сигналов;
35 - когерентный сумматор;
26 - диоды для ограничения амплитуды зондирующего импульса;
11 - предварительный усилитель (см. также Фиг.1);
На Фиг.6. представлена схема отражения УЗК от дефекта D в контролируемом образце 25 и ход центральных лучей 1, 2, 3, 4 к 4-х элементному индуктору, из которой следует, что на каждый элемент индуктора, при наклонном возбуждении и приеме УЗК с помощью наклонного ЭМАП, отраженный сигнал приходит со сдвигом по времени Δt из-за разницы в расстоянии Δ1 от дефекта до соответствующего элемента индуктора ЭМАП.
На Фиг.7. представлено (в плане) схематическое изображение линейного индуктора ЭМАП состоящего из 64 элементов, каждый из которых выполнен на каркасе представленном на фиг.2 и 3.
На Фиг.8. представлен трехэлементный индуктор кольцевого типа с расположенными друг под другом генераторными обмотками 6 и приемными обмотками 7 и 8, где 9 - слой магнитного клея с низкой электрической проводимостью (в частности - эпоксидная смола густо смешанная с железными или стальными опилками).
На Фиг.10. представлена функциональная схема для формирования зондирующего синусоидального сигнала, где 3-1 - блок формирования пачки синусоидального колебаний;
- 36 - усилитель ограничитель до стабильного значения амплитуды, много меньше исходного сигнала;
- 37 - когерентный сумматор, с выхода которого (точка С на фиг.9) сигнал поступает на блок формирования (усилитель мощности) мощного зондирующего импульса.
На Фиг.9. представлены эпюры напряжения в узловых точках схемы фиг.10.
Эта схема позволяет повысить помехоустойчивость устройства от воздействия импульсных полях.
Такая форма зондирующего импульса (со ступенькой на переднем и заднем фронтах полупериода) обеспечит защиту от импульсных помех, которые вряд ли имеют такую форму переднего и заднего фронта.
Арифметически-логическое устройство приставки осуществляет селекцию полезных сигналов по форме фронтов (и, кстати, по длительности полупериодов при их сравнении с длительностью полупериода зондирующего импульса).
Работает устройство следующим образом.
Под действием импульса синхронизации поступающего с «мокрых» толщиномера или дефектоскопа запускается блок синхронизации устройства 1 (см. Фиг.1).
С его выхода импульс синхронизации запускает n блоков плавно регулируемых задержек 2, в каждом из которых по известному алгоритму устанавливается свое значение задержки Δt. С его выходов запускаются блоки 3 формирования в/ч импульсов, в которых оператором устанавливается выбранные параметры - рабочая частота f, число периодов его колебаний. Затем эта пачка радиоимпульсов поступает на блоки 3-1; 3-2;...3-n для предварительного усиления, а затем с его выходов импульсы поступают на соответствующие усилители мощности (5-1; 5-2;...5-n), нагрузкой которого является генераторная катушка индуктивности каждого элемента индукторов 6. Под действием этих радиоимпульсов на поверхности контролируемого изделия возникают вихревые токи, взаимодействие которых с полем постоянного магнита 5 по закону Лоренца возникают ультразвуковые колебания, которые, распространяясь в изделие 25 (фиг.4) и отражаясь от его дна или от дефекта D (см. фиг.6) поступают на поверхность изделия, смещения которого (сдвиговые или продольные) взаимодействуя с полем постоянного магнита 5 вызывают на поверхности изделия токи Фуко, которые наводят в приемных обмотках 7, 8 индуктора 4 в/ч электрические импульсы. Приемные обмотки каждого элемента
индуктора (см. фиг.5.) включены встречно. Поэтому с выходов двух обмоток каждого элемента индуктора поступают противофазные импульсы на соответствующие входы соответствующих дифференциальных усилителей 27, 29, 31, 33. С их выходов удвоенный импульс поступает на соответствующие блоки управляемых задержек (28, 30, 32, 34). Величина задержки в каждом из этих блоков устанавливается заведомо -при толщинометрии эта задержка равна «0», при дефектоскопии с установленным углом ввода УЗК - на определенную величину Δt, соответствующую разности хода лучей Δ1 от дефекта D до соответствующего элемента индуктора (см. фиг.6).
Синфазные импульсы с выходов этих задержек поступают на когерентный сумматор 35 (фиг.5), результирующий импульс с которого поступает на предварительный усилитель 11 устройства, а с него на АЦП (12), в котором сигналы преобразуются в код поступающий на когерентный накопитель синфазных сигналов (13). Кодовые сигналы с его выхода поступают на первый ЦАП 14, а с него на сменную плату 15 согласования выхода первого ЦАП 14 с входом приемных трактов «мокрых» толщиномера или дефектоскопа.
Блок 19 служит для задания режимов и выбора параметров в/ч импульсов.
Арифметически-логическое устройство 17 совместно с кварцевым генератором 18 служит для выработки режимов работы устройства, обработки поступающей информации и выработки с помощью второго ЦАП (блок 16) в определенные циклы работы устройства, сигналы для управления предварительным усилителем 11 обеспечивая тем самым в определенные промежутки цикла, заданного синхронизатором 1, режимы МАРУ, АРУ или отстройки от изменяющегося зазора в процессе контроля изделий.
Для того, чтобы уменьшить влияние импульсных электрических помех, между формирователем в/ч синусоидальной пачки сигналов, включен (см. Фиг.10) усилитель-ограничитель 36 и когерентный сумматор 37, на выходе которого получается синусоидальный сигнал со ступеньками на переднем и заднем фронтах полупериодов (см. Фиг.9).
Вероятность появления помехи с такими экзотическими фронтами очень мала, что позволяет с помощью арифметически-логического устройства 17 (Фиг.1) и когерентного накопителя сигналов 13 селектировать полезные сигналы со ступенчатой формой заднего и переднего фронта принятых от контролируемого изделия.
Эта обработка и селекция полезных сигналов происходит в первой половине периода следования зондирующих импульсов, когда режим предварительного усилителя 11 переведен в режим МАРУ. В этом режиме все принятые сигналы (полезные и помехи) имеют одинаковую амплитуду, что позволяет увеличить точность селекции и последующей обработки. Затем предварительный усилитель 11 переводится в режим АРУ, при котором соотношение амплитуд принятых сигналов (но уже без помех) имеет исходное значение. Эта последовательность полезных сигналов с блока 15 (фиг.1) поступает на вход «мокрых» толщиномера и дефектоскопа, где их дальнейшая селекция, обработка, визуализация и необходимые измерения производятся в электронных блоках «мокрых» толщиномеров и дефектоскопов в соответствии с заложенной в них технологией УЗ контроля изделий в различных отраслях промышленности.
Изложенная выше новая технология изготовления элементов линейного индуктора и простая технология его изготовления имеет чрезвычайно важное значение для повышения чувствительности ЭМАП и существенного упрощения технологии изготовления многоэлементного ЭМАП.
Суть новизны состоит в том, что приемные и генераторные обмотки наматываются на плоский тонкий каркас, длина которого В (фиг.2) соответствует действующей длине линейного ЭМАП.
Намотанные друг на друга витки приемных и генераторной обмоток (как показано на фиг.4) индуктивно связаны и индуктивность каждой обмотки зависит от числа витков обмотки и материала сердечника (пластины каркаса).
Вследствие этого появляются очень широкие возможности для изменения величины индуктивности каждой обмотки в зависимости от материала сердечника при постоянном числе витков.
Так, например, намотанные на латунный пластине толщиной 0,2 мм и длиной (витка) 16 мм 10 витков медного провода ⌀0,14 мм при измерении индуктивности показали значение L=0,38 мкГн, а те же 10 витков такого же провода намотанные на такую же пластину из электротехнической стали показали значение L=3,5 мкГн. Это позволяет изменять (уменьшать) значение индуктивности генераторной обмотки элементов индуктора до очень небольших значений L. При этом, например, в элементе индуктора с числом витков генераторной обмотки, допусти, 10 W можно получить L<0,35 мкГ и менее! Тогда ток в обмотке генераторной обмотки такого элемента будет равен I=U×dt/L=600×0,1/0,35≈200 А.
Если весь индуктор состоит только из 3 элементов (общее число витков=30W), то суммарное значение AW=30×200=6000 AW.
Следовательно, резкое увеличение числа AW генераторной обмотки приведет к существенному увеличению чувствительности такого ЭМАП. И это еще не предел. Поэтому в перспективе возможно с увеличением чувствительности ЭМАП уменьшить напряженность подмагничивающего постоянного поля до величины, при которой ЭМАП будет очень слабо притягиваться к поверхности контролируемого изделия из ферромагнитных сталей.
Еще одной очень полезной особенностью такого ЭМАП заключается в том, что приемные обмотки можно изготавливать из проволоки типа Константан, Нихром, или Фехраль (Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1975.-С.140.), что позволит лучше согласовать выходное сопротивление приемных обмоток с входным сопротивлением электронных схем усилителей. При разработке многоэлементных индукторов ЭМАП число витков генераторной обмотки может быть значительно меньше 10 W.
Поэтому эту обмотку можно изготавливать, например, из фехралевого провода. У которого содержание железа достигает 80%.
Поэтому ЭМАП изготовленный из таких проводов, равносильно уменьшению величины зазора на величину равную двойной сумме диаметров двух приемных и
одной генераторной обмотки, что так же приведет к увеличению чувствительности такого ЭМАП при одном и том же постоянном магните.
Кроме того, возможность резкого уменьшения индуктивности генераторной обмотки элемента индуктора при применении намоточного провода, например, из материала типа Фехраль позволит реализовать генератор зондирующих импульсов почти с нагрузкой близкой к малому активному сопротивлению. Это позволит, при современной элементной базе, применить активный мощный элемент (транзистор) с большим импульсным током (≥200 А) при сравнительно небольшом напряжении на токонесущих электродах (коллектор-эмиттер). Это позволит минимизировать конструкцию и уменьшить потребляемую мощность генератора зондирующих импульсов.