DE10016468C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Laufzeitmessung von Schallimpulsen in einem magnetoelastischen Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.

Zur Beurteilung der Festigkeit einer Schraubverbindung wird üblicherweise eine Messung des Drehmomentes mit sogenannten Drehmomentschlüsseln während der Schraubung vorgenommen. Eine solche Messung des Schraubendrehmomentes liefert allerdings nur ein ungenaues Maß für die Schraubenvorspannkraft, da die Messung noch die weitgehend unbekannten Reibmomente enthält. Ein genaueres Maß der Vorspannkraft wird von der Längung der Schraube durch den Schraubvorgang gewonnen.

Ein Beispiel eines derartigen Drehschrauberkopfes ist z. B. in der DE 40 25 430 A1 beschrieben. In dem Drehschrauberkopf ist zur Messung der Vorspannkraft der Verschraubung ein elektroakustischer Ultraschallwandler integriert, der auf den Schraubenkopf mittels eines Federsystems aufgedrückt wird und in die Schraube Schallimpulse abgibt, die am gegenüberliegenden Schraubenende reflektiert werden und wieder von dem elektroakustischen Ultraschallwandler aufgenommen werden. Aus der Veränderung der Laufzeitdifferenz zwischen abgegebenem Schallimpuls und aufgenommenem Schallimpuls wird auf die Längenänderung der Schraube während des Schraubvorgangs geschlossen. Die Längenänderung der Schraube ist proportional zur Vorspannung der Schraube und damit ein Maß für die Festigkeit der Schraubverbindung. Die Verläßlichkeit der mit elektroakustischen Ultraschallwandlern ermittelten Ergebnisse hängt in sehr sensibler und entscheidender Weise von der Güte des Kontaktes zwischen elektroakustischem Ultraschallwandler und Schraubenkopf ab. Außerdem kann die Schraubenvorspannkraft nur beim Schraubvorgang selbst bestimmt werden. Eine nachträgliche Überprüfung der Vorspannkraft einer bereits gespannten Schraubverbindung ist mit diesem Drehschauber nicht in zuverlässiger Weise möglich. Alte festsitzende Schraubverbindungen würden z. B. durch ein Festfressen der Verschraubung auf Grund von Korrosion der Gewindegänge eine feste Schraubverbindung nur vortäuschen. Der Drehschrauber würde durchrutschen weil die Gewinde der Schraubverbindung korrodiert sind jedoch nicht weil die Vorspannung der Schraube noch in dem notwendigen Maß besteht.

Man hat deshalb in der DE 197 10 960 A1 eine Schraube mit einem Schraubenkopf vorge­ schlagen, der mit einer Schichtenfolge mehrerer Materialien versehen ist. Auf der Kopfaufla­ gefläche der Befestigungsschraube ist eine Piezo-Keramik angebracht, die von der Schrau­ benoberseite mittels den Schraubenkopf umschließenden Kontaktschichten kontaktierbar und aktivierbar ist. Über an sich bekannte Laufzeitmessung mittels Ultraschallwellen kann die Vorspannung der Schraube auch im eingebauten Zustand gemessen werden. Es bestehen je­ doch Zweifel hinsichtlich der Ausführbarkeit einer solchen Schraubverbindung. Beim Anzie­ hen der Schraubverbindung besteht die Gefahr, daß die Piezokeramik durch die auftretenden Reibungskräfte und Schermomente an der Kopfauflagefläche Schaden nimmt oder die Kon­ taktschichten zerstört werden, so daß die Piezo-Keramik nicht mehr kontaktierbar ist. In je­ dem Fall sind Schraubverbindungen dieser Art sehr aufwendig und die Schrauben in der Her­ stellung übermäßig aufwendig und teuer.

Aus der US 5 386 733 ist eine Drehmomentmessung bekannt, bei der mittels des magnetoelastischen Effekts mit Spulen die Torsion einer Welle gemessen wird.

Aus der US 5 412 582 ist eine Belastungsmessung bekannt, bei der mittels Messung des magnetischen Spins auf den Belastungszustand des Werkstücks geschlossen wird.

Ein Meßverfahren und eine Vorrichtung entsprechend den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche ist für den Fachmann implizit aus J. Krautkrämer. H. Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Auflage, 1986, Seiten 157-160; 244-245, Springer Verlag Berlin und aus SU 1022 087, Abstract WPIDS, AN 1984-080498 zu entnehmen. Demnach sind Verfahren zur Untersuchung magnetelastischer Werkstücke bekannt, bei denen mit einem Impulsgenerator zu einem ersten Zeitpunkt mittels einer Spule ein Magnetimpuls erzeugt und in das Werksrück eingekoppelt wird, so daß im Werkstück ein Schallimpuls entsteht und bei denen mit einer Spule die durch den Schallimpuls hervorgerufenen Änderungen eines Meßfeldes detektiert werden. Aus den gattungsbildenden Dokumneten ist es nicht bekannt die Laufzeit von reflektierten Ultraschallwellen zu messen. Hierzu hat es bisher, wie in J. Krautkrämer auf Seite 160, zweiter Absatz bemängelt wird, an einem geeigneten Meßkopf gefehlt.

Insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es wünschenswert eine einfache und zuverlässige Methode zur Verfügung zu haben, die Festigkeit von Schraubverbindungen zu­ verlässig bei routinemäßigen Sicherheitsüberprüfungen bestimmen zu können. Die Relevanz dieser Sicherheitsüberprüfung wird besonders deutlich bei Sicherheitsüberprüfungen von Flugzeugen, z. B. an den Triebwerksaufhängungen oder an den Fahrgestellen. Hier ist es sehr wünschenswert ein einfaches und zuverlässiges Meßverfahren zur Verfügung zu haben, mit dem die Schraubverbindungen an den Triebwerksaufhängungen oder Fahrgestellen einfach und sicher überprüft werden können.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher ein Meßverfahren zur Bestimmung der Schrauben­ vorspannung anzugeben, bei dem die Schraubenvorspannung sowohl während des Schraub­ vorgangs als auch nachträglich im eingebauten Zustand der Schraubverbindung, z. B. bei Si­ cherheitsüberprüfungen, bestimmt werden kann, ohne daß hierzu besonders ausgebildete Schrauben vorgesehen werden müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü­ che. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Lösung gelingt über eine Längenmessung einer Schraube mit Hilfe des magnetoelasti­ schen Effekts und der Laufzeitmessung von Schallimpulsen. Die Veränderung der Schrau­ benlänge durch die Dehnung in Folge der Vorspannung ist über den E-Modul des Schrau­ benmaterials ein Maß für die Schraubenvorspannkraft. Die für hochfeste Schrauben üblichen Stahlsorten sind magnetoelastisch, d. h. das Material ändert seine Ausdehnung durch ein von außen angelegtes Magnetfeld. Daher kann in der Oberfläche einer Schraube ein oder mehrere aufeinanderfolgende Schallimpuls durch einen oder mehrere sehr kurze Magnetimpulse er­ zeugt werden. Durch die zeitlich kurze Dauer der Magnetimpulse wird erreicht, daß die durch den magnetoelastischen Effekt hevorgerufenen Schallimpulse die für die Laufzeitmessung erforderlich kurze Dauer und hohe Flankensteilheit haben. Der Magnetimpuls wird in einem auf die Schraube lediglich aufgedrückten Meßkopf durch einen Stromstoß in einer Spule er­ zeugt. Im Meßkopf wird außerdem ein magnetisches Meßfeld erzeugt, das in die Schrau­ benoberfläche einkoppelt, und eine Kopplung zwischen Meßkopf und Schraube herstellt. Das Meßfeld kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein magnetisches Wechselfeld, insbe­ sondere ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld sein. In einer anderen Ausführungs­ form wird ein statisches magnetisches Meßfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt. Der Meßkopf enthält eine Spule zur Detektion der Wirkung des zurücklaufenden Schallimpulses auf das Meßfeld. Der zurücklaufende Schallimpuls löst durch den magnetoelastischen Effekt im Meßfeld eine impulsartige Veränderung aus, die in dieser Spule einen Spannungsimpuls induziert, dessen Flanke mit einem Detektormittel, z. B. einem Schwellwertdetektor oder ei­ nem Impulsdetektor, zeitlich detektiert wird.

Die mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren hauptsächlich erzielten Vorteile sind die ein­ fache Handhabung des Meßverfahrens, ohne daß jede Schraube ein spezielles aufwendiges zusätzliches Präparationsverfahren durchlaufen muß. Das Einkoppeln des magnetischen Meßfeldes in den Oberflächenbereich des Schraubenkopfes ist im Gegensatz zum mechanischen Einkoppeln von z. B. elektroakustischen Schallwellen problemlos. Für das Einkoppeln des magnetischen Meßfeldes ist ein guter mechanischer Kontakt zwischen Meßkopf und Schrau­ benoberfläche nicht notwendig. Auch spielen vorhandene Verunreinigungen an der Schrau­ benoberfläche keine Rolle. Die Positionierung des Meßkopfes ist ebenfalls weitgehend pro­ blemlos und kann mit großen Toleranzbereichen durchgeführt werden, was ein einfaches ma­ nuelles Aufdrücken des Meßkopfes möglich macht. Die für die Meßauflösung entscheidende Eindringtiefe des Meßfeldes in den Schraubenkopf ist nämlich ausschließlich entsprechend des Skineffekts durch die Frequenz des Meßfeldes bestimmt. Ebenso wird die zeitliche Breite des Schallimpulses ausschließlich durch die zeitliche Breite des in der Erregerspule aufge­ prägten Stromimpulses bestimmt. Anpreßkräfte genaue Positionierung des Meßkopfes und Oberflächenverunreinigungen spielen deshalb bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren im Gegensatz zu den in dieser Hinsicht sehr empfindlichen elektroakustischen Meßverfahren keine Rolle. Dies ermöglicht mit Vorteil einfache konstruktive Gestaltungen des Meßkopfes und eine problemlose. Integration des Meßkopfes in aus dem Stand der Technik bekannte Drehschrauber.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze mit einem auf eine Schraubverbindung aufgesetzten Meßkopf zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Meßverfahrens,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit einem gegen­ über dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 alternativen Meßkopf,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit einem stati­ schen Meßfeld, hervorgerufen durch einen in den Meßkopf integrierten Permanent­ magneten,

Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem in den Meßkopf integrierten Perma­ nentmagneten, bei der lediglich eine Spule auf dem Meßkopf angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt zunächst zur Erläuterung der Erfindung eine Schraubverbindung aus zwei Trä­ gerplatten 12, 13, die jeweils mit einer Bohrung 14 versehen sind, durch die eine Schraube 3 hindurchgeführt ist. Durch Aufschrauben und Festziehen einer Mutter 15 auf die Schraube 3 entsteht eine vorgespannte Schraubverbindung. Die Stahlsorten, aus denen hochbelastbare Schrauben üblicherweise hergestellt werden, sind magnetoelastisch, d. h. das Material ändert seine Ausdehnung, insbesondere seine Länge, durch ein außen angelegtes magnetisches Feld. Daher kann an der Oberfläche eines solchen Werkstückes insbesondere in einer Schraube 3 ein Schallimpuls erzeugt werden, indem man in die Schraube 3 einen sehr kurzen Magnetim­ puls einbringt. Hierzu enthält der Meßkopf 1 in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen Spulenträger 2, der in diesem Ausfführungsbeispiel als Ferritkern ausgebildet ist, und drei Spulen S1, S2, S3 die den Spulenträger umgeben. Eine der Spulen S2 erzeugt ein hochfre­ quentes magnetisches Meßfeld, eine andere der drei Spulen wirkt als Sendespule S1 und er­ zeugt einen kurzen magnetischen Impuls und die dritte der Spulen wirkt als Sensorspule S3 und detektiert die durch den magnetoelastischen Effekt der reflektierten Schallimpulse her­ vorgerufenen Veränderungen des hochfrequenten Meßfeldes. Welche der Spulen S1, S2, S3 welche Funktion übernimmt ist unerheblich, auch ist die Reihenfolge der Spulenanordnung auf dem Meßkopf für das Funktionieren des Meßkopfes grundsätzlich beliebig. In einer be­ vorzugten Ausführung des Meßkopfes ist die Sendespule S1 möglichst am Schraubenkopf positioniert, die Sensorspule S3 an dem Meßkopfende, das der zu messenden Schraube ge­ genüberliegt, angeordnet.

Der Meßkopf wird auf die zu vermessende Schraube 3 aufgedrückt. Das hochfrequente ma­ gnetische Meßfeld koppelt an die Schraube an. Durch einen Stromstoß in der Erregerwick­ lung der Sendespule S1 wird ein Magnetimpuls erzeugt, der durch magnetische Kopplung in der Stirnseite der Schraube über den magnetoelastischen Effekt einen Schallimpuls in der Schraube bewirkt. Der Schallimpuls, symbolisiert durch den Pfeil mit der Bezugsziffer 4, läuft die Schraube hindurch und wird an dem gegenüberliegenden Schraubenende reflektiert.

Der zurücklaufende Schallimpuls, symbolisch dargestellt durch den Pfeil mit der Bezugszif­ fer 5 bewirkt durch den magnetoelastischen Effekt wiederum eine impulsartige Veränderung des hochfrequenten Meßfeldes, die mit einer Sensorspule S3 detektiert wird.

Zu diesem Zweck ist die Erregerspule S2 mit einer hochfrequenten Spannungsquelle 6 ver­ bunden. Durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung an die Erregerspule S2 wird in dem Ferritkern 2 ein hochfrequentes magnetisches Meßfeld erzeugt, das in einen Oberflächenbe­ reich 7 des Schraube 3 einkoppelt. Die Eindringtiefe des Meßfeldes in den Oberflächenbe­ reich 7 der Schraube ist neben Materialparametern der Schraube im wesentlich abhängig von der Frequenz des Meßfeldes. Die Eindringtiefe ist nach den elektromagnetischen Gesetzen für den Skineffekt um so kleiner je höher die Frequenz des Meßfeldes gewählt wird. Bei einer Frequenz von 1 Hz ist die Eindringtiefe bei den üblicherweise für Schrauben verwendeten Materialien bereits typischerweise in der Größenordnung von 1 mm. Bei einer Frequenz von 100 Hz bereits bei 0,1 mm, bei 10 kHz im Bereich von 0.01 mm und bei 1 MHz im Bereich von 1 Mikrometer. Für eine Meßauflösung im Bereich 1 Mikrometer wird deshalb mit Vor­ zug eine Meßfeldfrequenz größer oder gleich 1 MHz (Megahertz) eingesetzt. Die Eindringtie­ fe des Meßfeldes sollte klein gegenüber der zu messenden Längenänderung sein. Durch das hochfrequente Meßfeld wird erreicht, daß das Meßfeld aufgrund des Skineffektes nur sehr gering in die Schraube eindringt, so daß die Eindringtiefe des Meßfeldes in den Schrauben­ kopf vernachlässigbar klein gegenüber der durch die Vorspannung der Schraube hervorgeru­ fenen Dehnung ist. Die durch das Meßfeld bewirkte Längenänderung der Schraube kann da­ her im Vergleich zur Längenänderung aufgrund der Vorspannkraft vernachlässigt werden. Auch ist durch ein eng begrenztes Meßfeld geringer Eindringtiefe die zeitliche Meßauflösung zur Bestimmung des zurücklaufenden Schallimpulses gewährleistet. Damit ergibt sich eine hohe zeitliche und örtliche Auflösung zur Bestimmung der Längenänderung von vorge­ spannten Schrauben. Ebenso sollte der in der Sendespule S1 erzeugte Stromstoß und damit der in die Schraube eingebrachte Magnetimpuls hinreichend kurz sein. Zur genauen zeitli­ chen Auflösung der Impulse ist eine hohe Flankensteilheit bevorzugt. Der zurücklaufende Schallimpuls 5 bewirkt in dem mit dem Meßfeld durchsetzten Oberflächenbereich 7 der Schraube ebenfalls einen magnetoelastischen Effekt, nun in umgekehrterweise, indem die eintreffende zurücklaufende Schallwelle 5 als Dichteschwankung im Oberflächenbereich 7 der Schraube 3 eine Veränderung des durch die Erregerspule S2 angelegten Meßfeldes be­ wirkt. Diese Veränderung des Meßfeldes im Oberflächenbereich 7 wird in den Ferritkern 2 des Meßkopfes 1 eingekoppelt und bewirkt in der Sensorspule S3 durch Induktion einen Spannungsstoß der detektiert wird. Die Laufzeit des Schallimpulses zwischen Auslösen des Magnetimpulses und Detektion der zurücklaufenden Schallwelle in der Sensorspule S3 ist ein Maß für die Länge der Schraube. Wiederholt man den eben beschriebenen Vorgang bei einer Schraube mit verändertem Belastungszustand, so ist die Laufzeitdifferenz aus der Laufzeit einer belasteten Schraube und einer unbelasteten Schraube ein Maß für die Dehnung der Schraube, und damit über den E-Modul des Schraubenmaterials ein Maß für die aktuelle Vor­ spannkraft der Schraube und damit schließlich ein Maß für die Festigkeit der Schraubverbin­ dung.

Zur Durchführung des Meßverfahrens ist der Meßkopf mit einer Auswerteelektronik verbun­ den, die über eine Schnittstelle 9 ausgelesen werden kann. Die Auswerteelektronik enthält auf einer Platine 8 ein Steuergerät ST, einen Impulsgenerator 10 und einen Impulsdetektor 11, der im einfachsten Fall auch als Flankendetektor oder Schwellwertdetektor ausgebildet sein kann. Zu einem ersten Zeitpunkt T1 wird vom Steuergerät ST mittels eines Steuerkomman­ dos im Impulsgenerator 10 ein Strompuls ausgelöst. Der Impulsgenerator 10 ist mit der Sen­ despule S1 verbunden, so daß in der hier zuvor beschriebenen Weise in der Sendespule S1 ein Magnetimpuls erzeugt wird, der in der Schraube 3 eine Schallwelle auslöst. Die reflek­ tierte Schallwelle löst in der Sensorspule S3 in der vorbeschriebenen Weise einen Span­ nungsimpuls aus. Die Sensorspule S3 ist deshalb mit dem Impulsdetektor 11 verbunden. Der Impulsdetektor 11 detektiert den Spannungsimpuls und erzeugt ein Signal, das an das Steuer­ gerät zum Zeitpunkt T2 zurückgeleitet wird. Die Zeiten die benötigt werden für die Si­ gnalübertragung von der Auswerteelektronik zu dem Meßkopf sowie für die notwendigen Berechnungen und Zeitmessungen in der Auswerteelektronik selbst sind vernachlässigbar klein, so daß die Zeitdifferenz zwischen den beiden Zeitpunkten T1 und T2 der Laufzeit des Schallimpulses in der Schraube entspricht.

Die Messung von Zeitdifferenzen zwischen einem ausgehenden Signal und einem eingehen­ den Signal mittels einer Auswerteelektronik oder mittels eines Steuergerätes ist an sich be­ kannt und wird hier der Vollständigkeit halber angegeben. Die Berechnung dieser Zeitdiffe­ renz und die Weitergabe der berechneten Zeitdifferenz an eine standardisierte Schnittstelle 9 ermöglicht die Weiterverarbeitung der gemessenen Laufzeiten in einer hier nicht gezeigten elektronischen Datenverarbeitung.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich lediglich hinsichtlich des unterschied­ lichen Meßkopfes 1a, der in diesem Ausführungsbeispiel nur 2 Spulen S1a, S2a auf dem Spulenträger 2 trägt. Das Meßverfahren selbst ist identisch mit dem zuvor beschriebenen Meßverfahren. Die unterschiedliche Ausgestaltung des Meßkopfes bedingt eine leicht geän­ derte Ansteuerung des Meßkopfes 1a. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Erre­ gerspule zur Erzeugung des Meßfeldes und die Sensorspule zur Detektion des reflektierten Schallimpulses 5 in einer einheitlichen Spule S2a vereinigt. Deshalb ist auch der Impulsde­ tektor 11 mit der kombinierten Erregerspule/Sensorspule S2a verbunden. Ein Meßkopf mit einer kombinierten Erregerspule/Sensorspule hat zwar den Vorteil, daß eine Spule einge­ spart werden kann, jedoch bereitet die Detektion des reflektierten Schallimpulses in der Aus­ werteelektronik wesentlich mehr Mühe, da das Signal für den zurücklaufenden Schallimpuls aus der hochfrequenten Erregerspannung des Generators 6 herausgefiltert werden muß.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 durch einen in den Meßkopf 1a integrierten Permanentmagneten 2b, der unter anderem die Funktion des Spulenträgers übernimmt. Hierdurch wird ein statisches magnetisches Meßfeld erzeugt, das eine Kopplung zwischen Meßkopf 1a und zu messendem Werkstück 3 herstellt. Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird mit mindestens einer Sendespule S1a ein Magnetimpuls in das Werkstück 3 eingekoppelt, der aufgrund des magnetolelasti­ schen Effekts im Werkstück 3 einen Schallimpuls hervorruft, dessen Schallwelle durch das Werkstück 3 hindurchläuft und reflektiert wird. Die reflektierte Schallwelle ruft aufgrund des magnetoelastischen Effektes eine Veränderung des Meßfeldes hervor. Diese Veränderung des Meßfeldes induziert in mindestens einer Sensorspule 2a eine Spannung. Die Detektivität der Sensorspule ist räumlich begrenzt und abstandsabhängig, d. h die Höhe der in der Sensorspule induzierten Spannung ist abhängig vom Ort der Schallwelle. Je näher die Schallwelle an den Meßkopf heranläuft, desto höher ist die Detektivität der Sensorspule S2a und desto höher wird die in der Sensorspule S2a induzierte Spannung. Mit einem Schwellwertdetektor 11b, dessen Detektorschwelle veränderbar und einstellbar ist und der an die Sensorspule S2a ange­ schlossen ist, wird deshalb der Meßkopf 1a dieses Ausführungsbeispiels der Fig. 3 auf ein zu messendes Werkstück kalibriert. Kalibrieren bedeutet in diesem Zusammenhang die Detek­ torschwelle so einzustellen, daß die Laufzeit zwischen ausgehendem Signal des Impulsgene­ rators 10 und vom Schwellwertdetektor aufgefangenem, die Detektorschwelle übersteigen­ den, reflektierten Signal der bekannten Länge der unbelasteten Schraube 3 entspricht. Nach erfolgter Kalibrierung des Meßkopfes ist die Laufzeitdifferenz aus der Laufzeit einer vorge­ spannten Schraube und der Laufzeit einer unbelasteten Schraube ein Maß für die Dehnung der Schraube, und damit über den E-Modul des Schraubenmaterials ein Maß für die aktuelle Vorspannkraft der Schraube. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß auf eine Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen hochfrequenten Meßfeldes und auf einen Generator zur Ansteuerung einer Erregerspule verzichtet werden kann.

In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Meßkopf (1a) lediglich eine Spule S, die sowohl mit dem Impulsgenerator 10 als auch mit Schwellwertdetektor 11b verbunden ist. Die Spule S wirkt damit sowohl als Sendespule zur Erzeugung eines Schallimpulses 4 als auch als Sensorspule zur Detektion der reflektierten Schallwellen 5.

Claims (14)

1. Verfahren zur Laufzeitmessung von Schallimpulsen in einem magnetoelastischen Werkstück (3), bei dem mit einem Meßkopf (1, 1a) aus einem Spulenträger (2) und mindestens einer Spule (S1, S2, S3, S2a, S1a), die den Spulenträger umschließt, ein magnetisches Meßfeld in den Oberflächenbereich (7) des Werkstücks eingebracht wird und mit einer Auswerteelektronik, die an mindestens eine Spule (S1, S2, S3, S1a, S2a) des Meßkopfes angeschlossen ist, und mindestens ein Steuergerät (ST), mindestens einen Impulsgenerator (10) und mindestens ein Detektormittel (11, 11b) enthält, wobei:
mit dem Impulsgenerator (10) zu einem ersten Zeitpunkt T1 in mindestens einer der Spulen (S1, S2, S3, S1a, S2a) ein Magnetimpuls erzeugt und in das Werkstück (3) eingekoppelt wird, so daß in dem Oberflächenbereich (7) des Werkstückes (3) aufgrund des magnetoelastischen Effektes ein Schallimpuls (4) entsteht, der am gegenüberliegenden Ende des Werkstückes (3) reflektiert wird,
und in mindestens einer der Spulen (S1, S2, S3, S1a, S2a) des Meßkopfes (1) die durch den reflektierten Schallimpuls (5) hervorgerufene Änderung des Meßfeldes in dem Oberflächenbereich (7) des Werkstücks (3) ein Spannungsimpuls induziert wird, dessen mindestens eine Flanke mit dem Detektormittel (11, 11b) zu einem zweiten Zeitpunkt T2 detektiert wird, so daß die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten T2 und T1 der Laufzeit des Schallimpulses in dem magnetoelastischen Werkstück (3) entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufzeit eines Schallimpulses zunächst in einer ersten Messung an einem unbelasteten Werkstück und anschließend in einer zweiten Messung die Laufzeit eines Schallimpulses an einem belasteten Werkstück gemessen wird und aus der Laufzeitdifferenz der Schallimpulse aus der ersten Messung und der zweiten Messung die Vorspannung des Werkstückes (3) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Meßfeld durch einen in den Meßkopf (1, 1a) integrierten Ferritkern (2), einer Erregerspule (S2, S2a) und einem Spannungsgenerator (6) erzeugt wird, und daß das magnetische Meßfeld ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Meßfeld durch einen Permanentmagneten (2b) erzeugt wird, und daß das Meßfeld ein statisches Magnetfeld ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßfeld in einer getrennten Erregerspule (S2) erzeugt wird,
daß der Magnetimpuls in einer getrennten Sendespule (S1) erzeugt wird,
und daß die Veränderung des Meßfeldes durch den reflektierten Schallimpuls (5) in einer getrennten Sensorspule (S3) einen Spannungsimpuls induziert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßfeld in einer kombinierten Erreger/Sensorspule (S2a) erzeugt wird,
daß der Magnetimpuls in einer Sendespule (1a) erzeugt wird,
und daß die Veränderung des Meßfeldes durch den reflektierten Schallimpuls (5) in der kombinierten Erreger/Sensorspule (S2a) einen Spannungsimpuls induziert.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Bestimmung der Vorspannkraft von Schrauben (3) eingesetzt wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es in Drehschraubern zur Bestimmung des Drehmomentes eingesetzt wird.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Sicherheitsüberprüfung von Schraubverbindungen eingesetzt wird.

9. Vorrichtung zur Laufzeitmessung von Schallimpulsen in magnetoelastischen Werkstücken mit einem Meßkopf (1, 1a), mit Mitteln (2, 6, S1, S2, S3, S1a, S2a, 2b) zur Erzeugung eines magnetischen Meßfeldes, das eine Kopplung zwischen dem Meßkopf (1, 1a) und dem zu messenden Werkstück bildet und mit einer Auswerteelektronik, die an mindestens eine Spule (S1, S2, S3, S1a, S2a) des Meßkopfes angeschlossen ist und mindestens ein Steuergerät (ST),
mindestens einen Impulsgenerator (10) zur Erzeugung von magnetischen Impulsen, die in dem zu messenden Werkstück aufgrund des magnetoelastischen Effekts impulsförmige Schallwellen (4, 5) auslösen
und mindestens ein Detektormittel (11, 11b) zur Detektion mindestens einer Flanke der durch die reflektierten Schallwellen (5) aufgrund des magnetoelastischen Effekts hervorgerufenen impulsartigen Veränderung des magnetischen Meßfeldes enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel (2, 6, S1, S2, S1a, S2a) zur Erzeugung eines magnetischen Meßfeldes aus einem Ferritkern (2), einem Spannungsgenerator (6) und mindestens einer Spule (S1, S2, S3, S1a, S2a) gebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (S1, S2, S3) als jeweils getrennte Sendespule (S1), Erregerspule (S2) und Sensorspule (S3) ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf zwei Spulen ( S1a, S2a) enthält, wobei eine der Spulen (S2a) sowohl an den Spannungsgenerator (6) als auch an das Detektormittel (11) angeschlossen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (2b) zur Erzeugung eines magnetischen Meßfeldes aus einem Permanentmagneten gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf zwei Spulen (S1a, S2a) enthält, wobei eine Spule (S1a) an den Impulsgenerator (10) und eine Spule (S2a) an das Detektormittel (11b) angeschlossen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (1a) nur eine Spule enthält, die sowohl an den Impulsgenerator (10) als auch an das Detektormittel (11b) angeschlossen ist.