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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-ZfF, 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 weiterverarbeitet, 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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Bezugszeichenliste
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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
