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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von
feromagnetischen Werkstücken,
insbesondere von Rohren und Rohrenden mittels eines magnetischen
Testverfahrens gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß Patentanspruch
9.
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Magnetische
Testverfahren (MT, d. h. Magnetic Testing oder MPI, d. h. Magnetic
Particle Inspection) werden in der Industrie heutzutage in großem Maße zur Qualitätsprüfung von
magnetischen Werkstücken
eingesetzt. Bei einem solchen Testverfahren werden die zu prüfenden Werkstücke einem magnetischen
Feld ausgesetzt (magnetisiert) und dann mit einer Prüfmittel-Suspension
benetzt bzw. bespült.
Die Prüfmittel-Suspension
beinhaltet als Prüfmittel
ein Pulver- bzw. körnerförmiges durch
ein Magnetfeld positionierbares (insbesondere fernmagnetisches Material),
welches von einem (unter UV-Licht fluoreszierenden) Material ummantelt
bzw. in dieses eingebettet ist. Materialfehler, insbesondere Risse
im zu prüfenden
Werkstück,
sorgen bei einer Magnetisierung desselben für die Ausbildung von Streufeldern
im Bereich der Fehler. Durch die Streufelder angezogen sammelt sich
im Bereich der Fehler Prüfmittel
an und bildet einen Bereich erhöhter
Prüfmittelkonzentration,
die so genannte Raupe. Durch eine Bestrahlung mit UV-Licht kann diese
in einen fluoreszierenden Zustand versetzt werden, sodass die Fehler
im Werkstück
deutlich identifiziert werden können.
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Voraussetzung
für eine
Detektion von Fehlern ist jedoch, dass der entsprechende Riss nicht
parallel zum angelegten Magnetfeld verläuft, sondern in einem Winkelbereich
von in etwa 45° bis
135°, idealerweise
in einem 90°-Winkel
zum Magnetfeld verläuft,
da nur Feldkomponenten, welche nicht parallel zu dem Riss verlaufen,
Streufelder erzeugen können. Deshalb
ist es notwendig, ein Werkstück
in mindestens zwei Orientierungen gegenüber dem Magnetfeld auf seinen
Qualität
hin zu untersuchen, um sicher zu stellen, dass kein Materialfehler,
insbesondere Riss, einer sicheren Detektion entgehen kann.
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Abhängig von
vielen Faktoren wie insbesondere der Größe und Geometrie des Werkstücks, jedoch
auch abhängig
von dem zur Verfügung
stehenden Platz ist es denkbar, das Werkstück in einer Spule zwei Prüfvorgängen auszusetzen,
bei welchen entweder das zu prüfende
Werkstück
relativ zu der Spule oder die Spule relativ zu dem Werkstück zwischen den
beiden Prüfvorgängen um
in etwa 90° gedreht wird.
Alternativ dazu besteht die Möglichkeit,
das Werkstück
in zwei Magnetfelderzeugungsvorrichtungen, welche Magnetfelder unterschiedlicher
Orientierung erzeugen, zu verbringen, um so zwei Prüfvorgänge in zwei
unterschiedlichen Spulen bzw. Magnetfelderzeugungsvorrichtungen
durchzuführen.
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Insbesondere
für große, unhandliche
Werkstücke
ist diese zweite Alternative nahezu unumgänglich. So ist es beispielsweise
bei der Prüfung von
Rohrenden, welche in vielen Fällen
durch die Prüfnorm
API 5 (American Pipe Inspection Standard) vorgeschrieben ist, der
Fall, dass das Rohrende in einer ersten Station einer Testvorrichtung
bzw. einer Qualitätsprüfvorrichtung
in eine Spule geschoben wird, welche ein Magnetfeld erzeugt und
dann die Risse, welche unter einem Winkel größer als ca. 45° zu diesem
Magnetfeld verlaufen, detektiert werden, während das Rohr danach zu einer
zweiten Station gebracht wird, bei welcher es in einem Joch platziert wird,
welches ein Magnetfeld erzeugt, welches um 90° gedreht (im Vergleich zum Magnetfeld
der ersten Station) auf das Rohr einwirkt. In dieser zweiten Station
werden dann vor allem die Fehler gesucht und detektiert, welche
parallel oder in etwa parallel zum ersten Magnetfeld ausgebildet
sind.
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Die
bekannten Aufbauten, insbesondere die bekannten Aufbauten für die Qualitätsprüfung bzw. Magnetic
Particle Inspection für
sperrige Gegenstände,
insbesondere Rohre bzw. Rohrenden, ermöglichen zwar eine gewissenhafte
Qualitätsprüfung der zu
untersuchenden Teile, sind jedoch in ihren Abmessungen relativ groß. Vorrichtungen
zur Qualitätsprüfung von
Rohrenden erreichen Dimensionen von bis zu in etwa 10 × 2 m. Eine
derartige Größe ist zwar
bei einem Einsatz bei einem Rohrhersteller nicht unbedingt störend, in
einer mobilen Anwendung beispielsweise (z. B. beim Pipeline-Bau)
oder für
kleinere Firmen jedoch eher schwierig zu verwenden. Ferner sind
beim Stand der Technik zwei voneinander getrennte Prüf- und Inspektionsvorgänge und
hierzu ein Weitertransport des Rohres von einer Station zur anderen
nötig,
was einerseits zeit-, andererseits aber auch personal- und energieaufwändig ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher möglichst zeit-, personal- und
energieunaufwändig
eine zerstörungsfreie Prüfung fernmagnetischer
Werkstücke,
insbesondere von Rohren bzw. Rohrenden mittels eines magnetischen
Testverfahrens durchgeführt
werden kann, und welche ferner im Gegensatz zu den Geräten gemäß dem Stand
der Technik kleiner gebaut und somit ggf. auch mobil einsetzbar
ist.
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Ferner
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren
zur zerstörungsfreien
Prüfung
von ferromagnetischen Werkstücken,
insbesondere von Rohren bzw. Rohrenden, anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
fernmagnetischer Werkstücke
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Aspekt der Aufgabe wird durch ein Verfahren
gemäß dem Patentanspruch
9 gelöst.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
von bevorzugten Ausführungsformen
beispielhaft beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur zerstörungsfreien Prüfung von
ferromagnetischen Werkstücken;
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2 einen
Teil einer Anregungsvorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform;
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3 eine
Darstellung des Anregungsstromes für beide Spulen gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
aufgetragen über
der Zeit;
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4 eine
Darstellung des Anregungsstromes für beide Spulen gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
(durchgezogene Linie) sowie in einem idealisierten Zustand (gestrichelte
Linie).
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, weist eine erste bevorzugte
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur
zerstörungsfreien
Prüfung
von ferromagnetischen Werkstücken,
welche als Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
von Rohren 2 bzw. Rohrenden ausgebildet ist, eine erste
Spule 3 und eine zweiten Spule 4 auf, welche unter
einem vorbestimmten Winkel α von
60° gekreuzt
sind. Neben einem Winkel α von
60° sind
auch Winkel α von 30° bis 90°, vorzugsweise
von 45° bis
60°, denkbar, welche
die beiden Spulen 3, 4 in alternativen Ausführungsformen
einschließen
können.
Insbesondere für Winkel α in einem
Intervall von 45° bis
60° ergeben sich
gute Prüfungsergebnisse.
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Neben
den beiden Spulen 3, 4 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine
Spulenanregungsvorrichtung 5, welche die beiden Spulen 3, 4 mit
Strom versorgt.
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Die
Stromversorgung geschieht für
die erste Spule 3 und die zweite Spule 4 zeitlich
versetzt. Zeitlich versetzt bedeutet dabei im Sinne der vorliegenden
Anmeldung, dass die beiden Spulen nicht gleichzeitig bzw. simultan
angeregt (mit Anregungsstrom versorgt) werden (identische Anregungsintervalle
haben), sondern dass die Anregungsintervalle (während derer der Anregungsstrom
für die
korrespondierende Spule ungleich 0 A ist) unterschiedlich sind. Dabei
können
die Anregungsintervalle der einzelnen Spulen zwar durchaus überlappen,
eine Identität
der Anregungsintervalle ist jedoch ausgeschlossen. Alternativ hierzu
wäre auch
eine phasenverschobene Anregung der Spulen denkbar, bei der die
beiden Spulen 3, 4 zwar simultan einem Anregungsstrom ausgesetzt
sind, dieser jedoch um einen bestimmten Winkel phasenverschoben
ist.
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Die
Spulenanregungsvorrichtung 5 umfasst in der beschriebenen
bevorzugten Ausführungsform einen
Hochstromgenerator 6, der sowohl die erste Spule 3 als
auch die zweite Spule 4 mit Strom versorgt. Alternativ
hierzu ist auch eine Anordnung mit zwei oder mehreren Hochstromgeneratoren
denkbar, wobei jede der Spulen 3, 4 dann durch
einen oder mehrere ihr zugeordnete Hochstromgeneratoren mit Strom
versorgt wird. Teile des Hochstromgenerators 6 gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform sind
in 2 dargestellt. Der Hochstromgenerator 6 weist
einen ersten Transformator 13 und einen zweiten Transformator 14 auf,
mittels derer die zur Verfügung
stehende (Netz-)Spannung Uprim1 auf kleinere Spannungen
transformiert wird. Beispielhaft seien an dieser Stelle Werte von
in etwa 400 V für
Uprim1 und in etwa 145 V für Uprim2 genannt. Beispielhafte Werte für die entstehende
herabtransformierte Spannung U~ sind in
etwa 11,5 V im Leerlauf und in etwa 6,4 V unter Last (gültig für beide
Zweige der Schaltung, wobei der erste Zweig die erste Spule 3 (L1) und der zweite Zweig die zweite Spule 4 (L2) mit Strom versorgt. Beide Zweige des Hochstromgenerators 6 weisen
ferner Dioden 15, 16 zum Gleichrichten des Anregungsstromes
für die
beiden Spulen 3, 4 auf. Beispielhafte Werte für die an
den Spulen 3, 4 anliegenden Spannungen U= sind in etwa 1,1 V. Typische Spulenströme liegen
im Bereich von in etwa 1000 A bis in etwa 2000 A.
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Neben
dem Hochstromgenerator weist die Spulenanregungsvorrichtung 6 eine
Steuerung 7 für den
Anregungsstrom auf. Alternativ zur Steuerung 7 wäre es auch denkbar,
den Anregungsstrom zu regeln. Hierzu könnte als Regelgröße beispielsweise eine
mittels einer Hall-Sonde oder eines SQUID-Magnetometers durchgeführte Feldstärkemessung
im Bereich der beiden Spulen 3, 4 dienen.
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Die
Spulenanregungsvorrichtung 5 ist als Halbwellenanregungsvorrichtung
ausgelegt, welche die erste Spule 3 und die zweite Spule 4 jeweils
mit einem halbwellenförmigen
Strom versorgt. Dies heißt,
dass bei einer beispielsweise sinusförmigen Netzspannung wie in 3 dargestellt,
die erste Spule 3 mit der ersten Halbwelle des Sinus angeregt wird,
während
mit der zweiten Halbwelle des Sinus (welche zuvor der ersten Halbwelle
gleichgerichtet wird) die zweite Spule 4 angeregt wird.
In der beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform überlappen die Intervalle des
Anregungsstroms der ersten Spule 3 und der zweiten Spule 4 nicht
und sind somit in anderen Worten gesagt, um die Zeitdauer einer
Anregungsperiode einer Spule (halbe Periode der Netzspannung) zeitlich
versetzt (während
die erste Spule 3 angeregt wird, wird die zweite Spule 4 nicht
angeregt, und umgekehrt). Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ist dabei
eine Anregungsperiode einer Spule 10 ms wohingegen die
Periodendauer einer gesamten Sinusschwingung 20 ms ist.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Anregung der Spulen 3, 4,
bei der die Anregungsintervalle nicht überlappen, sind auch Anregungsintervalle
denkbar, welche eine Verschiebung um 2/3 der Zeitdauer einer Anregungsperiode
einer Spule aufweisen. Findet eine kontinuierliche Anregung der
Spulen in einer alternativen Ausführungsform Anwendung, so sind Phasenverschiebungen
der Anregungsströme
von mehr als 120°,
insbesondere jedoch eine Phasenverschiebung von 180° zu bevorzugen.
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Neben
den vorstehend geschilderten Bestandteilen umfasst die erste bevorzugte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weiterhin
eine Beleuchtungsvorrichtung 8 zur Beleuchtung des zu prüfenden Werkstückes mit UV-Licht, welche über eine
entsprechende Spannungs- bzw. Stromversorgung 9 verfügt, so dass nach
einem Bespülen
des Rohres bzw. des Rohrendes mit Prüfmittelsuspension 10,
welche über
eine Prüfmittelsuspensions-Bereitstellungvorrichtung
in Form eines Zuführrohres 11 zugeführt wird,
ein Inspektor 12 das zu prüfende Rohrende bzw. das zu prüfende Rohr 2 in
Augenschein nehmen kann. Alternativ zu einem menschlichen Inspektor 12 (welcher durch
verschiedene Prüfstandards
vorgeschrieben ist) ist auch eine Auswertung des Ergebnisses mittels einer
Kamera und ggf. mit Hilfe eines bildvergleichenden Verfahrens oder
mittels eines Verfahrens, welches die Intensität einer Fluoreszenzerscheinung
auf dem Rohr 2 bzw. dem Rohrende misst und somit sich ansammelnde
Prüfmittelraupen
detektiert, denkbar.
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Eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist
analog zu der ersten bevorzugten Ausführungsform ausgestaltet, jedoch
werden die Spulen 3, 4 nicht mit einer Sinusspannung,
sondern mit einer annähernd
rechteckigen Spannung angeregt (vgl. hierzu 4, durchgezogene
Kurven). Je steiler die abfallende Flanke des Anregungsstromes einer
oder beider Spulen 3, 4 ist, umso schärfer ist
der Sprung der Resultierenden der von den beiden Spulen 3, 4 erzeugten
Magnetfelder. Zur Erläuterung
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei einem gleichzeitigen
Anlegen zweier Magnetfelder (simultane bzw. zeitüberlappende Anregung der beiden
Spulen 3, 4) ein effektives Magnetfeld wirkt,
das sich aus den beiden Magnetfeldern durch eine Vektoraddition
der beiden Feldvektoren der Einzelfelder ergibt. Je steiler nun
die abfallende Flanke eines Anregungsstromes in der ersten Spule 3 ist,
desto schneller findet die Änderung
des abklingenden Feldes hin zu einer Feldstärke von 0 T statt und umso
schneller entspricht die Resultierende dem Feld der zweiten Spule 4 (und
umgekehrt). Die Resultierende kann also umso schneller fluktuieren, je
stärker
die Flankensteilheit im Anregungsstrom ausgeprägt ist. Ein idealer, aufgrund
der im Anregungsstromkreis vorhandenen Induktivitäten (Spulen 3, 4)
mit dem momentanen Stand der Technik nicht erreichbarer Anregungsstrom
für die
beiden Spulen hätte
(wie in 4 gestrichelt dargestellt) Rechteckform.
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Die
Spulenanregungsvorrichtung 5 der zweiten bevorzugten Ausführungsform
ist aufgrund der vorstehenden Erläuterungen derart ausgebildet, dass
der Anregungsstrom für
jede der beiden Spulen 3, 4 nach dem Erreichen
des Anregungsstrom-Maximalwertes und nach Erreichen einer vorbestimmten Verweildauer
(diese kann selbstverständlich
auch gleich 0 sein) auf dem selbigen innerhalb eines Zeitraumes
von 1 ms auf die Anregungsstromstärke von 0 A abnimmt. Ein Abfall
des Stromes von seinem Anregungsstrom-Maximalwert bis zu einer Anregungsstromstärke von
0 A innerhalb einer Millisekunde oder weniger als einer Millisekunde
stellt einen optimalen Wert dar, welcher scharfe Übergänge der
Resultierenden sicherstellt. Werte für einen Abfall des Anregungsstromes
von seinem Anregungsstrom-Maximalwert bis zu einer Anregungsstromstärke von
0 A von bis zu 2 ms führen
ebenfalls zu guten Ergebnissen. Abhängig von der Periodendauer
des Anregungsstromes können
in weiteren Ausführungsformen
auch andere Werte für
einen Abfall des Anregungsstromes der Spulen 3, 4 von
seinem Anregungsstrom-Maximalwert
bis zu einer Anregungsstromstärke
von 0 A eine bevorzugte Zeitdauer darstellen. Ein Abfall des Anregungsstromes
von seinem Anregungsstrom-Maximalwert
auf eine Anregungsstromstärke
von 0 A innerhalb eines Zeitraumes von weniger als 20% der Anregungsperiodendauer
einer Spule insbesondere innerhalb eines Zeitraumes von maximal
10% der Anregungsperiodendauer einer Spule stellen bevorzugte Werte
dar, welche zu guten und zuverlässigen
Ergebnissen der Werkstückprüfung führen.
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Im
Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren
zur zerstörungsfreien Prüfung von
ferromagnetischen Werkstücken
(in der nachstehend beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform
von Rohren 2 bzw. von Rohrenden) mittels eines magnetischen
Testverfahrens enthalten, welches die folgenden Schritte umfasst:
Erzeugen von zwei Magnetfeldern, welche eine unterschiedliche Feldrichtung
aufweisen und wenigstens zu einem Großteil der Anregungsperiodendauer
einer Spule 3, 4 einen unterschiedlichen Feldstärkebetrag
aufweisen. Die Erzeugung der Magnetfelder erfolgt durch die zwei
unter dem Winkel α gekreutzt
zueinander angeordneten Spulen 3, 4 mit einem
für die erste
Spule 3 und die zweite Spule 4 zeitlich versetzten
oder phasenverschobenen Anregungsstrom. Während des Magnetisierens (während also
die Spulen beispielsweise wechselweise angeregt werden) wird das
zu prüfende
Werkstück
mit der Prüfmittelsuspension 9 bespült. Mit
dem Ende des Bespülvorgangs
wird auch der Anregungsstrom für
die erste Spule 3 und die zweite Spule 4 abgeschaltet.
Nunmehr kann die eigentliche Qualitätskontrolle in Form einer Begutachtung
bzw. einer Inspektion des Werkstückes
durch den menschlichen Inspektor 11 folgen.
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Anstelle
einer unmittelbaren Vornahme der Inspektion, ob eine erhöhte Prüfmittelkonzentration an
einzelnen Stellen des zu prüfenden
Werkstückes vorhanden
sind, ist es auch möglich,
einen bestimmten Zeitraum vor der Inspektion des Prüfungsergebnisses
abzuwarten, während
dessen das Prüfmittel 9 durch
die Streufelder, welche durch Risse oder Materialfehler verursacht
werden, noch weiter in den Bereich der Risse bzw. Fehler gezogen
wird und dabei die Prüfmittelansammlung
in fehlerhaften Bereichen erhöht
(Schritt des Nachmagnetisierens).
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Die
zwei Magnetfelder werden mit einer um 60° (in weiteren alternativen bevorzugten
Ausführungsformen
mit einer um 30° bis
90°, vorzugsweise 45° bis 60°) zueinander
unterschiedlichen Feldrichtung erzeugt, wobei die beiden Spulen 3, 4 mittels
einer Spulenanregungsvorrichtung 5 angeregt werden. Die
Anregung beider Spulen 3, 4 erfolgt durch ein und
denselben Hochstromgenerator 6, welcher Bestandteil der
Spulenanregungsvorrichtung 5 ist.
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Beide
Spulen werden um etwa die Zeitdauer einer Anregungsperiode einer
Spule 3, 4 zeitlich versetzt angeregt. Bei einer
(alternativen) kontinuierlichen Anregung beider Spulen wäre es zu
bevorzugen, dass beiden Spulen 3, 4 um etwa 180° phasenverschoben
angeregt werden. In weiteren alternativen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es auch denkbar, dass die beiden Spulen 3, 4 um
wenigstens 120° phasenverschoben
oder um wenigstens 2/3 der Zeitdauer einer Anregungsperiode einer
Spule 3, 4 zeitlich versetzt angeregt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
welche die Merkmale der vorstehend beschrienbenen ersten bevorzugten
Ausführungsform
umfasst, wird der Anregungsstrom für beide Spulen 3, 4 nach
dem Erreichen seines Anregungsstrom-Maximalwertes und nach Erreichen
einer vorbestimmten Verweildauer auf dem Anregungsstrom-Maximalwert
innerhalb eines Zeitraumes von weniger als 2 ms, vorzugsweise innerhalb
eines Zeitraumes von maximal 1 ms auf eine Anregungsstromstärke von
0 A gebracht. Alternativ hierzu wäre es auch denkbar, als Maß für eine gewünschte Flankensteilheit
des Anregungsstromes, die Anregungsperiodendauer einer oder beider
Spulen 3, 4 zugrunde zu legen. In dieser Abwandlung wird
der Anregungsstrom für
die Spulen 3, 4 nach dem Erreichen seines Anregungsstrom-Maximalwertes
und nach Erreichen einer vorbestimmten Verweildauer auf dem Anregungsstrom-Maximalwert
innerhalb eines Zeitraumes von weniger als 20% der Anregungsperiode
einer Spule 3, 4, vorzugsweise innerhalb eines
Zeitraumes von maximal 10% der Anregungsperiode einer Spule 3, 4 auf
eine Anregungsstromstärke
von 0 A gebracht
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Neben
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist
es auch vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung erfasst, das
vorstehend beschriebene Anregungsverfahren für gekreuzte Spulen zu nutzen,
um Werkstücke,
insbesondere Rohre nach dem Magnetisierungsvorgang (d. h. also nach
einem Abschalten des Anregungsstromes für die Spulen) mit entsprechenden
Streufeldsensoren (Hall-Sonde, SQUID oder einer Vorrichtung, welche
auf dem Giant Magneto Resistance, GMR, beruht) abzutasten. Dies
heißt also,
dass das Werkstück
bzw. das Rohr zuerst mittels der gekreuzten Spulen, die wie vorstehend
beschrieben angeregt werden, magnetisiert wird und hinterher das
an Fehlern entstehende Streufeld mittels einer geeigneten Sonde
detektiert wird.
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Obwohl
die Erfindung anhand von Ausführungsformen
mit fester Merkmalskombination beschrieben wird, umfasst sie jedoch
auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, die sich insbesondere,
aber nicht erschöpfend
durch die Unteranspruche ergeben. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen
offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht,
soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu
sind.