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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Wand aus ferromagnetischem Material
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dicke einer Wand aus ferromagnetischem Material.
Es ist häufig notwendig, eine Messung der Wandstärke bei Erzeugnissen aus ferromagnetischen Werkstoffen vorzunehmen, z. B. bei eisernen Rohren, bei denen nur die Aussenseite zugänglich ist und deren
Material zerstörungsfrei geprüft werden soll.
Ein solcher Fall tritt bei Revisionen der Rohrsysteme von Dampfkesseln ein, wo es sich um eine schnelle Messung an einer grossen Anzahl von Stellen und Ermittlung solcher Rohre handelt, bei welchen infolge von Korrosion eine Schwächung der Wände stattgefunden hat.
Die Ermittlung der fehlerhaften Stellen wird durch die rauhe Umgebung, in welcher die Arbeit vorgenommen werden muss, und weiters dadurch, dass die Oberfläche der eingebauten Rohre grob, meistens korrodiert und mit abgelagerter Flugasche und Schlacke bedeckt ist, erschwert.
Die bekannten Methoden der Messung mittels Ultraschall und Verfahren, bei denen Röntgen- oder Gammastrahlen verwendet werden, eignen sich für diese Zwecke nicht, da sie eine geeignete Oberflächenbereitung und ausserdem auch viel Zeit erfordern. Ebenso ungeeignet sind auch verschiedene Methoden der magnetischen Messung bei Materialprüfungen, welche auf der Auswertung der Intensität von magnetischen Feldern beruhen, da sich bei grober und verunreinigter Oberfläche der Rohre die Intensität des magnetischen Feldes innerhalb des zu messenden Werkstoffes nicht mit Sicherheit bestimmen lässt.
Auch das in der USA-Patentschrift Nr. 2, 573, 799 beschriebene Verfahren, bei welchem die Phasenverschiebung des Gesamtflusses, der durch die aufnehmende Spule durchtritt, zur Messung benützt wird, gestattet weder die Feststellung einer schwachen Stelle bei Rohren, von denen nur die Aussenseite zugänglich ist, noch ist es nach diesem Verfahren möglich, lokale Schwächungen einer Rohrwand festzustellen, die nur auf die Fläche von einem oder einigen wenigen Quadratzentimetern beschränkt sind.
Demgegenüber ist es mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung ohne weiteres möglich, lokale Schwächungen, insbesondere an Kesselrohren, schnell und sicher zu finden. Es kann auf einfache Weise mit grosser Sicherheit von aussen festgestellt werden, welche Rohre auszuwechseln sind, so dass die Zeit, für welche ein Kessel stillgelegt werden muss, auf ein Minimum beschränkt bleibt.
Durch die Erfindung werden daher die Mängel der bekannten Verfahren und Vorrichtungen behoben.
Das Prinzip, welches dem erfindungsgemässen Verfahren zugrunde liegt, beruht auf folgender Erkenntnis :
Wenn man in einem eisernen Werkstoff durch eine äussere Quelle ein magnetisches Feld erregt, u. zw. ein sinusförrniges wechselndes Feld, werden in dem eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit besitzenden Werkstoff Wirbelströme induziert.
Diese Wirbelscröme beeinflussen die. Grösse und die Phase des Vektors des magnetischen Wechselfeldes innerhalb des leitenden Materials. Beide angeführten Grössen ändern sich als Funktion des Abstandes von der Oberfläche des Materials kontinuierlich, u. zw. einerseits in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Werkstoffes, d. h. seiner Leitfähigkeit und Permeabilität, anderseits in Abhängigkeit von der Gesamtdicke der gemessenen Wand.
Für Zwecke gemäss der Erfindung kommen nur jene magnetischen Felder in Frage, welche stets parallel zur Oberfläche der Wand an der gemessenen Stelle verlaufen bzw. werden nur die Komponenten
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Zwischen diesem dicht an der Oberfläche verlaufenden Wechselfelde und dem Wechselfeld des Gesamtflusses, welches im Innern des zu messenden Gegenstandes verläuft, besteht eine Phasenverschiebung, die lediglich von der Wandstärke abhängt. Gemäss der Erfindung wird diese Phasenverschiebung zur Messung der Wandstärke ausgenützt. Nachdem die Phase des die Spule 8 durchfliessenden Wechselstromes mit i der Phase des Gesamtflusses praktisch übereinstimmt und da nur die Phasenverschiebungen verglichen werden, die zwischen mehreren zu vergleichenden Stellen bestehen, kann man als Vergleichsvektor auch jede Wechselspannung zur Messung verwenden, deren Phase sich gegenüber dem vorher erwähnten Wechselstrom nicht ändert.
Wie aus dem weiteren hervorgeht, kann durch entsprechende Wahl der Phase dieser Vergleichsspannung die Eindeutigkeit der Angaben des Messinstrumentes erzielt werden, da sich die verwendbare Phasenverschiebung nur innerhalb der Grenze von höchstens 40 Grad bewegt.
In Fig. 3 stellt G i einen Generator dar, welcher sinusförmigen niederfrequenten Wechselstrom er- zeugt. Mit diesem Strom wird die Magnetisierspule 8 des Elektromagneten 7 gespeist.
Ein weiterer Generator G2 erzeugt Wechselstrom von mehrfach höherer Frequenz als der Generator Gl.
Durch diesen Strom werden die Spulen 3 der Sonde gemäss Fig. l gespeist. In der Indikationsspule 4 dieser Sonde wird Wechselstrom von höherer Frequenz induziert und diese Frequenz wird dann durch die niedrige, durch die Spule 8 des Elektromagneten 7 verlaufende Frequenz moduliert. Um die Modulation dieser Wechselspannung von höherer Frequenz eindeutig zu gestalten, muss man die Sonde in ein beständiges magnetisches Gleichfeld legen. Dieses Feld muss mindestens so stark sein, dass das magnetische Gesamtfeld, welches die Summe der gleichgerichteten Komponente und der niederfrequenten Wechselkomponente, welche gemessen werden soll, darstellt, niemals auf den Nullwert herabsinkt.
Gemäss der Erfindung kann die Überlagerung des gleichgerichteten und des wechselnden Magnetfeldes auf verschiedene Art bewerkstelligt werden, z. B. derart, dass der den Elektromagneten 7 gemäss Fig. 2 erregende Wechselstromeine Gleichstrom-Komponente besitzt, welche die erforderliche gleichgerichtete Komponente des magnetischen Feldes unter dem Indikationsorgan 6 erregt, oder dass in der Nähe des Elektromagneten 7 ein oder mehrere Dauermagneten 12, wie in Fig. 2 dargestellt, angebracht werden, oder dass in die Leitung zur Spule 4 der Sonde nach Fig. l eine mit E in Fig. 3 bezeichnete Gleichstromquelle über einen genügend grossen Widerstand R eingeschaltet wird.
Die Wechselspannung von höherer Frequenz, welche in der Wicklung 4 der Sonde entstanden ist und durch die niederfrequente Wechselspannung moduliert wurde, wird in einen Verstärker Zl geführt, wo sie verstärkt wird, worauf sie zwecks Demodulierung in den Demodulator D geleitet wird.
Aus dem Demodulator D tritt ein niederfrequenter Wechselstrom aus, dessen Phasenverschiebung gemessen werden soll. Dieser Strom wird in einen weiteren Verstärker Z : und von hier aus in einen Phasendiskriminator F geleitet. Der selektive Verstärker Z2 ist auf jene niedrige Frequenz gestimmt, welche vom Generator Gi geliefert wird. Durch diese Anordnung wird bezweckt, die höheren harmonischen Komponenten auszuschalten, welche die weitere Messung stören würden.
Aus dem Verstärker Z 2 tritt ein niederfrequenter sinusförmiger Stromin den bereits erwähnten Phasendiskriminator F aus. In diesem Diskriminator kommt es zur Abgleichung der Phase des erwähnten niederfrequenten sinusförmigen Stromes mit der Phase des niederfrequenten Magnetisierstromes, welcher im Generator G, erzeugte wird und durch die Spule 8 des Elektromagneten 7 hindurchtritt. Die Phasenmessung erfolgt durch die Angabe eines Drehspulgalvanometers U, dessen Skala direkt in Millimetern der Wandstärke geeicht sein kann. Ihre Angabe entspricht dann der Stärke der gemessenen Wand.
Der Phasendiskriminator F ist in einer beispielsweisen Ausführung in Fig. 4 dargestellt. An die Klemmen 21-23 wird aus dem Verstärker Zz nach Fig. 3 eine verstärkte niederfrequente Spannung geleitet, deren Phase mit der Phase des niederfrequenten Magnetisierstromes abgeglichen wird. Die Klemme 21 (Gehäuse) ist an die Kathode der Verstärkungsröhre E1 und die Klemmen 23 an das Gitter dieser Röhre über einen hohen Widerstand Ri angeschlossen, welcher bewirkt, dass das Gitter nur der negativen Halbwelle der sinusförmigen Spannung folgt, die an der Klemme 23 herrscht.
Sobald die Spannung an der Klemme 23 den Nullwert übersteigt, entsteht auf dem Widerstand Ri ein Gefälle unter Einfluss des entstehenden Gitterstromes und das Gitter der Röhre E1 bleibt über die ganze Dauer der positiven Halbwelle auf dem Nullwert. Während dieser Zeit wird durch die Primärwicklung des Transformators Tr ein ständiger, dem Nullpotential des Gitters entsprechender Strom hindurchfliessen.
Sobald die Spannung an der Klemme 23 wiederum den Nullwert in Richtung der Negativwerte übersteigt, verschwindet der Gitterstrom sofort und das Gitter folgt im vollen Wertder negativen Halbwelle der Sinuslinie.
Da sich die Maximalwerte der verstärkten niederfrequenten Wechselspannung in den Grenzen von einigen zehn bis einigen hundert Volt bewegen, verschwindet sofort der durch den Transformator Tr hin-
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durchfliessende Anodenstrom, sobald das Potential des Gitters um einige Volt in Richtung zu den negativen Werten sinkt. Während der ganzen weiterenDauer bleibt der Anodenstrom am Nullwert bis zu dem Augenblick, in dem das Potential des Gitters der Röhre E1 wiederum einen in der Nähe der Null liegenden Wert erreicht.
Der Verlauf des Anodenstromes der Röhre Ei, welcher durch die Primärwicklung des Transformators Tr hindurchfliesst, ist im oberen Teil der Fig. 5 mit dem Buchstaben i bezeichnet.
Der Anodenstrom hateinen trapezförmigen Verlauf mit sehr steilen Seiten, wobei der plötzliche Abfall des Anodenstromes gerade in demjenigen Augenblick eintritt, wenn die Sinusspannung zwischen der Klemme 23 und der Klemme 21 gemäss Fig. 4 durch den Nullwert durchtritt.
Der plötzliche Abfall des Anodenstromes verursacht, dass in der Sekundärwicklung des Transformators Tr an der mit e bezeichneten Klemme eine hohe Spannungsspitze induziert wird. Diese Spannungsspitze, die in demjenigen Augenblick entsteht, in dem die Spannung an der Klemme 23 durch den Nullwert hindurchtritt. ist im unteren Teil der Fig. 5 dargestellt und mit e1 bezeichnet. An die Klemme 24 gemäss
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des niederfrequenten Wechselstromes abgeglichen werden soll, welch letzterer durch das magnetische Feld, in dem sich die Sonde 6 gemäss Fig. 2 befindet, hervorgerufen wurde. Diese Wechselspannung wird durch gleichgerichtete Überlagerung derart eingestellt, dass sie an der besagten Klemme 24 niemals unter den negativen Wert sinkt. Der Spannungsverlauf kann z.
B. als Gefälle an dem Widerstande R gemäss Fig. 4 durch einen entsprechenden Strom bewerkstelligt werden, der durch den Generator G laut Fig. 3 geliefert wird.
Der Verlauf dieser Spannung ist im unteren Teil der Fig. 5 durch die Wellenlinie e veranschaulicht.
Wenn die Spannung ei, d. h. die Spannungsspitzen an den Klemmender Sekundärwicklung des Trans-
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hohen Widerstand R2 einen solchen Abfall hervorruft, dass die Spannung im Punkt A gemäss Fig. 4 auf dem Wert e 3 verbleibt, solange die Spannung e1 nicht auf den Wert e 3 zurückkehrt, d. h. die in der Sekundärwicklung des Transformators Tr entstandene Spannungsspitze wird auf den Wertes abgeschnitten, welchen gerade in diesem Augenblick der Wert e2 an der Klemme 24 gemäss Fig. 4 aufweist.
Der Wert e g hängt lediglich von der Phasenverschiebung der Wechselspannung ab, die an der Klemme 23 gegenüber der an der Klemme 24 gemäss Fig. 4 verlaufenden Wechselspannung verläuft, d. h. von der Phase des äusseren'magnetischen Wechselfeldes von niedriger Frequenz und daher auch von der Phase des dicht unter der Oberfläche des gemessenen Materials verlaufenden magnetischen Wechselfeldes abhängig ist, da die besagte Spannung von diesem magnetischen Feld abgeleitet ist.
Bei einer Änderung der Phasenverschiebung dieses magnetischen Feldes gegenüber dem von dem Generator G 1 gemäss Fig. 3 gelieferten Strom wird lediglich die Spitzenspannung es geändert, wenn dafür gesorgt wird, dass der Spannungsverlauf an der Klemme 24 unverändert bleibt. Dies kann leicht durch eine Stabilisierung der Spannung des Generators G 1 durchgeführt werden.
Aus dem Gesagten ist es klar, dass die Änderungen der Phasenverschiebung den Änderungen der abgeschnittenen Spitzen es in gewissen Grenzen mit genügender Genauigkeit direkt proportional sind, wenn die Verhältnisse derart eingestellt werden, dass die Spannungsspitzen e1 in dem Zeitpunkt entstehen, wenn ungefähr durch den Mittelwert hindurchtritt.
Mit diesen Spitzen wird nun der Kondensator C über die Diode Dz gemäss Fig. 4 geladen. Dabei besitzt die Zeitkonstante R4C einen hohen Wert in derjenigen Ordnung, die höher ist als die Ordnung des reziproken Wertes der Frequenz des vom Generator G 1 gemäss Fig. 3 gelieferten Wechselstromes.
Infolgedessen stabilisiert sich das Potential an dem Kondensator C und an dem mit ihm verbundenen Gitter der Elektronenröhre Eg auf einem der Spitzenspannung e naheliegenden Mittelwert. Dieser Wert ist also abhängig von der Phasenverschiebung des im Innern des gemessenen Gegenstandes verlaufenden Gesamtflusses gegenüber dem Wechselfeld, welches dicht an der Oberfläche der gemessenen Stelle verläuft.
Die Elektronenröhre Eg gemäss Fig. 4 ist als Kathodenfolger eingeschaltet und der Anodenstrom bildet an dem Kathodenwiderstand Rg einen Abfall, dessen Höhe nur von der Phasenverschiebung abhängt.
Mit dem Schleifer des Potentiometers P, der mit einem Ende an der Klemme 21 (Gehäuse) und mit dem andern Ende andie positive Quelle der Anodenspannung der Klemme 22 angeschlossen ist, kann eine geeignete, dem Wert es entsprechende Spannung derart eingestellt werden, dass das Drehspulgalvanometer U, dessen Skala empirisch direkt in Millimetern geeicht werden kann, die Stärke der gemessenen Wand angibt.