Модульный ультразвуковой преобразователь для неразрушающего контроля

Полезная модель относится к средствам для неразрушающего контроля (НК) различных объектов посредством ультразвукового сканирования. Основной областью применения данного устройства является производственный дефектоскопический ультразвуковой контроль (УЗК) металлопродукции, а именно листового, сортового и фасонного проката. Техническое решение может найти свое применение и в эксплуатационном УЗК металлоконструкций.
В настоящее время получили распространение ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля, характеризующиеся наличием контакта своей активной поверхности с поверхностью объекта контроля в процессе работы. На поверхности объекта контроля обычно присутствуют твердые загрязнения. Например, в процессе производства металлопродукции на ее поверхности образуются технологические загрязнения в виде отслаивающейся окалины, прокатной плены, заусенцев, брызг расплавленного металла, остаточного грата сварного шва. Подобные загрязнения способны механически повредить элементы конструкции преобразователя, в частности керамический протектор, при установке и позиционировании преобразователя на объекте контроля, а также при дальнейшем его сканировании. В результате возможен выход из строя каналов преобразователя, вызывающий необходимость повторного контроля по причине наличия пропущенных зон. Данная проблема требует принятия технических мер.
Из патентного документа RU 2315294 С1 от 20.01.2008 известен измерительный модуль, предназначенный для неразрушающего контроля качества продукции металлургической промышленности. Известный модуль содержит электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП), подложку, систему рычагов и приводов, а также механизм перемещения ЭМАП, обеспечивающий его постоянное поджатие с выставленным зазором к объекту контроля за счет магнитного притяжения и независящий от механизма перемещения подложки. Известное техническое решение направлено на увеличение долговечности ЭМАП, однако из-за сложности своей конструкции и габаритов неприменимо в преобразователях многомодульной конструкции, актуальность практического использования которых непрерывно возрастает.
Наиболее близким аналогом настоящей полезной модели является многоканальный ультразвуковой преобразователь по RU116645 U1 от 27.05.2012, содержащий ряд измерительных модулей на общей подложке, которая не имеет жесткой механической связи с магнитной системой ЭМАП и способна перемещаться относительно нее и объекта контроля под воздействием неровностей на его поверхности благодаря нежесткой подвеске преобразователя. Кроме того, известное устройство содержит износостойкие элементы для защиты подложки, набор индукторов и концентратор магнитного поля. Протектор представляет собой пластину, выполненную из ударопрочного гибкого материала с внедренными в него твердыми, например, керамическими, алмазными или твердосплавными элементами. Износостойкие элементы выполнены либо в виде слоя керамики, нанесенного на рабочую поверхность подложки, например, путем напыления, либо керамических или твердосплавных вставок. В частном случае подвижность модулей относительно магнитной системы обеспечивается применением эластичных концентраторов. Модули механически и электрически отделяемы от подложки, то есть являются независимыми. Однако в рабочем состоянии модули механически соединены с общей подложкой через специально предназначенные для этого отверстия своих корпусов-протекторов, что определяет их неподвижность относительно друг друга.
Из-за отсутствия независимости модулей относительно друг друга в рабочем состоянии преобразователя при его позиционировании на загрязненную поверхность возникает опасность излома протектора и перекоса подложки относительно поверхности объекта контроля, что способно ухудшить акустический контакт и вызвать появление паразитных шумов в измерительном сигнале, снижающих достоверность УЗК. Кроме того, износостойкие элементы в известном устройстве из-за своего расположения эффективны только при удалении загрязнений с поверхности объекта контроля во время сканирования, но не при позиционировании преобразователя, когда его вертикально опускают на объект контроля. В результате надежность УЗК оказывается недостаточно высокой.
Решаемой технической проблемой является увеличение надежности автоматизированного УЗК.
Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в усилении защиты модулей от механического разрушения о выступающие неровности на поверхности объекта контроля во время позиционирования и сканирования.
Технический результат достигается благодаря тому, что в ультразвуковом преобразователе, который содержит ряд измерительных модулей, амортизирующий элемент и износостойкие элементы, по меньшей мере один модуль выполнен с возможностью подвижности своей активной поверхности в направлении, перпендикулярном данной активной поверхности, относительно рабочих поверхностей прилегающих к нему модулей. Причем подвижность активной поверхности модуля обеспечивается амортизирующим элементом, а износостойкие элементы установлены между модулями и по их наружному краю.
В частном случае осуществления полезной модели измерительные модули выполнены с возможностью их замены.
В другом частном случае амортизирующий элемент встроен в измерительный модуль.
В частном случае амортизирующий элемент размещен между основанием измерительного модуля и протектором его рабочего элемента.
Также в частном случае амортизирующий элемент выполнен в виде пружины.
В частном случае амортизирующий элемент выполнен в виде упругой пластины.
В другом частном случае амортизирующий элемент выполнен в виде прокладки из эластичного материала.
Также в частном случае прокладка выполнена из резины.
В частном случае амортизирующий элемент является частью подвеса измерительного модуля.
В частном случае ход амортизации достигает 1 мм.
В еще одном частном случае износостойкие элементы выступают относительно активной поверхности модуля на 0,1-0,5 мм.
Полезная модель поясняется следующими чертежами, на которых в качестве примеров показаны предпочтительные варианты конструкция устройства.
Фиг. 1: ультразвуковой преобразователь с выступающими износостойкими элементами.
Фиг. 2: структурная схема измерительного модуля со встроенным амортизатором, вид спереди в разрезе.
Фиг. 3-4: ультразвуковой преобразователь с модулями на амортизирующем подвесе в процессе сканирования объекта контроля, вид спереди при снятом корпусе и подложке.
Ультразвуковой электроакустический преобразователь предназначен для использования в составе установки УЗК.
Изображенный на фиг. 1 преобразователь содержит подложку 1, измерительные модули 2, износостойкие элементы 3, 4 и корпус 5. Подложка 1 выполнена в виде пластины со сквозными отверстиями для измерительных модулей 2 и выемками для износостойких элементов 3, 4. Также в подложке 1 сделаны крепежные отверстия для ее винтового соединения с корпусом 5, который, в свою очередь, выполнен с возможностью механической связи с несущими элементами установки УЗК. Элементы 3, 4 представляют собой пластины из твердого материала, обладающего высокой износостойкостью при трении о металлические объекты. Модули 2 являются основными рабочими элементами преобразователя и характеризуются своей активной поверхностью, через которую происходит излучение и прием акустических волн. Число модулей 2 соответствует числу измерительных каналов установки УЗК.
Конструкция преобразователя является многомодульной и включает в себя пять электрически и механически независимых друг от друга модулей 2, размещенных на подложке 1 в ряд. Активные поверхности всех модулей 2 лежат в одной плоскости, образуя в совокупности активную поверхность А преобразователя, совпадающую с внешней стороной подложки 1. Износостойкие элементы 3, 4 установлены по продольной оси преобразователя, на которой находятся и центры модулей 2. При этом элементы 3 являются внешними относительно ряда модулей 2, а элементы 4 отделяют модули 2 друг от друга внутри их ряда. Допустимо такое расположение элементов 3, 4, когда все они расположены в плоскости активной поверхности А. Однако предпочтительным является расположение элементов 3, 4 из условия (1)
,
где В - максимальное выступание элементов 3, 4 относительно активной поверхности А преобразователя.
Все модули 2 преобразователя являются сменными, замена модулей не представляет сложностей благодаря их одинаковой конструкции и рабочим характеристикам. На фиг. 2 показан пример предпочтительной конструкции модуля 2, содержащего рабочий элемент в виде катушки индуктивности 6 ЭМАП или пьезоэлектрической пластины, его керамический протектор 7, рабочая сторона которого образует активную поверхность модуля 2, основание 8 и амортизирующие элементы в виде двух пружин 9. Катушка индуктивности 6 неподвижно соединена с основанием 8, а протектор 7 связан с указанным основанием 8 через пружины 9. При этом обеспечивается ход амортизации С, достигающий 1 мм. В свою очередь основание 8 жестко соединено с корпусом 5. В альтернативном варианте протектор 7 неподвижно соединен с основанием 8, которое связано с корпусом 5 через подвес 10, соединенный с несущим элементом 11 корпуса 5 (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом.
Посредством устройства управления и механики установки УЗК опускают преобразователь на поверхность объекта контроля, представляющего собой стальную трубу 12 (фиг. 3), позиционируя данный преобразователь. Затем приступают к ультразвуковому сканированию трубы 12, для чего вращают трубу 12 вокруг ее продольной оси, и линейно перемещают преобразователь вдоль поверхности трубы 12. При встрече с выступающим над поверхностью трубы 12 неровностью 13 активные поверхности модулей 2 последовательно приподнимаются и утапливаются за счет сил трения, а после прохождения неровности 13 снова опускаются амортизирующими элементами подвеса 10 и встают на прежнее место, в результате чего происходит адаптация формы активной поверхности А преобразователя к микрорельефу поверхности объекта контроля. При горизонтальном расположении преобразователя движение модулей 2 происходит в вертикальной плоскости, то есть активная поверхность модуля 2 подвижна в направлении, перпендикулярном данной активной поверхности. В процессе перемещения преобразователя по поверхности трубы 12 измерительные сигналы с модулей 2 поступают на устройство обработки данных установки УЗК, а затем ее оператор получает сведения о качестве трубы 12.
Улучшение прилегания активной поверхности ультразвукового преобразователя к объекту контроля во время начального позиционирования и дальнейшего сканирования при автоматизированном УЗК, а следовательно и увеличение надежности УЗК, достигается уже в случае, когда в преобразователе из трех модулей в отношении центрального модуля обеспечена возможность подвижности его активной поверхности в направлении, перпендикулярном данной активной поверхности, относительно рабочих поверхностей крайних модулей, то есть прилегающих к нему. Наибольший эффект достигается, если все модули преобразователя, максимальное число которых не ограничено, выполнены указанным образом, так как при этом исключен перекос преобразователя относительно поверхности объекта контроля.
Если в процессе эксплуатации устройства происходит снижение подвижности активной поверхности измерительного модуля из-за его износа, то производят замену данного модуля на новый идентичный модуль, что позволяет сохранять высокие показатели прилегания активной поверхности ультразвукового преобразователя к объекту контроля.
Целесообразно обеспечивать подвижность активной поверхности модуля при помощи амортизирующего элемента, размещенного внутри модуля или в его внешнем подвесе, и являющегося непосредственно тем элементом, благодаря которому возможно улучшение прилегания активной поверхности ультразвукового преобразователя к объекту контроля.
В случае размещения амортизирующего элемента внутри модуля целесообразно размещать его между основанием модуля и протектором, так как основание неподвижно по вертикали относительно объекта контроля, а ход протектора относительно него должен быть обеспечен.
Описанная предпочтительная конструкция устройства характеризуется тем, что содержит две пружины, однако для улучшения прилегания активной поверхности ультразвукового преобразователя к объекту контроля в частных случаях могут быть использованы и одна пружина, одна или несколько упругих пластин, прокладка из эластичного материала, например резины, заполняющая, в частности, все свободное внутреннее пространство модуля, или разделенная на части.
Хорошие показатели прилегания активной поверхности ультразвукового преобразователя к наиболее часто встречающимся на практике объектам контроля достигаются, если ход амортизации имеет значение, достигающее 1 мм.
Для улучшения прилегания активной поверхности ультразвукового преобразователя к объекту контроля целесообразно усиление защиты модулей от механического разрушения о выступающие неровности на поверхности объекта контроля во время позиционирования и сканирования, что достигается применением износостойких элементов, установленных как между модулями, так и по их наружному краю. Внутренние износостойкие элементы защищают преобразователь во время позиционирования, а наружные износостойкие элементы защищают его во время сканирования. При этом достаточно установить указанные износостойкие элементы вровень с протекторами модулей, но для повышения защитных свойств целесообразно делать их выступающими относительно активной поверхности модуля на 0,1-0,5 мм.