DD299678A5

DD299678A5 - METHOD FOR EVALUATING ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIAL RANGE WITH AND WITHOUT SEPARATION AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD

Info

Publication number: DD299678A5
Application number: DD33955690A
Authority: DD
Inventors: Stephan Nitsch
Original assignee: Skl - Motoren- Und Systemtechnik Ag -Vormals Buckau-Wolf-,De
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1992-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten von elektrisch leitfaehigen Materialbereichen mit und ohne Trennung durch eine transformatorisch aufgebaute Sonde und den Aufbau einer derartigen Sonde. Mit dem Verfahren koennen Materialtrennungen bzw. Oberflaecheneigenschaften, wie z. B. Rauheit, bestimmt werden. Besonders vorteilhaft ist es, dasz weder beim Ankoppeln der Sonde an die Oberflaeche, noch zwischen den Ufern einer Trennung eine elektrisch leitende Verbindung erforderlich ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dasz die Erregung von Wirbelstroemen und der Empfang des entstehenden Sekundaerfeldes oertlich getrennt erfolgen und die Schwaechung der Signale durch das dazwischenliegende Material bzw. durch eine Trennung ausgewertet wird. Die Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens ist eine transformatorisch geschaltete Sonde mit oertlich getrennter, gegeneinander abgeschirmter Primaer- und Sekundaerspule, wobei die Richtkerne ueber Federkraft axial bis zu einem Anschlag verschiebbar sind. Fig. 3{Riszmessung; Rauheitsmessung; Wirbelstrommessung; Permeabilitaetsmessung; Schichtdickenmessung; Materialbewertung; transformatorische Sonde; Primaerfeld; Sekundaerfeld}The invention relates to a method for evaluating electrically conductive material areas with and without separation by a transformer-mounted probe and the structure of such a probe. With the method, material separations or surface properties such. As roughness, are determined. It is particularly advantageous that neither when coupling the probe to the surface, nor between the banks of a separation, an electrically conductive connection is required. The method is characterized in that the excitement of eddy currents and the reception of the secondary field produced occur locally separated and the weakening of the signals is evaluated by the intervening material or by a separation. The device for carrying out the method is a transformer-connected probe with locally separated, mutually shielded primary and secondary coil, wherein the straightening cores are displaced axially by spring force up to a stop. FIG. 3 {measurement of the risk; roughness; Eddy current measurement; permeability; Coating thickness measurement; Material evaluation; transformatory probe; Primaerfeld; Sekundaerfeld}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten von elektrisch leitfähigen Materialbereichen mit und ohne Trennung durch eine transformatorisch aufgebaute Sonde und den Aufbau einer derartigen Sonde.The invention relates to a method for evaluating electrically conductive material areas with and without separation by a transformer-mounted probe and the structure of such a probe.

Das Bewerten von Materialbereichen bezieht sich dabei vor allem auf die Bestimmung von Rissen und deron Größe, der Größe von Fugen, Nuten und Schlitzen sowie der Weite von Materialstößen. Das Bewerten bezieht sich aber auch auf die Bestimmung der Oberflächenrauheit, der Permeabilität sowie der Dicke von Überzügen auf metallischem Grundmaterial.The evaluation of material ranges refers primarily to the determination of cracks and deron size, the size of joints, grooves and slots and the width of material collisions. However, the evaluation also relates to the determination of the surface roughness, the permeability and the thickness of coatings on metallic base material.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Die Bewertung von elektrisch leitfähigon Materialbereichen wird vorrangig auf das häufig auftretende Problem des zerstörungsfreien Ausmessens von Materialtrennungen bezogen.The evaluation of electrically conductive material areas is primarily related to the frequently occurring problem of nondestructive measurement of material separations.

Unter Matertaltrennungen werden hierbei einerseits natürliche Trennungen, wie Risse, verstanden. Andererseits betrifft das auch künstliche Trennungen, wie Spalten, Nuten, Schlitze oder Materialstöße.Under Matertaltrennungen this one hand, natural separations, such as cracks understood. On the other hand, this also applies to artificial separations, such as gaps, grooves, slits or material impacts.

Bekannt ist ein Verfahren zur Rißtiefenmessung nach dem Potentialsondenverfahren. Dabei sind mehrere, vorzugsweise vier Prüfspitzen, so auf die metallisch leitende Materialoberfläche zu drücken, daß eine elektrisch leitende Verbindung entsteht. Dabei wird ein Strom über die Prüfspitzen in das Material und dort Ober die Rißstelle geleitet. Der fließende Strom wird dann hinsichtlich der Potentialunterschiede oder der Frequenzänderung beiderseits der Rißstelle ausgewertet (DD-PS 159274). Der Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß es sehr schwierig ist, dabei reproduzierbare Ergebnisse mit ausreichender Genauigkeit der Meßwerte zu erzielen. Die Meßergebnisse sind dabei stark abhängig vom Zustandekommen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Prüfsonde und dem Prüfteil; also von der Herstellung des elektrischen Stromkreises. Das richtige Ankoppeln der Prüfsonde am Prüfteil erfordert eine hohe physische Kraft und der Prüfer ermüdet schnell. Außerdem sind für den Einsatz dieses Verfahrens immer metallisch blanke und wenig gekrümmte Oberflächen am Prüfteil Voraussetzung. Bei weiteren bekannten Verfahren zum Ausmessen von natürlichen oder künstlichen Materialtrennungen werden Dauermagneten \ grwendet. Dabei wird bei unterschiedlicher Anordnung der Dauermagneten die zu prüfende Stelle des Materials magnetisiert. Die Deformation des in dem zu prüfenden Material erzeugten Magnetfeldes an der Materialtrennung wird anschließend mit Hallsonden ausgewertet (US-PS 4229696; SU-PS 1093096).A method is known for measuring crack depth according to the potential probe method. In this case, several, preferably four probes to press so on the metallically conductive material surface that an electrically conductive connection is formed. A current is passed through the test probes into the material and there above the crack. The flowing current is then evaluated in terms of potential differences or the frequency change on both sides of the fracture site (DD-PS 159274). The disadvantage of this method is the fact that it is very difficult to achieve reproducible results with sufficient accuracy of the measured values. The measurement results are highly dependent on the conclusion of the electrically conductive connection between the test probe and the test part; So from the production of the electrical circuit. Proper coupling of the test probe to the test piece requires a high physical force and the tester fatigues quickly. In addition, metallic bare and slightly curved surfaces on the test part are always required for the use of this method. In other known methods for measuring natural or artificial material separations permanent magnets are \. In this case, the position of the material to be tested is magnetized with different arrangement of the permanent magnets. The deformation of the magnetic field generated in the material to be tested on the material separation is then evaluated with Hall probes (US Patent 4229696, SU-PS 1093096).

Nachteilig bei diesen Verfahren ist es, daß einerseits die Dauermagneten zur Erzeugung eines auswertbaren Magnetfeldes groß sein müssen und zusätzlich auch die Hall-Sonden als Aufnehmer relativ große Dimensionen aufweisen. Damit wird die gesamte Prüfeinrichtung sehr unhandlich. Hinzu kommt als Hauptnachteii, daß diese ganzen Verfahren auf Grund der magnetischen Wirkungsweise ausschließlich auf die Anwendung bei ferromagnetischen Materialien beschränkt sind. Nach einem weiteren bekannten Verfahren wird die Rißprüfung durch Messung elektrischer Größen vorgenommen, indem das elektrisch leitende Material des Prüflings mit einem Wechselstrom vorgegebener Frequenz beaufschlagt und der . Spannungsabfall zwischen zwei Meßpunkten gemesson wird. Zwischen dem Meßkopf und dem zu prüfenden Materialboreich wird dabei ein elektrischer Stromkreis hergestellt (DE-OS 3501614). Die bereits oben dargestellten Nachteile der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Prüfsonde und der Materialoberfläche bestehen auch bei dieser Lösung in vollem Umfang. Der Prüfkopf nach der DE-OS 3501614 besteht aus zwei elektrisch leitenden Prüfspitzen, die in einem elektrisch isolierendem Block eingegossen sind. Dieser Block ist mittels Druckfedern in einem Halterahmen abgestützt. Der gesamte Aufbau des isolierenden Blockes des Meßkopfes ist ausschließlich auf die Messung des Spannungsabfalles innerhalb des gebildeten Stromkreises in Verbindung mit dem Werkstück ausgelegt.A disadvantage of these methods is that, on the one hand, the permanent magnets have to be large in order to produce an evaluable magnetic field and, in addition, the Hall probes as transducers also have relatively large dimensions. This makes the entire testing device very unwieldy. In addition, as Haupnachteii that these whole processes are limited due to the magnetic effect solely on the application of ferromagnetic materials. According to another known method, the crack test is performed by measuring electrical quantities by the electrically conductive material of the test specimen subjected to an alternating current of predetermined frequency and the. Voltage drop between two measuring points is measured. An electrical circuit is produced between the measuring head and the material to be tested (DE-OS 3501614). The above-mentioned disadvantages of the electrically conductive connection between the test probe and the material surface are also in this solution in full. The probe according to DE-OS 3501614 consists of two electrically conductive probes, which are cast in an electrically insulating block. This block is supported by compression springs in a holding frame. The entire structure of the insulating block of the measuring head is designed exclusively for the measurement of the voltage drop within the circuit formed in connection with the workpiece.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung Ist es, ein Verfahren einschließlich der zugehörigen Prüfeinrichtung zum Bewerten von Materialbereichen hinsichtlich bestimmter Oberflächeneigenschaften zu schaffen, das bei einfacher Handhabung und geringer physischer Belastung des Prüfenden unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit bei elektrisch leitfähigem Material ermöglicht. Die Einrichtung soll abmulant und leicht handhabbar und einfach aufgebaut sein.The object of the invention is to provide a method including the associated testing device for evaluating material areas with regard to certain surface properties, which allows easy handling and low physical load of the tester regardless of the surface condition of electrically conductive material. The device should be sloppy and easy to handle and simple.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren einschließlich der zugehörigen Einrichtung zu schaffen, um Materialbereiche elektrisch leitfähiger Materialien hinsichtlich spezieller Eigenschaften der Oberfläche oder oberflächennaher Bereiche, wie Rißgrößen oder Rauheit der Oberfläche, zu untersuchen. Dabei sollen auch Materialien bewertbar sein, die mit elektrisch nichtleitenden Überzügen oder Zwischenschichten versehen sind. Das Meßverfahren soll reproduzierbare und genaue Ergebnisse liefern und für metallische Materialien ohne direkte elektrische Ankopplung, auch bei unterschiedlichen Oberflächenkonturen einsetzbar sein.The invention has for its object to provide a method including the associated device to examine material areas of electrically conductive materials with respect to specific properties of the surface or near-surface areas, such as crack sizes or roughness of the surface. It should also be possible to assess materials that are provided with electrically non-conductive coatings or intermediate layers. The measuring method should provide reproducible and accurate results and be applicable to metallic materials without direct electrical coupling, even with different surface contours.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgebe verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß die Erregung eines Wirbelstromes durch ein Primärfeld vorgenommen wird, dieses Primärfeld auf den zu bewertenden Materialbereieh als Sokundärfeld übertragen wird, die durch den Materialbereich geschwächten Sekundärfeldanteile getrennt vom Primärfeld empfangen werden, die Schwächung des Sekundärfeldes ausgewertet und als Maß der Materialeigenschaften genutzt wird. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, die Schwächung des Sekundärfeldes als Maß zur Bestimmung vonAccording to the invention, this object is procedurally achieved in that the excitation of an eddy current is performed by a primary field, this primary field is transmitted to the material to be evaluated as Sokundärfeld received by the material area weakened secondary field components separated from the primary field, evaluated the weakening of the secondary field and as Measure of material properties is used. In the method is provided, the weakening of the secondary field as a measure for the determination of

- Rißgrößen- Crack sizes

- der Größe von Fugen, Nuten oder Schlitzen- the size of joints, grooves or slots

- der Weite von Materialstößen- the breadth of material impacts

- der Oberflächenrauheit- the surface roughness

- der Permeabilität oder- the permeability or

- der Dicke von Überzügen auf metallischem Grundmaterial oder der Dicke von Zwischenschichten zwischen metallischen Materialien- The thickness of coatings on metallic base material or the thickness of intermediate layers between metallic materials

zu nutzen.to use.

According to the invention, the device for carrying out the method is formed by the fact that in a probe body Primary coil is arranged spatially separated and axially parallel to the secondary coil and the cores of the primary and Each secondary coil are each axially displaceable in the direction of the material to be evaluated. In a special Training the device is provided that the straightening cores are mounted individually resiliently so that they are in the unloaded state

bis zu einem Anschlag in Richtung auf das zu bewertende Material herausdrückbar sind.can be pushed out to a stop in the direction of the material to be evaluated.

An advantageous embodiment of the device provides that between the primary coil and the secondary coil a metallic Shielding is arranged. By the method according to the invention in conjunction with the device according to the invention arise for the Bowertung

elektrisch leitfähiger Materialbereiche folgende wesentliche Vorteile:electrically conductive material areas, the following main advantages:

- hohe Empfindlichkeit des Meßsystems bei guter Reproduzie:barkeit der Ergebnisse,high sensitivity of the measuring system with good reproducibility of the results,

- kein Erfordernis elektrischer Kopplung und damit Meßmöglichkeiten durch Isolierschichten,no requirement for electrical coupling and thus possibilities of measurement through insulating layers,

- Prüfbarkeit gekrümmter Oberflächen,- testability of curved surfaces,

- weitgehend anstrengungslose Handhabung der Einrichtung.- largely effortless handling of the device.

Ausführungsboisplel

Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawing show

Fig. 1: Schematic representation of the mode of action of the method according to the invention Fig. 2: Calibration curve to the relationship crack depth / amplitude voltage difference 3 shows a sectional view of the probe according to the invention for carrying out the method according to the invention.

Wie in Fig. 1 dargestellt, erzeugt eine von hochfrequentem Wechselstrom durchflossene Primärspule 1 ein Primärfeld P, durch welches in einem elektrisch leitfähigen Material Wirbelströme W induziert werden. Entsprechend der Lenz'schen Regel entsteht dadurch ein Sekundärfeld S, im Material auf einer Seite eines im Material vorhandenen Risses 3. Der durch den Riß3 geschwächte Anteil des Sekundärfeldes S₂ wird erfindungsgemäß von einer Sekundärspule 2 auf dem der ersten Seite gegenüberliegenden Rißufer aufgenommen. Der so in der Sekundärspule 2 induziert'. Wechselstrom wird hinsichtlich der Amplitudenänderung und der Phasenverschiebung gegenüber einem unter gleichen Bedingungen bei homogenem Material in der Sekundärspule 2 induzierten Wechselstrom verglichen. Das Ergebnis sind zwei Spannungsdifferenzen für Amplitudenänderung und Phasenverschiebung, welche als Maß für die Größe des Risses herangezogen werden. Für eine genaue quantitative Zuordnung werden an Rissen bekannter Größe jeweils diese beiden Spannungsdifferenzen ermittelt und in Kalibrierkurven gemäß Fig. 2 dargestellt.As shown in FIG. 1, a primary coil 1 through which high-frequency alternating current flows produces a primary field P, through which eddy currents W are induced in an electrically conductive material. According to Lenz's rule, this produces a secondary field S, in the material on one side of a crack 3 present in the material. The fraction of the secondary field S ₂ weakened by the crack 3 is absorbed by a secondary coil 2 on the crack side opposite the first side. The thus induced in the secondary coil 2 '. Alternating current is compared with respect to the amplitude change and the phase shift compared to an induced under homogeneous conditions in homogeneous material in the secondary coil 2 alternating current. The result is two voltage differences for amplitude change and phase shift, which are used as a measure of the size of the crack. For exact quantitative assignment, these two voltage differences are determined at cracks of known size and shown in calibration curves according to FIG. 2.

Eine Auswertung der Meßergebnisse bei der Bewertung eines unbekannten Risses im Material kann auch geräteintern auf der Basis ermittelter Vergleichswerte mit Hilfe der Mikrorechentechnik durchgeführt werden.An evaluation of the measurement results in the evaluation of an unknown crack in the material can also be carried out internally on the basis of determined comparative values with the aid of micro-milling technology.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zum Ausmessen von natürlichen Rissen, sondern auch von künstlichen Trennungen, also von Fugen, Schlitzen oder Stößen, wobei die beiden Ufer der Trennung nicht elektrisch verbunden sein müssen.The inventive method is not only suitable for measuring natural cracks, but also of artificial separations, so of joints, slits or bumps, the two banks of the separation need not be electrically connected.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann In entsprechenderweise auch zum Messen von Oberflächeneigenschaften bei elektrisch leitfähigen Materialien angewendet werden, die keine Risse oder Trennungen im Material aufweisen. Anwendungsfälle hierfür sind die Messung der Rauheit, Permeabilität usw. sowie das Messen von Schichtdicken auf elektrisch leitfähigem Material. Die Meßgenauigkeit bei diesen Fällen ist nachweisbar wesentlich höher als bei bekannten einfachen Tastspulverfahren, da das Meßergebnis nicht nur von einem Aufsetzpunkt, sondern von dem gesamten Materialbereich zwischen Primärspule 1 und Sekundärspule 2 beeinflußt wird. Besonders deutlich zeigt sich dieser Einfluß bei der Messung der Oberflächenrauheit. Bei rauhen Oberflächen ist die Schwächung des Sekundärfeldes S₂ in Abhängigkeit von der Entfernung vom Primärfeld P deutlich stärker als bei glatten Oberflächen.The method according to the invention can also be used correspondingly for measuring surface properties of electrically conductive materials which have no cracks or separations in the material. Applications for this include the measurement of roughness, permeability, etc., as well as the measurement of layer thicknesses on electrically conductive material. The measurement accuracy in these cases is detectably much higher than in known simple Tastspulverfahren because the measurement result is affected not only by a touchdown point, but by the entire material area between the primary coil 1 and secondary coil 2. This influence is particularly evident in the measurement of surface roughness. With rough surfaces, the weakening of the secondary field S ₂ as a function of the distance from the primary field P is significantly greater than with smooth surfaces.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Sonde verwendet, die nach Fig. 3 näher beschrieben werden soll.To carry out the method according to the invention, a probe according to the invention is used, which is to be described in more detail according to FIG.

Die Primärspule 1 zur Erzeugung des Primärfeldes P und die Sekundärspule 2 zum Empfang des beispielsweise durch den Riß 3 geschwächten Anteiles des Sekundärfeldes S] sind in einem definierten Abstand örtlich getrennt in einem Sondenkörper 4 angeordnet. Sie sind dabei in dem Sondenkörper 4 fest zueinander- beispielsweise in Epoxidharz eingegossen - angeordnet, so daß sie beim Ankoppeln an die Materialüberfläche mit ihrer Zentralachse senkrecht zur Materialoberfläche stehen. Sowohl In der Primärspule 1 wie auch in der Sekundärspule 2 Ist Jeweils ein axial verschiebbarer Richtkern 5 aus gesintertem Ferrit angeordnet. Durch Federn 6 sind die Richtkerne 5 jeweils einzeln und unabhängig voneinander bei nicht aufgesetzter Sonde bis zu einem Anschlag 7 in Richtung auf das zu bewertende Material aus dem Sondenkörper 4 herai - ^Λ ückbar. Diese federnde Anordnung dor Richtkerne 5 erleichtert das definierte Ankoppeln der Sonde an die zu bewertende Materialoberfläche, da zur Überwindung der Federkraft ein konstanter Gegendruck aufgebracht werden muß. Die Federkraft kann dabei so gering sein, daß beim Ankoppeln der Sonde an die Materialoberfläche keine physische Anstrengung für den Prüfer entsteht. In der Mitte zwischen don beiden Richtkernen 5 ist in der Auflagefläche der Sonde eine Einkerbung 8 vorgesehen. Diese Einkerbung 8 erlaubt auch das definierte Ankoppeln der Sonde an gekrümmter Oberfläche.The primary coil 1 for generating the primary field P and the secondary coil 2 for receiving the weakened example of the crack 3 portion of the secondary field S] are arranged spatially separated in a probe body 4 at a defined distance. They are in the probe body 4 fixed to each other - for example, cast in epoxy resin - arranged so that they are perpendicular to the material surface when coupling to the material surface with its central axis. Both in the primary coil 1 and in the secondary coil 2, an axially displaceable straightening core 5 made of sintered ferrite is arranged in each case. By springs 6, the straightening cores 5 are each individually and independently from each other when not attached probe up to a stop 7 in the direction of the material to be evaluated from the probe body 4 herai - ^Λ ückbar. This resilient arrangement dor straightening cores 5 facilitates the defined coupling of the probe to the material surface to be evaluated, since to overcome the spring force, a constant back pressure must be applied. The spring force can be so low that when coupling the probe to the material surface no physical effort for the examiner arises. In the middle between don both straightening cores 5 a notch 8 is provided in the support surface of the probe. This notch 8 also allows the defined coupling of the probe on a curved surface.

Als Schirmung 10 ist zwischen der Primärspule 1 und der Sekundärspule 2 eine Platte aus hochpermeablem Werkstoff im Spulenkörper 4 angeordnet. Sie verhindert ein direktes Einwirken des Primärfeldes P auf die Sekundärspule 2. Die elektrischen Anschlüsse der Primärspulo 1 und der Sekundärspule 2 sind zu einem elektrischen Leitungsstrang 9 zusammengefaßt und aus dem Sondenkörper 4 herausgeführt.As a shield 10 is disposed between the primary coil 1 and the secondary coil 2, a plate made of high-permeability material in the bobbin 4. It prevents a direct action of the primary field P on the secondary coil 2. The electrical connections of the Primärspulo 1 and the secondary coil 2 are combined to form an electrical wiring harness 9 and led out of the probe body 4.

Claims

1. A method for evaluating electrically conductive material areas with and without separation by means of a transformer-mounted probe, characterized in that the excitation of an eddy current is performed by a primary field, this primary field is transferred to the material area to be evaluated as a secondary field, weakened by the material area Secondary field components are received separately from the primary field, the attenuation of the secondary field is evaluated and used as a measure of the material properties.

2. Device for evaluating electrically conductive material areas with and without separation by means of a transformer-mounted probe, characterized in that in a probe body (4), the primary coil (1) is arranged spatially separated and axially parallel to the secondary coil (2) and the straightening cores (5 ) of the primary and secondary coils (1, 2) are each individually displaceable axially in the direction of the material to be evaluated.

3. Device according to claim 2, characterized in that the straightening cores (5) are mounted individually resiliently so that they can be pressed out in the unloaded state up to a stop (7) in the direction of the material to be evaluated.

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that between the primary coil (1) and the secondary coil (2) a metallic shield (10) is arranged.