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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur mikrowellengestützten
zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken.
Sie ist insbesondere zur Defektoskopie an nichtmetallischen Werkstücken
geeignet.
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Zu
den Standardlösungen 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.
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Für
Glasfaser- und Naturfaserverbundwerkstoffe eignen sich jedoch mikrowellengestützte
Prüfverfahren, bei denen Frequenzen oberhalb 1 GHz verwendet
werden.
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Diese
Messverfahren sind derzeit Gegenstand weltweiter Forschungen in
unterschiedlichsten Forschungseinrichtungen. Entsprechend verschieden
erfolgt die Ergebnisdarstellung bei den einzelnen Lösungen.
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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.
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Aus
der Vielfalt unterschiedlicher Lösungen der Mikrowellen-Defektoskopie
ergibt sich als entscheidender Nachteil die schlechte Vergleichbarkeit auf
unterschiedlichen Wegen gewonnener Messdaten.
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Hinzu
kommt als weiterer Nachteil die bereits an sich schwierige Interpretation
der Messergebnisse und der damit verbundene erhöhte Auswerteaufwand.
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Dadurch
entsteht als zusätzlicher Nachteil eine hohe Akzeptanzschwelle
für die mikrowellengestützte zerstörungsfreie
Prüfung in der Industrie.
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Mit
der Patentanmeldung
DE
10 2005 040 743 A1 wird eine Erfindung offenbart, die die
mikrowellengestützte zerstörungsfreie Prüfung
gerätetechnisch zurückführt auf das Wirbelstromprüfverfahren. Dabei
wird in einem Vorschaltgerät die Sendefrequenz des Wirbelstromprüfgerätes
von z. B. 10 MHz mit Hilfe eines Ein-Seitenband-Modulators in eine
Mikrowellenfrequenz von z. B. 10 GHz umgesetzt. Das Mikrowellensignal
trifft dann, wie bei der mikrowellenbasierten zerstörungsfreien
Prüfung (Mikrowellen-ZfP) üblich, auf das Messobjekt
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 zurückgemischt und
in dessen Eingangskanal eingespeist. Damit wirkt das Vorschaltgerät
für das Wirbelstrommessgerät wie eine herkömmliche Prüfsonde.
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Diese
an sich gute praktikable Verfahrensweise hat den Nachteil, dass
die Mikrowellen-ZfP mit Wirbelstromprüfgerät und
Vorschaltgerät, insbesondere durch den einbezogenen Ein-Seitenband-Modulator,
relativ kostenaufwändig ist.
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Bekannt
sind auch Geräte zur Mikrowellen-ZfP, die nach dem Homodyn-Prinzip
arbeiten. Deren Hochfrequenzempfänger arbeitet dabei nach dem
Prinzip des Überlagerungsempfanges: Das Empfangssignal
wird in einem Mischer mit einem im Empfänger generierten
Hilfsoszillatorsignal, auch Lokaloszillatorsignal LO genannt, verknüpft.
Das Ausgangssignal des Mischers hat eine Frequenz, die der Differenzfrequenz
von Empfangssignal und Lokaloszillatorsignal LO entspricht. Wenn
die Empfangsfrequenz und die Lokaloszillatorsignalfrequenz gleich sind,
wird das Verfahren Homodyn-Verfahren genannt.
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Diese
Geräte zur Mikrowellen-ZfP nach dem Homodyn-Prinzip können
das Messsignal nach Realteil x und Imaginärteil y ausgeben.
Solche Geräte sind einfach im Aufbau und damit relativ
preiswert. Sie enthalten jedoch keine Möglichkeiten zur
Signalnachbearbeitung und Signaldarstellung, wie sie ein herkömmliches
Wirbelstromprüfgerät besitzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, mit einfachen Mitteln ein Mikrowellen-ZfP-Gerät
nach dem Homodyn-Prinzip so zu erweitern, dass die Signalnachbearbeitung
und -darstellung in einfacher und damit preiswerter Weise in einem
handelsüblichen Wirbelstromprüfgerät
erfolgen kann. Hierdurch soll der Auswerteaufwand zur Feststellung
von Werkstückdefekten deutlich verringert und eine sehr
kostengünstige Erfassungslösung für die
Defekte entwickelt werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße
Anordnung zur mikrowellenbasierten zerstörungsfreien Prüfung,
welche die Merkmale des Patentanspruches aufweist.
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, dass in der erfindungsgemäßen
Anordnung ein herkömmliches Mikrowellen-ZfP-Gerät,
welches nach dem Homodyn-Prinzip arbeitet, ausgangsseitig über einen
Quadratur-Amplituden-Modulator mit dem Eingang eines ebenfalls herkömmlichen
Wirbelstromprüfgerätes verbunden ist. Das für
die Funktion des Quadratur-Amplituden-Modulators notwendige Trägersignal
wird über eine Verbindung vom Ausgang des herkömmlichen
Wirbelstromprüfgerätes zum Quadratur-Amplituden-Modulator
gewonnen.
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Dadurch
kann die erwünschte Werkstückprüfung
einerseits mittels der messtechnisch vorteilhaften Mikrowellen-ZfP-Methode
erfolgen, während die Darstellung und Auswertung der gewonnenen
Signale andererseits mit der auswertungsmäßig
vorteilhafteren Wirbelstrommesstechnik möglich ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Dabei
zeigt die zugehörige Zeichnung eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen
Anordnung zur mikrowellenbasierten zerstörungsfreien Prüfung.
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Gemäß Zeichnung
weist die Anordnung die Bestandteile Mikrowellen-ZfP-Gerät 1,
Wirbelstromprüfgerät 2 mit Display 3 sowie
Quadratur-Amplituden-Modulator 4 auf.
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Das
Mikrowellen-ZfP-Gerät 1 weist einen Mikrowellen-Oszillator 5,
einen Leistungsteiler 6, einen Hybrid 7, einen
Zirkulator 8, zwei Mischer 9 sowie eine Hohlleiter-Antenne 10 auf,
während ein Werkstück 11 Gegenstand der
defektoskopischen Untersuchung ist.
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Im
dargestellten Display 3 des Wirbelstromprüfgerätes 2 ist
eine typische Defektanzeige zu sehen.
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Eine
Defektmessung mit Auswertung wird mittels der erfindungsgemäßen
Anordnung wie folgt realisiert:
Das Werkstück 11 wird
mit Hilfe der von der Hohlleiter-Antenne 10 abgestrahlten
Mikrowellen im GHz-Bereich durch das Mikrowellen-ZfP-Gerät 1 auf bekannte
Weise defektoskopisch erfasst.
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Um
das vom Werkstück 11 reflektierte Signal gezielt
hinsichtlich seiner Phase auswerten zu können, sind im
Mikrowellen-ZfP-Gerät 1 zwei Empfangskanäle
sinnvoll, deren LO-Signale um 90° in der Phase versetzt
sind. Hierzu dient der Hybrid 7. Die beiden an den Ausgängen
der Mischer 9 erhaltenen Zwischenfrequenzausgangssignale,
die im homodynen Fall die Frequenz Null haben, werden hier mit x und
y bezeichnet.
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Die
die Zwischenfrequenzausgangssignale x und y des Mikrowellen-ZfP-Gerätes 1 nach
dem Homodyn-Prinzip führenden Ausgänge des Mikrowellen-ZfP-Gerätes 1 sind
mit Mischereingängen des Quadratur-Amplituden-Modulators 4 verbunden.
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Dieser
Quadratur-Amplituden-Modulator 4 moduliert das reguläre
Ausgangssignal des Wirbelstromprüfgerätes 2 in
einer Weise, dass dieses nach Verarbeitung im Quadratur-Amplituden-Modulator 4 mit
den Ausgangssignalen x, y des Mikrowellen-ZfP-Gerätes 1 als
auswertbares Eingangssignal wieder für das Wirbelstromprüfgerät 2 zur
Verfügung steht und als Messparameter die Amplitude und
Phase des defektoskopischen reflektierten Mikrowellen-Signals aus
der Hohlleiter-Antenne 10 wiedergibt.
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Dazu
enthält der Quadratur-Amplituden-Modulator 4 einen
90°-Phasenschieber 12 für das Ausgangssignal
des Wirbelstromprüfgerätes 2. Das unter
Nutzung des 90°-Phasenschiebers 12 gewonnene und
das unveränderte Ausgangssignal des Wirbelstromprüfgerätes 2 werden
jeweils auf einen Multiplizierer 13, 14 gegeben,
der jeweils angesteuert wird von dem x- bzw. y-Ausgangssignal des
Mikrowellen-ZfP-Gerätes 1 nach dem Homodyn-Prinzip. Die
Ausgangssignale der Multiplizierer 13, 14 sind damit
Sinus- bzw. Cosinus-Schwingungen mit geeignet eingestellten Amplituden.
Sie werden auf einen Addierer 15 gegeben, dessen Ausgangssignal
dann das Eingangssignal für das Wirbelstromprüfgerät 2 darstellt.
Damit wirkt die Kombination von Mikrowellen-ZfP-Gerät 1 nach
dem Homodyn-Prinzip mit dem Quadratur-Amplituden-Modulator 4 für
das Wirbelstromprüfgerät 2 wie eine herkömmliche
Prüfsonde.
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Die
Rohmessergebnisse können in bekannter Weise weiter verarbeitet,
z. B. gefiltert, und dann auf dem Display 3 des Wirbelstrommessgerätes 2 zur Anzeige
gebracht werden.
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Die
gewählte Anordnung des Ausführungsbeispiels ist
als eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erfindung zu
verstehen – weitere Realisierungen der Anordnung sind denkbar
und möglich, ohne dass der Anspruchsbereich der Erfindung
verlassen wird.
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Als
besondere Vorteile der Erfindung können gelten:
Die
Kombination von Mikrowellen-ZfP-Gerät 1 und handelsüblichem
Wirbelstrommessgerät 2 in Verbindung mit dem Quadratur-Amplituden-Modulator 4 ist preisgünstig.
Die Anordnung verzichtet auf den gemäß den Lösungen
des Standes der Technik erforderlichen technisch aufwändigen
Ein-Seiten-Bandmischer für Höchstfrequenzen und
nutzt stattdessen einen Quadratur-Amplituden-Modulator 4,
der beispielsweise im Frequenzbereich um 100 kHz arbeitet und damit
deutlich kostengünstiger realisiert werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in der erleichterten Handhabbarkeit der erfindungsgemäßen
Anordnung zur mikrowellengestützten zerstörungsfreien
Prüfung. Für einen erfahrenen Wirbelstromprüfer
wird es einfach sein, die individuellen Signaturen von mikrowellengeprüften
Defekten zu erkennen und voneinander zu trennen.
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Die
Hemmschwelle zur Anwendung der mikrowellengestützten zerstörungsfreien
Prüfung wird durch Verknüpfung der mikrowellengestützten
Defektoskopie mit dem Darstellungsmodus der bekannten wirbelstrombasierten
zerstörungsfreien Prüfung erheblich reduziert – ein
potenziell breiterer Anwenderkreis für die mikrowellengestützte
zerstörungsfreie Prüfung kann erreicht werden.
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Da
durch die beanspruchte Anordnung nicht nur eine Reflexionsmessung,
sondern auch eine Transmissionsmessung möglich ist, besitzt
die Erfindung einen breiten Anwendungsbereich in der Defektoskopie
diverser Werkstoffe.
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- 1
- Mikrowellen-ZfP-Gerät
- 2
- Wirbelstromprüfgerät
- 3
- Display
- 4
- Quadratur-Amplituden-Modulator
- 5
- Mikrowellen-Oszillator
- 6
- Leistungsteiler
- 7
- Hybrid
- 8
- Zirkulator
- 9
- Mischer
- 10
- Hohlleiter-Antenne
- 11
- Werkstück
- 12
- 90°-Phasenschieber
- 13
- Multiplizierer
- 14
- Multiplizierer
- 15
- Addierer
- x
- (Zwischenfrequenz)-Ausgangssignal
- y
- (Zwischenfrequenz)-Ausgangssignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005040743
A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - R. Zoughi:
A Brief Review of Microwave Testing of Ratified Composite Structures,
Materials Evaluation, February 2002, pp. 171-177 [0005]
- - 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 [0005]