ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использована в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности для контроля однородности механических свойств ферромагнитных изделий, например, для контроля напряженно-деформированного состояния металла.
Известен накладной электромагнитно-акустический преобразователь (патент RU №2334981, G01N 29/24, 2006), применяемый для определения текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций и металлопроката. Преобразователь содержит магнитную систему с двумя компланарными разноименными полюсами и две плоские катушки, лежащие в параллельных плоскостях на минимальном расстоянии друг над другом. В зависимости от конструктивных параметров и формы катушек, ориентации подмагничивающего поля магнитной системы в объекте контроля возбуждаются продольные и сдвиговые волны линейной поляризации вдоль и поперек направления прокатки объекта или приложенного к нему усилия.
Недостатком известного электромагнитно-акустического преобразователя является наличие высокого уровня боковых лепестков в диаграмме направленности сдвиговых волн, обусловленных разнесенными в пространстве элементами катушек под полюсами магнитной системы. Нежелательные боковые лепестки ведут к возможности появления мешающих отражений от различных конструктивных отражателей, что усложняет процесс интерпретации измерений и может приводить к ошибочным результатам.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели техническим решением является электромагнитно-акустический преобразователь (патент RU №2441230, G01N 29/04), 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 низкая чувствительность электромагнитно-акустического преобразователя ввиду значительных потерь энергии магнитного поля на рассеяние при установке преобразователя с незамкнутой магнитной цепью на объект контроля. Использование катушек индуктивности в виде меандра также снижает чувствительность устройства-прототипа, поскольку взаимодействие соседних элементов меандра с противоположным направлением электрического тока в них приводит к частичной компенсации вихревых токов от каждого отдельного элемента меандра в приповерхностном слое изделия. Низкая эксплуатационная надежность устройства-прототипа вызвана использованием постоянного магнита, что является причиной повышенного абразивного воздействия на рабочую поверхность преобразователя при его установке и перемещении, вследствие чего возможно истирание рабочей поверхности и выход из строя катушек индуктивности. Кроме того, возможность возбуждения и распространения в постоянном магните импульсов сдвиговых волн снижает акустическую помехозащищенность известного преобразователя, что ухудшает достоверность контроля, особенно в случаях контроля изделий, толщина которых больше или равна высоте постоянного магнита.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности электромагнитно-акустического преобразователя, повышение его надежности, износостойкости и акустической помехозащищенности.
Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе, содержащем 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, согласно предлагаемой полезной модели, намагничивающее устройство выполнено в виде магнитной системы с Ш-образным поперечным сечением, катушки выполнены в виде двух симметричных овальных лепестков с примыкающими друг к другу линейными участками, расположенными под центральным полюсом магнитной системы.
Центральный полюс магнитной системы может быть выполнен сужающимся в направлении рабочей поверхности или снабжен концентратором магнитного потока. Кроме того, магнитная система преобразователя может быть выполнена в виде электромагнита с Ш-образным магнитопроводом. Последний может быть выполнен с клиновидным вырезом со стороны, противоположной центральному полюсу, с гранями, перпендикулярными плоскости Ш-образного сечения магнитопровода и симметричными по отношению к его оси симметрии.
Выполнение намагничивающего устройства в виде магнитной системы с Ш-образным поперечным сечением позволяет уменьшить потери энергии магнитного поля на рассеяние, увеличить плотность магнитного потока в полюсе магнитной системы и повысить чувствительность преобразователя. Выполнение катушек в виде двух симметричных овальных лепестков с примыкающими друг к другу линейными участками, расположенными под центральным полюсом магнитной системы, обеспечивает увеличение линейной плотности вихревых токов в приповерхностном слое контролируемого объекта, что приводит к росту чувствительности преобразования.
Выполнение центрального полюса магнитной системы сужающимся в направлении рабочей поверхности или введение в устройство концентратора магнитного потока дополнительно позволяет увеличить плотность магнитного потока в полюсе магнитной системы и, соответственно, повысить чувствительность преобразователя.
Выполнение магнитной системы преобразователя в виде электромагнита с Ш-образным магнитопроводом позволяет управлять магнитным полем, что обеспечивает снижение механических воздействий, приводящих к истиранию протектора и выхода из строя катушек при установке и перемещении преобразователя, т.е. повышает эксплуатационную надежность и износостойкость преобразователя.
Выполнение магнитопровода магнитной системы с клиновидным вырезом со стороны, противоположной центральному полюсу, с гранями, перпендикулярными плоскости Ш-образного сечения магнитопровода и симметричными по отношению к его оси симметрии, предотвращает возникновение ложных сигналов сдвиговых волн в результате отражения от поверхности магнитопровода, противоположной центральному полюсу, снижает уровень нежелательных акустических ревербераций в теле магнитопровода и, следовательно, повышает акустическую помехозащищенность, обеспечивая надежность и достоверность результатов измерений.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид электромагнитно-акустического преобразователя; на фиг.2 - преобразователь с магнитной системой на основе электромагнита с плоским Ш-образным магнитопроводом; на фиг.3 - вид одной из катушек индуктивности; на фиг.4 - распределение магнитного поля в системе «преобразователь-объект контроля».
Электромагнитно-акустический преобразователь (фиг.1) состоит из магнитной системы 1 с Ш-образным поперечным сечением и двух электрически изолированных друг от друга плоских катушек 2 и 3, расположенных одна над другой у поверхности центрального полюса 4 магнитной системы. Магнитная система 1 может быть выполнена в цилиндрическом (кольцевом) или плоском исполнении, причем как на основе постоянного магнита (на фиг.1 стрелками показано направление намагниченности), так и на основе электромагнита (фиг.2, катушка 5 на центральном сердечнике плоского Ш-образного магнитопровода).
Каждая из катушек 2 и 3 (фигуры 1 и 2) выполнена в виде двух симметричных овальных лепестков (фиг.3) с примыкающими друг к другу линейными участками, расположенными под центральным полюсом магнитной системы (площадь полюса на фиг.3 заштрихована). Витки линейных участков катушек ориентированы под углом 90° относительно друг друга.
Центральный полюс 4 магнитной системы 1 может быть выполнен сужающимся в направлении рабочей поверхности или снабжен концентратором магнитного потока (фиг.2).
Плоский Ш-образный магнитопровод электромагнита (фиг.2) может быть выполнен с клиновидным вырезом 6 со стороны, противоположной центральному полюсу 4, с гранями, перпендикулярными плоскости магнитопровода и симметричными по отношению к его оси симметрии.
На фиг.4 показана топография магнитного поля системы «преобразователь-объект контроля» на основе плоского электромагнита, установленного на контролируемое изделие.
Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом. После установки преобразователя 1 на объект контроля (фиг.1) и подачи электрического тока в катушку 5 электромагнита (фиг.2) в приповерхностном слое контролируемого изделия под центральным полюсом 4 магнитной системы формируется магнитное поле, характеризующееся в основном нормальной составляющей (фиг.4). На одну из плоских катушек 2 и 3 (фиг.1, 2, 3) или одновременно на обе катушки подаются импульсы высокочастотных колебаний. В поверхностном слое изделия под полюсом 4 формируется область с высокой линейной плотностью вихревых токов, имеющих одинаковое направление в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитного поля. Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем, создаваемым магнитной системой, приводит к возникновению силы Лоренца, ориентированной нормально к линиям вихревых токов и направлению магнитного поля. Поляризация генерируемой сдвиговой волны совпадает с плоскостью действия силы Лоренца. Взаимодействие наведенных вихревых токов от одной из катушек, ориентированной на 90° относительно другой, с магнитным полем приводит к генерации сдвиговой волны с поляризацией, ориентированной по нормали к поляризации сдвиговой волны от первой катушки. Прием электромагнитно-акустическим преобразователем ультразвуковых колебаний, прошедших через изделие и отразившихся от его противоположной поверхности, происходит за счет обратного электромагнитно-акустического преобразования, т.е. преобразования акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы.
Наличие клинообразного выреза 6 в Ш-образном магнитопроводе (фиг.2) приводит к снижению амплитуды акустических шумов от мешающих ультразвуковых волн, возникающих в полюсе 4 магнитопровода при взаимодействии переменного магнитного поля от катушек 2, 3 и постоянного магнитного поля. Это происходит вследствие явлений затухания и расхождения, ослабляющих амплитуду ультразвуковых волн при увеличении пройденного расстояния в результате изменения направления их распространения после отражения от граней выреза, и многократных отражений от боковых поверхностей магнитопровода.
Высокая чувствительность и акустическая помехозащищенность предлагаемого электромагнитно-акустического преобразователя позволяет ему эффективно работать при измерении текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния металлоконструкций из ферромагнитных материалов с различными профилями, в том числе при контроле крупногабаритных изделий. Для этого преобразователь устанавливают на объект таким образом, чтобы направление поляризации любой из возбуждаемых волн было параллельно плоскости главных механических напряжений. После этого измеряют временные задержки отраженных от противоположной поверхности стенки объекта контроля импульсы ультразвуковых волн обеих поляризаций, излученных от преобразователя. По измеренным задержкам, при помощи известных методик и уравнений акустоупругости, определяют напряжения в контролируемой зоне.