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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Prüfung
an elektrischen Leitern mit Hilfe der Magnetfeld-Tomographie.
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Bei
den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen
zur zerstörungsfreien
Prüfung
an elektrischen Leitern, wie beispielsweise aus
DE 198 19 066 A1 ,
EP 1 357 380 A1 oder
Heptner, H. und Stroppe H. (1973): Magnetische und magnetinduktive
Werkstoffprüfung,
3. Auflage, S. 79-84, bekannt, kommt unter anderem das Strominjektionsverfahren
zum Einsatz. Bei diesem Verfahren wird der elektrische Leiter von
Gleichstrom oder Wechselstrom -im günstigen Fall homogendurchsetzt.
Im Falle der Fehlerfreiheit des Leiters wird im Außenraum
ein Magnetfeld erzeugt, welches sich in einfachen Fällen analytisch
sonst aber numerisch berechnen lässt.
Bei Vorhandensein von Materialfehlern wie Einschlüssen, Lunkern,
Rissen oder ähnlichem,
wird die Stromverteilung im Leiter lokal verändert, was sich in einer Änderung
des Magnetfeldes im Außenraum äußert. Dies
kann durch eine geeignete Magnetfeldmessmethode zur qualitativen Detektion
von Materialfehlern herangezogen werden.
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Für die quantitative
Erfassung von Materialfehlern, wie zum Beispiel deren räumlicher
Struktur, müssen
numeri sche Rückrechenalgorithmen
herangezogen werden, die aus den Magnetfelddaten das inverse Problem
lösen,
aus ihnen die Stromdichte innerhalb des Leiters zahlenmäßig zu rekonstruieren. Hierbei
ist es insbesondere bei hohen Stromstärken von Nachteil, dass das
gewünschte
Mess-Signal bezüglich
seiner Amplitude stark hinter dem durch den Gesamtstrom vorgegebenen
Magnetfeld zurücktritt. Entsprechend
hoch sind die Anforderungen an den dynamischen Bereich und die Rauschamplitude
der verwendeten Magnetfeldsensoren auf der einen Seite und an die
Qualität
der Rückrechenalgorithmen andererseits.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie
eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
an elektrischen Leitern zu schaffen, mit denen eine genauere Detektion
von Materialfehlern an elektrischen Leitern mit Hilfe der Magnetfeldtomographie
möglich
wird.
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Ausgehend
vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin
wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst mit den
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 angegebenen Merkmalen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, dass das Magnetfeld
des homogenen Leiters komplett oder zum größten Teil kompensiert werden
kann und dadurch die zu detektierende Abweichung des Magnetfelds
sehr viel stärker
zu Tage tritt. Die Gesamtamplitude wird nunmehr im wesentlichen
Maße durch
den zu detektierenden Materialfehler verursacht. Die Messsignale
der Magnetfeldsensoren und Resultate der Rückrechenalgorithmen steigen
erheblich in ihrer Genauigkeit.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des Verfahrens.
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Es
zeigt:
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1:
Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter mit zylindrisch durchgehendem
Defekt ohne Rückführung
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1a:
Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes durch
einen Leiter nach 1 gemessen entlang der Kreiskontur
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2:
Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter mit zylindrisch durchgehendem
Defekt und nicht optimierter Rückführung
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2a:
Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes durch
einen Leiter gemäß 2 gemessen
entlang der Kreiskontur
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3:
Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter mit zylindrisch durchgehendem
Defekt und optimierter, erfindungsgemäßer Rückführung
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3a:
Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes durch
einen Leiter gemäß 3 gemessen
entlang der Kreiskontur
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4:
Querschnitt durch einen runden Leiter mit zylindrisch durchgehendem
Defekt ohne Rückführung
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4a:
Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes durch
einen Leiter gemäß 4 gemessen
entlang der Kreiskontur
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5:
Querschnitt durch einen runden Leiter mit zylindrisch durchgehendem
Defekt und nicht optimierter Rückführung
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5a:
Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes durch
einen Leiter gemäß 5 gemessen
entlang der Kreiskontur
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6:
Querschnitt durch einen runden Leiter mit zylindrisch durchgehendem
Defekt und optimierter, erfindungsgemäßer Rückführung
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6a:
Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes durch
einen Leiter gemäß 6 gemessen
entlang der Kreiskontur
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Die
X-Achsen der 1a) bis 6a) geben die
entlang der Kreiskontur gemessenen Winkelpositionen an. Die Y-Achsen der 1a)
bis 6a) geben die durch die Magnetfeldsensoren entlang
der Kreiskontur gemessene magnetische Flussdichte in T an. Die in
den 1) bis 6) eingezeichneten Winkel Φ definieren
die jeweilige 0° Winkelposition entlang
der Kreiskontur, wobei der waagerecht angeordnete Schenkel des Winkels Φ der 0° Position
entspricht und der beispielhaft als Kreis eingezeichnete Defekt
dann jeweils eine Winkelposition von 90° aufweist.
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Die
durch eckige Symbole dargestellten Kurven geben die Messergebnisse
für die
jeweilige Anordnung ohne Defekt an. Die durch runde Symbole dargestellten
Kurven geben die Messergebnisse für die jeweilige Anordnung mit
Defekt an, wobei sich der Defekt beispielhaft in einer Winkelposition
von 90° befindet.
Die durch dreieckige Symbole dargestellten Kurven geben die Differenz
der Kurven mit und ohne Defekt an, wobei die Werte aus graphischen
Gründen
um den Faktor 100 verstärkt
wurden.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter 1 mit
zylindrisch durchgehendem Defekt 2 ohne Rückführung. Die
Kreiskontur 3 um diese Anordnung deutet den Pfad an, entlang
dessen das Magnetfeld berechnet wird.
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1a zeigt
das Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes
durch einen Leiter gemäß 1 gemessen
entlang der Kreiskontur 3. In der Winkelposition 90°, auf der
der durchgehende Defekt 2 zu finden ist, zeigt sich ein
nur minimal vom defektfreien Messsignal zu unterscheidendes Messsignal
was einem Signal-zu-Untergrund Verhältnis von etwa 2,5 × 10-3 (–0,025 × 10-5/9,85 × 10-5) entspricht. Als Untergrundsignal (hier
9,85 × 10-5) wurden die Minima der alternierenden
Amplitudenausschläge
der defektfreien Messsignale gewählt. Die
Minima der Amplitudenausschläge
resultieren aus den Flächen
des Quadrats in 1 und die Maxima der Amplitudenausschläge resultieren
aus den Ecken gemäß der Anordnung
in 1.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter 1 mit
zylindrisch durchgehendem Defekt 2 und nicht optimierter
Rückführung 4.
In diesem Fall wird die Rückführung 4 neben
dem zu untersuchenden Leiter 1 durchgeführt. Der Kreisring 3 um diese
Anordnung deutet den Pfad an, entlang dessen das Magnetfeld berechnet
wird.
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2a zeigt
das Messsignal des Magnetfeldes der Anordnung gemäß 2 gemessen
entlang der Kreiskontur 3. Hier ergibt sich ein starkes
Minimum des Messsignals im Winkelbereich der Rückführung bei 270°, die den
Einfluss des Defektes bei 90° im μT-Bereich
völlig
zurückdrängt. Die
Differenzkurve, dargestellt durch dreieckige Symbole, zeigt, dass
die durch den Defekt bei Winkelposition 90° verursachte Änderung
des Magnetfeldes sich nur durch eine relativ geringe Änderung
von 2 × 10-7 T detektieren lässt. In dem hier gezeigten
Beispiel beträgt
der Winkelabstand der Rückführung etwa
180° zum
Defekt. Im ungünstigsten
Fall könnten
beide Winkelpositionen identisch sein, was eine Unterscheidung der Einflüsse der
Rückführung und
des Defektes weiter erschweren würde.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter 1 mit
zylindrisch durchgehendem Defekt 2 und erfindungsgemäßer optimierter
Rückführung 4 des
Stroms, die hier beispielsweise aus vier 7-eckigen Elementen besteht.
Die Kreiskontur 3 um diese Anordnung deutet den Pfad an,
entlang dessen das Magnetfeld berechnet wird.
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In
der unteren, linken Figurecke wird eine Ausschnittvergrößerung eines
7-eckigen Elements 4 dargestellt.
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3a zeigt
das Messsignal des Magnetfeldes der Anordnung gemäß 3 gemessen
entlang der Kreiskontur 3. Hier ergibt sich auf der Winkelposition
des Defektes bei 90° ein
Minimum von -3,5 × 10-7 μT,
welches deutlich mit einem Signal-zu-Untergrundverhältnis von
etwa 3 (–3,5 × 10-7/–1,0 × 10-7) hervortritt. Aufgrund der viereckigen
Anordnung mit der erfindungsgemäßen Rückführung zeigt
das Messsignal ohne Defekt relativ viele Amplitudenausschläge. Als
Untergrundsignal wurde daher ein mittleres Signal von –1,0 × 10-7 gewählt.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch einen runden Leiter 1 mit zylindrisch
durchgehendem Defekt 2 ohne Rückführung. Der Kreisring 3 um
diese Anordnung deutet den Pfad an, entlang dessen das Magnetfeld
berechnet wird. Die Anordnung kann beispielsweise ein Draht sein,
der aus vielen Einzeldrähten
besteht, von denen einer gerissen ist und deshalb auf der gesamten
Drahtlänge
für den
Stromfluss nicht mehr zur Verfügung
steht.
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4a zeigt
das Messsignal eines Magnetfeldes bei Durchleiten eines Stromes
durch einen Leiter 1 gemäß 4 gemessen
entlang der Kreiskontur 3. In der Winkelposition 90°, auf der
der durchgehende Defekt 2 zu finden ist, ergibt sich ein
breites Minimum mit einer Amplitudenreduktion von etwa 0,6 μT, was einem
Signal-zu-Untergrundverhältnis von etwa
5 × 10-3 (0, 006 × 10-4/1,333 × 10-4) entspricht.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch einen runden Leiter 1 mit zylindrisch
durchgehendem Defekt 2 und nicht optimierter Rückführung 4.
In diesem Fall wird die Rückführung neben
dem zu untersuchenden Leiter durchge führt. Der Kreisring 3 um
diese Anordnung deutet den Pfad an, entlang dessen das Magnetfeld
berechnet wird.
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5a zeigt
das Messsignal des Magnetfeldes der Anordnung gemäß 5 gemessen
entlang der Kreiskontur 3. Hier ergibt sich ein starkes
Minimum des Messsignals im Winkelbereich der Rückführung bei 270°, die den
Einfluss des Defektes bei 90° im μT-Bereich
völlig
zurückdrängt. Die
Differenzkurve, dargestellt durch dreieckige Symbole zeigt, dass
die durch den Defekt bei Winkelposition 90° verursachte Änderung
des Magnetfeldes sich nur durch eine relativ geringe Änderung
von 7,5 × 10-7 T detektieren lässt. In dem hier gezeigten
Beispiel beträgt der
Winkelabstand der Rückführung etwa
180° zum Defekt.
Im ungünstigsten
Fall könnten
beide Winkelpositionen identisch sein, was eine Unterscheidung der
Einflüsse
der Rückführung und
des Defektes weiter erschweren würde.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch einen runden Leiter 1 mit zylindrisch
durchgehendem Defekt 2 und erfindungsgemäßer optimierter
konzentrischer Rückführung 4 des
Stroms. Der Kreisring 3 um diese Anordnung deutet den Pfad
an, entlang dessen das Magnetfeld berechnet wird.
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6a zeigt
das Messsignal des Magnetfeldes der Anordnung gemäß 6 gemessen
entlang der Kreiskontur 3. Hier ergibt sich auf der Winkelposition
des Defektes bei 90° ein
Minimum von –0,67 μT, welches
ohne Unter grund hervortritt. Dies entspricht einem theoretisch beliebig
guten Signal-zu-Untergrundverhältnis.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
von elektrischen Leitern durch Beaufschlagung des Leiters 1 mit
einem elektrischen Strom in Längsrichtung
und Messung des den Leiter 1 umgebenden Magnetfelds, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens ein den elektrischen
Strom rückführendes
Element 4 umfasst, welches den elektrischen Leiter umgibt
und dessen Geometrie eine dem elektrischen Leiter 1 im wesentlichen
entsprechende Symmetrie aufweist.
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Die
Erfinder haben in überraschender
Weise herausgefunden, dass das Haupt-Magnetfeld des Leiters 1,
welches eine genaue Messung von Abweichungen von Magnetfeldern,
die durch Defekte verursacht werden, stört, komplett oder teilweise
durch die erfindungsgemäße, optimierte
Rückführung des Stroms
mittels des erfindungsgemäßen Elements 4 kompensiert
werden kann. Dadurch treten die zu detektierenden Abweichungen des
Magnetfelds, verursacht durch Defekte, sehr viel stärker zu
Tage. Je genauer die Symmetrie und Geometrie des rückführenden
Elements 4 mit der Symmetrie und Geometrie des Leiters 1 abgestimmt
ist, desto besser kann das Magnetfeld des Leiters 1 kompensiert
werden. So ist beispielsweise im Falle eines Leiters 1 mit
rundem Querschnitt ein zylindrisch geformtes Rohr, welches sich
konzentrisch um den Leiter 1 erstreckt, eine besonders
bevorzugte Ausgestaltung des Elements 4. Ebenso geeignet
sind jedoch auch Elemente 4, die eine ähnliche oder im Wesentlichen entsprechende Symmetrie
der des Leiters 1 aufweisen. So sind grundsätzlich Elemente 4 mit
polygonal bzw. n-fach (wobei n = 4 bis unendlich) ausgestaltetem
Querschnitt möglich.
Hier kann beispielhaft ein viereckiger, fünfeckiger, sechseckiger, siebeneckiger
oder achteckiger Querschnitt des Elements 4 genannt werden.
So ist es aber auch möglich,
den Leiter 1 konzentrisch mit einer Gruppe von rückführenden Elementen 4 zu
umgeben, wobei dies beispielsweise eine Gruppe von 3 bis 20 polygonal
geformten Elementen, Rohren oder mehreren 100 Drähten sein kann, die den Leiter 1 umgeben.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
eine sehr viel genauere Detektion von Fehlern an elektrischen Leitern 1 vorgenommen
werden. Während
nach dem Stand der Technik ein Verhältnis des zu detektierenden
Messsignals zum Basis Messsignal, d.h. das Signal-zu-Untergrund Verhältnis, von ca.
1/100 vorherrscht, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das Messsignal sehr viel größer als
das Untergrundsignal werden.
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Im
Fall achsennaher Defekte werden die Änderungen der Magnetfeldamplituden
immer geringer, was zum einen auf den Effekt des größeren Abstands zum
Außenraum
zurückzuführen ist
und damit einhergehend mit dem Singulärwerden dieses Beispiels: ein
konzentrischer zweidimensionaler Defekt äußert sich nicht durch Verzerrung
des Magnetfeldes im Außenraum
und ist deswegen mit Hilfe von Magnetfeldmessung nicht detektierbar.
Erst durch eine Störung der
Zentrizität
oder durch endliche Länge
des Defektes in Stromrichtung würde
diese Bedingung wieder hergestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird den Anwendungsbereich der Strominjektionsmethode insbesondere
in Bezug auf kleine und/oder achsennahe Defekte ausweiten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung besteht das
Element 4 aus elektrisch leitendem Material. Hier können beispielhaft
Kupfer, Stahl, Messing oder Aluminium genannt werden.
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Das
den elektrischen Leiter umgebende Element 4 kann in engem
Abstand um diesen angeordnet sein, wobei die Messgenauigkeit zunimmt,
je enger das Element 4 den Leiter umgibt, um zur Steigerung
der Magnetfeldamplitude näher
an dem Leiter 1 liegende Messorte zuzulassen. Ja nach Anforderung an
die Messgenauigkeit und Sensibilität der Magnetfeldsensoren wird
der Abstand der rückführenden Elemente 4 empirisch
ermittelt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der Vorrichtung umgibt das Element 4 den Leiter 1 entlang
der gesamten Längsachse.
Hierdurch kann über
die gesamte Länge
des Leiters 1 das Magnetfeld kompensiert werden und so
mögliche
Defekte an allen Positionen des Leiters 1 detektiert werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Prüfung
elektrischer Leiter, bei welchem ein elektrischer Strom in Längsrichtung
durch den zu prüfenden
Leiter 1 durchgeleitet und das den Leiter 1 umgebende Magnetfeld
gemessen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der elektrische
Strom durch ein den elektrischen Leiter 1 umgebendes Element 4 mit
einer im wesentlichen gleichen Symmetrie und optimierten Geometrie,
wieder zurückgeführt wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
sowie das Verfahren eignen sich beispielsweise zur zerstörungsfreien
Prüfung
von Drähten
und Rohren oder Brennstoffzellen.