DE102005040743B4

DE102005040743B4 - Verfahren und Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung

Info

Publication number: DE102005040743B4
Application number: DE200510040743
Authority: DE
Inventors: Johann Prof. Dr. Hinken; Dirk Beilken
Original assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH); ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH
Current assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH); ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2025-08-27
Also published as: DE112006002761A5; WO2007022751A1; DE102005040743A1

Abstract

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung, bei welchem in einem
1.1. ersten Verfahrensschritt ein hochfrequentes Sendesignal eines Wirbelstromprüfgerätes (1) im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie mittels eines Vorschaltgerätes (V) in ein Signal im Frequenzbereich der Mikrowellendefektoskopie transformiert,
1.2. und in einem folgenden Verfahrensschritt dieses Signal dem zu prüfenden Werkstück (10) zugeführt,
1.3. wonach in einem weiteren Verfahrensschritt das vom Werkstück (10) reflektierte oder durch das Werkstück (10) transmittierte Signal erfasst
1.4. und in einem weiteren Verfahrensschritt dieses durch die Werkstückbeschaffenheit in charakteristischen Parametern veränderte Signal mittels des Vorschaltgerätes (V) auf eine Frequenz im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie transformiert und
1.5. schließlich dem Wirbelstromprüfgerät (1) zur Anzeige zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken. Das Verfahren ist insbesondere zur Defektoskopie an nichtmetallischen Werkstücken geeignet.
Zu den Standardverfahren der zerstörungsfreien Prüfung gehört zunächst die Werkstoffprüfung mit Wirbelströmen unter Verwendung von Wirbelstromfrequenzen im Bereich von 10 Hz bis 10 MHz. Mit dieser Technik können einige Defektarten in metallischen Werkstücken gut ermittelt werden. Jedoch werden in der heutigen Technik metallische Werkstoffe zunehmend durch Faserverbundwerkstoffe ersetzt. Wenn diese Werkstoffe in präzise verarbeiteten und monolithisch gestalteten Werkstücken vorliegen, eignet sich zu ihrer Prüfung häufig die Ultraschall-Defektoskopie. Bei weniger präzise gefertigten Werkstücken und in Verbindung mit Holz, Metall und Schaumstoffen versagen jedoch die Ultraschall-Defektoskopie sowie weitere Standardverfahren der zerstörungsfreien Prüfung.
Für Glasfaser- und Naturfaserverbundwerkstoffe eignen sich jedoch mikrowellengestützte Prüfverfahren, bei denen Frequenzen oberhalb 1 GHz verwendet werden.
Diese Messverfahren sind derzeit Gegenstand weltweiter Forschungen in unterschiedlichsten Forschungseinrichtungen. Entsprechend verschieden erfolgt die Ergebnisdarstellung bei den einzelnen Lösungen.
Der beschriebene Stand der Technik spiegelt sich zum Beispiel wieder in den Arbeiten von R. Zoughi: A Brief Review of Microwave Testing of Ratified Composite Structures, Materials Evaluation, February 2002, pp. 171-177 und O. Buyukozturk, J. Park & C. Au: Non-Destructive Evaluation of FRP-Confined Concrete Using Microwaves, DGZfP, International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering 2003.
Aus der Vielfalt unterschiedlicher Lösungen der Mikrowellen-Defektoskopie ergibt sich als entscheidender Nachteil die schlechte Vergleichbarkeit auf unterschiedlichen Wegen gewonnener Messdaten.
Hinzu kommt als weiterer Nachteil die bereits an sich schwierige Interpretation der Messergebnisse und der damit verbundene erhöhte Auswerteaufwand.
Dadurch entsteht als zusätzlicher Nachteil eine hohe Akzeptanzschwelle für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung in der Industrie.
Aus der US-Patentschrift 5,514,337 A ist ein Mikrowelleninstrument bekannt, dessen Aufbau bis auf zusätzliches Vorhandensein zweier Konverterbaugruppen schematisch einem Wirbelstromgerät gleicht (s. Zeichnungen 13 und 8 der US 5,514,337 ). Dies bedeutet jedoch nicht, dass die bereits genannten Nachteile zu Schwierigkeit und Akzeptanz der Mikrowellenmessung durch ein solches modifiziertes Mikrowellen-Messgerät beseitigt wären.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur zerstörungsfreien mikrowellengestützte Prüfung zu entwickeln, die eine Ergebnisdarstellung besitzen, die für Werkstoffprüfer mit Erfahrung in den Standardtechniken der zerstörungsfreien Prüfung leicht zu interpretieren ist. Außerdem soll der Auswerteaufwand zur Feststellung von Werkstückdefekten deutlich verringert und eine sehr kostengünstige Erfassungslösung für die Defekte entwickelt werden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung gelöst, welches die Verfahrensschritte entsprechend des Verfahrensanspruches aufweist.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine erfindungsgemäße Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung, welche die Merkmale entsprechend des Anordnungs anspruches aufweist.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung liegt in der Nutzung der Verwandtschaft der Untersuchungsprinzipien von Wirbelstrom- und Mikrowellenerfassung von Defekten.
Es wurde gefunden, dass sich auf überraschend einfache Weise die vorteilhafte Arbeitsweise der mikrowellenbasierten Werkstoffprüfung mit der gut bekannten und anerkannten Messwertdarstellung der Wirbelstromprüfung verbinden lässt.
Beide Verfahren nutzen elektromagnetische Schwingungen, wenn auch unterschiedlicher Frequenz. Bei der Wirbelstromprüfung als Standardverfahren der zerstörungsfreien Prüfung wird bei einer konstanten Betriebsfrequenz das Messergebnis für eine Impedanz in der komplexen Ebene mit Real- und Imaginärteil dargestellt. Der Messpunkt vollführt bei der Bewegung der Prüfsonde über einen Defekt hinweg in der komplexen Ebene charakteristische Kurvenbewegungen, aus denen der Experte auf die Art des Defektes schließen kann.
Die Erfindung sieht nun vor, dass diese Art der Messpunkt-Darstellung auch für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung angewendet wird.
Gemäß den Merkmalen des Verfahrensanspruchs wird im ersten Verfahrensschritt ein hochfrequentes Sendesignal eines Wirbelstromprüfgerätes im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie mittels eines Vorschaltgerätes in ein Signal im Frequenzbereich der Mikrowellendefektoskopie transformiert. In einem folgenden Verfahrensschritt wird dieses Signal dem zu prüfenden Werkstück zugeführt, wonach in einem weiteren Verfahrensschritt das vom Werkstück reflektierte oder durch das Werkstück transmittierte Signal erfasst wird. Dieses durch die Werkstückbeschaffenheit in charakteristischen Parametern veränderte Signal wird in weiteren Verfahrensschritten auf eine Frequenz im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie transformiert und einem Wirbelstromprüfgerät zur Anzeige zugeführt.
Das beschriebene Verfahren ist also nicht nur für eine Reflexionsmessung, sondern auch für die Transmissionsmessung im Mikrowellenbereich anwendbar.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung kann vorteilhaft mit einer ebenfalls erfinderischen Anordnung erfolgen: Hierzu wird vorgeschlagen, als Auswerte- und Anzeigegerät ein herkömmliches Wirbelstromprüfgerät mit einem Vorschaltgerät zur Frequenztransformation des gesendeten bzw. des reflektierten Signals zu verbinden.
Die Erfindungen werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung.
Gemäß Zeichnung weist die Anordnung die Bestandteile Wirbelstromprüfgerät 1 mit Display 2 sowie Vorschaltgerät V auf. Das Vorschaltgerät V besteht aus Mikrowellen-Oszillator 3, Leistungsteiler 4, Hybrid 5, Einseitenband-Mischer 6, Mischer 7 sowie Zirkulator 8 und ist mit einer Hohlleiter-Antenne 9 verbunden. Ein Werkstück 10 ist Gegenstand der defektoskopischen Untersuchung.
Im dargestellten Display 2 des Wirbelstromprüfgerätes 1 ist eine typische Defektanzeige zu sehen.
Das Vorschaltgerät V setzt zunächst die Sendefrequenz des Wirbelstromprüfgerätes 1 von z.B. 10 MHz in eine Mikrowellenfrequenz von z.B. 10 GHz um. Das kann als Aufwärtsmischung nach Art der Einseitenbandmodulation mit der Phasenmethode erfolgen. Das Mikrowellensignal trifft dann, wie bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Mikrowellen üblich, auf das Werkstück 10 und wird je nach Beschaffenheit reflektiert. Das reflektierte Signal ist gegenüber dem einfallenden Signal nach Betrag und Phase bzw. nach Real- und Imaginärteil verändert. Durch Abwärtsmischung wird dieses Messsignal wieder auf die Ausgangsfrequenz des Wirbelstrommessgerätes 1 zurückgemischt und in dessen Eingangskanal eingespeist. Damit wirkt das Vorschaltgerät V für das Wirbelstrommessgerät 1 wie eine herkömmliche Prüfsonde.
Die Rohmessergebnisse können in herkömmlicher Weise weiter verarbeitet, z.B. gefiltert, werden und dann auf dem Display 2 des Wirbelstrommessgerätes 1 zur Anzeige gebracht werden.
Die im Ausführungsbeispiel beschriebene Realisierung des Vorschaltgerätes V stellt nur eine von mehreren möglichen dar.
Die gewählte Anordnung des Ausführungsbeispiels ist als eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfindung zu verstehen – weitere Realisierungen des Vorschaltgerätes V sind denkbar und möglich, ohne dass das der Anspruchsbereich der Erfindung verlassen wird.
Als besondere Vorteile der Erfindung können gelten:
Die Kombination von Vorschaltgerät V und handelsüblichem Wirbelstrommessgerät 1 ist preisgünstig.
Für einen erfahrenen Wirbelstromprüfer wird es einfach sein, die individuellen Signaturen von mikrowellengeprüften Defekten zu erkennen und voneinander zu trennen.
Die Hemmschwelle zur Anwendung der mikrowellengestützten zerstörungsfreien Prüfung wird durch Verknüpfung mit dem Darstellungsmodus der bekannten wirbelstrombasierten zerstörungsfreien Prüfung erheblich reduziert – ein potentiell breiterer Anwenderkreis für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung kann erreicht werden.
Da durch das beanspruchte Verfahren, wie bereits erwähnt, nicht nur eine Reflexionsmessung, sondern auch eine Transmissionsmessung möglich ist, besitzt die Erfindung einen breiten Anwendungsbereich in der Defektoskopie diverser Werkstoffe.

1: Wirbelstromprüfgerät
2: Display
3: Mikrowellen-Oszillator
4: Leistungsteiler
5: Hybrid
6: Einseitenband-Mischer
7: Mischer
8: Zirkulator
9: Hohlleiter-Antenne
10: Werkstück
V: Vorschaltgerät

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung, bei welchem in einem 1.1. ersten Verfahrensschritt ein hochfrequentes Sendesignal eines Wirbelstromprüfgerätes (1) im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie mittels eines Vorschaltgerätes (V) in ein Signal im Frequenzbereich der Mikrowellendefektoskopie transformiert, 1.2. und in einem folgenden Verfahrensschritt dieses Signal dem zu prüfenden Werkstück (10) zugeführt, 1.3. wonach in einem weiteren Verfahrensschritt das vom Werkstück (10) reflektierte oder durch das Werkstück (10) transmittierte Signal erfasst 1.4. und in einem weiteren Verfahrensschritt dieses durch die Werkstückbeschaffenheit in charakteristischen Parametern veränderte Signal mittels des Vorschaltgerätes (V) auf eine Frequenz im Frequenzbereich der Wirbelstromdefektoskopie transformiert und 1.5. schließlich dem Wirbelstromprüfgerät (1) zur Anzeige zugeführt wird.
Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung, 2.1. ein Wirbelstromprüfgerät (1) als Auswerte- und Anzeigegerät sowie 2.2. ein Vorschaltgerät (V) zur Frequenztransformation des gesendeten bzw. des reflektierten Signals aufweisend, 2.3. wobei das Vorschaltgerät (V) aus einem Mikrowellen-Oszillator (3), einem Leistungsteiler (4), einem Hybriden (5), einem Einseitenband-Mischer (6), einem Mischer (7) sowie einem Zirkulator (8) besteht, 2.4 der Ausgang des Wirbelstromprüfgerätes (1) mit dem Eingang des Hybriden (5) des Vorschaltgerätes (V) und 2.5. der Eingang des Wirbelstromprüfgerätes (1) mit dem Mischer (7) des Vorschaltgerätes (V) verbunden sind, 2.6. während das Mikrowellensignal des Mikrowellen-Oszillators (3) in den Leistungsteiler (4) eingespeist und entsprechend geteilt einerseits dem Einseitenband-Mischer (6) und andererseits dem Mischer (7) zugeführt ist, 2.7. die Ausgänge des Hybriden (5) mit dem Einseitenband-Mischer (6) verbunden sind und 2.8. der Einseitenband-Mischer (6) den Zirkulator (8) speist, der mit einer Hohlleiter-Antenne (9) verbunden ist.