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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Erregersignalen und Demodulation von Antwortsignalen auf die Erregersignale für die zerstörungsfreie Materialprüfung, und insbesondere für eine Wirbelstromprüfung und Ultraschallprüfung.
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STAND DER TECHNIK
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Mehrere Prüfverfahren, wie zum Beispiel Wirbelstromprüfung, Ultraschallprüfung und Durchstrahlungsprüfung, sind in der zerstörungsfreien Materialprüfung bekannt und können wichtige Informationen über die Zusammensetzung, Fehlerfreiheit oder den Aufbau eines Werkstücks vermitteln. Dabei werden physikalische Effekte ausgenutzt, durch die diese Informationen, ohne das Werkstück selbst zu beschädigen, erhalten werden können.
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Bei der Wirbelstromprüfung wird durch Zuführen eines sinusförmigen Wechselstroms an eine Sendespule ein elektromagnetisches Wechselfeld durch die Spule erzeugt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld dringt als Erregersignal in ein zu prüfendes Werkstück ein und erzeugt nach dem Induktionsgesetz Wirbelströme im Werkstück. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld, das als Antwortsignal mit einer Empfangsspule gemessen werden kann, indem es durch die Empfangsspule in einen elektrischen Wechselstrom umgewandelt wird.
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Das gemessene Antwortsignal kann dazu verwendet werden, um die Materialeigenschaften des Werkstücks zu untersuchen. So können zum Beispiel Verunreinigungen und Beschädigungen in einem elektrisch leitfähigen Werkstück dadurch detektiert werden, dass sich die elektrische Leitfähigkeit oder die Permeabilität ändert. Genauer gesagt, kann das Antwortsignal zwei Kennwerte, nämlich den Betrag der Amplitude des empfangenen Signals und die Phasenlage des Antwortsignals bezogen auf das Erregersignal, liefern, die verglichen werden können zu anderen Messungen.
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Die Wirbelstromprüfung ist vielseitig industriell einsetzbar, zum Beispiel bei einer Verwechslungsprüfung, in der die Amplitudenänderung erfasst wird, bei einer Rissprüfung, in der die Änderung der Leitfähigkeit erfasst wird und bei der Materialeigenschaftsprüfung, in der die Permeabilität oder die Leitfähigkeit von Werkstoffzuständen bestimmt wird.
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Herkömmlich werden Erregersignale zur sinusförmigen elektromagnetischen Erregung mit Hilfe von analogen Schaltungen oder mit Signalgeneratoren erzeugt. Das wie oben erhaltene Antwortsignal aus dem Werkstück kann mit einem phasengekoppelten Regelkreis (PLL, Phase-Locked Loop) in Real- und Imaginärteil des Antwortsignals zerlegt, wobei das Erregersignal hierbei als Taktgeber dient.
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Ein phasengekoppelter Regelkreis ist eine komplizierte Schaltung, die gewöhnlich einen freilaufenden spannungsgeregelten Oszillator umfasst, dessen Frequenz in den Frequenzbereich der Vergleichsfrequenz heruntergeteilt wird. Somit lässt sich durch einen phasengekoppelten Regelkreis die Phase des Antwortsignals bezogen auf das Erregersignal erhalten.
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Jedoch ist der phasengekoppelte Regelkreis nicht nur eine komplizierte und teure Schaltung, sondern fügt auch eine Rauschkomponente dem Ausgangssignal des phasengekoppelten Regelkreises hinzu, wodurch die Phase nur mit einem Fehler behaftet ermittelbar ist.
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US 2005/0203394 A1 , betrifft eine Trigger-Extrahierung von Ultraschall-Doppler-Signalen. Ein Trigger-Extrahierungssystem wird zum Erhalten eines Ereignis-Triggers für ein Ereignis, das in einem interessierenden Bereich auftritt, beschrieben, wobei das System einen Prozessor, einen Speicher, und ein Trigger-Extrahierungsprogramm enthält. Hier stellt sich das Problem, dass Ultraschallbilder von sich bewegenden Objekten mit der Bewegung der Objekte synchronisiert werden müssen. Beispielsweise wird das Problem beschrieben, dass das Ultraschallbild eines Herzens eines Fötus nicht einfach mit dem Herzschlag des Fötus synchronisiert werden kann, da dieser nicht dem Herzschlag des EKG der Mutter entsprechen muss.
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US 4,059,795 betrifft eine digitale Wirbelstromvorrichtung zum Erfassen und Analysieren metallurgischer Eigenschaften von elektrisch leitenden Materialien.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Materialprüfung bereit zu stellen, die einen einfachen Aufbau besitzt und klein ist sowie eine genauere Materialprüfung durch ein verbessertes Signal-Rausch-Verhalten ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die zerstörungsfreie Materialprüfung bereit zu stellen, das mit relativ einfachen Mitteln eine genauere Materialprüfung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung für die zerstörungsfreie Materialprüfung eine Sendeeinheit zum Erregen eines Teststücks mit einem periodischen Erregersignal, eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals aus dem Teststück auf das Erregersignal, einen Signalgenerator zum Erzeugen und Ausgeben des Erregersignals und zum Ausgeben von mindestens zwei Triggerpulsen zu mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, und eine Halteeinheit zum Speichern von Werten des Antwortsignals ansprechend auf die Triggerpulse, wobei der Signalgenerator ausgebildet ist zum Ausgeben der Triggerpulse in Abhängigkeit vom Erregersignal. Durch Aussenden zweier Triggersignale in Abhängigkeit vom Erregersignal, dadurch also, dass die Phasenbeziehung bzw. der zeitliche Unterschied zwischen Triggerpulsen und Erregersignal bekannt ist, da diese vom gleichen Signalgenerator ausgegeben werden, können demgemäß die Materialeigenschaften eines Teststücks genau bestimmt werden. Da dies mit einer vergleichsweisen simplen Schaltung ohne Oszillator erreicht wird, lässt sich die Größe der Schaltung verkleinern und ein Signal-zu-Rausch-Verhalten verbessern.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel entsprechen die mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkte unterschiedlichen Phasenlagen im Erregersignal. Dadurch lassen sich einfach Betrag der Amplitude und Phase des Antwortsignals erfassen, indem beispielsweise ein im Antwortsignal auftretender Amplitudenwert bei dem ersten Triggersignal auf eine y-Achse im Impedanzdiagramm aufgetragen wird und ein bei einem zweiten Triggerpuls auftretender Wert des Antwortsignals auf der x-Achse des Impedanzdiagramms aufgetragen wird. Somit lassen sich Betrag und Phase des Antwortsignals mit vorherigen Messungen am gleichen Teststück oder an einem Referenzstück vergleichen.
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Gemäß einem vorteilhaften Beispiel ist der Signalgenerator ausgebildet zum Speichern und/oder Berechnen einer digitalen Wellenform eines Erregersignals und zum Ausgeben der digitalen Wellenform des Erregersignals. Beispielweise kann ein Signalverlauf eines Erregersignals im Signalgenerator abgelegt werden, z. B. in Tabellenwerten, so dass eine schnelle und flexible Ausgabe des Erregersignals erreicht werden kann. Alternativ kann der Signalgenerator eine Wellenform erzeugen, indem er eine Taylorentwicklung berechnet.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung einen Digital-Analog-Umsetzer zum Umsetzen der digitalen Wellenform des Erregersignals in ein analoges Erregerstromsignal, das an die Sendeeinheit zuzuführen ist. Somit kann ein digital abgelegter Signalverlauf eines Erregersignals in ein analoges Signal umgesetzt werden, das an eine Sendespule zuzuführen ist zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes zum Anregen eines Teststücks.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist der Signalgenerator ausgebildet zum Speichern und Ausgeben von digitalen Triggerpulsen. Somit lassen sich neben der Erzeugung des Erregersignals im Signalgenerator auch Triggerpulse im gleichen Signalgenerator erzeugen, wodurch die Beziehung zwischen Triggerpulsen und Werten des Erregersignals sehr genau und leicht feststellbar ist.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist das Erregersignal im Wesentlichen sinusförmig. Dadurch wird sichergestellt, dass auch die Wellenform des Antwortsignals einfach handhabbar ist und Antwortsignale mit mehreren Frequenzen und Phasenverschiebungen vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist die Halteeinheit als Abtast-Halte-Schaltung ausgebildet zum Abtasten und Halten bei jedem Triggerpuls des Werts des Antwortsignals. Somit lassen sich leicht der Betrag der Amplitude und die Phase des Antwortsignals bezüglich des Erregersignals feststellen, indem die Werte des Antwortsignals, die in der Abtast-Halte-Schaltung gehalten werden, zur Berechnung herangezogen werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zum Berechnen eines Phasenunterschieds und eines Amplitudenunterschieds des Antwortsignals bezüglich des Erregersignals, basierend auf den in der Halteeinheit gespeicherten Werten des Antwortsignals. Demgemäß kann der Phasenunterschied und der Amplitudenunterschied des Antwortsignals bezüglich des Erregersignals direkt erhalten werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel entspricht der feste zeitliche Abstand zwischen den mindestens zwei Triggerpulsen im Wesentlichen einer Phasenverschiebung von 90° des Erregersignals oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. Somit lassen sich der Phasenunterschied und der Betrag der Amplitude des Antwortsignals einfach berechnen oder ablesen, in dem die Werte des Antwortsignals bei einem Triggerpuls in einem rechtwinkeligen Impedanzdiagramm aufgetragen werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst der Signalgenerator ferner einen Speicher, der derart ausgebildet ist, dass mindestens zwei Speicherbereiche für jeweils einen ersten und zweiten Triggerpuls vorgesehen sind und weitere Speicherbereiche für mindestens eine Wellenform des periodischen Erregersignals vorgesehen sind. Somit kann eine sehr genaue Beziehung zwischen den Triggerpulsen und den Werten des Erregersignals festgelegt werden, da beispielsweise ein Triggerpuls gleichzeitig mit einem in der Phase und Amplitude bekannten Erregersignalwert ausgegeben werden kann oder alternativ zeitlich versetzt von diesem, wobei der Zeitunterschied leicht festgestellt werden kann. Somit besteht eine genaue Beziehung zwischen den Triggerpulsen und den Erregersignalwerten, was zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhalten führt und zu genaueren Messergebnissen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist der Signalgenerator ausgebildet zum Speichern und Ausgeben mehrerer unterschiedlicher Wellenformen von Erregersignalen mit unterschiedlichen Frequenzen. Demnach wird ein sehr flexibles Prüfsystem bereitgestellt, bei dem verschiedene Erregersignale mit beliebigen Wellenformen im Speicher abgelegt werden können.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist der Signalgenerator ferner ausgebildet zum Ausgeben, nach Ablauf einer Periode oder eines Mehrfachen einer Periode eines ersten Erregersignals mit einer ersten Frequenz, eines zweiten Erregersignals mit einer zweiten Frequenz, so dass durch hintereinander folgendes Ausgeben von Erregersignalen mit unterschiedlichen Frequenzen Anregungen mit unterschiedlichen Frequenzen im Teststück erzeugt werden. Somit lässt sich ein Mehrfrequenzprüfverfahren flexibel realisieren, indem in kurzer Zeit ein Teststück mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden kann, das daraufhin Antwortsignale mit unterschiedlichen Frequenzen aussendet, wodurch eine Phasenänderung und ein Betrag der Amplitude der Antwortsignale für verschiedene Frequenzen erhalten werden kann, was die Genauigkeit und die Verlässlichkeit der zerstörungsfreien Materialprüfung weiter verbessert.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel wird mindestens ein Triggerpuls pro Periode des periodischen Erregersignals über mehrere Perioden ausgegeben. Somit lassen sich schnell Messungen wiederholen, da in einer geringen Anzahl von Perioden mehrere Messergebnisse erhalten werden können, ohne dass irgendwelche Rückkopplungen oder Phasenregelungen benötigt werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel entsprechen die mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkte der Triggersignale gleichen Phasenlagen im Erregersignal und die relative Position zwischen Sendeeinheit und Teststück zwischen den Zeitpunkten wird verändert. Demnach kann eine Änderung in der Materialeigenschaft des Teststückes auch ohne Berechnung einer Phasenänderung oder einer Amplitude erhalten werden, indem Werte des Antwortsignals bei Triggersignalen mit jeweils gleichen Phasenlagen im Erregersignal verglichen werden, während das Erregersignal bei verschiedenen Stellen des Teststücks Wirbelströme induziert.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Vorrichtung eine Detektionseinheit zum Feststellen einer Änderung von in der Halteeinheit gespeicherten Werten des Antwortsignals, von der eine Änderung in den Eigenschaften des Teststücks ableitbar ist. Somit lassen sich Änderungen in den Materialeigenschaften des Teststücks sofort feststellen, und beispielsweise mit Änderungen in Referenztabellen vergleichen, woraus Rückschlüsse auf die Materialeigenschaft gezogen werden können.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst die Sendeeinheit eine Sendespule und die Empfangseinheit umfasst eine Empfangsspule zur Wirbelstromprüfung und das Erregersignal ist erzeugt durch ein Wechselstromsignal. Somit lässt sich eine Wirbelstromprüfung mit herkömmlichen Sende- und Empfangsspulen einfach durchführen. Alternativ umfassen die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils einen Transducer oder Ultraschallgeber bzw. Ultraschallempfänger zur Ultraschallprüfung, und das Erregersignal ist erzeugt durch ein Wechselstromsignal und stellt eine Ultraschallwelle dar. Demnach ist es auch möglich eine Materialprüfung an Werkstücken durchzuführen, die nicht elektrisch leitfähig sind und in denen keine induzierten Wirbelströme entstehen, somit ergänzen sich die Wirbelstromprüfung als Oberflächenprüfung und die Ultraschallprüfung als Volumenprüfung.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren für die zerstörungsfreie Materialprüfung ein Erzeugen und Ausgeben eines periodischen Erregersignals, Ausgeben von mindestens zwei Triggerpulsen zu mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten in Abhängigkeit des Erregersignals, Erregen eines Teststücks mit dem periodischen Erregersignal, Empfangen eines Antwortsignals aus dem Teststück auf das Erregersignal in einer Empfangseinheit, und Speichern von Werten des Antwortsignals ansprechend auf die Triggerpulse. Somit lässt sich ein einfaches und verlässliches Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung bereitstellen, das ein verbessertes Signal-Rausch-Verhalten zu herkömmlichen Verfahren aufweist und daher eine empfindlichere Detektion von Verunreinigungen oder Beschädigungen in einem Teststück ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in den Ansprüchen offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Materialprüfung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens für die zerstörungsfreie Materialprüfung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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3 zeigt zwei voneinander phasenverschobene periodische Signale zur Erklärung einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt ein Impedanzdiagramm, das darstellt, wie eine Phasenänderung und eine Amplitude des Antwortsignals aus 3 erhalten werden können.
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5 zeigt eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Materialprüfung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei sind in verschiedenen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Bauteile jeweils mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die im Detail unten beschrieben werden, werden ausführlich mit Bezug auf die Wirbelstromprüfung beschrieben. Jedoch wird bemerkt, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden sollte. Beispielsweise erkennt der Fachmann auf dem Gebiet der Materialprüfung sofort, dass die Erfindung nicht auf Wirbelstrom begrenzt ist, aber auch andere Prüfungsverfahren, wie zum Beispiel eine Ultraschallprüfung, verbessert werden können, indem die Erfindung auf beispielsweise die Ultraschallprüfung angewendet wird.
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Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf ein Erzeugen eines Erregersignals und Triggerpulse durch denselben Signalgenerator, so dass eine Phasenbeziehung zwischen den Triggerpulsen und den Werten des Erregersignals direkt verfügbar ist in dem Signalgenerator. Dies bedeutet, dass die zeitliche Beziehung zwischen dem Ausgabezeitpunkt eines Triggerpulses und dem Ausgabezeitpunkt eines Amplitudenwerts des Erregersignals direkt im Signalgenerator einstellbar bzw. messbar ist.
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Kurz zusammengefasst, wird hier im Folgenden eine Vorrichtung beschrieben, in der ein Erregersignal erzeugt wird, das ein Teststück anregt. Darauf ansprechend sendet das Teststück ein Antwortsignal aus, das gemessen werden kann. Durch gleichzeitiges oder zeitversetztes Aussenden mit bekannter Verzögerung von Triggerpulsen zu Erregersignalwerten und Speichern von Antwortsignalwerten ansprechend auf die Triggerpulse, wird eine feste Phasenbeziehung zwischen den gespeicherten Werten des Antwortsignals und den Erregersignalwerten erlangt, so dass sich Informationen über den Zustand und die stoffliche Zusammensetzung des Werkstücks erhalten lassen.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 für die zerstörungsfreie Materialprüfung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Vorrichtung eine Sendeeinheit 110, eine Empfangseinheit 120, einen Signalgenerator 130 und eine Halteeinheit 140 umfasst.
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Diese Einheiten können individuelle Einheiten darstellen, die miteinander verbunden sind, oder können auch auf eine passende Art und Weise zusammengefasst werden. Die von diesen Einheiten ausgeführten Funktionen werden im Folgenden beschrieben.
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Die Sendeeinheit 110 dient zum Erregen eines Teststücks mit einem periodischen Erregersignal. Beispielsweise ist die Sendeeinheit 110 ausgebildet, ein Wechselstromsignal zu erhalten, das bevorzugt sinusförmig ist und aus einer oder mehreren Perioden einer sinusförmigen Schwingung besteht. Dieses Wechselstromsignal wird in der Sendeeinheit in ein passendes Erregersignal zum Erregen eines Teststücks umgewandelt, z. B. ein elektromagnetisches Wechselfeld oder eine Ultraschallwelle, falls dies notwendig ist.
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In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, die später ausführlich beschrieben wird, kann die Sendeeinheit eine Sendespule darstellen, wobei der Wechselstrom in der Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das dann auf das Teststück gesendet werden kann und darin Wirbelströme induzieren kann. In dieser speziellen Ausführungsform entspricht das periodische Erregersignal einem elektromagnetischen Erregerwechselfeld.
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Die Empfangseinheit 120 dient zum Empfangen eines Antwortsignals aus dem Teststück auf das Erregersignal. Beispielsweise wird das Antwortsignal in der Regel auch ein sinusförmiges Signal sein, falls das periodische Erregersignal sinusförmig ist.
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In dem oben beschriebenen Beispiel der Induktion eines Wirbelstroms in einem Teststück, ist die Empfangseinheit als Empfangsspule ausgebildet zum Empfangen einer elektromagnetischen Welle als Antwortsignal, die durch die Wirbelströme im Teststück hervorgerufen wird. In diesem Beispiel ist die Spule der Empfangseinheit 120 derart ausgebildet, dass sie dieses elektromagnetische Antwortwechselfeld in einen elektrischen Wechselstrom umwandeln kann, der leicht gemessen und weiterverarbeitet werden kann.
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Der Signalgenerator 130 dient zum Erzeugen und Ausgeben von Erregersignalen und zum Ausgeben von mindestens zwei Triggerpulsen zu mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten. Der Signalgenerator 130 ist verbunden mit der Sendeinheit 110 zum Zuführen des Erregersignals an dieselbe. In dem oben genannten Beispiel mit Wirbelstrom gibt der Signalgenerator 130 einen Wechselstrom aus mit der Wellenform des Erregersignals.
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Daher ist der Signalgenerator bevorzugt ausgebildet zum Speichern einer Wellenform des Erregersignals, die digital abgelegt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Signalgenerator 130 auch ausgebildet sein zum Berechnen einer Wellenform eines Erregersignals, beispielsweise durch Berechnen einer Taylor-Entwicklung für eine periodische Funktion, wie zum Beispiel eine sinusförmige Funktion.
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Wie später ausführlich beschrieben wird, kann der Signalgenerator ferner einen Speicher umfassen, der derart ausgebildet ist, dass mindestens zwei Speicherbereiche für jeweils einen ersten und zweiten Triggerpuls der mindestens zwei Triggerpulse vorgesehen sind, und weitere Speicherbereiche im Speicher für mindestens eine Wellenform des periodischen Erregersignals vorgesehen sind.
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Indem das Erregersignal und die Triggerpulse im selben Signalgenerator 130 erzeugt und ausgegeben werden, lässt sich eine zeitliche bzw. Phasen-Beziehung zwischen den Zeitpunkten, bei denen die Triggerpulse ausgegeben werden, und den verschiedenen Werten, das heißt, Amplitudenwerten, des Erregersignals leicht feststellen.
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Beispielsweise kann eingestellt oder detektiert werden, dass bei einem Nulldurchgang eines sinusförmigen Erregersignals zusätzlich ein erster Triggerpuls ausgegeben wird und bei einem nachfolgenden maximalen Amplitudenwert des sinusförmigen Erregersignals, z. B. 1 in 3 und 90 Grad in der Phase verschoben, ein zweiter Triggerpuls ausgegeben wird. Somit ist die Beziehung zwischen Triggerpulsen und der Wellenform des Erregersignals exakt bekannt.
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Die Halteeinheit 140 der Vorrichtung 100 dient zum Speichern von Werten des Antwortsignals ansprechend auf die Triggerpulse. Wie später noch näher erläutert wird, ist der Signalgenerator 130 auch ausgebildet, die Triggerpulse der Halteeinheit 140 zuzuführen. Die Halteeinheit 140 verhält sich daraufhin ähnlich zu einem Gate, das bedeutet, dass die Halteeinheit 140 beim Empfang eines Triggerpulses zum Speichern von Werten des Antwortsignals bereit ist.
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Die Halteeinheit 140 ist wiederum mit der Empfangseinheit 120 verbunden, so dass das Antwortsignal von der Halteeinheit 140 empfangen wird. Im obigen Wirbelstrombeispiel würde ein elektromagnetisches Antwortwechselfeld durch die Empfangseinheit 120 umgewandelt werden in ein periodisches Wechselstromsignal, das an der Halteeinheit 140 empfangen wird.
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Durch Empfang eines Triggerpulses wird sodann die Halteeinheit aktiviert und ein zu diesem Zeitpunkt auftretender Amplitudenwert des Antwortsignals bzw. eine abgegriffene Spannung, hervorgerufen von dem Antwortwechselstromsignal, kann in der Halteeinheit gehalten werden. Abhängig von dem Speicher in der Halteeinheit können demnach mehrere Werte des Antwortsignals bei verschiedenen Triggerpulsen gespeichert werden.
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Wie bereits bei der Erklärung des Signalgenerators 130 angesprochen, ist der Signalgenerator 130 ausgebildet zum Ausgeben der Triggerpulse in Abhängigkeit von dem Erregersignal. Diese Abhängigkeit kann sich beispielsweise auf eine zeitliche oder entsprechende Phasen-Abhängigkeit beziehen. Dies bedeutet, dass die Beziehung zwischen den Zeitpunkten, zu denen die Triggerpulse ausgegeben werden, zu den Zeitpunkten, zu denen verschiedene Amplitudenwerte des Erregersignals oder der Wellenform des Erregersignals ausgegeben werden, genau bekannt sind.
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Somit ist auch die Phasenlage bzw. der Zeitunterschied zwischen den Werten des Antwortsignals, die in der Halteeinheit 140 gespeichert werden, genau bekannt, da die Zeitdifferenz zwischen den Triggerpulsen genau bekannt ist. Deshalb lassen sich eine genaue Phaseninformation des Antwortsignals bezüglich dem Erregersignal und eine Amplitudenänderung von dem Erregersignal zu dem Antwortsignal direkt erhalten, die Informationen liefern über die Materialeigenschaft, Verunreinigungen oder Beschädigungen des Teststücks.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens für die zerstörungsfreie Materialprüfung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Dieses Verfahren kann beispielsweise von der in 1 gezeigten Vorrichtung 100 ausgeführt werden.
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In einem ersten Schritt 210 wird ein periodisches Erregersignal erzeugt und ausgegeben. Wie oben beschrieben, kann das Erregersignal oder zumindest die Wellenform des Erregersignals in einem Signalgenerator 130 erzeugt werden. Danach wird das Erregersignal ausgegeben.
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Wie oben beschrieben, kann es notwendig sein, dass eine Sendeeinheit 110 das Erregersignal in eine passende physikalische Repräsentierung umwandelt, z. B. elektromagnetische Welle oder Ultraschallwelle. Beispielsweise gibt im obigen Wirbelstrombeispiel ein Signalgenerator zuerst einen Erregerwechselstrom aus, der durch eine Spule umgewandelt wird in eine elektromagnetische Welle zum Erzeugen von Wirbelströmen in dem Teststück. Jedoch sind auch Prüfverfahren denkbar, bei denen eine derartige Umwandlung nicht nötig ist. Beispielsweise könnte die Sendeeinheit direkt einen Wechselstrom an ein Teststück anlegen oder der Signalgenerator 130 könnte derart ausgebildet sein, dass er direkt eine elektromagnetische Welle erzeugt.
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Daher sollte hier erkannt werden, dass das Erregersignal entweder mittelbar oder unmittelbar im Signalgenerator erzeugt werden kann und folglich auch eine Halteeinheit 140 das Antwortsignal mittelbar oder unmittelbar empfängt.
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In einem nachfolgenden Schritt 220 werden mindestens zwei Triggerpulse zu mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten in Abhängigkeit des Erregersignals ausgegeben. Dieser Schritt 220 kann gleichzeitig mit dem Ausgeben bestimmter Werte eines periodischen Erregersignals in Schritt 210 erfolgen. Es sollte also darauf geachtet werden, dass eine zeitliche Beziehung, was einer Beziehung in der Phasenlage des Erregersignals entspricht, zwischen zwei Triggerpulsen und zwei Amplitudenwerten des Erregersignals mit dem gleichen zeitlichen Abstand wie die Triggerpulse, besteht.
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Im nächsten Schritt 230 wird ein Teststück mit dem periodischen Erregersignal erregt, so dass im Wirbelstrombeispiel durch die elektromagnetische Welle des Erregersignals Wirbelströme induziert werden, wobei diese Wirbelströme wiederum ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen, das gewöhnlich phasenverschoben ist zum Erregersignal und eine geringere Amplitude aufweist.
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Dieses beispielsweise durch die induzierten Ströme hervorgerufene elektromagnetische Wechselfeld kann sodann im Schritt 240 als Antwortsignal aus dem Teststück auf das Erregersignal in einer Empfangseinheit empfangen werden. Das erhaltene Antwortsignal ist dann gewöhnlich auch ein periodisches Signal, wobei jedoch die Phasenlage gewöhnlich eine andere ist als die des Erregersignals.
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In Schritt 250 können die Werte des Antwortsignals ansprechend auf die Triggerpulse gespeichert werden. Wie oben erklärt wurde, werden die Triggerpulse in einer festen zeitlichen Beziehung zu den entsprechenden Werten des Erregersignals ausgegeben und durch Triggern des Haltens von Werten des Antwortsignals ansprechend auf die Triggerpulse können sodann Werte des Antwortsignals gespeichert werden, die die gleiche zeitliche Beziehung zu den Triggerpulsen besitzen, wie die Triggerpulse zu den entsprechenden Werten des Erregersignals.
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Die Beziehung zwischen dem Erregersignal, dem Antwortsignal und den Triggerpulsen wird im Folgenden in 3 detailliert beschrieben.
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3 zeigt zwei periodische Signale, nämlich ein Erregersignal und ein Antwortsignal, die um einen bestimmten Betrag voneinander phasenverschoben sind. Auf der y-Achse ist die Amplitude dargestellt und auf der x-Achse die Zeit. Das Erregersignal und das Antwortsignal stellen 2π-periodische Signale mit unterschiedlichen Amplituden dar. Die gepunktete senkrechte Linie und die gestrichelte senkrechte Linie stellen den Zeitpunkt einer Ausgabe eines ersten bzw. zweiten Triggerpulses dar.
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In diesem Beispiel entsprechen die mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkte, zu denen die mindestens zwei Triggerpulse ausgegeben werden, unterschiedlichen Phasenlagen im Erregersignal. Insbesondere entspricht der feste zeitliche Abstand zwischen den hier gezeigten zwei Triggerpulsen einer Phasenverschiebung von 90 Grad des sinusförmigen Erregersignals.
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In diesem Beispiel wird das empfangene Antwortsignal bei 0 Grad und 90 Grad der Wellenform des Erregersignals getriggert. Durch die, wie in 3 gezeigten, ausgegebenen Triggerpulse, kann der momentane Wert einer Eingangspannung, die von dem Antwortsignal in der Halteeinheit 140 hervorgerufen wird, erhalten werden und mindestens solange gehalten werden, bis der nächste Triggerpuls anliegt.
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Somit können in diesem Beispiel die Triggerpulse zur Demodulation des Antwortsignals verwendet werden, da diese Triggerpulse synchron zum erzeugten Erregersignal erzeugt werden können. Deshalb können Werte des Antwortsignals mit der gleichen Phasenlage in der Halteeinheit 140 gespeichert werden, wie die Phasenlage zwischen zwei Werten des Erregersignals, die gleichzeitig mit den Triggerpulsen ausgegeben wurden.
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Im Beispiel der 3 bedeutet dies, dass die gespeicherten Werte des Antwortsignals den genau gleichen Phasenunterschied von 90 Grad besitzen, wie die Werte des Erregersignals, die gleichzeitig mit den Triggerpulsen ausgegeben wurden.
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In 4 wird gezeigt, wie sich aus den in der Halteeinheit 140 gespeicherten Werten des Antwortsignals einfach der Betrag und Phase des Antwortsignals, bezogen auf das Erregersignal, erhalten lässt.
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4 zeigt ein Impedanzdiagramm, das eine Impedanzebene aufspannt. Da das Antwortsignal sich als eine komplexe Funktion mit Realteil und Imaginärteil darstellen lässt, kann das Antwortsignal auch als eine Exponentialfunktion mit einem Exponenten jφ dargestellt werden, wobei j die imaginäre Einheit darstellt und φ die Phase.
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Indem in der Halteeinheit 140 der bei 0 Grad gespeicherte Wert des Antwortsignals auf der y-Achse aufgetragen wird, und der bei 90 Grad gespeicherte Wert des Antwortsignals auf der X-Achse des Impedanzdiagramms aufgetragen wird, lässt sich die Phase φ einfach durch eine Tangensfunktion bestimmen, zum Beispiel durch Dividieren des Werts der y-Komponente durch den Wert der x-Komponente. Der Betrag der Amplitude des Antwortsignals lässt sich einfach durch die Wurzel der Summe des Werts der x-Komponente zum Quadrat und des Werts der y-Komponente zum Quadrat erhalten. In 4 entspricht dies der Länge des Abstands zwischen dem Ursprungs des Koordinatensystems und dem gezeigten Kreuz ”+”.
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Somit lassen sich Betrag und Phase des Antwortsignals bezüglich dem Erregersignal leicht berechnen und mit vorherigen Messungen am gleichen Teststück oder an einem Referenzstück vergleichen, wodurch Rückschlüsse gezogen werden können auf die Beschaffenheit des Materials hinsichtlich Fehlstellen oder Rissen.
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In dem in den 3 und 4 beschriebenen Beispiel entsprechen zwei unterschiedliche Zeitpunkte der Triggerpulse unterschiedlichen Phasenlagen im Erregersignal. Jedoch wird auch ein effektives Verfahren zur Materialprüfung bereitgestellt, indem zwei unterschiedliche Zeitpunkte der Triggerpulse gleichen Phasenlagen im Erregersignal entsprechen und die relative Position zwischen Sendeinheit und Teststück zwischen diesen Zeitpunkten während den Messungen verändert wird.
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Beispielsweise können Amplitudenwerte des Antwortsignals jeweils bei einer gleichen Phasenlage nacheinander gemessen werden und verglichen werden, während die Sendeeinheit über das Teststück bewegt wird oder das Teststück relativ zu der Sendeeinheit bewegt wird. Dabei würde eine Änderung des Amplitudenwerts des Antwortsignals auch einer Änderung der Materialeigenschaft entsprechen, so dass durch dieses einfache Verfahren auch Risse oder Änderungen in der Zusammensetzung des Teststücks detektiert werden können.
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Wie im vorherigen Beispiel ist dabei von Bedeutung, dass zu den jeweiligen Messungen die Phasenlagen der entsprechenden Werte des Erregersignal genau bekannt sind, z. B. Triggerpulse werden immer bei 0 Grad des Erregersignals erzeugt.
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Als Nächstes wird eine Vorrichtung 500 für die zerstörungsfreie Materialprüfung gemäß einer weitern Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 5 beschrieben.
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Die Vorrichtung 500 stellt eine Weiterentwicklung der Vorrichtung 100 von 1 dar. Die Vorrichtung 500 umfasst eine Sendeeinheit 110, eine Empfangseinheit 120, einen digitalen Signalgenerator 530 mit einem Speicher 532, eine Abtast-Halte-Schaltung 540, einen Digital-Analog-Umsetzer 550 und eine Auswerteeinheit 560.
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Wie schon mit Bezug auf 1 erklärt, können die Einheiten in 5 individuelle Einheiten darstellen, die miteinander verbunden sind oder können auch auf eine passende Art und Weise zusammengefasst werden. Dabei ist es denkbar, dass der Digital-Analog-Umsetzer 550 und/oder die Sendeeinheit 110 in dem digitalen Signalgenerator beispielsweise integriert sind.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 500 wird im Folgenden beschrieben.
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Wie schon mit Bezug auf 1 erklärt, dient die Sendeeinheit 110 zum Erregen eines Teststücks 900, das nicht Teil der Vorrichtung ist. Für weitere Einzelheiten der Sendeeinheit 110 wird auf die vorherige Beschreibung mit Bezug auf 1 verwiesen.
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Die Empfangseinheit 120 dient, wie schon mit Bezug auf 1 erklärt, zum Empfangen eines Antwortsignals aus dem Teststück 900. Auch hier wird auf die vorherige Beschreibung verwiesen.
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Der digitale Signalgenerator 530 enthält bevorzugt einen Speicher 532 und kann ausgebildet sein zum Speichern und/oder Berechnen einer digitalen Wellenform eines Erregersignals und zum Ausgeben der digitalen Wellenform des Erregersignals. Diese digitale Wellenform des Erregersignals kann in dem Speicher 532 gespeichert werden und an den Digital-Analog-Umsetzer 550 ausgegeben werden zum Umsetzen der digitalen Wellenform des Erregersignals in ein analoges Erregerstromsignal, das der Sendeeinheit 110 zugeführt werden kann.
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Der Signalgenerator 530 kann bevorzugt zusätzlich ausgebildet sein zum Speichern und Ausgeben von digitalen Triggerpulsen. Beispielsweise kann der Speicher 532 des digitalen Signalgenerators 530 derart ausgebildet sein, dass mindestens zwei Speicherbereiche für jeweils einen ersten und zweiten Triggerpuls vorgesehen sind und weitere Speicherbereiche für mindestens eine Wellenform des periodischen Erregersignals vorgesehen sind.
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Dabei kann der Speicher 532 einen RAM, EEPROM oder ein sonstiges geeignetes Speichermedium darstellen zum Speichern mehrerer Megabytes eines veränderbaren Signalsverlaufs. In der Praxis können in dem Speicher mehrere tausend Werte, je mehr desto höher die Amplitudenauflösung, mit einer Quantisierungsgenauigkeit von beispielsweise 8 bis 16 Bit gespeichert werden.
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Dies ist beispielsweise durch Speichern von Amplituden, die diskrete Stützstellen darstellen, in einer Tabellenform möglich, wobei die Tabellen von Amplitudenwerten beispielsweise auch fest in einem Mikro-Controller oder DDS(Direct Digital Synthesis)-Baustein gespeichert werden können. Diese gespeicherte Wellenform bildet eine Grundfrequenz ab, die von der Anzahl der Amplitudenwerte bzw. diskreten Stützstellen und der Ausgabegeschwindigkeit abhängt. Durch Ausgeben von nur jedem zweiten Amplitudenwert bzw. Stützstelle kann somit die Frequenz verdoppelt werden. Somit kann eine Frequenz schnell und leicht geändert werden.
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Beispielsweise kann bei einem Signalgenerator mit 40 Mega-Samples pro Sekunde bei einem Ausgeben von zehn Stützstellen pro Periode ein 4-MHz-Sinussignal erreicht werden. In der Praxis werden bei der Wirbelstromprüfung häufig jedoch Frequenzen zwischen 20 kHz und 3 MHz verwendet, wodurch die Anzahl der Stützstellen für die Wellenform erhöht werden kann, so dass eine Wellenform einer höheren Qualität erreicht wird. Eine nachfolgende Integrierung der ausgegebenen Wellenform durch ein Tiefpassfilter kann die Qualität der Wellenform weiter erhöhen.
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Durch Auswahl der Stützstellen lassen sich mehrere unterschiedliche Wellenformen erzeugen. Der Signalgenerator ist daher bevorzugt zum Speichern und Ausgeben mehrerer unterschiedlicher Wellenformen von Erregersignalen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgebildet. Dies kann jedoch auch dadurch erreicht werden, dass mehrere verschiedene Wellenformen mit unterschiedlichen Frequenzen direkt in dem Speicher 532 abgelegt werden.
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Ferner kann der Signalgenerator 530 ausgebildet sein zum Ausgeben, nach Ablauf einer Periode oder Mehrfachen einer Periode eines ersten Erregersignals mit einer ersten Frequenz, eines zweiten Erregersignals mit einer zweiten Frequenz, so dass durch hintereinander folgendes Ausgeben von Erregersignalen mit unterschiedlichen Frequenzen Anregungen mit unterschiedlichen Frequenzen im Teststück erzeugt werden können.
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Dies kann beispielsweise mit dem oben beschriebenen Speicher 532 durchgeführt werden, wobei in einer ersten Periode jede gespeicherte Stützstelle ausgegeben wird und in einer zweiten Periode nur jede zweite Stützstelle ausgegeben wird, jedoch in der Hälfte der Zeit der Ausgabe der ersten Periode. Alternativ können natürlich, falls mehrere Wellenformen mit verschiedenen Frequenzen gespeichert sind, diese Wellenformen einfach hintereinander aus dem digitalen Signalgenerator ausgegeben werden.
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Dadurch, dass die Frequenz so schnell in den vorliegenden Beispielen abrufbar ist, und keine Einschwing-, Rückkopplungs- oder Phasenabgleichvorgänge notwendig sind, kann eine solche Anregung mit verschiedenen Frequenzen als eine quasiparallele Anregung eines Teststücks mit verschiedenen Frequenzen bezeichnet werden, wobei sich jeweils für eine Frequenz wieder Informationen über Betrag oder Amplitude erhalten lassen, was daher zu noch genaueren exakterer Ergebnissen in der zerstörungsfreien Materialprüfung führt.
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Zurückkehrend zu dem Wirbelstrombeispiel bedeutet dies, dass eine digitale Wellenform eines Erregersignals und mindestens zwei Triggerpulse von dem digitalen Signalgenerator 530 ausgegeben werden. Danach empfängt der Digital-Analog-Umsetzer 550 die digitale Wellenform des Erregersignals und setzt diese um in ein analoges Erregerwechselstromsignal, das der Sendespule 110 zugeführt wird. Entsprechend werden die digitalen Triggerpulse der Abtast-Halte-Schaltung 550 zugeführt, wobei, falls notwendig, diese vorher auch umgesetzt werden können durch einen nicht gezeigten Digital-Analog-Umsetzer in beispielsweise TTL-Pulse.
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Die Abtast-Halte-Schaltung 540 ist bevorzugt ausgebildet zum Empfangen eines Antwortsignals von der Empfangseinheit 120. In dem Wirbelstrombeispiel wird das Antwortsignal von dem Teststück 900 zuerst umgewandelt in einen Antwortwechselstrom.
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Ferner ist die Abtast-Halte-Schaltung 540 bevorzugt derart ausgebildet, dass sie bei jedem von dem digitalen Signalgenerator 530 empfangenen Triggerpuls den entsprechenden Wert des Antwortsignals abtasten und halten kann.
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Diese gehaltenen Werte können danach an die Auswerteeinheit 560 weitergereicht werden zum Berechnen eines Phasenunterschieds und eines Amplitudenunterschieds des Antwortsignals bezüglich des Erregersignals, basierend auf den in der Halteeinheit gespeicherten Werten des Antwortsignals.
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Beispielsweise können dabei die als x- und y-Komponenten bezeichneten Amplitudenwerte des Antwortsignals von 3 und 4 an die Auswerteeinheit 560 übertragen werden. Die Berechnung des Phasenunterschieds und des Amplitudenunterschieds des Antwortsignals bezüglich des Erregersignals kann danach, wie mit Bezug auf 4 erklärt, durchgeführt werden.
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In der obigen Beschreibung der 5 wird deutlich, dass durch eine geeignete Mischung von analogen und digitalen Komponenten eine einfache dem vorliegenden Zweck entsprechende Vorrichtung erhalten werden kann. Theoretisch wäre es auch möglich das ganze Antwortsignal zu digitalisieren und mit dem Erregersignal zu vergleichen, jedoch würde dies einen großen Rechenaufwand darstellen und die Messung von mindestens zwei Werten des Antwortsignals ist einfacher und gibt ähnliche Informationen.
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Ferner kann die Vorrichtung 500 eine nicht gezeigte Detektionseinheit zum Feststellen einer Änderung von in der Halteeinheit gespeicherten Werten des Antwortsignals, umfassen, von der eine Änderung in den Eigenschaften des Teststücks ableitbar ist. Dabei müssen lediglich die gespeicherten Werte des Antwortsignals über mehrere Messungen gespeichert werden und miteinander verglichen werden.
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In dem hier beschriebenen Beispiel wurden zwei Triggerpulse in einer Periode ausgegeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dies beschränkt und es kann auch nur ein Triggerpuls pro Periode des periodischen Erregersignals über mehrere Perioden ausgegeben werden.
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Dies bedeutet, dass zum Beispiel bei einer ersten Periode ein Triggerpuls bei 0 Grad erfolgt und bei einer zweiten Periode ein Triggerpuls bei 90 Grad erfolgt. Da die Frequenz in diesem Beispiel konstant bleibt, können daher der Betrag und die Phase, wie oben beschrieben, auch berechnet werden. Je mehr Triggerpulse pro Periode und über mehrere Perioden ausgegeben werden, und daher mehrere Werte des Antwortsignals in der Abtast-Halte-Schaltung gehalten werden, desto bessere Ergebnisse können erzielt werden, da Betrag und Phase mehrfach berechnet werden können.
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Im Vorhergehenden wurde die Erfindung anhand des Beispiels der Wirbelstromprüfung beschrieben, wobei die Sendeeinheit eine Sendespule ist und die Empfangseinheit eine Empfangsspule ist, und das Erregersignal durch ein Wechselstromsignal erzeugt wird.
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Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dies beschränkt. Die Sendeeinheit kann beispielsweise auch ein Ultraschallgeber sein und die Empfangseinheit ein Ultraschallempfänger.
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Beispielsweise können die in 1 und 5 gezeigten Vorrichtungen auch für die Ultraschallprüfung verwendet werden, wobei das Erregersignal eine Ultraschallwelle ist, das durch ein Wechselstromsignal in dem Ultraschallgeber oder Prüfkopf erzeugt wird. In Ansprechen auf das Erregersignal der Ultraschallwelle wird eine Ultraschallwelle als Antwortsignal von dem Teststück zurückgestrahlt, die von einem Ultraschallempfänger, der auch gleichzeitig Ultraschallgeber sein kann, empfangen werden kann und in ein Antwortwechselstromsignal umgewandelt werden kann, um Informationen über das Teststück zu erhalten.
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In dem Ultraschallbeispiel entspricht die Phasenverschiebung zwischen Erregersignal und Antwortsignal einer Laufzeit, die proportional zur Eindringtiefe der Ultraschallwelle in ein Teststück ist. Somit können beispielsweise die Tiefe und Lage von Fehlern in einem Teststück, das nicht elektrisch leitfähig sein muss, leicht und genau bestimmt werden.
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Des Weiteren werden, durch den simplen Aufbau der hier beschriebenen Vorrichtung Störsignale und Rauschen, die beispielsweise von komplizierteren elektrischen Komponenten, wie einem phasengekoppelten Regelkreis, erzeugt werden, vermieden werden. Solche Störsignale und Rauschen werden in der Vorrichtung 100, 500 ferner dadurch unterdrückt, dass die beschriebenen Komponenten gemeinsam auf einer Platine befestigt sind und mit runden und nicht eckigen Leitungen verbunden sind.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifizierungen und Variierungen der Vorrichtungen und des Verfahrens der Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben, die jedoch nur zum besseren Verständnis der Erfindung dienen sollen und diese nicht einschränken sollen. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene Kombinationen von Hardware, Software und Firmware zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb wird der wahre Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gekennzeichnet.
