AT502976B1 - Erkennung von oberflächenfehlern an stäben, drähten und rohren mit hilfe von wirbelströmen und lagekompensation - Google Patents

Description

2 AT 502 976 B1

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstrom-Werkstoffprüfung von elektrisch leitfähigen Drähten, Stangen, Rohren oder anderen langgestreckten Erzeugnissen (die mindestens eine in Richtung der Längsachse orientierte Symmetrieebene besitzen). Vorliegende Erfindung bedient sich einer in koaxial um die zentrale Achse des Prüfgegenstandes angeordneten Erregerspule und einer Anordnung von Empfangsspulen, wobei sich der Prüfgegenstand und die Prüfanordnung relativ zueinander in Richtung der Längsachse des Prüfgegenstandes bewegen. Die Erfindung soll eine lückenlose Durchlaufprüfung gewährleisten, wobei mit Hilfe einer mit zwei oder mehreren Erregerfrequenzen gespeisten Erregerspule, sowie segmentierten Empfangsspulen und einer Bezugsspule Störgrößen kompensiert und Aussagen über die Fehlerart bzw. Beschaffenheit getroffen werden können.

Bei der Prüfung eines elektrisch leitfähigen Prüfgegenstandes mittels Wirbelstrom wird die Tatsache ausgenutzt, dass Materialfehler (wie zum Beispiel Risse, Riefen, Kerben, Einschlüsse, ...) die Ausbildung der Wirbelströme beeinflussen. Wird der Prüfgegenstand in geeigneter Form in das Feld einer Erregerspule gebracht, so können die Auswirkungen auf die Wirbelstromausbildung durch Unregelmäßigkeiten des Prüfgegenstandes entweder in der Erregerspule selbst, oder der in einer oder mehreren separaten, magnetisch gekoppelten Empfängerspule, erfasst werden. Die Erregerfrequenz bestimmt die Fehlerempfindlichkeit, je niedriger die Frequenz gewählt wird, umso tiefer bilden sich Wirbelströme im Prüfgegenstand aus. Wird eine höhere Erregerfrequenz gewählt, steigt die Empfindlichkeit zur Erfassung oberflächennaher Fehler, die Wirbelströme bilden sich mit geringerer Eindringtiefe aus.

Es gibt eine Vielzahl von Verfahren für die Erfassung von Fehlern mit Hilfe von Wirbelstrom, dabei wird häufig wie zum Beispiel in DE 19714159 A1 ein Verfahren mit Rotiersonden angewendet. Weiters weit verbreitet ist eine koaxiale Anordnung von Differenzspulen, wie sie beispielsweise in DE 3447781 A1 zu finden ist, es sind die Empfangsspulen, in gleicherweise wie die Erregerspule um den Prüfgegenstand koaxial angeordnet. Es gibt in DE 10135660 C1 auch eine Vorrichtung mit Empfängerspulen in segmentierter Form, dabei wird die gesamte Anordnung von der Erregerspule umfasst. In US 4646013 ist ein Verfahren zur Abstandskompensation mit mehreren Erregerfrequenzen ersichtlich.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass die Empfangseinheit, die aus zwei oder mehreren, über den Umfang verteilten Segmentspulen besteht, axial zur Erregerspule versetzt angeordnet ist. Eine zweite Empfangseinheit befindet sich ebenfalls axial versetzt auf der anderen Seite der Erregerspule. Diese zweite Empfangseinheit ist über den Umfang geeignet verdreht, um eine lückenlose Abdeckung der Oberfläche des Prüfgegenstandes zu gewährleisten. Die Empfangsspulen werden mit einem Ferritkern ausgeführt, die gesamte Anordnung wird ebenfalls durch einen Ferritschirm nach außen abgeschlossen. Weiters wird die koaxial angeordnete Erregerspule von mindestens zwei verschiedenen Frequenzen, die überlagert werden, gleichzeitig gespeist und die Signale aus den Empfangsspulen werden mit entsprechenden Filtern in einzelne Frequenzbereiche zerlegt. Durch geeignete Auswertung der verschiedenen Frequenzen ist es möglich. Störgrößen (Temperatur, Änderungen in der Materialbeschaffenheit über die Länge, Lageschwankungen des Prüfgegendstandes in der Messanordnung, etc.) zu kompensieren und Fehlerinformationen zu erhalten. Als Bezugsgröße und zur Ermittlung von Materialeigenschaften kann zusätzlich zu jeder Empfängereinheit eine koaxial um den Prüfgegenstand gewickelte Absolutspule miteinbezogen werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens sowie die Schaffung einer Vorrichtung zur Zerstörungsfreien Prüfung eines metallischen länglichen Gegenstandes im kontinuierlichen Durchlauf mittels Wirbelstromtechnik. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung sowohl kurze Störungen (Querstörungen) als auch bahnenartige Längsstörungen zu erkennen und die Position der Fehler sowohl in der Länge als auch über den Unfang angeben zu können. Weiters soll durch vorliegende Erfindung eine Kompensation des Abstandes zwischen Prüfkörper und Messanordnung, der sich durch den kontinuierlichen Durchlauf unweigerlich ergibt, 3 AT 502 976 B1 durch geeignete Multifrequenz-Speisung der Erregerspule realisiert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt der Prüfanordnung, die Prüfeinheit umfasst den Prüfgegenstand;

Fig. 2 den Querschnitt der Prüfanordnung, wobei bei dieser Ansicht die Ausführungsform mit zwei Segmentspulen um 180° versetzt zu sehen ist;

Fig. 3 den Querschnitt der Prüfanordnung in einer weiteren Ausführungsform mit drei Segmentspulen, die jeweils um 120° versetzt überden Umfang angeordnet sind;

Fig. 4 verdeutlicht den Unterschied zwischen Materialfehler (links) und Lagefehler (rechts) im Querschnittsbereich einer Segment-Empfangsspulenanordnung.

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine mögliche Form der Signalauswertung.

Das Prüfverfahren beruht darauf, dass eine Erregerspule 7 um den Prüfgegenstand 1 koaxial gewickelt ist. Das Feld der Erregerspule 7 induziert im Prüfgegenstand 1 Wirbelströme und es ergibt sich infolge des Erregerfeldes und des Wirbelstromfeldes ein Summenfeld. Das Summenfeld durchsetzt in dem Bereich, den die Erregerspule umschließt, den Prüfgegenstand in axialer Richtung. Die magnetischen Feldlinien schließen sich über die Ferritkerne der Segment-Empfangsspulen 5, der Empfangseinheiten 4A und 4B und den Ferritschirm 8. Wenn sich unter einer Segment-Empfangsspule 5 ein Fehler 2 befindet, so wird in dieser Spule eine andere Spannung als in den restlichen Empfangsspulen induziert, nach Größe der Differenz kann auch auf die Fehlertiefe geschlossen werden.

Die Lage des Prüfgegenstandes spielt in diesem Fall eine sehr große Rolle. Da der Prüfgegenstand, vor allem bei hohen Geschwindigkeiten, selten exakt zentrisch durch die Prüfanordnung geführt werden kann, ist eine Lagekompensation erforderlich. Dies geschieht im Rahmen dieser Erfindung dadurch, dass die Erregerspule 7 mit mindestens zwei verschieden Frequenzen gespeist wird. Durch die magnetische Kopplung wird in den Empfangsspulen dasselbe Frequenzspektrum induziert das auch in der Erregerspule vorkommt. Die Lage des Prüfgegenstandes hat bei allen Frequenzen einen großen Einfluss, Oberflächenfehler aber wirken sich nur bei Erregung mit höheren Frequenzen aus. Der Einfluss der Lage des Prüfgegenstandes auf die niedrigste Frequenz wird daher zur Lagekompensation der übrigen Frequenzen verwendet. Mit Hilfe einer oder mehrerer höheren Frequenzen kann eine Aussage über die Art des Fehlers getroffen werden.

Werden zwei, wie in Fig. 2 zu sehen ist, oder eine andere, gerade Anzahl von Segment-Empfangsspulen 5 verwendet, müssen diese in gleicher geometrischer Form gefertigt und diametrisch gegenüberliegend angeordnet werden. Dann können die Spulen gegensinnig gewickelt und direkt miteinander verbunden werden. Es wird nur mehr die Differenzspannung gemessen, die in den Empfangsspulen 5 induziert wird, damit kann eine größere Genauigkeit erreicht werden. Die Lagekompensation erfolgt durch Trennung der Frequenzen, wobei mit Hilfe der Informationen aus dem niederfrequenten Signal eine Kompensation der hochfrequenten Signale durchgeführt wird.

Werden drei, siehe Fig. 3, oder eine ungerade Anzahl von Segment-Empfangsspulen verwendet, so müssen die Einzelsignale messtechnisch erfasst werden. Nach durchgeführter Lagekompensation kann man die Einzelsignale untereinander vergleichen und dadurch eine Fehleraussage treffen. Für die Fehleraussage wird vom Mittelwert der in den Segment-Empfangsspulen induzierten Spannungen ausgegangen, dieser ändert sich aber mit der Lage des Prüfgegenstandes geringfügig. Um eine relative Bezugsquelle zu den induzierten Spannungen zu erhalten, kann eine koaxial um das Prüfgut angeordnete Absolutspule 6 für jede Empfängereinheit verwendet werden. Diese Absolutspule 6 ist als Spule mit einer oder mehreren Wicklungen um den Prüfgegenstand ausgeführt und ist somit sensitiv auf Änderungen der Geometrie (Durchmesser/Form) und der Materialeigenschaften des Prüfgegenstandes, nicht

Claims (9)

1. 4 AT 502 976 B1 aber auf die Position des Prüfgegenstandes. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung und Signalauswertung über die Anordnung von Fig. 3 mit drei Segment-Empfangsspulen 5. Über die Vorgabe-Parameter 10 werden die Erregerfrequenzen und Erregerleistungen vorgegeben. Die Erreger-Quelle 9 speist die Erregerspule 7. In den Empfangsspulen 1 bis 3 werden Spannungen induziert, welche einem Frequenzfilter 11 zugeführt werden. Dort werden die verschiedenen Frequenzen getrennt und der niederfrequente Teil LF zur Lageberechnung 12 verwendet. Über die Verstärkungsanpassung 12 erfolgt mit Einstellungen, die vom Prüfgegenstand abhängen, eine Verstärkungsanpassung, damit die Lagekorrektur 14 des für die Fehlerdetektion interessanten hochfrequenten HF Teils richtig durchgeführt wird. Im anschließenden Signalvergleich 15 werden die verschiedenen Signale untereinander in Differenz geschaltet und verglichen. Für die Ausführung mit einer Absolutspule 6 wird die relative Abweichung zu dieser Spannung errechnet und daraus die Fehleraussage generiert, ansonsten wird die relative Abweichung vom Mittelwert der einzelnen Spannungen als Bezugsgröße verwendet. Aus dem Ergebnis der Berechnung der relativen Abweichung wird in der nächsten Einheit die Fehlerentscheidung 16 durchgeführt, wobei die Fehlerschwelle und die Fehlerabstufung über die Vorgabe-Parameter 10 definiert werden müssen. Durch die Fehlersignalisierung 17 wird der Fehler angezeigt bzw. die Information in den Verarbeitungsprozess des Prüfgegenstandes integriert. Bezugszeichenliste: 1 Prüfgegenstand 2 Fehler auf 1 3 Prüfeinheit 4A Empfangseinheit A 4B Empfangseinheit B 5 Segment-Empfangsspule von 4 6A Absolutspule zu 4A 6B Absolutspule zu 4B 7 Erregerspule 8 Ferritschirm 9 Erregerquelle 10 Vorgabe Parameter 11 Frequenzfilter 12 Lageberechnung LF 13 Verstärkungsberechnung LF 14 Lagekorrektur HF 15 Signalauswertung 16 Fehlerentscheidung 17 Fehlersignalisierung/ Weiterverarbeitung Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erkennung von Oberflächenfehlern an Stäben, Drähten und Rohren mit Hilfe von Wirbelströmen, wobei Wirbelströme im durchlaufenden Prüfgegenstand (1) durch eine Erregerspule (7) hervorgerufen werden, die in den Empfangsspulen (5) eine Spannungsinduktion hervorrufen, sowie die Implementierung einer Fehlerentscheidung durch Differenzbildung der einzelnen induzierten Spannungen, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehrere Segment-Empfangsspulen (5) beliebig über den Umfang verteilt und axial zur Erregerspule (7) versetzt angeordnet sind und die Erregerspule (7) gleichzeitig von zwei oder mehreren Frequenzen gespeist wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer geradzahligen Anzahl 5 AT 502 976 B1 von Segment-Empfangsspulen (5) die Messung der Differenzspannungen der Segment-Empfangsspulen (5) durch gegensinnige Wicklung erzielt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ungeradzahligen Anzahl von Segment-Empfangsspulen (5) die Ermittlung der Differenzspannungen dadurch erreicht wird, dass die Einzelspannungssignale messtechnisch erfasst und danach jeweils voneinander abgezogen werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagekompensation anstatt des Mittelwertes der Einzelspannungen der Segment-Empfangsspulen (5) eine nur zur Lagekorrektur dienende Referenzspule (6) verwendet wird, um eine Referenz für die relative Abweichung der Signale der Segment-Empfangsspulen (5) zu erhalten.
5. 5. Vorrichtung zur Erkennung von Oberflächenfehlern an Stäben, Drähten und Rohren mit Hilfe von Wirbelströmen, wobei eine Erregerspule (7) von zwei oder mehrer Frequenzen gespeist wird und Empfangsspulen (5) axial zu beiden Seiten der Erregerspule (7) versetzt angeordnet eine Spannungsinduktion detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehreren Segment-Empfangsspulen (5) beliebig über den Umfang verteilt sein können und auf eine Vormagnetisierungsspule zur Gänze verzichtet werden kann.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von Segment-Empfangsspulen (5) verwendet wird, wobei die Segment-Empfangsspulen (5) gleiche geometrische Form aufweisen, diametral gegenüberliegend angeordnet sind und gegensinnig gewickelt verbunden sind, um so eine Messung der Differenzspannung zu realisieren.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine ungeradzahlige Anzahl von Segment-Empfangsspulen (5) verwendet wird und eine Ermittlung der Differenzspannungen dadurch erreicht wird, dass die Einzelspannungssignale messtechnisch erfasst und danach jeweils voneinander abgezogen werden.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Kerne in den einzelnen Segment-Empfangsspulen (5) durch einen Ferritschirm oder ein Ferritrohr (8) verbunden werden, um den magnetischen Fluss besser zu führen und höhere Signalamplituden zu erhalten.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Ferritrohres (8) auch ein Rohr aus geeignetem Material mit hoher Permeabilität und geringer Ausbreitungsmöglichkeit für Wirbelströme oder aus geschichtetem Material verwendet wird, um den magnetischen Fluss besser zu führen und höhere Signalamplituden zu erhalten. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen