RU2327152C2

RU2327152C2 - Electromagnetic-acoustic converter

Info

Publication number: RU2327152C2
Application number: RU2006116939/28A
Authority: RU
Inventors: н Александр Александрович Подол (UA); Александр Александрович Подолян
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Нпип Киатон"
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2008-06-20
Also published as: RU2006116939A

Abstract

FIELD: physics; measurements.

SUBSTANCE: converter can be used for nondestructive control of metallic objects using an ultrasonic method. The essence lies in that, the electromagnetic-acoustic converter consists of a magnetic biasing unit and an oscillator is located between poles, which is in the form of an array of conductors located in one plane and parallel each other and the poles of the magnetic biasing unit. The magnetic biasing unit is in the form of a moveable constant magnet with the shape of a parallelepiped with rounded edges, placed between the upper ends of the parallel magnetic conductors, the lower ends of which form a pole of the magnetic biasing unit. There two extra magnetic conductors in the converter, whose lower ends are located on two sides of the oscillator, in the plane of poles of the magnetic conductors of the magnetic biasing unit, perpendicular to the array of conductors. The upper ends of all magnetic conductors are directed to the centre of the magnetic, while the magnet is installed with provision for rotation about its point of symmetry.

EFFECT: increase in the quality of measurements of metallic objects using the ultrasonic method.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля металлических изделий ультразвуковым методом.The invention relates to techniques for non-destructive testing of metal products by the ultrasonic method.

При проведении неразрушающего контроля металлических изделий ультразвуковым методом широкое распространение получили электромагнитные акустические преобразователи (ЭМА преобразователи), позволяющие сформировать акустическую волну в металле контролируемого объекта без использования контактной жидкости, через ржавчину или лакокрасочное покрытие. Принцип действия ЭМА преобразователей основан на формировании акустической волны в результате взаимодействия в поверхностном слое металла контролируемого объекта первичного и наведенного токов.When conducting non-destructive testing of metal products by the ultrasonic method, electromagnetic acoustic transducers (EMA transducers) were widely used, which made it possible to form an acoustic wave in the metal of a controlled object without using contact fluid, through rust or paintwork. The principle of operation of EMA transducers is based on the formation of an acoustic wave as a result of the interaction of a primary and induced currents in a surface layer of a metal of a controlled object.

ЭМА преобразователи состоят из узла подмагничивания и излучателя. Узел подмагничивания представляет собой электромагнит или постоянный магнит. Излучатель представляет собой катушку или набор элементарных нитей-проводников, расположенных в непосредственной близости от поверхности контролируемого объекта или изделия.EMA converters consist of a magnetization unit and a radiator. The magnetization unit is an electromagnet or a permanent magnet. The emitter is a coil or a set of filaments of conductors located in the immediate vicinity of the surface of the controlled object or product.

Известен ЭМА преобразователь (см. Шкарлет Ю.М. Бесконтактные методы ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1974, с.56.), предназначенный для ультразвукового контроля листового металла. ЭМА преобразователь состоит из узла подмагничивания и излучателя. В свою очередь, узел подмагничивания представляет собой мощные концентраторы магнитного поля, расположенные с двух сторон контролируемого листа металла. Излучатель представляет собой спиральную катушку, расположенную между контролируемой поверхностью и торцом одного из концентраторов магнитного поля. Схема построения ЭМА преобразователя не позволяет проводить контроль металлических объектов, имеющих значительную толщину.Known EMA transducer (see. Shkarlet Yu.M. Non-contact methods of ultrasonic testing. M: Engineering, 1974, p. 56.), designed for ultrasonic testing of sheet metal. The EMA converter consists of a magnetization unit and an emitter. In turn, the magnetization unit is a powerful magnetic field concentrators located on both sides of a controlled sheet of metal. The emitter is a spiral coil located between the surface to be monitored and the end of one of the magnetic field concentrators. The construction scheme of the EMA converter does not allow the monitoring of metal objects having a significant thickness.

Известен ЭМА преобразователь (см. Буденков Б.А., Буденков Г.А. и др. Бесконтактный ввод и прием ультразвука. - Дефектоскопия, 1969, №1, с.121-123.), предназначенный для ультразвукового контроля металлических изделий произвольной толщины. ЭМА преобразователь состоит из узла подмагничивания и излучателя. Узел подмагничивания представляет собой П-образный магнит, полюса которого расположены на поверхности контролируемого металлического изделия. Излучатель представляет собой решетку, состоящую из нескольких расположенных в одной плоскости параллельно друг другу проводников (нитей-излучателей). Решетка расположена между полюсами магнита, параллельно поверхности контролируемого изделия. Для формирования звуковой волны системой синфазных излучателей расстояние между излучателями выбирают равному l=λ; при возбуждении систем противофазных излучателей l=λ/2, где λ=с_с/f - длина нормальной ультразвуковой волны в соответствующей рабочей точке; с_c - фазовая скорость ультразвуковой волны; f - рабочая частота ультразвукового излучения.Known EMA transducer (see Budenkov B.A., Budenkov G.A. et al. Non-contact input and reception of ultrasound. - Flaw detection, 1969, No. 1, p. 121-123.), Designed for ultrasonic testing of metal products of arbitrary thickness . The EMA converter consists of a magnetization unit and an emitter. The magnetization unit is a U-shaped magnet, the poles of which are located on the surface of the controlled metal product. The emitter is a grating consisting of several conductors (filament emitters) located parallel to each other in the same plane. The lattice is located between the poles of the magnet, parallel to the surface of the controlled product. For the formation of a sound wave by a system of in-phase emitters, the distance between the emitters is chosen equal to l = λ; upon excitation of the systems of antiphase emitters l = λ / 2, where λ = c _s / f is the length of the normal ultrasonic wave at the corresponding operating point; _{c c} is the phase velocity of the ultrasonic wave; f is the working frequency of ultrasonic radiation.

ЭМА преобразователь имеет постоянный магнит, что не позволяет оперативно изменять значение магнитной индукции внешнего поля на поверхности контролируемого изделия. Вместе с тем известно (см. Эйчина В.Г., Кеслер Н.А. Влияние магнитного поля на затухание ультразвуковых колебаний. - Дефектоскопия, 1972, № 3, с.53-58; Малинка А.В., Драпкин И.А., Коломоец Н.Т. Электромагнитно-акустический метод контроля ферромагнитных листов и труб. - Дефектоскопия, 1972, № 4, с.44-48.), что максимальный эффект при контроле изделий из различных материалов достигается при различном значении магнитной индукции внешнего поля.The EMA converter has a permanent magnet, which does not allow you to quickly change the value of the magnetic induction of the external field on the surface of the controlled product. However, it is known (see Eichina V.G., Kesler N.A. Influence of a magnetic field on the attenuation of ultrasonic vibrations. - Defectoscopy, 1972, No. 3, p. 53-58; Malinka A.V., Drapkin I.A. ., Kolomoyets NT Electromagnetic-acoustic method for monitoring ferromagnetic sheets and pipes. - Defectoscopy, 1972, No. 4, p. 44-48.), That the maximum effect in the control of products from various materials is achieved at different values of the magnetic induction of the external field .

Известен ЭМА преобразователь (см. патент Японии 2004-177267, G01N 29/04), являющийся прототипом заявляемого изобретения. ЭМА преобразователь состоит из П-образного узла подмагничивания и излучателя. Излучатель представляет собой решетку, состоящую из нескольких расположенных в одной плоскости параллельно друг другу проводников (нитей-излучателей). Решетка расположена между полюсами узла подмагничивания, параллельно поверхности контролируемого изделия. Узел подмагничивания включает в себя постоянный магнит, расположенный между верхними торцами магнитоводов. Нижние торцы магнитоводов являются полюсами узла подмагничивания. Постоянный магнит представляет собой прямоугольный брусок с закругленными краями. Магнит установлен с возможностью вращения вокруг своей поперечной оси симметрии, расположенной параллельно нитям-излучателям. Конструкция датчика позволяет изменять значение магнитной индукции внешнего поля на поверхности контролируемого изделия в широких пределах. Вместе с тем, при проведении измерений в условиях значительных внешних полей направление результирующего вектора магнитной индукции поля на поверхности контролируемого объекта может не совпадать с направлением вектора магнитной индукции поля, формируемого узлом подмагничивания. Конструкция узла подмагничивания прототипа не позволяет изменять значение магнитной индукции продольного поля. Наличие некомпенсированной продольной составляющей поля может привести к непостоянству результатов измерения одного и того же объекта, находящегося в различных условиях воздействия внешних магнитных полей.Known EMA converter (see Japan patent 2004-177267, G01N 29/04), which is the prototype of the claimed invention. The EMA converter consists of a U-shaped magnetization unit and an emitter. The emitter is a grating consisting of several conductors (filament emitters) located parallel to each other in the same plane. The lattice is located between the poles of the magnetization unit, parallel to the surface of the controlled product. The magnetization unit includes a permanent magnet located between the upper ends of the magnetic cores. The lower ends of the magnetic cores are the poles of the magnetization unit. The permanent magnet is a rectangular block with rounded edges. The magnet is mounted to rotate around its transverse axis of symmetry, parallel to the emitter threads. The design of the sensor allows you to change the magnetic induction of the external field on the surface of the controlled product in a wide range. At the same time, during measurements under conditions of significant external fields, the direction of the resulting vector of the magnetic induction of the field on the surface of the controlled object may not coincide with the direction of the vector of the magnetic induction of the field formed by the magnetization unit. The design of the magnetization unit of the prototype does not allow to change the value of the magnetic induction of the longitudinal field. The presence of an uncompensated longitudinal component of the field can lead to inconsistency of the measurement results of the same object, which is in different conditions of exposure to external magnetic fields.

В основу изобретения положена задача повышения качества измерений за счет предварительной компенсации поперечной составляющей внешнего магнитного поля. Для этого в конструкцию ЭМА преобразователя введен дополнительный П-образный узел подмагничивания, полюса которого расположены с двух сторон излучателя, перпендикулярно нитям. Это позволит добиться постоянства магнитной картинки на поверхности контролируемо объекта, что, в свою очередь, приведет к постоянству результатов измерения при контроле в условиях внешних магнитных полей.The basis of the invention is the task of improving the quality of measurements due to preliminary compensation of the transverse component of the external magnetic field. For this, an additional U-shaped magnetization unit, the poles of which are located on both sides of the emitter, perpendicular to the threads, is introduced into the design of the EMA converter. This will allow to achieve the constancy of the magnetic image on the surface of the controlled object, which, in turn, will lead to the constancy of the measurement results under control in the conditions of external magnetic fields.

Задача, положенная в основу изобретения, решается за счет того, что в ЭМА преобразователе, состоящем из узла подмагничивания и расположенного между его полюсами излучателя, представляющего собой решетку из нескольких расположенных в одной плоскости параллельных друг другу и полюсам узла подмагничивания проводников, причем узел подмагничивания представляет собой подвижный постоянный магнит в форме прямоугольника с закругленными краями, расположенный между верхними торцами параллельных друг другу магнитоводов, нижние торцы которых образуют полюса узла подмагничивания, в соответствии с изобретением в преобразователь введены два дополнительных магнитовода, нижние торцы которых расположены с двух сторон излучателя, в плоскости полюсов магнитопроводов узла подмагничивания, перпендикулярно проводникам решетки, при этом верхние торцы всех магнитоводов направлены к центру магнита, а магнит установлен с возможностью вращения вокруг своей точки симметрии. Для удобства эксплуатации магнит может быть запрессован в диамагнитное вещество в форме шара, который расположен между имеющими сферические вырезы торцами магнитоводов, при этом плоскости симметрии магнита и шара совпадают.The problem underlying the invention is solved due to the fact that in the EMA converter, which consists of a magnetization unit and an emitter located between its poles, which is a grid of several conductors magnetization parallel to each other and the poles of the magnetization unit, and the magnetization unit is a movable permanent magnet in the form of a rectangle with rounded edges, located between the upper ends of parallel to each other magnetic conductors, the lower ends of which are the poles of the magnetization unit are developed, in accordance with the invention, two additional magneto conductors are introduced, the lower ends of which are located on both sides of the emitter, in the plane of the poles of the magnetic circuits of the magnetization unit, perpendicular to the conductors of the array, while the upper ends of all the magnetic conductors are directed toward the center of the magnet, and the magnet is installed with the possibility of rotation around its point of symmetry. For ease of operation, the magnet can be pressed into a diamagnetic substance in the form of a ball, which is located between the ends of the magnetic conductors having spherical cutouts, while the plane of symmetry of the magnet and the ball coincide.

Конструкция предлагаемого ЭМА преобразователя поясняется чертежами приведенными на фиг.1-3. На фиг.1 показан эскиз поперечного разреза ЭМА преобразователя, на фиг.2 - вид сверху, на фиг.3 - вида снизу. Где 1 - излучатель, 2 - магнит, 3 - магнитоводы, 4 - брусок из диэлектрического материала, 5 - шар, 6 - рука, 7 - поверхность контролируемого объекта, 8 - дополнительные магнитоводы.The design of the proposed EMA Converter is illustrated by the drawings shown in Fig.1-3. Figure 1 shows a sketch of a cross section of an EMA transducer, figure 2 is a top view, figure 3 is a bottom view. Where 1 is a radiator, 2 is a magnet, 3 is a magnet guide, 4 is a bar of dielectric material, 5 is a ball, 6 is a hand, 7 is the surface of a controlled object, 8 is an additional magnet guide.

Суть изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.

ЭМА преобразователь состоит из узла подмагничивания и излучателя. Излучатель представляет собой решетку, состоящую из нескольких расположенных в одной плоскости параллельно друг другу проводников (нитей-излучателей). Решетка расположена между полюсами узла подмагничивания, в непосредственной близости от поверхности контролируемого изделия, параллельно ей. Нити-излучатели должны располагаться друг от друга на расстоянии l, пропорциональном λ - длине нормальной акустической волны, возбуждаемой ЭМА преобразователем. То есть l=λ/n, где n=1, 2,...k - целое число. В большинстве случаев практического применения преобразователей n=1 или n=2 (см. Глухов Н.А., Бобров В.Т., Веременко С.В., Дружаев Ю.А., Колмогоров В.Н., Лебедева Н.А. Электромагнитно-акустические преобразователи для упругих волноводов. - Дефектоскопия, 1972, № 4, с.38-45.). При контроле изделий из ферромагнитных материалов n=6 (см. Буденков Г.А., Гуревич С.Ю. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля: Акустические методы. - Дефектоскопия, 1981, № 5, стр.6-22).The EMA converter consists of a magnetization unit and an emitter. The emitter is a grating consisting of several conductors (filament emitters) located parallel to each other in the same plane. The grating is located between the poles of the magnetization unit, in close proximity to the surface of the controlled product, parallel to it. The emitter filaments should be located at a distance l proportional to λ - the length of the normal acoustic wave excited by the EMA transducer. That is, l = λ / n, where n = 1, 2, ... k is an integer. In most cases of practical application of the converters n = 1 or n = 2 (see Glukhov N.A., Bobrov V.T., Veremenko S.V., Druzhayev Yu.A., Kolmogorov V.N., Lebedeva N.A. Electromagnetic-acoustic converters for elastic waveguides. - Defectoscopy, 1972, No. 4, p. 38-45.). When monitoring products from ferromagnetic materials n = 6 (see Budenkov G.A., Gurevich S.Yu. Current state of non-contact methods and means of ultrasonic testing: Acoustic methods. - Defectoscopy, 1981, No. 5, pp. 6-22).

Узел подмагничивания состоит из четырех магнитоводов, установленных перпендикулярно поверхности контролируемого изделия, вокруг излучателя. При этом полюса двух магнитопроводов расположены параллельно нитям, а двух других (дополнительных) - перпендикулярно нитям решетки. Верхние торцы магнитоводов направлены к центру магнита. Магнит, расположенный между верхними торцами магнитоводов, выполнен в виде параллелепипеда с закругленными краями. При этом обеспечена возможность вращения магнита вокруг своей точки симметрии.The magnetization unit consists of four magnetic cores installed perpendicular to the surface of the controlled product around the emitter. In this case, the poles of two magnetic circuits are parallel to the threads, and the other two (additional) are perpendicular to the threads of the lattice. The upper ends of the magnetic cores are directed toward the center of the magnet. The magnet located between the upper ends of the magnetic cores is made in the form of a parallelepiped with rounded edges. At the same time, it is possible to rotate the magnet around its point of symmetry.

Для удобства практической эксплуатации магнит помещен внутрь шара из диамагнитного материала, например, способом запрессовки.For the convenience of practical operation, the magnet is placed inside a ball of diamagnetic material, for example, by means of a press fitting.

Магнитоводы, излучатель и шар магнита зафиксированы друг относительно друга с помощью прямоугольного бруска, изготовленного из диэлектрического материала. При этом излучатель прикреплен к нижней стороне бруска, к боковым сторонам которого прикреплены внутренние стороны магнитоводов. На верхней стороне диэлектрического бруска сделана сферическая выемка.Magnet leads, emitter and magnet ball are fixed relative to each other using a rectangular bar made of dielectric material. In this case, the emitter is attached to the lower side of the bar, to the sides of which are attached the inner sides of the magnetic cores. A spherical recess is made on the upper side of the dielectric bar.

Для удобства шар может быть снабжен ручкой, а на поверхности шара нанесена координатная сетка.For convenience, the ball can be equipped with a handle, and a coordinate grid is applied on the surface of the ball.

Работа предлагаемого ЭМА преобразователя заключается в следующем. Для проведения неразрушающего контроля ЭМА преобразователь устанавливают на поверхность контролируемого изделия. При этом излучатель располагают в непосредственной близи от поверхности. С помощью узла подмагничивания в верхнем слое объекта контроля создается постоянное магнитное поле. Требуемые характеристики магнитного поля получают, вращая магнит относительно точки его симметрии. При вращении магнита будет изменяться значение магнитной индукции внешнего поля на поверхности контролируемого изделия. В определенном положении магнита будет обеспечена максимальная компенсация продольной составляющей внешнего магнитного поля при заданном значении магнитной индукции поперечной составляющей. После этого на нити излучателя подается электрический сигнал, в результате чего в поверхностном слое объекта контроля индуцируются вихревые токи. Взаимодействие первичного и наведенного токов приводит к появлению давлений, изменяющихся с ультразвуковой частотой. Ультразвуковые колебания, в свою очередь, создают в металле пространственно-периодическое поле, под влиянием которого частицы среды совершают колебания. При пересечении колеблющимися частицами силовых линий магнитного поля, в поверхностном слое металла возникают вихревые токи, которые регистрируются с помощью приемной части системы неразрушающего контроля.The work of the proposed EMA converter is as follows. For non-destructive testing, the EMA transducer is installed on the surface of the controlled product. In this case, the emitter is located in close proximity to the surface. Using a magnetization unit in the upper layer of the control object creates a constant magnetic field. The required characteristics of the magnetic field are obtained by rotating the magnet relative to its point of symmetry. When the magnet rotates, the value of the magnetic induction of the external field on the surface of the controlled product will change. In a certain position of the magnet, the maximum compensation of the longitudinal component of the external magnetic field will be ensured for a given value of the magnetic induction of the transverse component. After that, an electric signal is applied to the emitter filaments, as a result of which eddy currents are induced in the surface layer of the object under control. The interaction of the primary and induced currents leads to the appearance of pressures that change with an ultrasonic frequency. Ultrasonic vibrations, in turn, create a spatially periodic field in the metal, under the influence of which the particles of the medium oscillate. When oscillating particles cross the magnetic field lines, eddy currents appear in the surface layer of the metal, which are recorded using the receiving part of the non-destructive testing system.

Использование предлагаемого ЭМА преобразователя позволит подобрать оптимальные характеристики магнитного поля на поверхности контролируемого изделия без использования вращающихся магнитов и электромагнитов.Using the proposed EMA converter will allow you to choose the optimal characteristics of the magnetic field on the surface of the controlled product without the use of rotating magnets and electromagnets.

Claims

1. ЭМА преобразователь, состоящий из узла подмагничивания и расположенного между его полюсами излучателя, представляющего собой решетку из нескольких расположенных в одной плоскости параллельных друг другу и полюсам узла подмагничивания проводников, причем узел подмагничивания представляет собой подвижный постоянный магнит в форме параллелепипеда с закругленными краями, расположенный между верхними торцами параллельных друг другу магнитоводов, нижние торцы которых образуют полюса узла подмагничивания, отличающийся тем, что в преобразователь введены два дополнительных магнитовода, нижние торцы которых расположены с двух сторон излучателя, в плоскости полюсов магнитопроводов узла подмагничивания, перпендикулярно проводникам решетки, при этом верхние торцы всех магнитоводов направлены к центру магнита, а магнит установлен с возможностью вращения вокруг своей точки симметрии.1. EMA transducer, consisting of a magnetization unit and a radiator located between its poles, which is a grating of several conductors parallel to each other and the poles of the magnetization unit of conductors, the magnetization unit is a movable permanent magnet in the form of a parallelepiped with rounded edges, located between the upper ends of the magnetic conductors parallel to each other, the lower ends of which form the poles of the magnetization node, characterized in that The developer introduced two additional magneto conductors, the lower ends of which are located on both sides of the emitter, in the plane of the poles of the magnetic circuits of the magnetization node, perpendicular to the conductors of the grating, while the upper ends of all the magnetic conductors are directed toward the center of the magnet, and the magnet is mounted to rotate around its point of symmetry.

2. ЭМА преобразователь по п.1, отличающийся тем, что магнит запрессован в диамагнитное вещество в форме шара, который расположен между имеющими сферические вырезы торцами магнитоводов, при этом плоскости симметрии магнита и шара совпадают.2. The EMA converter according to claim 1, characterized in that the magnet is pressed into a diamagnetic substance in the form of a ball, which is located between the ends of the magnetic conductors having spherical cutouts, while the plane of symmetry of the magnet and the ball coincide.

3. ЭМА преобразователь по п.1, отличающийся тем, что излучатель закреплен на диэлектрическом прямоугольном бруске, к боковым сторонам которого прикреплены внутренние стороны магнитоводов.3. The EMA converter according to claim 1, characterized in that the emitter is mounted on a rectangular dielectric bar, to the sides of which are attached the inner sides of the magnetic cores.

4. ЭМА преобразователь по п.1, отличающийся тем, что проводники решетки излучателя расположены друг от друга на расстоянии λ/n, где λ - длина нормальной акустической волны, возбуждаемой ЭМА преобразователем, n=1, 2...k - положительное целое число.4. The EMA transducer according to claim 1, characterized in that the conductors of the emitter lattice are located at a distance λ / n from each other, where λ is the length of the normal acoustic wave excited by the EMA transducer, n = 1, 2 ... k is a positive integer number.

5. ЭМА преобразователь по п.2, отличающийся тем, что на поверхность шара нанесена координатная сетка, а к центральной части шара перпендикулярно магниту прикреплена ручка.5. The EMA converter according to claim 2, characterized in that a coordinate grid is applied to the surface of the ball, and a handle is attached to the center of the ball perpendicular to the magnet.