Оптимизация параметров намагничивающего устройства электромагнитно-акустического преобразователя для контроля легированных сталей

Бесконтактные электромагнитно-акустические преобразователи обладают набором значительных преимуществ по сравнению с контактными преобразователями, но при этом у них есть существенные недостатки, требующие разработки эффективных намагничивающих устройств. По сравнению с устройствами намагничивания на постоянных магнитах устройства намагничивания электрическим током легко снимаются с объекта контроля и очищаются от загрязнения металлическими частицами. К сожалению, такие преобразователи имеют значительные габариты и массу.

Разработан преобразователь, содержащий магнитопровод, намагничиваемый катушкой с электрическим током, и два независимых электромагнитных индуктора, расположенных в зазоре между центральной частью магнитопровода и объектом контроля. Индукторы представляют собой две плоские катушки, каждая из которых выполнена в виде бабочки. Проводники индукторов, расположенные в рабочей области, имеют взаимно перпендикулярные направления; с их помощью можно эффективно возбуждать и регистрировать поперечно поляризованные акустические волны без перестановки преобразователя. С целью уменьшения габаритных размеров и массы преобразователя произведена оптимизация массогабаритных параметров намагничивающего устройства для условий эксплуатации, когда намагничивание объекта контроля и измерения производятся во время активной фазы измерения. Во время пассивной фазы измерения, в три раза превышающей активную фазу по времени, происходит остывание намагничивающего устройства. Циклический режим с чередованием активной и пассивной фаз позволил уменьшить вес преобразователя более чем в 3 раза. В рабочей зоне преобразователя размером 15×15 мм при зазоре в 1 мм между концентратором магнитного поля и объектом контроля создаётся поле с нормальной компонентой в 2,4 Тл.

Преобразователь содержит защиту устройства намагничивания от перегрева, а циклический режим работы позволяет обеспечить непрерывную производительность до 30 измерений в минуту при температуре окружающей среды 20 ºС.

Разработанное намагничивающее устройство может быть использовано при решении ряда задач структуроскопии, толщинометрии, дефектоскопии электромагнитно-акустическими методами, основанными на точном измерении времени распространения упругих волн в объекте контроля.

1. Hirao M., Ogi H. Electromagnetic Acoustic Transducers: Noncontacting Ultrasonic Measurements Using EMATs. Tokyo: Springer Japan. – 2017. – 380 p. DOI: 10.1007/978-4-431-56036-4

2. Lü J., Liu G. Magneto-Acousto-Electrical NDT and Improved EMD De-Noising Algorithm. Transactions of Chinese Electrotechnical Society. – 2018. – Vol. 33. – No. 17. – Pр. 3935–3942. DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171126

3. Pei C., Zhao S., Liu T., Chen Z. A new method for plastic strain measurement with Rayleigh wave polarization. Ultrasonics. – 2018. – Vol. 88. – Pp. 168–173. DOI: 10.1016/j.ultras.2018.04.004

4. Xie S., Tian M., Xiao P., Pei C., Chen Z., Takagi T. A hybrid nondestructive testing method of pulsed eddy current testing and electromagnetic acoustic transducer techniques for simultaneous surface and volumetric defects inspection. NDT & E International. – 2017. – Vol. 86. – Pp. 153–163. DOI: 10.1016/j.ndteint.2016.12.006

5. Баширов М.Г. Электромагнитно-акустический методоценкитехническогосостоянияэнергетического оборудования / М.Г. Баширов [и др.] // Промышленная энергетика. – 2016. – № 12. – С. 8–13.

6. Муравьев В.В. Прибор для исследований акустоупругих характеристик тонких проволок / В.В. Муравьев, Д.В. Злобин, А.В. Платунов // Изв. высш. уч. заведений. Приборостроение. – 2017. – Т. 60. – № 6. – С. 572–577. DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-6-572-577

7. Козлов А.В. Области применения и основные типы преобразователей с сухим точечным контактом в ультразвуковом контроле / А.В. Козлов // Контроль. Диагностика. – 2018. – № 10. – С. 4–18. DOI: 10.14489/td.2018.10.pp.004-018

8. Муравьев В.В. Влияние анизотропии механических свойств тонколистового стального проката на информативные параметры волн Лэмба / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, Л.В. Волкова // Сталь. – 2016. – № 10. – С. 75–79.

9. Isla J., Cegla F. EMAT phased array: A feasibility study of surface crack detection. Ultrasonics. – 2017. – Vol. 78. – Pр. 1–9. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.02.009

10. Muraveva O.V., Muravev V.V., Myshkin Yu.V. Laws of formation of grating lobes in the acoustic field of electromagnetic-acoustic transducers as a linear array of unidirectional conductors. NDT & E International. – 2018. – Vol. 93. – Pр. 40–56. DOI: 10.1016/j.ndteint.2017.09.009

11. Plesnetsov S.Yu. [et al.] Simulation of electromagnetic-acoustic conversion process under torsion waves excitation. Part 2. Technical Electrodynamics. – 2018. – No 1. – Pp. 30–36. DOI: 10.15407/techned2018.01.030

12. Ren W., He J., Dixon S., Xu K. Enhancement of EMAT's efficiency by using silicon steel laminations back-plate. Sensors and Actuators A: Physical. 2018. – Vol. 274. – Pp. 189–198. DOI: 10.1016/j.sna.2018.03.010

13. Rieger K., Erni D., Rueter D. Noncontact reception of ultrasound from soft magnetic mild steel with zero applied bias field EMATs. NDT & E International. – 2022. – Vol. 125. – Pp. 102569. DOI: 10.1016/j.ndteint.2021.102569

14. Базылев Д.Н. Ультразвуковой контроль металлоконструкций с использованием фазированной электромагнитно-акустической антенной решетки / Д.Н. Базылев // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2018. – Т. 61. – № 12. – С. 1060– 1066. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-12-1060-1066

15. Комаров В.А. Магнитоупругое электромагнитно-акустическое преобразование. Часть 7. Двойное преобразование при эффекте Видемана / В.А. Комаров // Контроль. Диагностика. – 2020. – Т. 23. – № 10(268). – С. 30–39. DOI: 10.14489/td.2020.10.pp.030-039

16. Толипов Х.Б. Возможности повышения эффективности бесконтактного излучателя акустических волн / Х.Б. Толипов // Дефектоскопия. 2017. – № 4. – С. 71–74.

17. Ашихин Д.С. Исследование влияния параметров электромагнитно-акустического преобразователя на точность измерения толщины изделий / Д.С. Ашихин, А.В. Федоров // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2022. – Т. 22. – № 2. – С. 376–384. DOI: 10.17586/2226-1494-2022-22-2-376-384

18. Петров К.В. Моделирование магнитных, электрических и акустических полей проходного преобразователя для контроля цилиндрических объектов / К.В. Петров // Дефектоскопия. – 2019. – № 2. – С. 16–24. DOI: 10.1134/S0130308219020027

19. Петров К.В. Влияние конструктивных особенностей проходного электромагнитноакустического преобразователя на результаты контроля цилиндрических объектов / К.В. Петров, М.Ю. Соков, О.В. Муравьева // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. – 2018. – Т. 21. – № 2. – С. 135–146. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-135-146

20. Алешин Н.П. Исследование выявляемости поверхностных объемных дефектов при ультразвуковом контроле с применением волн Рэлея, генерируемых электромагнитно-акустическим пре-образователем / Н.П. Алешин [и др.] // Дефектоскопия. – 2021. – № 5. – С. 22–30. DOI: 10.31857/S0130308221050031

21. Гобов Ю.Л. Намагничивающая система для ЭМА-сканера-дефектоскопа / Ю.Л. Гобов, А.В. Михайлов, Я.Г. Смородинский // Дефектоскопия. – 2014. – № 11. – С. 48–56.

22. Сучков Г.М. Портативный накладной прямой совмещенный электромагнитно-акустический преобразователь для ультразвукового контроля через диэлектрические слои толщиной до 20 мм на поверхности ферромагнитных металлоизделий / Г.М. Сучков, Р.П. Мигущенко, О.Ю. Кропачек // Дефектоскопия. – 2022. – № 5. – С. 13–23. DOI: 10.31857/S0130308222050025

23. Сучков Г.М. Бесконтактный спектральный экспресс-способ обнаружения коррозионных повреждений металлоизделий / Г.М. Сучков [и др.] // Дефектоскопия. – 2020. – № 1. – С. 14–21. DOI: 10.31857/S0130308220010029

24. Сучков Г.М. Мощные источники питания высокочастотных преобразователей электромагнитного типа для измерений, контроля и диагностики / Г.М. Сучков, Р.П. Мигущенко, С.Ю. Плеснецов // Дефектоскопия. – 2017. – № 12. – С. 35–39.

25. Сучков Г.М. Генератор зондирующих импульсов для ЭМА-дефектоскопов / Г.М. Сучков [и др.] // Дефектоскопия. – 2012. – № 9. – С. 42–47.

26. Чабанов В.Е. Расчет и проектирование электромагнитно-акустических преобразователей для ультразвукового неразрушающего контроля / В.Е. Чабанов, В.А. Жуков // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физикоматематические науки. – 2014. – № 3(201). – С. 57–73.

27. Муравьев В.В. Электромагнитно-акустический метод исследования напряженно-деформированного состояния рельсов / В.В. Муравьев [и др.] // Дефектоскопия. – 2016. – № 7. – С. 12–20.

28. Муравьев В.В. Оценка напряженнодеформированного состояния рельсов при изготовлении / В.В. Муравьев, К.А. Тапков // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8. – № 3. – С. 263– 270. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-3-263-270

29. Муравьев В.В.Оценка остаточных напряжений в ободьях вагонных колес электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев [и др.] // Дефектоскопия. – 2011. – № 8. – С. 16–28.

30. Муравьев В.В. Исследование двухосного напряженного состояния в рельсах Р65 методом акустоупругости / В.В. Муравьев [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. – 2019. – Т. 17. – № 1. – С. 19–25. DOI: 10.22213/2410-9304-2019-1-19-25

31. Муравьев В.В. К расчету параметров системы намагничивания электромагнитно-акустического преобразователя / В.В. Муравьев, В.А. Стрижак, Е.Н. Балобанов // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 1(17). – С. 197–205.

32. Самокрутов А.А. Моделирование магнитных систем ЭМАП для возбуждения ультразвуковых волн в упругом слое в постоянном и импульсном магнитных полях / А.А. Самокрутов // Контроль. Диагностика. – 2014. – № 12. – С. 22–27. DOI: 10.14489/td.2014.12.pp.022-027

33. Злобин Д.В. Влияние динамического подмагничивания на эффективность электромагнитноакустического преобразования при волноводном контроле прутков / Д.В. Злобин, Л.В. Волкова // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8. – № 3. – С. 236–245. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-3-236-245

34. Стрижак В.А. Информационно-измерительная система возбуждения, приема, регистрации и обработки сигналов электромагнитно-акустических преобразователей / В.А. Стрижак [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 1(17). – C. 243–250.

35. Стрижак В.А. Аппаратно-программный комплекс контроля прутков зеркально-теневым методом на многократных отражениях / В.А. Стрижак [и др.] // Изв. высш. уч. заведений. Приборостроение. – 2017. – Т. 60. – № 6. – С. 565–571. DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-6-565-571