ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROMAGNETIC-ACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам неразрушающего контроля изделий из ферромагнитного материала, и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для определения напряженно-деформированного состояния металла.
На сегодняшний день в России, по данным территориальных органов Ростехнадзора, находятся в эксплуатации около 150 тыс. км магистральных газопроводов и свыше 60 тыс. единиц других опасных производственных объектов, 40% которых эксплуатируются уже более 20 лет, и это приводит к повышению уровня их аварийности. Количество аварий можно существенно снизить, если своевременно выполнять оценку действующих механических напряжений в этих объектах для последующего прогнозирования остаточного ресурса изделия на стадиях как строительства, так и эксплуатации и ремонта.
Достоверность оценки действующих механических напряжений составляет 90-95%, но этот показатель снижается до 75-80% при плохой зачистке поверхности исследуемого объекта.
Задачей заявляемого изобретения является создание бесконтактного устройства, что позволит повысить производительность труда за счет сокращения необходимых повторных операций измерения и повысить достоверность контроля до 90%, а это приведет к снижению числа аварий.
В настоящее время известны электромагнитно-акустические преобразователи для неразрушающего определения действующих механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов.
Так, известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнит и плоскую спиральную катушку индуктивности, располагаемую между торцом магнита и контролируемым изделием (АС СССР №411369, кл. G01N 29/04, 1971 г.).
Этот преобразователь, содержащий два магнита, на рабочих торцах которых выполнена гребенчатая структура, позволяет возбудить поперечную волну в изделии только лишь одной поляризации, что не позволяет определить действующие в материале напряжения. Поворот вручную самого преобразователя вокруг своей оси на 90° приведет к изменению взаимного расположения преобразователя и объекта контроля, что, в свою очередь, ухудшит достоверность контроля.
Известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий источник магнитного поля и расположенную на его рабочем торце плоскую катушку индуктивности (АС СССР №564595, кл. G01N 29/24, 1975 г.).
Этот преобразователь, содержащий катушку индуктивности с двумя электропроводящими пластинами, расположенными в плоскости катушки индуктивности с двух сторон от нее на прямой, пересекающей катушку параллельно одной из ее осей, не позволит возбудить поперечную волну с двумя взаимно перпендикулярными поляризациями. Необходим поворот преобразователя вокруг своей оси на 90° для генерации волны другой поляризации, что из-за «человеческого фактора» ведет к изменению координат первоначального позиционирования преобразователя относительно контролируемого изделия. Это ведет к снижению достоверности контроля.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании эффекту к заявленному изобретению является электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему в виде постоянного магнита и две плоские катушки, электрически изолированные друг от друга и расположенные под магнитом одна под другой (АС СССР №1587479, кл. G01N 29/24, 1988 г.).
Этот преобразователь позволяет возбуждать волну только одной поляризации. Для проведения необходимых измерений требуется поворот преобразователя относительно своей оси на 90°, что из-за «человеческого фактора» ведет к изменению взаимного расположения преобразователя и объекта контроля, а это, в свою очередь, снижает достоверность контроля.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - возбуждение ультразвуковых волн с разными поляризациями, что позволит при его использовании оценить одноосное напряженное состояние изделий из ферромагнитного материала.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция электромагнитно-акустического преобразователя обеспечивает генерацию механических колебаний с поляризацией ультразвуковых волн под углом 90° относительно друг друга.
Это достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе, содержащем магнитную систему в виде постоянного магнита и две плоские катушки, электрически изолированные друг от друга и расположенные под магнитом одна под другой, постоянный магнит выполнен в виде сплошного цилиндра при отношении его диаметра к высоте 1:2, витки одной плоской катушки направлены под углом 90° к виткам другой катушки, а диаметр окружности, описывающей витки каждой катушки, равен диаметру постоянного магнита.
Заявляемый электромагнитно-акустический преобразователь за счет отсутствия влияния состояния поверхности объекта контроля и отсутствия влияния контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля на результат измерений дает возможность повысить достоверность результатов контроля.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что аналоги, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения, не обнаружены, а из перечня аналогов подобран прототип как наиболее близкий по совокупности признаков, что позволило определить отличительные признаки заявляемого технического решения. По мнению заявителя, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна» по действующему законодательству.
Предлагаемое техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники, поэтому оно соответствует критерию «изобретательский уровень».
Для подтверждения промышленной применимости изобретения представлен чертеж, поясняющий работу электромагнитно-акустического преобразователя.
1
Электромагнитно-акустический преобразователь состоит из магнитной системы 1 в виде постоянного магнита, при этом постоянный магнит выполнен в виде сплошного цилиндра диаметром D и высотой Н при соотношении D/H как 1/2, и двух плоских катушек 2, 3, электрически изолированных друг от друга и расположенных под магнитом 1 одна под другой. Витки катушки 2 направлены под углом 90° к виткам катушки 3, а диаметр окружности D, описывающей витки каждой катушки, равен диаметру D постоянного магнита 1.
2
3
л2
л3
Далее на чертеже обозначены: 4 - изделие; N, S - полюса магнита 1, В - направление магнитного поля; J, J - направления вихревых токов в поверхностном слое изделия 4 от соответственно катушек 2, 3; F, F - направления действия сил Лоренца.
Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом.
2
Л2
2
Л2
3
Л3
3
Л3
Для возбуждения поперечной (сдвиговой) волны он имеет магнитную систему с постоянным магнитом 1 цилиндрического типа, обеспечивающую магнитный поток В по нормали к поверхности изделия 4, и индуктор виде двух катушек 2, 3 в форме меандра, причем витки плоской катушки 2 направлены под углом 90° к виткам катушки 3. В результате взаимодействия наведенного вихревого тока J от катушки 2 и магнитного поля В в поверхностном слое материала изделия 4 возникают силы Лоренца F, направленные нормально по отношению к линиям вихревого тока J. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца F. Для возбуждения волны с другой поляризацией на катушку 3 подается напряжение, в результате чего в поверхностном слое материала изделия 4 возникают вихревые токи J, которые при взаимодействии с магнитным полем В образуют силу Лоренца F, которая направлена нормально по отношению к линиям вихревого тока J. При этом образуется поперечная (сдвиговая) волна с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью действия силы Лоренца F.
Прием ультразвуковых колебаний, прошедших через изделие 4 и отразившихся от его противоположной поверхности, происходит по обратному ЭМА-преобразованию, т.е. преобразованию акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы. По временам прохождения ультразвуковых колебаний до противоположной поверхности изделия и обратно можно судить о напряженном состоянии объекта.
Попеременная подача напряжения на катушку 2 и 3 приводит к возбуждению поперечных волн с разными поляризациями. Это позволяет избежать поворота электромагнитно-акустического преобразователя вокруг своей оси, что вызывает изменение позиционирования электромагнитно-акустического преобразователя относительно изделия 4, т.е. одним электромагнитно-акустическим преобразователем можно возбуждать волны двух различных поляризаций, а следовательно, повысить достоверность проводимых измерений.
1
1
Что касается размеров постоянного магнита и катушек, то они выбраны из следующих соображений. При отношении D к Н 1:1 постоянное магнитное поле будет недостаточным для возбуждения УЗ колебаний требуемой амплитуды. При отношении D к Н больше 1:2 амплитуда УЗ колебаний незначительно возрастает, что не сильно сказывается на результате измерений, а массогабаритные характеристики увеличиваются значительно, что нерационально. Таким образом, отношение D к Н, равное 1:2, является оптимальным. Что касается катушки, при диаметре катушки меньше диаметра постоянного магнита, т.е. D<D, интенсивность УЗ волны недостаточна, что снижает достоверность контроля, при D>D необоснованно увеличиваются размеры преобразователя.
Таким образом, предложенный электромагнитно-акустический преобразователь соответствует критерию «промышленная применимость» в соответствии с действующим законодательством.