DD236806B1 - Wirbelstrompruefgeraet - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wirbelstromprüfgerät für den Ungänzennachweis insbesondere zur Rißprüfung an elektrisch leitfähigen Materialoberflächen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die zerstörungsfreie Ungänzenprüfung durch Wirbelstromverfahren ermöglicht den Nachweis von oberflächennahen Fehlern, insbesondere von Rissen. Auftretende Störeinflüsse, wie z. B. Geometrie- oder Materialänderungen, beeinflussen die Nachweisbarkeit negativ. Mit den gebräuchlichen Verfahren zur Wirbelstromrißprüfung ist die Unterdrückung von Störeinflüssen in unterschiedlichem Maße möglich.

So gelingt mit einfachen Wirbelstromprüfverfahren nur die Kompensierung eines Störparameters. Als bekanntes Signalauswerteverfahren ist das Schwingkreisprinzip (Carniol, B.: „Schwingkreisdämpfung", VEB Verlag Technik Berlin 1969) bekannt.

Ein modernes Gerät dieser Art ist das „Defectometer H 2.835" (Firmenschriften Institut Dr. Förster, Reutlingen BRD, Nr. 1-81412-1615; 1-82412-1764). Die Nachteile dieses Verfahrens sind:

— Auf jedem zu prüfenden Material ist ein Geräteabgleich erforderlich, auch geringe Chargenunterschiede wirken sich sonst störend aus.

— Sondenwechsel erfordern einen Geräteabgleich.

— Der einzige kompensierbare Störparameter ist der Abhebeeffekt.

— Überlagerungen der Rißsignale durch nicht kompensierbare Störparameter (plötzliche Permeabilitäts-, Leitfähigkeits- oder Geometrieänderungen) erschweren auf Grund von Scheinanzeigen den Rißnachweis bzw. machen ihn unmöglich.

— Der Einsatz in automatischen Prüfanlagen ist auf Grund der bisher genannten Nachteile nur bedingt möglich.

Bei anderen Signalauswerteverfahren werden die Kennwerte Signal-Amplitude und/oder -Phase verarbeitet, wobei die Beschränkung auf nur einen Kennwert häufig ist.

Nach der SU-EB 868546 werden die Amplitudenschwankungen der Hüllkurve des Sekundärsignals, bedingt durch langsam ablaufende Störungen, ständig ermittelt. Vom entstehenden Pegel wird durch Addierung eines Gleichspannungswertes eine Schwelle gebildet. Durch ein impulsförmiges Signal erfolgt mit Überschreitung der Schwelle die Anzeige. Es ergeben sich folgende Nachteile:

— Impulsförmige Signale von Störparametern, z. B. durch plötzliche Geometrie- oder Permeabilitätsänderungen usw. führen zu Scheinanzeigen.

—Durch die Beschränkung auf die Amplitudenauswertung ist das Verfahren auf sehr spezielle Prüfaufgaben hinsichtlich Prüfteiigeometrie und Werkstoff beschränkt.

Andere Prüfverfahren werten neben der Signalamplitude auch Informationen aus der Phasenlage aus. So werden mit elektronischen Blenden bestimmte Anzeigerichtungen mit Stpranzeigen ausgeblendet (Firmenschriften „Defectömat C" Institut Dr. Förster, Reutlingen BRD, Nr. 1-82512-1861; 2-81412-1711). Nachteile sind hierbei:

— Die Kompensation von Störsignalen ist nur bei senkrechter Phasenlage zum Nutzsignal vollständig möglich. Mit steigender Abweichung verschlechtert sich die Rißnachweisempfindlichkeit. Ein Nachweis ist nur noch dann möglich, wenn das Störsignal betragsmäßig wesentlich kleiner als das Nutzsignal ist. Die Einschränkung der Anwendung ist beträchtlich.

Andere komplizierte Wirbelstromprüfverfahren arbeiten mit mehreren Spulen (SU-EB 868555, DE-EB 2725354) oder im Mehrfrequenzverfahren (SU-EB 832444, EPÜ-EB 0035391). Sie ermöglichen die Bearbeitung komplexer Prüfprobleme auch mit mehr als zwei Störparametern. Nachteilig ist jedoch:

— Die Verfahren erfordern eine umfangreiche Gerätetechnik (Sondensysteme, Rechen-, Digitaltechnik usw.), die kostenaufwendig, störanfällig und schwer beschaffbar ist.

— Die Anpassung der Verfahren an spezielle Prüfprobleme efordert einen hohen Vorbereitungsaufwand.

— Einrichtung und Wartung der erforderlichen Geräte verlangt hochqualifiziertes Personal.

Als Mittelweg bei den anzuwendenden Verfahren ist der Einsatz eines einfachen Prüfprinzips mit neuartigen Sonden mit Kurzschlußelementen (DD-AZ WP G 01 N/2555364) anzusehen. Stör- und Nutzsignale können in ihrer Phasenlage beeinflußt und dadurch die Störsignalunterdrückung vereinfacht werden. Nachteilig ist, daß die Beeinflußbarkeit der Phasenlage auf einen bestimmten Winkelbereich begrenzt ist, so daß eine wirkungsvolle Beeinflussung der Störsignale bereits eine bestimmte Phasenlage voraussetzt, die wiederum von der Prüffrequenz abhängig ist.

Mehr als zwei Störparameter können nicht unterdrückt werden. In zunehmendem Maße treten Prüfprobleme auf, bei denen für einen zuverlässigen Rißnachweis eine Reihe von Störparametern zu unterdrücken ist. Dies resultiert aus

— 3er zunehmenden Fertigung von Teilen mit

• komplizierter geometrischer Struktur

• Materialkombinationen (Verbundmetall u.a.)

• magnetisch heterogenen Werkstoffen (z. B. austenitischen Schweißverbindungen)

— den komplexer werdenden Prüfregimen und -Programmen.

Als Stand der Technik sind auch noch folgende Veröffentlichungen zu betrachten:

GB-PS 147 5517 (G 01 N, 27/86)

Die hierin enthaltene Lösung enthält folgende Nachteile:

Materialspezifisch tritt der Fall, daß bei Vorhandensein eines Risses das Amplitudensignal und das Phasensignal gleiche Wirkrichtung haben, sehr selten auf. Die auftretenden Störungen (außer Abhebeeffekt), die ein Riß-Signal vortäuschen, müssen in der vorgestellten Anordnung gegensätzlichen Charakter haben.

Die praxisnahe Verwendung des genannten Wirbelstromprüfverfahrens beschränkt sich damit auf die Prüfung homogener, ungänzenfreier Werkstoffe, die eine geometrisch günstige Form haben (glatte Oberfläche).

Die Möglichkeit der Anpassung an den Werkstoff selbst ist nur durch die Wahl einer geeigneten Frequenz möglich.

Die verwendeten Hochpaßfilter haben zwar einen Null-Rücksetzeffekt, wobei die Rücksetzung in Form einer e-Funktion erfolgt.

Das hat den Nachteil, daß störende Gleichanteile im Signalweg sehr lange erhalten bleiben und die Rißsignalauswertung gestört wird.

SU-US 1056041 (G 01 N, 27/90)

Die dargestellte Anordnung verknüpft Phasen- und Amplitudensignal derart, daß ein im Phasen kanal ankommendes Fehlersignal blockiert wird, wenn gleichzeitig ein Amplitudensignal auftritt.

Die gesamte Auswertung beinhaltet aber keine Nullrücksetzung, und damit ist eine manuelle Kompensation der Absolutanteile des Phasen- bzw. Amplitudenkanals erforderlich.

Viele Werkstoffe sind jedoch leicht inhomogen, so daß bereits die leichten Schwankungen des Absolutanteiles der Phasen- und Amplitudenkanäle, die bei diesen Werkstoffen zu verzeichnen sind, Scheinauslösungen eines Rißsignals erzeugen bzw. richtige Rißanzeigen unterbleiben.

US-PS 4368429 (G 01 N, 27/90)

Die beschriebene Nachschaltbaugruppe für ein Wirbelstromprüfgerät prüft ein Ausgangssignal des Prüfkopfes auf sporadisch auftretende Phasensprünge, die auch innerhalb einer Sinuswelle auftreten können. Die Phasenregelschleife gewährleistet eine automatische Anpassung an die Grundphasenverschiebung, die prüfmaterialbedingt auftritt.

Die auftretenden Phasensprünge kennzeichnen jedoch nicht nur die gesuchten Risse, sondern auch den Abhebeeffekt und die Ungänzen.

Da der Einsatz komplizierter Wirbelstromprüfgeräte auf Grund der genannten Nachteile häufig nicht möglich ist, sind die in der Praxis notwendigen Prüfungen häufig nicht realisierbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines einfachen, universell einsetzbaren Wirbelstromprüfgerätes, mit dem bei komplexen Problemen der Rißprüfung ohne größeren Vorbereitungsaufwand mehr als zwei Störparameter unterschiedlicher Phasenlage unterdrückt werden sollen. Weiterhin soll die Erfaßbarkeit der vorhandenen Risse wie auch die Unterdrückung der Anzeige von Ungänzen ohne Rißcharakter nahezu vollständig realisiert werden. Die Lösung ist für eine automatische Prüfung vorgesehen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wirbelstromprüfgerät zu schaffen, mit dem der Phasen- und der Amplitudenanteil des Signals einer Wirbelstromsonde so verarbeitet werden kann, daß bei Analogverarbeitung ohne Rechner und Mehrparameteranalyse beliebige Störsignale kompensiert werden können, deren Anzeigerichtung jedoch nicht mit der des Nutzsignals (das in Amplituden- oder Phasenrichtung liegt) übereinstimmt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß einerseits im Amplitudenkanal nach derfür das Primär- und das Sekundärsignal in getrennten Zweigen erfolgenden Gleichspannungskompensation jeweils eine erste Baugruppe zur Flankenlinearisierung angeordnet ist, deren Ausgänge auf einen Differenzverstärker geführt sind, daß andererseits im Phasenkanal nach dem Bandpaßfilter eine zweite Baugruppe zur Flankenlinearisierung angeordnet ist, wobei diejenige Baugruppe zur Flankenlinearisierung die kleinere Zeitkonstante aufweist, die sich im rißsignalbestimmenden Kanal befindet, und daß die Ausgänge von Differenzverstärker und zweiter Baugruppe zur Flankenlinearisierung jeweils über Präzisionsgleichrichter auf den als Subtrahierer ausgebildeten Rechenverstärker geschaltet sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Im Blockschaltbild eines Einfrequenz-Analogwirbelstromprüfgerätes mit Wirbelstromsonde, welches dem Nachweis von Oberflächenrissen an Werkstücken dient, ist die Anordnung der Einzelelemente dargestellt. Eine wesentliche Voraussetzung für die erfindungsgemäße Signalauswertung besteht darin, daß das impulsförmige Nutzsignal sich annähernd in Amplitudenrichtung bewegt und die Störsignale größere Phasenteile besitzen.

Bei der Wahl einer anderen Geräteeinstellung müssen die Nutzsignale in Phasenrichtung liegen und die Störsignale größere Amplitudenanteile aufweisen.

Diese Signalrichtungen können auf elektronischem Wege bzw, durch Frequenz- und Sondenoptimierung eingestellt werden. Dafür sind besonders die neuartigen Tastspulen mit Kurzschlußelement geeignet. Entsprechend der Darstellung im Blockschaltbild arbeiten die einzelnen Geräteteile wie folgt zusammen: Ein Generator A vesorgt die Sonde B mit einer in Amplitude und Frequenz einstellbaren hochfrequenten Spannung. Es baut sich ein Primärfeld auf, welches im Werkstück C ein Gegenfeld (Sekundärfeld) induziert. Dieses Gegenfeld wird von der Wirbelstromsonde B erfaßt. Die Kennwerte Amplitude und Phase des resultierenden Sondensignals werden in der Amplitudenauswertung D und der Phasenauswertung E verarbeitet und mit den Kennwerten des Primärfeldsignals verglichen. In der Signalverknüpfung F erfolgt die Verknüpfung der aufbereiteten Signalanteile derart, daß Nutzsignale isoliert und in der Anzeige G dokumentiert werden.

Die Signalverarbeitung in der Amplitudenauswertung D, Phasenauswertung E und Signalverknüpfung F läuft wie folgt ab: Die an der Wirbelstromsonde B anliegende Primärspannung und die induzierte Sekundärspannung werden der Amplitudenauswertung D und der Phasenauswertung E zugeführt. In der Amplitudenauswertung D erfolgt eine Gleichrichtung D1 der Spitzen beider Wechselspannungen mit der Bildung einer Hüllkurve. In der Gleichspannungsfilterung D2 werden die erhaltenen Gleichspannungen durch Analogverarbeitung auf einen Nullpegel ohne Gleichspannungsanteile gesetzt. An den Impulsen von Stör- und Nutzsignalen erfolgt eine Linearisierung D3 der Flanken. Die Impulse gelangen an die Differenzsignalbildung D4. Hier werden im Übertragungsweg auftretende Störimpulse ausgelöscht und Schwankungen der Amplitude der Primärspannung neutralisiert. Am Ausgang der Amplitudenauswertung D ergibt sich ein Signal, welches alle impulsförmigen Änderungen der Amplitude der Sekundärspannung enthält.

In der Phasenauswertung E werden Primär-und Sekundärspannung durch Verstärkung E1 und Begrenzung E 2 in Rechteckform überführt und vorhandene Phasenverschiebungen mittels Koinzidenzdemodulation E3, Integration E4 und Hochfrequenz-Sperrfilterung E 5 in eine der Phasenverschiebung proportionale Gleichspannung umgewandelt. Die niederfrequenten Anteile werden bei der Gleichspannungsfilterung E 6 abgetrennt, an Impulsen erfolgt eine Linearisierung E7 der Flanken. Am Ausgang der Phasenauswertung E kann ein Signal abgenommen werden, das den durch Änderungen des Sondenfeldes bedingten Änderungen der Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärspannung proportional ist. Durch die spezielle Ausführung der Abtrennung der Gleichspannungsanteile wird sowohl in der Amplitudenauswertung D, wie auch in der Phasenauswertung E bei rechteckförmiger Änderung der Eingangssignale eine Trapez-bzw. Dreiecksform der Ausgangssignale erreicht. Sollen die aus der Amplitudenauswertung D gewonnenen Impulse zu einer Rißanzeige führen, ist die Zeitkonstante der Impulsflanken-Linearisierung D 3/E 7 so zu wählen, daß die Flanken der Impulse aus der Amplitudenauswertung D eine größere Steilheit aufweisen, als die aus der Phasenauswertung E. In der Signalverknüpfung F gelangen die gewonnenen Phasen- und Amplitudensignale nach einer Präzisionsgleichrichtung F1 zur Differenzsignalbildung F3. Die Ansprechschwelle des nachgeschalteten Triggers F4 wird durch Wahl einer entsprechenden Offsetspannung F 2 am Eingang der Differenzsignal bildung F3 eingestellt. Das gewonnene Ausgangssignal entspricht der analogen Subtraktion der in die Signalverknüpfung F eingehenden Signale. Es enthält ausschließlich die Binärinformation „Riß ja/nein". Darüber hinaus können mit geänderter Geräteeinstellung weitere in der Praxis interessierende Parameter, die impulsförmige Signale liefern (z. B. plötzliche Geometrieänderungen), aufgezeigt werden.

Claims (1)

1. Wirbelstromprüfgerät nach dem Einfrequenzverfahren mit Störsignalunterdrückung für den Ungänzennachweis, insbesondere zur Rißprüfung an elektrisch leitfähigen Materialoberflächen, das getrennte Kanäle zur analogen Auswertung sowohl der Phasenverschiebung als auch der Amplitudenänderung des Sekundärsignals der Sonde gegenüber dem Primärsignal des Generators aufweist, wobei der Amplitudenkanal einen Hüllkurvendetektor und eine Gleichspannungskompensation und der Phasenkanal einen Phasendemodulator enthält, dessen Eingänge über Begrenzerverstärker mit dem Primär- und dem Sekundärsignal verbunden sind und dessen Ausgang an ein Bandpaßfilter gekoppelt ist, und bei dem die Ausgänge beider Kanäle zur Eliminierung von Störsignalen auf die Eingänge eines Rechenverstärkers geschaltet sind, der über eine Offsetspannungseinstellung verfügt und dessen Ausgang zur Anzeige des Prüfergebnisses dient, gekennzeichnet dadurch, daß einerseits im Amplitudenkanal (D) nach der für das Primär- und das Sekundärsignal in getrennten Zweigen erfolgenden Gleichspannungskompensation (2) jeweils eine erste Baugruppe zur Flankenlinearisierung (3) angeordnet ist, deren Ausgänge auf einen Differenzverstärker (4) geführt sind, daß andererseits im Phasenkanal (E) nach dem Bandpaßfilter (5,6) eine zweite Baugruppe zur Flankenlinearisierung (7) angeordnet ist, wobei diejenige Baugruppe zur Flankenlinearisierung die kleinere Zeitkonstante aufweist, die sich im rißsignalbestimmenden Kanal befindet, und daß die Ausgänge von Differenzverstärker (4) und zweiter Baugruppe zur Flankenlinearisierung (7) jeweils über Präzisionsgleichrichter (F1) auf den als Subtrahierer ausgebildeten Rechenverstärker (F3) geschaltet sind.