Электромагнитные акустические измерительные преобразователи - RU2298786C2

Описание

Область техники

Изобретение относится к электромагнитным акустическим преобразователям для контроля ферромагнитных материалов, в частности, помимо прочего, газопроводов.

Уровень техники

Неразрушающий контроль металлических материалов, например, материалов, из которых состоят конструкционные машиностроительные компоненты, можно осуществить посредством введения ультразвука в данный материал. Данные о дефектах внутри материала можно потом получить при приеме и анализе ультразвукового сигнала после его прохождения через материал.

Ультразвук обычно вводят в материал с помощью пьезоэлектрических измерительных преобразователей, передняя поверхность которых колеблется механически на ультразвуковых частотах. Обычно ультразвук проводится в проверяемый материал с помощью связывающей среды, например воды, которую вводят между передней поверхностью преобразователя и проверяемым материалом.

Для ультразвукового тестирования некоторых материалов будет непрактично и в некоторых случаях нецелесообразно вводить связывающую среду, например, во время контроля газопроводов движущимся контролирующим транспортным средством, которое обычно называют проверочным скребком. В связи с этим требуется средство сухого связывания ультразвука с материалом.

Ультразвук может быть возбужден посредством электропроводного материала путем приложения магнитного поля высокой частоты при наличии второго магнитного поля - постоянного или очень медленно изменяющегося. Устройства для формирования указанного эффекта называются электромагнитными акустическими преобразователями (далее - «ЭМАП»).

Для ЭМАП, используемых с постоянным магнитным полем, обычный рабочий способ заключается в том, что создаваемое ЭМАП магнитное поле высокой частоты создает вихревые электротоки в материале. Эти вихревые токи протекают в присутствии постоянного магнитного поля и формируют силы Лоренца, действующие в материале. Эти силы внутри материала создают механические смещения, которые распространяются как акустические волны. В ферромагнитных материалах имеются два других механизма, в соответствии с которыми магнитное поле высокой частоты инициирует акустические волны, а именно: магнитострикция и магнитная массовая сила. Эти дополнительные силы могут также играть роль в инициировании акустических волн.

Для ЭМАП предлагались многие конструкции, каждая из которых отличается определенной геометрией двух главных компонентов ЭМАП, а именно: механизма для формирования постоянного магнитного поля в проверяемом образце и электрической обмотки, по которой идет ток высокой частоты. Результат изменения этих компонентов ЭМАПа может состоять в том, что введенный в проверяемый образец ультразвук изменяется в направлении, в котором он излучается, или изменяется его режим распространения, например режим сжатия или поперечная (сдвиговая) волна.

Почти все ЭМАП-преобразователи имеют недостатки, вызванные шумами Баркгаузена при перемещении их по поверхности ферромагнитной системы. Шумы Баркгаузена возникают по причине прерывистого движения границ ферромагнитного домена во время изменений объемной намагниченности ферромагнитного материала ниже значения насыщающего поля для данного материала. Это следствие намагничивающих компонентов в ЭМАПе. Шумы Баркгаузена могут представлять серьезную проблему для контроля трубопроводов преобразователями ЭМАП с помощью скребков, поскольку контроль осуществляется на скорости.

В конструкциях ЭМАП предусматриваются разные компромиссы, но компоновку компонентов магнитного поля и электрообмоток можно изменять только в пределах, заданных основным физическим способом их действия. Каждый тип ЭМАП имеет свою основную компоновку магнитов и обмоток. После ее выбора - обычно для создания требуемой моды волны, другие аспекты конструкции, такие как размер, толщина износостойкой пластины, масса, жесткость, допуск на нагревание и техническое обслуживание, можно определить исходя из нее. Это практический выбор, который ограничен рабочей средой, и нередко он ограничивает акустические характеристики преобразователя, измеряемые, например, амплитудой акустического выходного сигнала или уровнем шумов Баркгаузена. Поэтому на проблеме конструирования сильно сказывается основной способ работы ЭМАП, и в некоторых обстоятельствах эта трудность может быть препятствием практическому решению.

Сущность изобретения

Желательно обеспечить такую конструкцию ЭМАП, которая будет обеспечивать значительно больший уровень гибкости при конструировании преобразователя и которая позволит использовать данный преобразователь в более широких пределах рабочих условий, чем ранее.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предусматривается электромагнитный акустический преобразователь для возбуждения ультразвука в проверяемом ферромагнитном материале, причем преобразователь содержит магнитное средство, выполненное с возможностью его перемещения относительно проверяемого материала, чтобы намагничивать поверхностный слой материала, и электрообмотку, запитываемую источником переменного тока; при этом обмотка выполнена с возможностью ее прилегания к материалу после ее намагничивания магнитным средством, в результате чего переменный магнитный поток, создаваемый обмоткой, взаимодействует с остаточной намагниченностью материала для формирования ультразвуковых колебаний материала.

Следует отметить, что при этой компоновке магнитный компонент преобразователя физически отделен от электрообмоточного компонента; при этом два компонента преобразователя прилагаются поочередно к проверяемому материалу через произвольный временной интервал между приложением двух компонентов.

Такое разделение двух компонентов имеет очень значительный эффект с точки зрения возможностей конструкции преобразователя. В некоторых определенных видах применения, например для контроля трубопровода, обеспечиваются разнообразные технические и экономические преимущества. Помимо этого, устраняются шумы Баркгаузена.

Магнитное средство, которое может содержать являющиеся постоянным магнитом материалы или электромагнитное ярмо, можно перемещать линейно по поверхности проверяемого материала, либо оно может катиться по поверхности. В каждом случае распределение остаточной намагниченности может принимать форму одного или более полосовых доменов по-разному ориентированной остаточной намагниченности, и каждый из них будет следовать траектории магнитного средства.

Непрерывная электрическая обмотка может содержать одну или более катушек, которые могут быть намотаны в плоскости, например, в виде плоской катушки или изгибающейся катушки, или могут быть намотаны на ферромагнитный сердечник, такой как С-образный сердечник. Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения магнитное средство и электрообмотка соединены вместе с возможностью их перемещения как единого узла (но и с некоторой степенью гибкости, чтобы оба компонента могли соответствовать проверяемой поверхности); при этом электрообмотка следует по пути магнитного средства с предварительно заданным разделяющим их расстоянием.

Согласно еще одному дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечен способ возбуждения ультразвука в проверяемом ферромагнитном материале, согласно которому создают картину остаточной намагниченности в поверхностном слое материала, и после указанного намагничивания прилагают переменный магнитный поток к материалу, чтобы осуществлять взаимодействие с полем остаточной намагниченности для формирования ультразвуковых колебаний материала.

Описание чертежей

На чертеже показано в частичном сечении ЭМАП согласно настоящему изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На чертеже изображены проверяемый ферромагнитный материал, которым может быть, например, стальной газопровод 2 под высоким давлением, и ЭМАП согласно настоящему изобретению, обозначенный как 4 и предназначенный для формирования горизонтально поляризованных направляемых волн сдвига.

ЭМАП имеет два разных и отдельных компонента, а именно: магнитное средство 6 и электрообмотку 8.

Магнитное средство 6 включает в себя линейную совокупность магнитов 10 с переменными магнитными полюсами N, S, центры которых отстоят друг от друга на расстояние, равное половине длины волны заданного ультразвука, создаваемого в материале трубопровода 2, или меньшее, чем указанное значение. Магниты 10 заключены в оболочку из ленты износостойкого немагнитного материала, обозначенного поз. 12, причем эта лента не заходит на нижнюю сторону магнитов 10 и не закрывает ее, а служит только для того, чтобы ограничивать истирание магнитов 10 проверяемым материалом 2; при этом нижняя сторона магнитов 10 может контактировать с трубопроводом 2 или может быть отделена от него очень небольшим зазором.

Магнитное средство 6 имеет корпус 14, в котором находятся магниты 10 и который обеспечивает удобное прикрепление средства 6 намагничивания первым соединителем 16 к несущей структуре 18, в результате чего магнитное средство 6 можно продвигать по проверяемой поверхности в направлении, перпендикулярном к направлению совокупности магнитов 10.

Электрообмотка 8 содержит группу С-образных сердечников 20, катушки которых взаимно соединены и образуют единую непрерывную обмотку 22. Сердечники 20 установлены на износостойкой пластине 24 из электроизоляционного материала, контактирующего с поверхностью трубопровода 2. Пластина 24, толщина которой может составлять несколько миллиметров и которая при этом оказывает пренебрежимо малое воздействие на акустические характеристики устройства при работе на частотах, целесообразных для контроля трубопровода, защищает сердечники 20 от поверхности материала.

Электрообмотка 8 имеет корпус 26, который экранирует сердечники 20 от электромагнитных помех, что является важным обстоятельством при приеме акустических сигналов и что позволяет удобным образом соединить электрообмотку 8 с несущей структурой 18 с помощью второго соединителя 28. Электрообмотка 8 при этом установлена позади магнитного средства 6 с сердечниками 20, которые располагаются в виде ряда, перпендикулярного предполагаемому направлению хода и параллельного ряду магнитов 10; при этом катушки расположены таким образом, что магнитный поток, создаваемый высокочастотным возбуждением сердечников 20, взаимодействует с поверхностью проверяемого материала 2.

При работе магнитное средство 6 и электрообмотка 8 перемещаются с помощью соединителей 16, 28 и несущей структуры 18 по поверхности трубопровода 2, в результате чего сердечники 20 следуют за магнитами 10 и с обмоткой 22, возбуждаемой высокочастотным источником электрического напряжения.

Магниты 10, согласно излагаемому выше подробному описанию, намагничивают поверхность трубопровода 2 и создают на ней остаточную намагниченность; при этом прилагаемый затем высокочастотный переменный магнитный поток, создаваемый электрообмоткой 8, взаимодействует с этой остаточной намагниченностью, инициируя горизонтально поляризованные волны сдвига в трубопроводе 2 из близлежащих сердечников 20; и получаемый при этом ультразвук распространяется по существу параллельно ряду сердечников 20.

Если электрообмотка 8 используется как приемник, то обмотка реагирует на горизонтальные волны сдвига, поступающие из направления, по существу параллельного ряду сердечников 20.

Таким образом, ЭМАП в соответствии с настоящим изобретением эффективным образом включает в свою компоновку два разных компонента, которые могут или не могут быть соединены вместе механически. Первым компонентом является магнитное средство, содержащее являющиеся постоянным магнитом материалы или электромагнитное ярмо, которое, будучи на или вблизи поверхности ферромагнитного проверяемого материала и затем покинув его, создает определенную картину остаточной намагниченности в поверхностном слое проверяемого материала. Остаточную картину можно генерировать простым проведением устройства по поверхности посредством линейного движения. В этом случае остаточная картина принимает вид одного или более линейных полосовых доменов по-разному ориентированной остаточной намагниченности; при этом каждая полоса повторяет траекторию средства намагничивания.

Согласно еще одному варианту осуществлению изобретения магнитное средство может содержать цилиндр, имеющий некоторую картину магнитного поля и выполненный с возможностью его качения по проверяемому материалу для создания остаточного намагничивания, которое может быть в виде одного или более линейных полосовых доменов по-разному ориентированной остаточной намагниченности; при этом каждый полосовой домен следует линии соответствующей магнитной части цилиндра.

Вторым компонентом является электрообмотка, которая, находясь вблизи проверяемого материала, может генерировать высокочастотный магнитный поток на поверхности материала. Возможен широкий выбор обмоток, и некоторые обмотки можно сочетать с высокочастотными электрическими ярмами. Расположение обмотки может быть обычным для ЭМАП расположением, за тем исключением, что они не имеют фиксированного расположения своего магнита. Обмоточный компонент имеет такое расположение, что когда высокочастотный переменный магнитный поток взаимодействует с картиной остаточной намагниченности, то ультразвуковые колебания возникают в проверяемом материале и распространяются в нем, обеспечивая возможность ультразвукового контроля данного материала. В качестве альтернативы поясняемым С-образным сердечникам электрообмотка может содержать одну или более взаимно соединенных катушек плоской конструкции.

Генерирование ультразвука в ферромагнитном проверяемом материале по сути осуществляется двухэтапным способом. Первый этап: предварительное приведение ферромагнитного материала в надлежащее состояние, аналогичное записи магнитной картины на таком магнитном носителе, как магнитная лента. Для любого материала, имеющего значительную остаточную намагниченность, такого как конструкционная сталь, эта картина остается как устойчивая магнитная структура в проверяемом материале после прохождения или после удаления средства намагничивания. Второй этап: введение высокочастотного переменного магнитного потока, который взаимодействует с картиной остаточной намагниченности и инициирует ультразвук. В случае приема ультразвука материал предварительно подготавливают с точки зрения намагниченности в соответствии с излагаемым выше описанием, но электрообмотка действует как приемная катушка и преобразует ультразвук в электрический сигнал.

Согласно описываемому и поясняемому здесь выполнению обмотка следует по пути намагничивающего компонента, и между ними имеется заданное расстояние; и обмотка, и компонент продвигаются линейно посредством несущей их рамы. Эта компоновка особенно предпочтительна для применения на транспортных средствах, контролирующих трубопроводы, и предусматривает и передачу, и прием ультразвука.

Важное преимущество этого типа ЭМАП заключается в том, что, если он действует в качестве приемника, то есть когда обмотка действует только как средство прослушивания, то ЭМАП не имеет шумов Баркгаузена. Причина этого заключается в том, что картина остаточной намагниченности в ферромагнитном материале устойчивая, т.е. с течением времени не развивается, по отношению к проверяемому материалу в местоположении приемника. Это обстоятельство не зависит от движения или покоя приемника. В этом заключается отличие от обычного приемника, который вызывает шумы Баркгаузена во время своего движения по поверхности проверяемого материала, поскольку находящиеся в приемнике магниты непрерывно изменяют состояние намагниченности материала.

Еще одно важное преимущество этого типа ЭМАП заключается в том, что практическое конструирование двух главных компонентов можно обеспечить автономно. Больше нет необходимости располагать магниты вокруг обмоток, или наоборот, поскольку они более не занимают один и тот же физический участок. Оба компонента могут иметь меньшую массу, чем обычное комбинированное выполнение обмоток и магнитов, и это улучшает динамические характеристики системы. Магнитные зажимающие усилия между преобразователем и проверяемым материалом ограничиваются средством намагничивания, и поэтому износ происходит в основном только на нем одном. Проблему износа поэтому можно решить нетрадиционными средствами, например, допустить значительный износ и использовать сменные поверхности ярма вместо закаленных рабочих поверхностей. Помимо этого, толщина рабочей пластины или колодки, используемых с электрообмоткой, может быть гораздо большей, чем обычно используемая в ЭМАП. Причина заключается в том, что обмотка очень хорошо переносит «съем», т.к. остаточное поле внедряется в проверяемый материал и не уменьшается со съемом. В этом заключается отличие от обычного ЭМАП, в котором источник поля снимается с поверхности вместе с обмоткой, и эффективность снижается очень быстро со съемом.

ЭМАП согласно настоящему изобретению очень выгодно отличается от ЭМАП из известного уровня техники в том отношении, что генерирует горизонтально поляризованные волны сдвига, которые используют совокупность магнитов, расположенных в прилегании друг к другу. В этих известных случаях прилагаемое поле на поверхности пластины быстро изменяется по амплитуде и направлению в соответствии с небольшими изменениями пространственного положения в материале пластины непосредственно под преобразователем. Усложненность картины поля делает эти преобразователи особо уязвимыми к воздействию шумов Баркгаузена, обусловленных движением. Помимо этого, для работы в условиях трубопровода ЭМАП известного из уровня техники слишком громоздкие, их эффективность резко снижается при съеме датчика, и они подвержены сильному истиранию.

Реферат

Электромагнитный акустический преобразователь для возбуждения ультразвука в проверяемом ферромагнитном материале (2) содержит магнитное средство (6), выполненное с возможностью его перемещения по отношению к проверяемому материалу (2), чтобы намагничивать поверхностный слой материала, и электрообмотку (8), запитываемую источником переменного тока; при этом магнитное средство (6) и электрообмотку (8) при работе поочередно прилагают к проверяемому материалу (2); причем электрообмотка (8) располагается вблизи материала после ее намагничивания магнитным средством (6); при этом переменный магнитный поток, создаваемый электрообмоткой (8), взаимодействует с остаточной намагниченностью материала, создавая ультразвуковые колебания материала. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула