ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ELECTROMAGNETIC ACOUSTIC CONVERTER FOR CONTROL OF FERROMAGNETIC MATERIALS

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля изделий из ферромагнитного материала и может быть использовано в машиностроении, нефтегазовой промышленности, а также в других отраслях промышленности для контроля качества продукции как из самого металла, так и сварных соединений.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение достоверности контроля с одновременным упрощением конструкции ЭМА преобразователя.
В настоящее время известны электромагнитно-акустические преобразователи для неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов.
Известен ЭМА преобразователь [1], являющийся аналогом заявляемого изобретения, содержащий каркас, в котором установлен с возможностью вращения магнитопровод, выполненный в виде вала с намагничивающим элементом и колесной парой из ферромагнитного материала. Чувствительный элемент, установленный между колесами над поверхностью изделия, представляет собой плоскую катушку в виде решетки, шаг между системой синфазных проводников которой пропорционален длине волны.
Такой ЭМА преобразователь не обеспечивает необходимой достоверности контроля, поскольку, во-первых, точечный контакт магнитопровода с изделием, не обеспечивая равномерного промагничивания участка изделия под чувствительным элементом, ухудшает чувствительность преобразователя, а возможные изменения рабочего зазора приводят к резкому изменению эффективности возбуждения и приема звуковых волн; во-вторых, использование одного чувствительного элемента на излучение и прием в виде решетки с определенными параметрами, связанными с длиной волны, не только ухудшает условия выделения полезных сигналов на фоне электрических помех, связанных с электрическим воздействием (по эфиру, по соединительным кабелям и т.д.) излучающего устройства на приемное устройство, но и ухудшает возможности согласования как излучателя с выходом генератора, так и приемника с входом усилителя.
Известен ЭМА преобразователь [2], предназначенный для ультразвукового контроля металлических изделий произвольной толщины. ЭМА преобразователь состоит из каркаса с закрепленными в нем узлом подмагничивания и излучателя-приемника. Узел подмагничивания представляет собой П-образный магнит, полюса которого обращены к поверхности контролируемого металлического изделия. Излучатель-приемник представляет собой решетку, состоящую из нескольких расположенных в одной плоскости параллельно друг другу проводников. Решетка расположена между полюсами магнита, параллельно поверхности контролируемого изделия. Для формирования и приема звуковой волны расстояние между системой синфазных проводников выбирают равным длине возбуждаемой волны.
Недостатком этого аналога является низкая достоверность контроля - использование одного чувствительного элемента на излучение и прием в виде решетки с определенными параметрами, связанными с длиной волны, не только ухудшает условия выделения полезных сигналов на фоне электрических помех, связанных с электрическим воздействием (по эфиру, по соединительным кабелям и т.д.) излучающего устройства на приемное устройство, ухудшает возможности согласования излучателя с выходом генератора и приемника с входом усилителя, но и ухудшает эффективность возбуждения и приема волн за счет одновременного изменения зазора при излучении и приеме.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа ЭМА преобразователь [3] для ультразвукового контроля ферромагнитных изделий. ЭМА преобразователь содержит каркас из немагнитного материала, в котором закреплены узел подмагничивания, излучатель и приемник. Узел подмагничивания представляет собой Ш-образный магнитопровод с установленной на среднем полюсе катушкой подмагничевания, полюса которого обращены в сторону поверхности контролируемого ферромагнитного изделия. Излучатель и приемник представляют собой решетки, состоящие из нескольких расположенных в одной плоскости параллельно друг другу проводников. Для формирования и приема звуковой волны расстояние между системой синфазных проводников решеток выбирают равным длине возбуждаемой волны. Каждая из двух решеток расположена в одном из межполюсных пространств, образованных Ш-образным магнитопроводом, параллельно поверхности контролируемого изделия.
К недостаткам прототипа, снижающим достоверность контроля, можно отнести существующее влияние степени подмагничивания не только на эффективность приема, но и на эффективность возбуждения ультразвуковых волн, а также ухудшение  условий выделения полезных сигналов на фоне электрических помех, связанных с выполнением излучателя и приемника с одинаковым для обеих решеток шагом (расстоянием) между синфазными проводниками.
Задача - повысить достоверность контроля изделий из ферромагнитных материалов за счет исключения влияния подмагничивания на эффективность возбуждения ультразвуковых волн, а также за счет улучшения условий для повышения соотношения сигнал-шум.
Технический результат - исключение влияния подмагничивания на эффективность возбуждения ультразвуковых волн, повышение соотношения сигнал-шум.
Технический результат достигается тем, что в ЭМА преобразователе, содержащем каркас из немагнитного материала, закреплены узел подмагничивания, излучатель и приемник. Излучатель и приемник выполнены в виде последовательно разнесенных в пространстве решеток. В первом варианте исполнения приемник размещен на обращенном к изделию полюсе постоянного магнита или электромагнита узла намагничивания, при этом шаг между синфазными проводниками приемника пропорционален длине возбуждаемой волны. Во втором варианте исполнения приемник размещен между двумя обращенными к изделию магнитными полюсами различной магнитной полярности узла намагничивания. Излучатель как в первом, так и во втором случае размещен на держателе, закрепленном в корпусе, защищенном от полей намагничивания, а шаг между синфазными проводниками излучателя пропорционален удвоенной длине возбуждаемой волны.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны различные конфигурации ЭМА преобразователя:
1 - Каркас
2 - Магнит
3 - Приемник
4 - Излучатель
5 - Испытуемое изделие
6 - Поверхность контроля
7 - Свободные ультразвуковые волны
Предложенный преобразователь обеспечивает возможность возбуждения ультразвуковых волн при установке излучателя относительно поверхности контроля ферромагнитного изделия без подмагничивания и так, чтобы он не подвергался никакому износу вследствие истирания, которое происходило бы в результате прижима излучателя при наличии подмагничивания к технической поверхности обследуемого изделия.
В отличие от известных на сегодняшний день электромагнитно-акустических ультразвуковых преобразователей, у которых излучатель установлен непосредственно на поверхности магнитного полюса либо между полюсами магнита, обращенных в сторону испытуемого объекта, у предлагаемого ЭМА преобразователя в соответствии с изобретением между излучателем и обследуемым ферромагнитным изделием не действуют никакие внешние магнитные поля.
В зависимости от варианта осуществления изобретения приемник можно жестко соединить с узлом подмагничивания, а полученный конструктив жестко связать с излучателем с помощью соответствующего держателя. Такого рода жесткая пространственная связь между приемником и излучателем обеспечивает единообразное и простое использование электромагнитно-акустического преобразователя, выполненного в соответствии с изобретением. В тоже время независимое использование излучателя и приемника может открыть дополнительные возможности применения, например, в тех случаях, когда обследуются объекты большой площади.
Для возбуждения упругих волн требуемой длины волны в изделии необходимо выполнить условие: расстояние между синфазными проводниками излучателя должно быть пропорциональным удвоенной длине возбуждаемой волны. Это позволяет при фиксированной частоте генератора возбуждать в ферромагнитном изделии высокочастотные ультразвуковые волны на удвоенной частоте.
Для приема волн (создание ЭДС в приемной катушке) в зависимости от направления приложенного поля используется:
• либо электродинамический эффект - возбуждение полей вихревых токов за счет взаимодействия механических колебаний участка изделия с приложенным постоянным магнитным полем (нормальным, тангенциальным),
• либо эффект магнитоупругости - изменение магнитной индукции в предварительно намагниченном участке изделия за счет механических колебаний (деформации) участка.
Также для приема направленных волн определенной длины в изделии необходимо выполнить условие: расстояние между синфазными проводниками решетки (катушки) приемника должно быть пропорциональным длине возбуждаемой волны.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны различные конфигурации ЭМА преобразователя, выполненного из закрепленного в каркасе 1 постоянного магнита 2 с полюсом, обращенным к изделию 5, на котором закреплен приемник 3, выполненный в виде решетки. Постоянный магнит 2 на участке между магнитным полюсом и изделием 5 создает внутри испытуемого изделия 5 нормальное магнитное поле, которое в случае постоянного магнита 2 является постоянным во времени. Можно также использовать вместо постоянного магнита 2, изображенного на фиг.1, электромагнит той же или аналогичной конфигурации, который способен поддерживать в испытуемом изделии 5 нормальное магнитное поле, изменяющееся во времени. В этом случае необходимо следить за тем, чтобы частота переменного тока, необходимая для формирования нормального магнитного поля, была гораздо ниже частоты переменного тока, который возникает в приемнике 3 вследствие прихода ультразвуковой волны к участку под приемником 3. В дальнейшем для простоты предполагается, что магнит 2, как указано выше, выполнен как постоянный магнит.
При сформированном нормальном магнитном поле ЭДС на приемнике 3 возникает за счет электроиндуктивного механизма.
Можно также использовать вместо постоянного магнита 2, изображенного на фиг.1, магнит 2, изображенный  на фиг. 2,  с двумя магнитными полюсами  различной магнитной полярности, обращенными в сторону контролируемой поверхности 6 , между которыми закреплен приемник 3. Постоянный магнит 2 на участке между магнитными полюсами и изделием создает внутри испытуемого изделия 5 тангенциальное магнитное поле, которое в случае постоянного магнита 2 является постоянным во времени.
При сформированном тангенциальном магнитном поле ЭДС на приемнике 3 возникает за счет магнитоупругого эффекта.
При подаче переменного тока в излучатель 4 из-за магнитострикционного эффекта участок испытуемого изделия 5 деформируется с частотой, равной удвоенной частоте переменного тока генератора (не показан), а за счет конструкции излучателя 4 в виде решетки формируются свободные ультразвуковые волны 7, распространяющиеся параллельно поверхности контроля 6 и воспринимаемые приемником 3.
Путем измерения амплитуды и времени прохождения ультразвуковых волн, поступающих на приемник 3, в соответствии с принципом действия электромагнитно-акустического преобразователя могут быть проконтролированы сплошность изделия 5, скорость распространения волн в изделии 5.
Источники информации
1. Патент РФ № 2390014, G01N29/04. Электромагнитно-акустический преобразователь. Опубликован 20.05.2010. Бюл. № 14.
2. Буденков Б.А., Буденков Г.А. и др. Бесконтактный ввод и прием ультразвука. - Дефектоскопия, 1969, №1, с.121-123.
3. Глухов Н.А., Колмогоров В.Н. Определение оптимальных параметров электромагнитно-акустических преобразователей для контроля ферромагнитных листов. - Дефектоскопия, 1973, №1, с.74-81.