ИНДУКТОР С КОМПЕНСАТОРОМ АНИЗОТРОПИИ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА

Полезная модель относится к электромагнитно-акустическим преобразователям (ЭМАП) для неразрушающего контроля различных объектов посредством ультразвукового (УЗ) бесконтактного воздействия. Основной областью применения данного устройства является дефектоскопический ультразвуковой контроль (УЗК) металлических изделий листового, сортового и фасонного проката, в частности, железнодорожных рельсов.
ЭМАП является преобразователем бесконтактного типа. Данные преобразователи обладают важным на практике преимуществом, заключающемся в относительной простоте создания акустического контакта между преобразователем и контролируемым объектом. При этом исключается необходимость расхода контактной жидкости, замены эластичных протекторов или применения сложных конструкций, что имеет решающее значение при контроле протяженных объектов. Однако чувствительность бесконтактных преобразователей ниже чувствительности преобразователей других типов. По данной причине в процессе УЗК с использованием ЭМАП, особенно при контроле поперечными УЗ волнами, большое практическое значение имеет борьба с шумами. Одним из видов шумов являются структурно-реверберационные шумы, вызванные частичным рассеянием УЗ волны вследствие анизотропии механических свойств применяемых на практике металлов (Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин Α.X. и др. Методы акустического контроля металлов. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 21, 131). Кроме того, материал всех контролируемых объектов, как правило, характеризуется присутствием осей анизотропии механических свойств. В результате, УЗ волна распространяется в виде двух различных волн с разными модами, преимущественно вдоль и поперек указанных осей анизотропии, что способно привести к появлению сильных помех и ложной сигнализации дефекта.
Наиболее близким аналогом полезной модели является индуктор ЭМАП, представляющий собой катушку индуктивности (патентный документ RU 2476949 C1). Известный индуктор не позволяет компенсировать помехи и шумы, вызванные анизотропными свойствами объекта контроля, что отрицательно сказывается на точности УЗК.
Задачей является повышение чувствительности ЭМАП и точности УЗК.
Из патентного документа US 4106327 A известно о возможности компенсации анизотропных свойств объекта контроля при УЗК путем введения соответствующей коррекции. Однако при этом компенсацию вводят на основании данных об образцах материала объекта контроля, которые на практике не всегда полностью отражают свойства реального объекта контроля. В результате не удается в требуемой степени очистить измерительный сигнал от помех и шумов анизотропной природы. По данной причине известное техническое решение не подходит для усовершенствования ЭМАП.
Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в очищении измерительного сигнала от структурно-реверберационных помех, включая шумы, вызванных частичным рассеянием УЗ волн из-за анизотропии механических свойств объекта контроля.
Технический результат достигается благодаря тому, что индуктор содержит пару катушек индуктивности, вытянутых в плане вдоль соответствующих осей. При этом данные катушки лежат в одной плоскости или в параллельных плоскостях, а их геометрические центры совпадают или расположены на одной оси, перпендикулярной плоскостям катушек. Причем оси катушек в плане образуют угол отличный от нуля.
В частном случае реализации индуктора угол между осями катушек составляет от 10 до 80 градусов.
В другом частном случае катушки имеют одинаковую форму.
Также в частном случае отношение размеров катушек составляет от 1 до 5.
В еще одном частном случае индуктор выполнен с возможностью вращения катушек относительно друг друга с изменением угла между их осями.
Полезная модель поясняется фиг. 1, на которой изображен индуктор из пары так называемых катушек - «бабочек».
Осуществление полезной модели показано на следующем примере предпочтительной реализации устройства.
Основными частями ЭМАП являются магнитная система и индуктор.
Индуктор 1 является составным и содержит пару плоских однослойных многовитковых катушек индуктивности 2 и 3 с обмотками одинаковой формы, но разного размера. Катушка 2 является основной рабочей катушкой ЭМАП для поиска внутренних дефектов в объекте контроля, а катушка 3 представляет собой измерительный компенсатор и предназначена для устранения влияния анизотропии механических свойств материала объекта контроля на результат измерения. По форме обмоток показанные на фиг. 1 катушки называют «бабочками», однако в общем случае выбор формы и иных параметров катушек 2 и 3 осуществляют исходя из возможности возбуждения и приема требуемых УЗ волн в объекте контроля, руководствуясь стандартами ASTM E1774 и E1816.
Катушки 2 и 3 наложены одна на другую с небольшим зазором, при этом катушка 2 лежит в плоскости M и вытянута вдоль оси A, а катушка 3 расположена в плоскости N, параллельной плоскости M, и вытянута вдоль оси B. Геометрические центры катушек 2 и 3 расположены на оси Z, перпендикулярной плоскостям M и N. Ось В повернута в плане относительно оси A на угол α.
Через центр катушек 2 и 3 проходит стержень 4, являющийся осью вращения в подвижном соединении данных катушек. Для исключения в конструкции подвижных частей подвижная катушка 3 может быть заменена набором аналогичных катушек, повернутых на фиксированный угол относительно друг друга. Если направление осей анизотропии в материале объекта контроля известно, то достаточно одной катушки 3, жестко зафиксированной по отношению к катушке 2.
Форма витков катушки 3 аналогична форме витков катушки 2, чтобы их характеристики были максимально сопоставимы и сигнал помехи (шума), регистрируемый катушкой 3 был пропорционален соответствующей нежелательной составляющей в измерительном сигнале, регистрируемом катушкой 2. Минимальное и максимальное отношение размеров катушек выбирают исходя из условий достижения достаточной чувствительности катушки 3 и допустимой величины электромагнитной связи между данными катушками, что сказывается на качестве измерительного сигнала. Установлено, что наилучшие результаты по очищению измерительного сигнала от структурно-реверберационных помех и шумов, вызванных частичным рассеянием УЗ волн из-за анизотропии механических свойств объекта контроля, достигаются при отношении размеров катушек от 1 до 5. При этом под размерами катушек понимаются их габаритные размеры.
Соединение катушек 2 и 3 с электронными системами дефектоскопа допускает два варианта. В первом варианте катушки 2 и 3 связаны с отдельными генераторами и усилителями, а во втором варианте катушка 3 связана только с усилителем, специально предназначенным для увеличения энергетических параметров сигнала коррекции. Усилители в свою очередь связаны с АЦП и устройством для обработки данных.
При необходимости в состав индуктора 1 включают аналогичные пары катушек 2 и 3, образуя линейную или плоскостную антенную решетку. Устройство работает следующим образом.
ЭМАП служит для преобразования электрической энергии в акустическую в магнитном поле. Для этого индуктор 1 размещают вблизи от объекта контроля. Намагничивают объект контроля при помощи магнитной системы ЭМАП, а посредством устройства управления от генератора подают на катушку 3 высокочастотный импульс. В результате в объекте контроля возникает упругая волна.
Катушкой 3 принимают отраженный сигнал с последующем усилением и цифровой обработкой. Вращая катушку 3 вокруг стержня 4 и повторяя излучение и прием сигнала ищут такой угол α, чтобы получить максимально сильный ложный сигнал, обусловленный анизотропией материала объекта контроля. На практике величина данного угла составляет от 10 до 80 градусов, что определяет взаимное расположение катушек 2 и 3.
При этом начальные пространственные координаты магнитных полей катушек 2 и 3 совмещены, что достигнуто размещением данных катушек в параллельных плоскостях M и N (при наличии достаточного пространства катушки располагают в одной плоскости, одна внутри другой), с геометрическими центрами катушек на одной оси Z, перпендикулярной плоскостям указанных катушек (или с совпадающими центрами). При этом параллельность плоскостей, расположение в одной плоскости или на одной оси, перпендикулярность оси плоскости, совпадение геометрических центров, понимаются в техническом смысле с учетом допустимых для достижения технического результата отклонений и допусков.
Благодаря тому, что начальные пространственные координаты магнитных полей катушек 2 и 3 совмещены, обеспечено очищение измерительного сигнала от помехи в виде мешающего ложного сигнала и структурно-реверберационных шумов. На основании данного сигнала производят контроль и оценку состояния объекта контроля.
Выбрав исходя из указанного условия оптимальный угол α записывают в память дефектоскопа сигнал коррекции, пропорциональный измеренному сигналу с катушки 3. Затем прозвучивают объект контроля при помощи основной катушки 2, получая полезный сигнал. В случае соединения катушки 3 только с усилителем, сигнал коррекции измеряют как отклик на сигнал, излученный катушкой 2, одновременно с полезным сигналом. После этого из полезного сигнала вычитают сигнал коррекции. Подобным образом продолжают сканирование объекта контроля.