МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Многоканальный электромагнитно-акустический преобразователь, с интегрированной магнитной системой или присоединяемый к магнитной системе, может быть использован для ультразвукового контроля труб, листового проката, стальных заготовок преимущественно круглого или квадратного сечения.
Известен электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП), содержащий корпус, подложку, концентратор и магнитную систему с постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами, который снабжен двумя концентраторами, один из которых установлен неподвижно на корпусе ЭМАП между постоянными магнитами, другой, прилегающий к нему вплотную, установлен на подложке, а магнитная система заключена во внутренний корпус, снабженный приводом, например пневмоцилиндром, с возможностью вертикальных перемещений по направляющим относительно концентраторов, корпуса ЭМАП и подложки. Кроме того, в известном электромагнитно-акустическом преобразователе корпус ЭМАП и внутренний корпус выполнены из немагнитного материала с боковыми стенками-экранами, выполненными из ферромагнитного материала [1].
Известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий корпус, подложку с концентратором, магнитную систему с постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами, катушку индуктивности, в котором постоянные магниты смонтированы в обойме из магнитного материала, вставленной в цилиндрический барабан из немагнитного материала, установленного в корпусе преобразователя с возможностью вращения вокруг своей оси и соединенного при помощи ползуна, вставленного в направляющую гильзу из немагнитного материала, со штоком пневмоцилиндра, закрепленного на корпусе, барабан, магниты и обойма со стороны подложки с концентратором установлены по отношению к ним с зазором и выполнены по окружности с общим радиусом, совпадающим с радиусом отверстия в корпусе, в которое вставлен барабан.
Известно устройство для ультразвукового контроля круглого проката, содержащее ультразвуковой преобразователь, опоры, подложку и систему регулирования положения ультразвукового преобразователя относительно поверхности объекта контроля, отличающееся тем, что система регулирования состоит из механизма подвода и прижима подложки к объекту контроля и механизма центрирования и независимого прижима ультразвукового преобразователя к объекту контроля, [3].
Известна катушка индуктивности ультразвукового преобразователя, на плате из диэлектрика, однослойная или многослойная, содержащая одну или несколько секций, изготовленная в ручную или печатным методом, например, из полиимида фольгированного, выполненная в виде двух симметричных эллипсовидных лепестков с шириной рабочей зоны С, удовлетворяющей соотношению: 1<С<25 (мм) и длиной рабочей зоны D, удовлетворяющей соотношению: 3<D<40 (мм), с количеством витков W, удовлетворяющем соотношению: 5<W<100, с шагом t, удовлетворяющем соотношению: 0,15<t<1,2 (мм),
или в виде правильного многоугольника с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:
1,5<С<20 (мм); 2,5<D<25 (мм); 10<W<100; 0,05<t<1,8 (мм),
или в виде двух симметрично расположенных эллипсов с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:
1,5<С<25 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,15<t<1,8 (мм),
или в виде спаренной эллипсовидной катушки индуктивности с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:
1,5<С<30 (мм); 4<D<30 (мм); 10<W<130; 0,15<t<l,8 (мм),
или в виде фигурной многослойной катушки с параметрами рабочей зоны, удовлетворяющей соотношениям:
1,5<С<35 (мм); 3<D<35 (мм); 10<W<130; 0,05<t<2,9,
при этом индуктивность L и сопротивление R катушек указанных форм должны соответственно удовлетворять соотношениям:
катушки с эллипсовидными лепестками -
4<L<35 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом);
многоугольной катушки -
5<L<35 (мкГн); 1<R<100 (Ом);
катушки в виде двух симметричных
эллипсов
6<L<30 (мкГн); 1,5<R<100 (Ом),
спаренной эллипсовидной катушки
4<L<30 (мкГн); 1<R<100 (Ом),
фигурной многослойной катушки
4<L<40 (мкГН); 1,5<R<100 (Ом),
в многослойных катушках витки одного слоя располагаются в зазоре между витками другого слоя без перекрытия, на одной или на противоположных сторонах катушки и соединены последовательно между собой при помощи металлизированных отверстий, а переход из одного слоя в другой выполнен через 2-3 витка, спаренная эллипсовидная катушка индуктивности выполнена из двух автономных секций, расположенных на плате в одной плоскости, или одна под другой на различных сторонах одной платы, с возможностью совместной работы по любому из выше перечисленных соединений и расположению [4].
Общим недостатком известных ЭМАП является сравнительно большая неконтролируемая зона, наличие которой объясняется недостаточно оптимальной конфигурацией и расположением индукторов (катушек индуктивности), являющихся основной деталью ЭМАП, обеспечивающей его чувствительность и эффективность.
Целью настоящего изобретения является создание надежного, технологичного и эффективного ЭМАП для высокопроизводительного автоматического ультразвукового контроля листового и сортового проката, уменьшение неконтролируемой зоны ЭМАП, повышение его эффективности и помехозащищенности, повышение количества каналов внутри одного блока ЭМАП без заметного ухудшения его свойств.
Указанная цель достигается тем, что в многоканальном электромагнитно-акустическом преобразователе, с интегрированной магнитной системой или присоединяемом к магнитной системе, применяющегося для ультразвукового контроля листового проката, стальных заготовок преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, включающем металлическую, керамическую или пластиковую подложку с плоской рабочей поверхностью, с отверстиями для выхода воздуха, образующего «воздушную подушку», на рабочую поверхность которой может быть нанесен керамический упрочняющий слой, один или более активных элементов, интегрированных, например, вклеенных в подложку, либо механическим путем отделяемых от подложки, представляющих собой плоские или переменной толщины протекторы - суб-модули, выполненные из диэлектрика или слабо-проводящего, ударопрочного, достаточно гибкого материала, например, пластика в который могут быть дополнительно внедрены твердые, например, керамические или твердосплавные элементами, на которых размещены индукторы и, как минимум, один концентратор магнитного поля, и размещенные на нем один или несколько индукторов, например, в форме «бабочки», а так же, как минимум, один концентратор магнитного поля, либо индукторы, образующие совокупность линий с периодически меняющимся направлением обхода, причем индукторы, как правило, образуют линию, преимущественно перпендикулярную линии рабочего перемещения ЭМАП относительно объекта контроля, индукторы размещены на протекторе попарно, причем в каждой паре для излучения и приема используются разные индукторы, наложенные друг на друга со сдвигом на величину В, определяемую по формуле:
В=Н/4, где Н - шаг изменения направления обхода,
а расстояние между соседними парами индукторов должно быть примерно одинаковым и выбираться из соотношения R=1-40 мм в зависимости от решаемой задачи и геометрических параметров объекта контроля. Кроме того, один из индукторов в паре содержит существенно меньшее число витков, нежели другой индуктор, принадлежащий той же паре, а его проводник имеет, как правило, большую площадь сечения при этом, по крайней мере, один из индукторов в каждой паре выполнен печатным способом.
ПОЯСНЕНИЕ.
ЭМАП для возбуждения и приема волн Рэлея, Лэмба или поперечных волн под углом к поверхности имеет, как правило, единственный индуктор, имеющий, например, форму «Змейка» (Фиг.1). «Змейка» может иметь несколько заходов и выглядеть, как изображено на Фиг.2. Этот индуктор соединен и с генератором, и с приемником, что позволяет ему и возбуждать, и принимать упругие волны. Недостатком такого ЭМАП является сравнительно большая неконтролируемая зона.
На Фиг.3. показан индуктор, выполненный в виде совокупности плоских катушек О-образной формы. Данный тип индуктора так же удовлетворяет условию периодического изменения направления обхода и так же может быть использован для целей настоящего изобретения.
Большая неконтролируемая зона обусловлена непосредственной электрической связью, между генератором, вырабатывающим импульсы амплитудой до нескольких тысяч Вольт, и приемником, с чувствительностью к микровольтовым сигналам. Эта связь, осуществляемая непосредственно через индуктор, играет чрезвычайно отрицательную роль и не позволяет обнаруживать дефекты расположенные в непосредственной близости к индуктору. В этих условиях создание эффективного многоканального преобразователя, действующего в составе установки для автоматизированного УЗК, является весьма проблематичным. Суммарная мощность генераторов многоканального преобразователя может довести размер неконтролируемой зоны до неприемлемого значения. В то же время, создание многоканального широкозахватного ЭМА-преобразователя для возбуждения волн Рэлея, Лэмба, поперечных волн, распространяющихся под углом к поверхности, например для высокопроизводительного обнаружения продольных дефектов, расположенных на обеих сторонах листового проката при одностороннем доступе для размещения преобразователей, является актуальной промышленной задачей. На фиг.4. показаны предлагаемые индукторы пары, выполненные в виде совокупности плоских катушек, сдвинутых на величину В=Н/4, где Н - шаг изменения направления обхода. Как видно из рисунка, катушки находятся в нейтральной зоне друг друга.
Такое взаимное размещение приемного и излучающего индукторов (по сути, приемная катушка находится в нейтральной, с точки зрения электромагнитной связи, зоне излучающей катушки) позволяет существенным образом, как минимум на 20 дБ снизить воздействие зондирующего импульса на приемник и существенно, как минимум на 30%-40%, сократить неконтролируемую зону.
Для снижения электромагнитной связи между соседними парами индукторов и вредного влияния соседних каналов, расстояние между парами должно быть примерно одинаковым и выбираться из соотношения R=1-40 мм в зависимости от решаемой задачи и геометрических параметров объекта контроля. В этом случае приемные катушки находятся в зоне, где влияние остальных генераторных катушек частично компенсируется.
Цель достигается так же тем, что один из индукторов в паре содержит существенно меньшее число витков, нежели другой индуктор, принадлежащий той же паре, а его проводник имеет, как правило, большую площадь сечения. Для обеспечения наибольшего тока через индуктор, соединенный с генератором, его активное сопротивление и индуктивность (стало быть, число витков) должны иметь сравнительно небольшое значение. Для оптимального приема, наоборот, целесообразно иметь индуктор с достаточно большим числом витков, обеспечивающий суммирование элементарных э.д.с. и увеличение исходных сигналов до приемлемых значений. Этим достигается повышение к.п.д. преобразователя.
На фиг.5 показаны предлагаемые индукторы пары, выполненные в виде совокупности плоских катушек, сдвинутых на Н/4, но одна из катушек обладает меньшим количеством токовых элементов и полностью заключены в пределы большей катушки. Такая конфигурация обеспечивает еще большую степень подавления влияния зондирующего импульса на прием.
Достижению цели способствует так же то, что, по крайней мере, один из индукторов в каждой паре выполнен печатным способом. Это обеспечивает минимальные значения индуктивности и омического сопротивления излучающего индуктора, а так же максимальное согласование формы индуктора с поверхностью объекта контроля, что благоприятно сказывается на эффективности пары. Кроме того, печатная катушка обладает высокой технологичностью, стабильностью и воспроизводимостью характеристик.
На фиг.6 показан внешний вид предлагаемого ЭМАП для возбуждения и приема волн Релея, Лэмба, а также объемных волн, распространяющихся под углом к поверхности листового проката, применяющихся для обнаружения продольных дефектов на обеих сторонах проката.
На фиг.7 изображена линейка ЭМАП для сплошного высокопроизводительного контроля листового проката.
Источники информации
1. Патент РФ №2295125
2. Патент РФ №2300763
3. Патент РФ №2325636
4. Патент РФ №2268517