DE3038991A1

DE3038991A1 - Elektromagnetisch-akustischer wandler

Info

Publication number: DE3038991A1
Application number: DE19803038991
Authority: DE
Inventors: William Ernest Thousand Oaks Calif. Peterson; Robert Bruce Ames Ia. Thompson; Carmine Frank Huntington N.Y. Vasile
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1980-10-15
Publication date: 1981-04-30
Also published as: FR2468122A1; FR2468122B1; GB2061509A; CA1160335A; DE3038991C2; US4320661A; GB2061509B

Description

1Α-3348
79SC53

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Elektromagnetisch-akustischer Wandler

Die Erfindung betrifft allgemein Wandler, insbesondere solche für Ultraschall-Inspektionssysteme und speziell Ultraschallwandler zur Verwendung bei der zerstörungsfreien Insepktion von Rohrbauteilen.

Zur Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Betriebs von Kraftwerksystemen, z.B. von .Siedewasser- und Druckwasser-Kraftwerken, müssen die Dampf und Wasser führenden Rohre einer regelmäßigen Inspektion unterzogen werden. Es ist eine Anzahl von zerstörungsfreien Inspektionsverfahren bekannt, mit denen Wasser- und Dampfleitungen inspiziert werden können. Nach diesen Verfahren können verschiedene Defekte, z. B. Risse, Eindrücke, Vertiefungen, Löcher oder dergl., erfaßt werden, welche bei längerer Betriebsdauer zu einer Beschädigung führen können.

Bei Ultraschall-Testsystemen wird die zu inspizierende Struktur mit einer Welle beaufschlagt und die reflektierten Wellen werden analysiert, wobei Strukturdefekte er-

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faßt werden. Durch Analyse der reflektierten Wellen kann man sowohl die Größe als auch die Position der Defekte bestimmen.

Die US-PS 4 127 035 beschreibt einen elektromagnetischen Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen. Dieser Wandler umfaßt eine Reihe von Permanentmagneten zum Aufbau eines periodischen magnetischen Feldes in Nachbarschaft zu einem leitfähigen Material. Eine Spule wird in das periodische magnetische Feld gebracht, wobei der durch die Spule fließende Strom in dem leitfähigen Material eine elastische Ultraschallwelle erzeugt. Bei Ultraschall-Inspektionssystemen von rohrförmigen Bauteilen bestehen Jedoch erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Analyse der Signale im Sinne einer Defekterfassung. Es wird dabei nämlich gleichzeitig eine Vielzahl von Schwingungsmoden (sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung) angeregt und diese überlagern sich gegenseitig. Die der Vielzahl der Schwingungsmoden zugeordneten, reflektierten Signale können miteinander in Interferenz oder in Störungsbeziehung treten und die von den Defekten reflektierten Signale modulieren.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Wandler zu schaffen, welcher bei der Inspektion von rohrförmigen Bauteilen mit Ultraschall-Inspektionssystemen eingesetzt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallwandler zu schaffen, welcher bestimmte, ausgewählte Schwingungsmoden von rohrförmigen Bauteilen anregen kann.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man eine Vielzahl von in gleichem Abstand voneinander angeordneten,Wellen induzierenden Segmenten oder Wellen empfangenden Segmenten im Wandler vorsieht. Jedes Segment

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umfaßt Einrichtungen zum Aufbau eines periodischen, magnetischen Feldes und Einrichtungen zur Leitung eines Stroms in einer durch das magnetische Feld verlaufenden Richtung.

Erfindungsgemäß wird somit ein Wandler für die Verwendung beim Testen von rohrförmigen Bauteilen in Ultraschall-Testsystemen geschaffen. Dieser Wandler umfaßt eine Vielzahl von Einrichtungen zum Aufbau eines periodischen, magnetischen Feldes. Diese sind in gleichem Abstand voneinander rund um die Innenfläche des rohrförmigen Bauteils angeordnet. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, welche einen Strom führen können, und zwar im wesentlichen in der gleichen Richtung und durch die magnetischen Felder, wobei ausgewählte Schwingungsmoden in dem rohrförmigen Bauteil erzeugt werden. Vorzugsweise umfaßt eine jede der Vielzahl der Einrichtungen eine Reihe von Permanentmagneten mit alternierender Polarität. Die Einrichtung, welche den Strom leiten soll, umfaßt eine Spule, welche um die Vielzahl der Magneten herum angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann die Spule eine doppel seitig gedruckte Schaltungsplatte umfassen.

Die Vielzahl der Reihen von Magneten wird von einer Vielzahl von Trägern gehalten.Letztere sind auf einer Halterung befestigt, und zwar zur Ermöglichung einer Bewegung durch das rohrförmige Bauteil. Vorzugsweise ist den Trägern jeweils eine Einrichtung zugeordnet, welche diese einer nachgiebigen Vorspannung unterwirft, und zwar im Sinne eines Angriffs derselben an der Innenfläche des rohrförmigen Bauteils, derart, daß die Trägerorgane und die Reihe von Magneten über Unregelmäßigkeiten an der Innenfläche des rohrförmigen Bauteils hinwegbewegbar sind.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Teilbereichs eines rohrförmigen Bauteils mit dem darin angeordneten Ultraschallinspektionsgerät, welches den elektromagnetischen Wandler gemäß vorliegender Erfindung umfaßt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers;

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht des Wandlers gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht eines Körperbauteils des Wandlers gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Draufsicht eines den Wandler tragenden Magneten gemäß Fig. 2;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Magnete und der Spulen des Wandlers gemäß Fig. 3;

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Stromflusses durch die Spulen gemäß Fig. 6; und

Fig. 8 eine Stirnansicht der Magnete der Fig. 6 zusammen mit einem Stromflußdiagramm.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Teilbereichs des Metallrohrs 10, teilweise im Schnitt. Im Inneren ist das erfindungsgemäße Ultraschall-Inspektionsgerät untergebracht. Das Inspektionsgerät umfaßt einen Ultraschallsender 12 und einen Ultraschallwellenempfänger 14. Diese werden zur Inspektion einer bestimmten Rohrlänge durch das Rohr 10 gezogen. Die Arbeitsweise eines solchen Geräts zur Durchführung eines Ultraschalltests zum Zwecke der Ermittlung von Defekten in einem Bauteil ist in der Anmeldung A-35186 erläutert. Bei diesem Verfahren wird eine Vielzahl von reflektierten Wellen summiert. Hierdurch wird das Signal/Rausch-Verhältnis der Signale erhöht und die Analyse der Signale wird erleichtert_s so daß die Erfassung der Defekte des Rohrbauteils verbessert wird.

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Wie bereits erläutert, ist in einem Rohr eine Vielzahl von Moden der Ultraschallschwingungen möglich. Falls eine Anzahl von Schwingungsmoden vorliegt, sind die empfangenen Signale recht kompliziert. Es ist daher wesentlich schwieriger, die empfangenen Signale zum Zwecke der Signalverstärkung kohärent zu addieren. Erfindungsgemäß wird nun ein Wandler geschaffen, welcher unerwünschte Schwingungsmoden in'einer Struktur, wie z.B. einem Rohr, unterdrückt. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines solchen Wandlers, welcher allgemein mit 20 bezeichnet ist. Dieser umfaßt eine Vielzahl von Reihen 22 von Magneten alternierender Polarität zum Aufbau eines periodischen, magnetischen Feldes an der Innenfläche des rohrförmigen Bauteils. Der Wandler 20 ist mit einem zweckentsprechenden Kopplungsorgan 24 versehen und mit einem nichtgezeigten Nylonrohr oder -schlauch verbunden, welcher Koaxialkabel 26 und 28 enthält, durch die die elektrischen Signale vom Wandler zum externen Gerät übertragen werden. Ein ähnliches Kopplungsorgan 30 ist am entgegengesetzten Ende des Wandlers 20 vorgesehen und dient der Ankopplung des Senders 12 gemäß Fig. 1. Die Reihen von Magneten sind in gleichem Abstand rund um den Umfang des Wandlers verteilt angeordnet. Zum Beispiel sind vier Reihen von Magneten mit 90°-Intervallen angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Längsschnittes des Wandlers 20 der Fig. 2. Die obere Reihe von Magneten 22 ist in einem Träger 32 gehalten, während die untere Reihe von Magneten 22 in einem Träger 34 gehalten ist. Die Träger 32 und 34 sind in einem äußeren Körper 36 angeordnet. Dabei stehen die Magnetträger 32 und 34 unter einer nachgiebigen Vorspannung, welche sie von einer zentralen Halterungsstange 38 wegzudrücken sucht. Hierzu dient eine Magneteinrichtung 40. Der obere Träger 32 ist in der zu-

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rückgezogenen Position gezeigt, wobei der Träger an der zentralen Stange 38 anliegt. Andererseits ist der Träger 34 in seiner maximal vorgestreckten Position gezeigt, in der er unter Vorspannung gehalten wird, und zwar von der Stange 38 weg. Hierzu dient das Gegenfeld der Magnete 40. Die Bewegung der Träger 32 und 34 nach außen kann begrenzt werden dxorch den äußeren Körper 36 oder durch zweckentsprechende mechanische Anschlagelemente. Eine solche begrenzte Bewegungsmöglichkeit ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Aufgrund der nachgiebigen Vorspannung der Träger kann der Wandler leicht durch ein Rohr gezogen werden, dessen Innendurchmesser aufgrund von Defekten, z.B. Vertiefungen oder Erhöhungen, variiert.

Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Diese zeigt eine Draufsicht des äußeren Körpers 36. Er ist im wesentlichen zylindrisch geformt und weist eine Vielzahl von Fenstern auf, durch welche sich die Träger 32 etc. nach außen erstrecken. Zum Beispiel ist ein Fenster 42 gezeigt, durch das sich ein Träger erstreckt und nach außen vorsteht, welcher eine Reihe von Magneten trägt, Endbereiche des Körpers 36 dienen der Aufnahme der Ankopplungsorgane gemäß Fig. 2 und 3 zur Verbindung des äußeren Gehäuses mit dem Hauptkörper.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht eines Magnetträgers 32. Dieser umfaßt eine mittige Ausnehmung, welche allgemein mit 44 bezeichnet ist. Diese dient der Aufnahme einer Vielzahl von rechteckigen Magneten. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden in der Ausnehmung zwölf derartige Magnete untergebracht. Die Magnete sind dabei mit einem Epoxy-Bindemittel im Träger 32 befestigt. Sie weisen geeignete Abmessungen auf, derart, daß sie sich zusammen mit dem Träger 32 durch das Fenster 42 des äußeren Körpers 36 gemäß Fig. 4 nach außen erstrecken.

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Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung der Anordnung der Reihe von Magneten in der Ultraschallsonde. Die elektrische Spule, welche der Reihe von Magneten zugeordnet ist, liegt in Form einer dünnen, gedruckten Schaltungstafel 50 mit Doppelschichtbedruckung vor. Diese ist auf der Außenseite der Magnete mit Hilfe einer zweckentsprechenden, elektrisch isolierenden Klebemasse oder Bindemittelmasse befestigt. Ähnliche gedruckte Schaltungstafelstreifen sind den Oberflächen einer jeden der anderen Reihe von Magneten zugeordnet und in Nachbarschaft zu diesen gehalten sowie zwischen den Reihen von Magneten. Man erhält dabei eine Spulenanordnung, welche schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Man erkennt somit, daß die Reihen von Magneten mit parallelen Nord-Süd-Polaritäten angeordnet sind. Demgemäß erfolgt der Stromfluß in jeder Spule in der gleichen Relativrichtung in Bezug auf jede Reihe von Magneten. Bei einer abgewandelten Ausführungsform haben die Magnete benachbarter Reihen entgegengesetzte Polarität. In diesem Fall erfolgt der Stromfluß relativ zu jeder benachbarten Reihe von Magneten in jeweils entgegengesetzten Richtungen.

Fig. 8 zeigt eine Stirnflächenansicht der Magnet der Fig. 6 unter Veranschaulichung der Richtung des Stromflusses mit Hilfe von PunktSymbolen, welche den Stromfluß aus der Zeichenebene heraus bezeichnen, sowie mit Kreuzsymbolen, welche den Stromfluß in die Zeichenebene hinein bezeichnen. Wie bereits erwähnt und auch dargestellt, umfaßt die Spule jeweils zwei Windungen, welche durch die doppelschichtig bedruckte Schalttafel bereitgestellt werden.

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Bei der erläuterten Ausführungsform besteht die Sonde aus vier Segmenten oder Reihen von Magneten, welche in gleichen Intervallen in Umfangsrichtung des Rohrs angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird jede vierte Schwingungsmode angeregt, während andere Schwingungsmoden unterdrückt werden. Eine einzelne Schwingungsmode kann sodann angeregt werden, und zwar durch zweckentsprechende Wahl der Treiberfrequenz. Man erkennt, daß bei Einbau einer anderen Anzahl von Magnetsegmenten andere Schwingungsmoden angeregt werden können, falls dies erwünscht ist.

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Claims

Patentansprüche

1.) Wandler für eine Ultraschall-Testsonde für rohrförmige Bauteile, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Einrichtungen (22) zum Aufbau eines periodischen, magnetischen Feldes, und zwar mit jeweils gleichem Abstand in Umfangsrichtung entlang der Innenfläche des rohrförmigen Bauteils (10); und eine Einrichtung (50) zum Leiten eines Stroms durch die magnetischen Felder, wobei ausgewählte Schwingungsmoden im rohrförmigen Bauteil (10) hervorgerufen werden.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Vielzahl von Einrichtungen (22) eine Reihe von Permanentmagneten alternierender Polarität umfaßt.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Leiten des Stroms (50) eine Spule umfaßt, die rund um die Einrichtungen zum Aufbau eines periodischen, magnetischen Felds angeordnet ist.

4. Wandler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (50) aus einer doppelseitig bedruckten Schaltungsplatte besteht.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Trägern (46) für die Vielzahl von Reihen von Magneten und eine Halterungseinrichtung (36) für die Träger (46).

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (46) unter einer nachgiebigen Vorspannung gehalten sind, derart, daß die Reihen von Magneten in Richtung auf die Innenfläche des rohrförmigen Bauteils (10) während der Inspektion gedrückt werden.

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