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 контроля сплошности как самого металла, так и его сварного соединения.
На сегодняшний день в России, по данным территориальных органов Ростехнадзора, находятся в эксплуатации около 150 тыс. км магистральных газопроводов, 40% которых эксплуатируются уже более 20 лет, и это приводит к повышению уровня аварийности этих объектов. Стоимость ликвидации одной аварии на газопроводе составляет в среднем 17 млн рублей. Количество аварий можно существенно снизить, если улучшить диагностику сварных швов и тела трубы на стадиях как строительства, так и ремонта.
Вероятность обнаружения дефектов при использовании устройств для ультразвукового контроля магистрального трубопровода составляет 95-97%, но этот показатель снижается до 75-80% при плохой зачистке труб, ухудшающей достоверность обнаружения дефектов. Кроме того, при контроле газопроводов в основном используют ручные ультразвуковые дефектоскопы, имеющие ряд недостатков: низкая производительность труда, достоверность контроля сильно зависит от «человеческого фактора», отсутствие объективно документированного подтверждения результатов контроля.
Одной из главных проблем при ручном и автоматизированном ультразвуковом контроле является необходимость тщательной зачистки поверхности трубы. Затраты на зачистку трубы превышают половину общих затрат на контроль.
Задачей заявляемого изобретения является создание автоматизированного бесконтактного устройства, что позволит повысить производительность труда за счет сокращения необходимых повторных операций по контролю и повысить достоверность контроля до 90%, а это приведет к снижению числа аварий.
В настоящее время известны электромагнитно-акустические преобразователи для неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов.
Так известен акустический преобразователь, содержащий намагничивающие катушки и высокочастотную обмотку, секции которой расположены одна от другой на расстоянии полуволны нижней границы диапазона рабочих частот ультразвуковых колебаний (А.С. СССР №532048, кл. G01N 29/24, 1974 г.).
Этот преобразователь содержит подковообразный магнит, что не позволяет использовать преобразователь при автоматическом контроле изделия, когда требуется перемещение измерительного прибора по изделию. Такое перемещение приводит к износу полюсов магнита и требует больших усилий. В случае же обеспечения подъема преобразователя над изделием образуется зазор, который резко уменьшает намагниченность изделия, что значительно снижает чувствительность контроля.
Известен электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий электромагнит, в который входит намагничивающая катушка индуктивности и встраиваемый в нее стержневой сердечник, на концах которого установлены колеса, при этом колеса совместно с сердечником образуют катушку электромагнита и высокочастотную катушку индуктивности (А.С. СССР №1231455, кл. G01N 29/24, 1984 г.).
В этом устройстве высокочастотная катушка индуктивности находится в зазоре между полюсами магнита и изделием, что приводит к ослаблению поля из-за зазора и снижению чувствительности контроля. Кроме того, конструкция преобразователя кроме вращающейся колесной пары содержит еще и не вращающуюся ось с дополнительным сердечником, что, с одной стороны, приводит к образованию еще одного воздушного зазора и, как следствие, к снижению чувствительности и стабильности контроля, а с другой стороны, усложняет конструкцию преобразователя. К тому же, как и в предыдущем случае, незамкнутая магнитная система является акустическим резонатором высокой добротности, в ней возникают паразитные электромагнитно-акустические колебания, которые наводят в высокочастотной катушке электрические колебания при приеме, что приводит к ухудшению помехоустойчивости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату к заявляемому изобретению является электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий корпус, магнитопровод, выполненный в виде колесной пары, вал которой установлен в корпусе с возможностью вращения, намагничивающий и чувствительный элементы (А.С. СССР №1130795, кл. G01N 29/24, 1982 г.).
В известной конструкции чувствительный элемент находится в зазоре между сердечником и изделием, что снижает чувствительность контроля из-за ослабления магнитного поля. Далее, наличие дополнительного зазора между валом и сердечником, необходимого для вращения вала, также приводит к ослаблению магнитного поля и, как следствие, к снижению чувствительности контроля. Кроме того, незамкнутая магнитная система является акустическим резонатором высокой добротности, в ней возникают паразитные электромагнитно-акустические колебания, что приводит к ухудшению помехоустойчивости.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение чувствительности и стабильности контроля изделий из ферромагнитного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемая конструкция обеспечивает надежное перемещение преобразователя по изделию без снижения чувствительности контроля. При использовании заявленного технического решения не требуется высокая степень подготовки изделия перед контролем, что повышает производительность самого контроля.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция преобразователя обеспечивает получение замкнутого магнитного поля без воздушных зазоров в магнитной цепи намагничивающего элемента.
Это достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе для контроля изделия из ферромагнитного материала, содержащем корпус, магнитопровод, выполненный в виде колесной пары, вал которой установлен в корпусе с возможностью вращения, намагничивающий и чувствительные элементы, намагничивающий элемент выполнен в виде постоянного магнита в форме сплошного цилиндра, намагниченного в осевом направлении, установленного на валу колесной пары между колесами, контактируя торцами с боковой поверхностью последних, чувствительный элемент связан с корпусом и установлен между колесами над поверхностью изделия, при этом колеса колесной пары выполнены в виде дисков из ферромагнитного материала. Кроме того, при контроле изделий в виде труб колеса колесной пары электромагнитно-акустического преобразователя выполнены со скосом, повторяющим образующую контролируемого изделия.
Заявленный электромагнитно-акустический преобразователь дает возможность автоматизировать процесс контроля, повысить чувствительность контроля за счет исключения зазоров в магнитной цепи намагничивающего элемента.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что аналоги, характеризующиеся признаками заявленного изобретения, не обнаружены, а из перечня выявленных аналогов подобран прототип как наиболее близкий по совокупности признаков, что позволило определить отличительные признаки заявленного технического решения. По мнению заявителя заявленное 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 приведена конструкция эквивалентного технического решения.
На фиг.1 показан общий вид электромагнитно-акустического преобразователя, на фиг.2 - вид сбоку фиг.1.
Электромагнитно-акустический преобразователь содержит корпус 1, в котором установлен с возможностью вращения вал 2. Магнитопровод выполнен в виде колес 3 и 4, образующих колесную пару. Колеса 3 и 4 установлены на валу 2 и выполнены в виде дисков из ферромагнитного материала. Намагничивающий элемент 5 выполнен в виде постоянного магнита в форме сплошного цилиндра, намагниченного в осевом направлении, и установлен на валу 2 колесной пары между колесами 3 и 4 так, что торцы намагничивающего элемента 5 контактируют с боковой поверхностью колес 3 и 4. Чувствительный элемент 6 связан с корпусом 1 и установлен между колесами 3 и 4 над поверхностью изделия 7. Чувствительный элемент 6 представляет собой плоскую катушку в виде меандра с шагом, пропорциональным длине волны.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитно-акустический преобразователь устанавливают на изделие 7. При работе колеса 3 и 4 за счет намагниченности магнита 5 притягиваются к изделию 7. Магнитный поток постоянного магнита 5 проходит через колеса 3 и 4 и намагничивает контролируемый участок изделия 7 под чувствительным элементом 6. Намагничивающее устройство в виде колесной пары создает тангенциальное магнитное поле, необходимое для возбуждения нормальных волн за счет эффекта магнитострикции. На чувствительный элемент 6 в виде катушки индуктивности подают переменный ток от внешнего генератора, который, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле в материале изделия 7. За счет изменения магнитного поля в материале изделия 7 происходит изменение размеров (деформация) отдельных участков поверхности изделия, которая образует (возбуждает) ультразвуковую нормальную волну. Кроме переменного магнитного поля в материале изделия 7 присутствует постоянное магнитное поле от намагничивающего устройства, которое необходимо для повышения эффективности ЭМА преобразования за счет работы на участке магнитострикционной характеристики, где эффект магнитострикции наибольший. В процессе контроля все устройство перекатывается по поверхности изделия 7. Выполнение магнитопровода в виде одетых на общую ось и перекатывающихся по изделию колес позволит исключить зазор между магнитопроводом и изделием, при этом упрощается конструкция устройства, исключаются потери в зазоре, что позволяет повысить чувствительность и надежность контроля. Отсутствие сердечника над чувствительным элементом и демпфирование магнитопровода изделием снижает амплитуду паразитных электромагнитно-акустических колебаний, что увеличивает отношение сигнал/шум.