DE102011104297A1

DE102011104297A1 - 2D -Spule und Verfahren zum Erhalten des WS-Verhaltens von 3D-Spulen unter Verwendung der 2D-Spulen-Konfiguration

Info

Publication number: DE102011104297A1
Application number: DE102011104297A
Authority: DE
Inventors: Benoit Lepage
Original assignee: Olympus NDT Inc
Current assignee: Olympus America Inc Waltham Us
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: US8896300B2; CN102375026B; US8816680B2; US20140002072A1; CN102375026A; DE102011104297B4; US20120007595A1

Abstract

Die hier offenbarte Erfindung stellt eine 2D-Spule und ein Verfahren zum Verwenden des gewickelten 2D-WS-Sensors zum Reproduzieren des Wirbelstromprüfungs(WSP-)verhaltens eines orthogonalen 3D-Sensors nach dem Stand der Technik bereit. Der orthogonale 3D-Sensor ist herkömmlicherweise auf einen 3D-Kern gewickelt, wobei zumindest einige der Flächen nicht parallel zur zu prüfenden Fläche verlaufen. Unter Verwendung der hier offenbarten 2D-Konfiguration kann bei der Herstellung dieser WS-Sensoren Leiterplatten-Technologie verwendet werden. Das hier offenbarte Verfahren und die zugehörigen 2D-WS-Sensoren eignen sich besonders für das Reproduzieren des WS-Effekts herkömmlicher orthogonaler Sondengruppen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft zerstörungsfreie Prüfsysteme (ZfP) (non-destructive testing and inspection systems (NDT/NDI)), insbesondere ein Verfahren zum Nachbilden von Wirbelstrom(WS-)feldern, die von einer 3D-Spule erzeugt werden, unter Verwendung einer 2D-Spulenkonfiguration, die auf einer Leiterplatte hergestellt werden kann.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die WS-Prüfung wird häufig bei ZfP-Anwendungen eingesetzt, um Fehler an Oberflächen industriell hergestellter Bauteile nachzuweisen, die aus leitfähigen Werkstoffen hergestellt sind, beispielsweise Stahlstäbe, -rohre und -röhren. Wirbelströme werden häufig zur Prüfung von Bauteilen für die Automobil-, Luftfahrt- und Energiebranche angewendet. Im Laufe der Jahre sind WS-Sensoren mit unterschiedlichen Konfigurationen und Mustern entwickelt worden, um sie an unterschiedliche Anwendungen anzupassen.
Es sind bisher verschiedene WS-Systeme zum Nachweis von Rissen und/oder anderen Fehlern an einem Prüfstück bereitgestellt worden. Im Allgemeinen weisen diese Systeme felderzeugende Mittel wie eine Spule auf, die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, um in einem Prüfling WS zu erzeugen, und ein Sensormittel zum Erfassen des Felds, das von den WS erzeugt wird. Das Sensormittel kann eine separate Spule, eine Hall-Sonde oder eine beliebige andere, auf das Feld reagierende Einrichtung sein oder es kann auch die Spule der felderzeugenden Mittel zum Erfassen des WS-induzierten Felds verwendet werden, indem ihre tatsächliche Impedanz gemessen wird.
Bei diesen früheren Systemen treten aufgrund von den Änderungen der Leitfähigkeit und Permeabilität des Prüfstücks sowie aufgrund von den Änderungen im Abstand zwischen der Prüfspule oder -sonde und der Oberfläche des Prüflings und der Änderung der Oberflächenbedingungen Schwierigkeiten auf Der Einfluss von Abstandsänderungen konnte durch bestimmte Anordnungen, beispielsweise durch die Verwendung von Impedanznetzwerken und durch die Anpassung der Betriebsfrequenz vermindert werden. Mit diesen Anordnungen konnte jedoch nicht die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Leitfähigkeit und Permeabilität beseitigt werden. Um den Einfluss von Änderungen der Leitfähigkeit und Permeabilität zu vermindern, sind Spulen in Differenzschaltung verwendet worden. Diese Anordnungen sind jedoch unempfindlich gegenüber Fehlern, die bei Spulen in Differenzschaltung häufig auftreten.
Der allgemeine Stand der Technik hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, mit dem allgemeinen Ziel, die zuvor für WS-Prüfsysteme beschriebenen Nachteile zu überwinden und Systeme bereitzustellen, die sehr empfindlich gegenüber Fehlern sind und gleichzeitig unempfindlich gegenüber Änderungen anderer physikalischer Eigenschaften eines Prüfstücks und Änderungen des physischen Verhältnisses einer Prüfsonde zu dem Prüfling. Die US-Patentschrift 3,495,166 ist als Beispiel für den nachstehend beschriebenen allgemeinen Stand der Technik durch Bezugnahme als Bestandteil aufgenommen.
Gemäß einem wichtigen Merkmal des allgemeinen Stands der Technik ist ein WS-System bereitgestellt, das Feldsensormittel zum Erfassen von Feldern, die von WS in zwei Bereichen erzeugt werden, aufweist, die im Wesentlichen dieselbe räumliche Beziehung zu einer Oberfläche des Prüflings aufweisen und einen großen Winkel dazwischen aufweisen, wobei Nachweismittel bereitgestellt sind, um Unterschiede zwischen den Feldern nachzuweisen, die in den beiden Bereichen erzeugt werden. Es ist festzuhalten, dass die Erfassungsbereiche der Feldsensormittel orthogonal zu den Bereichen mit dem abgegebenen Magnetfeld der felderzeugenden Mittel sind. Ist kein Fehler vorhanden, der die Richtung des WS-Flusses stört, die von den felderzeugenden Mitteln vorgegeben wird, ist folglich das Magnetfeld, das sich aus dem WS-Fluss ergibt, ebenfalls orthogonal zu den Feldsensormitteln und wird deshalb nicht erfasst. Bei dieser Anordnung wird eine hohe Empfindlichkeit in Bezug auf Fehler mit verschiedenen Ausrichtungen zu den Erfassungsbereichen erreicht, während sie unempfindlich gegenüber Veränderungen a) der Leitfähigkeit, b) der Permeabilität, c) unregelmäßiger Oberflächengüte und d) Veränderungen des Abstands des Prüflings ist. Diese Unempfindlichkeit beruht darauf, dass die Eigenschaften a, b, c und d hauptsächlich die Stärke des WS-Flusses und des sich ergebenden Magnetfelds beeinflussen, nicht jedoch die Richtung.
Es wurde festgestellt, dass beinahe sämtliche Fehler, die beim Prüfen eines Prüflings von Bedeutung sind, in einer Richtung eine größere Ausdehnung aufweisen als in einer anderen Richtung und dass eine hohe Empfindlichkeit gegenüber wichtigen Fehlerarten erreicht wird, wenn zwischen den Erfassungsbereichen ein großer Winkel vorgesehen ist. Gleichzeitig können die Erfassungsbereiche recht nah beieinander liegen, damit eine äußerst geringe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Abstands oder der Oberflächenbedingungen erreicht wird, während gleichzeitig auch eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Leitfähigkeit und Permeabilität erreicht wird.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal des allgemeinen Stands der Technik kreuzen sich die Erfassungsbereiche und schneiden sich an ihren Mittelpunkten, damit der Bereich des Teils, der geprüft wird, minimiert wird und damit die Erfassungsbereiche stets dasselbe physische Verhältnis zu dem Prüfling aufweisen.
Gemäß einem konkreten Merkmal des allgemeinen Stands der Technik beträgt der Winkel zwischen den Erfassungsbereichen ungefähr 90 Grad, um eine höchstmögliche Empfindlichkeit gegenüber Fehlern zu erreichen.
Gemäß einem weiteren konkreten Merkmal des allgemeinen Stands der Technik sind die Erfassungsbereiche relativ lang und schmal, wobei ihre Querausdehnung einem geringen Bruchteil ihrer Längsabmessung entspricht, um eine hohe Auflösung zu erreichen und den Nachweis und das Auffinden schmaler Risse in einem Prüfling zu erleichtern.
Gemäß einem weiteren Merkmal des allgemeinen Stands der Technik wird ein Paar Spulen verwendet, die sich in Ebenen befinden, die im Allgemeinen quer zur Oberfläche des Prüflings verlaufen.
In bestimmten Anordnungen nach dem allgemeinen Stand der Technik wird das Paar Spulen als Teil der felderzeugenden Mittel verwendet, indem sie an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden. Dieselben Spulen können als Teil der Sensormittel verwendet werden oder können ausschließlich in den Sensormitteln verwendet werden, wobei eine weitere Spule oder Spulen in den felderzeugenden Mitteln verwendet werden. Bei einer Anordnung umfassen die felderzeugenden Mittel eine Spule, die eine Achse aufweist, die im Allgemeinen parallel zu einer Linie an der Schnittstelle der Ebenen eines Spulenpaars, das in dem Sensormittel verwendet wird, verläuft.
Gemäß einem wichtigen Merkmal des allgemeinen Stands der Technik weisen die Spulen eine aufeinander abgestimmte Induktivität und einen aufeinander abgestimmten Widerstand auf, damit ein präzises Gleichgewicht erreicht wird und die Empfindlichkeit gegenüber Leitfähigkeits- und Permeabilitätsänderungen und die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des Abstands zwischen den Spulen und dem Prüfstück vermindert werden.
Bei einer Anordnung, bei der dasselbe Paar Spulen sowohl in den felderzeugenden Mitteln als auch den Feldsensormitteln verwendet wird, ist eine Brückenschaltung vorgesehen, die zwei Abzweige aufweist, die jeweils zwei Zweige aufweisen, wobei die beiden Abzweige an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind. Das Spulenpaar bildet zwei Zweige der Brückenschaltung, während Impedanzmittel die beiden anderen Zweige der Brückenschaltung bilden, und Nachweismittel vorgesehen sind, die zwischen der Verbindungsstelle der Zweige von einem der Abzweige und der Verbindungsstelle der Zweige des anderen Abzweigs angeschlossen sind. Mit dieser Anordnung wird ferner das Erreichen eines präzisen Gleichgewichts vereinfacht und die Empfindlichkeit gegenüber Leitfähigkeits- und Permeabilitätsänderungen und gegenüber Veränderungen des Abstands vermindert.
Bei nur einem Spulenpaar ist es möglich, dass Fehler übersehen werden, die sich genau entlang einem Winkel befinden, der den Winkel zwischen den Spulen schneidet. Auch wenn dieser Mangel für gewöhnlich nicht gravierend ist, kann er durch Bereitstellen eines zweiten Spulenpaars in Ebenen, die im Allgemeinen quer zueinander und in Winkeln zu den Ebenen des ersten Spulenpaars verlaufen, vermieden werden.
Die zuvor beschriebene orthogonale 3D-Sensor-Anordnung bringt viele Vorteile mit sich; jedoch sind einige Nachteile bekannt, die ihre Anwendung einschränken. Einer dieser Nachteile ist, dass der Sensor bei Spulen, die um einen Würfel oder kreuzförmigen Kern gewickelt sind, zwangsläufig groß ist, wodurch sich bei Prüfungen räumliche Beschränkungen für den Sensor ergeben. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Herstellung dieses Sensors entscheidend davon abhängt, dass die Spulen per Hand auf die Würfel oder die kreuzförmigen Kerne gewickelt werden. Die Herstellung ist arbeitsaufwändig und teuer.
Aufgrund der Fortschritte in der Leiterplatten-Technologie im Laufe der letzten Jahrzehnte ist es nun möglich, WS-Sensoren mit bestimmten Spulenkonfigurationen auf einem dünnen, manchmal flexiblen Träger herzustellen. Zu wichtigen Vorteilen bei der Nutzung von der Leiterplatten-Technologie für die Herstellung von WS-Gruppensonden gehören geringere Herstellungskosten, eine bessere Flexibilität der Sensoren und eine bessere Reproduzierbarkeit.
Ein Beispiel für eine derartige Sonde ist in der US-Patentschrift 5,389,876 beschrieben.
Ein Nachteil von derzeit erhältlichen WS-Sensoren oder -Sonden aus Leiterplatten ist, dass sie darauf beschränkt sind, nur die zweidimensionale (2D) Form der Spulen nach dem Stand der Technik abzubilden, die in einer Ebene gewickelt sind, die ungefähr parallel zur geprüften Oberfläche verläuft. Der Grund dafür ist, dass die Leiterplatte im Wesentlichen eine 2D-Struktur ist. Es existieren jedoch weiterhin Schwierigkeiten bei der Leiterplattenherstellung bei einigen Spulenkonfigurationen, wie sie beispielsweise bei orthogonalen Sensoren mit einer 3D-Struktur verwendet werden.
Durch den Einsatz von Festkörper-Magnetfeldsensoren wie Sensoren auf der Basis des anisotropen magnetoresistiven Effekts (AMR) und des Riesenmagnetowiderstandseffekts (GMR) in Verbindung mit der Leiterplatten-Technologie war es möglich, Sonden mit einem WS-Verhalten ähnlich dem herkömmlichen orthogonalen Sensor zu erhalten. Ein Beispiel dafür ist in der Patentveröffentlichung US2005-0007108 dargestellt. In diesem Dokument erzeugt eine Flachwickelspule in dem zu prüfenden Bauteil WS, während eine GMR-Feldsensoranordnung das orthogonale Magnetfeld erfasst, das erzeugt wird, wenn ein Fehler die WS stört. Auch wenn diese Technologie bei einigen Anwendungen von Vorteil ist, kann damit keine vollflexible Sonde bereitgestellt werden, da die AMR- und GMR-Sensoren Einzelbauelemente auf der Leiterplatte sind. Zudem existieren viele für AMR- und GMR-Sensoren spezifische Einschränkungen, beispielsweise die Gefahr der Sättigung und die Notwendigkeit der magnetischen Vorspannung, die beide im industriellen Umfeld unerwünschte Punkte darstellen,
Es ist folglich wünschenswert, ein Verfahren zum Nachbilden des WS-Effekts einer 3D-WS-Sensorstruktur unter Verwendung einer 2D-Wicklungskonfiguration bereitzustellen, die dafür geeignet ist, unter Verwendung der aktuellen Leiterplatten-Technologie hergestellt zu werden.
Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein Mittel zum Herstellen einer WS-Gruppensonde mit der Leiterplatten-Technologie bereitzustellen, die Sensoren aufweist, die sich so verhalten, wie es für die orthogonalen 3D-Sensoren nach dem allgemeinen Stand der Technik beschrieben ist.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Der Begriff ”3D-WS-Sensor” ist hier ein WS-Sensor, der ein Magnetfeld erzeugendes Mittel und ein Feldsensormittel aufweist, die dafür verwendet werden, einen WS-Fluss in der Oberfläche eines Prüflings zu induzieren beziehungsweise das Reaktionsfeld zu erfassen. Das Magnetfeld erzeugende Mittel und das Feldsensormittel des 3D-WS-Sensors sind Spulen, die orthogonal angeordnet sind oder auf andere Weise von der Oberfläche des Prüflings abstehen. Das WS-Fluss-Muster, das von dem felderzeugenden Mittel des 3D-WS-Sensors auf einer ebenen Oberfläche eines Prüflings erzeugt wird, besteht aus benachbarten Bereichen mit dem WS-Fluss jeweils in entgegengesetzter Richtung. Ferner ist der Begriff ”2D-WS-Sensor” so auszulegen, dass darunter ein Magnetfeld erzeugendes Mittel und/oder Feldsensormittel mit ähnlichen Eigenschaften zu verstehen ist, wie sie zuvor für den 3D-WS-Sensor beschrieben sind, mit der Ausnahme, dass das felderzeugende Mittel und das Feldsensormittel koplanar oder eng beieinander in parallelen Ebenen angeordnet sind, sodass er durch den Einsatz herkömmlicher Leiterplatten-Technologie erhalten werden kann.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Nachbilden des WS-Verhaltens einer 3D-WS-Sensorstruktur unter Verwendung einer 2D-Spulen- oder -Wicklungskonfiguration bereitzustellen, die dafür geeignet ist, unter Verwendung von Leiterplatten-Technologie hergestellt zu werden. Die 3D-WS-Sensorstruktur umfasst mindestens einen Abschnitt der WS-Spulen, die nicht parallel zu der zu prüfenden Oberfläche verlaufen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen 2D-WS-Sensor bereitzustellen, der Fehlermuster nachbildet, die beinahe identisch mit seinem orthogonalen 3D-Gegenstück sind, wenn er für die Prüfung der Zieloberfläche verwendet wird.
Das hier offenbarte Verfahren ermöglicht die Verwendung gewickelter 2D-WS-Sensoren, um Fehlersignaturen in der Impedanzebene zu erhalten, die denen, die mit ihren herkömmlichen 3D-Gegenstücken erhalten werden, sehr ähneln oder sogar identisch damit sind.
Der entscheidende Vorteil des hier offenbarten 2D-Sensors ist unter anderem die starke Senkung der mit der Herstellung einhergehenden Kosten, wenn der gewickelte 2D-WS-Sensor als Ersatz für sein 3D-Gegenstück verwendet wird.
Zu weiteren Vorteilen, die die hier offenbarten gewickelten 2D-WS-Sensoren von sich aus mitbringen, gehören die Möglichkeit der Herstellung unter Verwendung von Leiterplatten-Technologie, die Herstellung mit einem vollautomatisierten Verfahren im Vergleich zur manuellen Herstellung bei dem 3D-Gegenstück und dass sie Sensoren aufweisen, die sehr dünn, falls erforderlich mechanisch flexibel und während Prüfungen bei engen Platzverhältnissen einfach anzuwenden sind.
Ein weiterer Vorteil des hier offenbarten 2D-WS-Sensors ist, dass eine Vielzahl von Schichten dieser Sensoren hinzugefügt werden können, damit die Prüfung mit einer höheren Auflösung erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil des offenbarten 2D-Sensors ist, dass zwischen dem hier offenbarten Sensor und der Prüfoberfläche eine hervorragende Kopplung erreicht wird, wodurch eine erhöhte Signalstärke erreicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a (Stand der Technik) zeigt eine herkömmliche kubische orthogonale 3D-Spule zusammen mit einer Darstellung des WS-Flusses, der von der 3D-Spule auf einer Prüfoberfläche erzeugt wird.
1b ist eine perspektivische Darstellung einer elementaren Ausführungsform, in der das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Verwendung einer 2D-Spule dargestellt ist, die in einer Ebene parallel zur Prüfoberfläche gewickelt ist, wobei der erzeugte WS-Fluss das 3D-Gegenstück nachahmt, das in 1a dargestellt ist.
2a (Stand der Technik) zeigt einen herkömmlichen kubischen orthogonalen 3D-Sensor in einer Sende-Empfangs-Konfiguration zusammen mit einer Darstellung des WS, der von diesem Sensor auf der Prüfoberfläche erzeugt wird.
2b ist eine perspektivische Darstellung der vorliegend offenbarten 2D-Spule in einer Sende-Empfangs-Ausführungsform, die in einer Ebene parallel zur Prüfoberfläche gewickelt ist, wobei der WS-Effekt das 3D-Gegenstück nachahmt, das in 2a dargestellt ist.
3 veranschaulicht eine vereinfachte Ausführungsform der Wicklungen unter Verwendung der vorliegend offenbarten 2D-Spule, bei der das WS-Verhalten eines orthogonalen 3D-Sende-Empfangs-Sensors nachgebildet wird.
4 zeigt eine Ausführungsform einer Dreikanal-WS-Gruppensonde unter Verwendung einer mehrschichtigen 2D-Spule auf der Grundlage des Wicklungsverfahrens, das in 3 dargestellt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1a zeigt einen WS-Fluss 3, der mit einer herkömmlichen 3D-WS-Erregerspule 1 auf einer leitfähigen Prüfoberfläche 2 induziert wird. Wie dargestellt ist, ist die Erregerspule 1 auf einen kubischen 3D-Kern gewickelt und der Wicklungszweig umfasst zwei Ebenen senkrecht zur Oberfläche 2. Im Allgemeinen ist, wenn WS-Erregervorrichtungen in einer Wickelebene parallel zur Prüfoberfläche gewickelt sind, der induzierte WS-Fluss auf der Prüfoberfläche parallel zur Erregerspule. Bei der 3D-WS-Erregervorrichtung ist die Erregerspule 1 auf eine 3D-Struktur gewickelt, die Ebenen enthält, die von der Prüfoberfläche abstehen (nicht parallel dazu verlaufen), während der WS-Fluss 3 auf die Prüfoberfläche 2 beschränkt ist. Der WS-Fluss 3 kann deshalb nicht immer parallel zur Erregerspule 1 sein. Der WS-Fluss 3 wird stattdessen von der Wechselwirkung zwischen der Oberfläche 2 und dem Magnetfluss beeinflusst, der von dem Erreger 1 an der Oberfläche 2 erzeugt wird, und bildet an der Oberfläche 2 ein Paar von Wirbeln, wie in 1a dargestellt ist.
Bezogen auf 1b ist eine elementare Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt, die ein Paar wirbelförmiger 2D-Spulen umfasst, das in einer Ebene parallel zur Prüfoberfläche 2 gewickelt ist, wobei der erzeugte WS-Fluss 4 dem WS-Fluss 3 des 3D-Gegenstücks entspricht, das in 1a dargestellt ist. In dieser Ausführungsform wird der WS-Fluss 4 unter Verwendung einer flachen 2D-förmigen Spule 5 erzeugt, die in einer Ebene parallel zur Oberfläche 2 vorgesehen ist. Es ist ersichtlich, dass der WS-Fluss 4 dem WS-Fluss 3 von 1a sehr ähnelt. Die Spule 5 ist als Wicklungspaar 5A und 5B aufgebaut, das entgegengesetzt gewickelt ist und ähnlich aussieht wie das Wirbelpaar des WS-Flusses 3, das in 1a dargestellt ist.
Wie weiter in 1b dargestellt ist, werden zuerst marktübliche Simulationswerkzeuge eingesetzt, um den WS-Fluss zu berechnen, der mit der herkömmlichen Spule 1 erzeugt wird. Anschließend wird das flache 2D-Wicklungsmuster für die Spule 5 gezeichnet, wobei bekannt ist, dass der induzierte WS-Fluss 4 im Wesentlichen parallel zur Spulenwicklung 5 ist und ihr folgt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Spule 5 die zwei Halbwicklungen 5A und 5B aufweist, die identisch geformt, jedoch in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind. Alternativ können die Halbwicklungen 5A und 5B in dieselbe Richtung gewickelt und unabhängig voneinander mit einem Phasenunterschied des Stroms von 180 Grad angeregt werden, um dieselbe Wirkung zu erzielen. Dieses unabhängige Anregungsverfahren kann bei einer Vielzahl von Halbwicklungspaaren angewendet werden, wie sie z. B. hier nachfolgend mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben sind.
Wie dargestellt ist, kann eine höhere WS-Dichte durch Erhöhen der Wicklungsdichte der gewickelten Spule 5 erreicht werden, wie insbesondere im Bereich 32 dargestellt ist. Nach demselben Prinzip kann der WS-Fluss 4 geformt werden, um auf der Oberfläche 2 den WS-Fluss 3 nachzubilden, der mit der herkömmlichen Spule 1 erzeugt wurde.
Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, 2D-Spulen zum Nachbilden der Verteilung des WS-Flusses auf der Oberfläche 2, der mit einer 3D-Spulenanordnung erzeugt wird, zu verwenden. Das bedeutet jedoch nicht, dass unter Verwendung der 2D-Spulen derselbe Wert der WS-Dichte erreicht wird. Mit anderen Worten ist der WS-Fluss 4 eine skalierte Version des WS-Flusses 3. Lediglich ein Teil des Magnetfelds, das von der 3D-Spule 1 erzeugt wird, schneidet die Oberfläche 2, während ein viel größerer Teil des WS-Flusses, der von der 2D-Spule 5 erzeugt wird, die Oberfläche 2 schneidet, da sie viel näher daran liegen. Dies ist ein wünschenswertes Merkmal der 2D-Sonde der vorliegenden Erfindung, da sich die Signalstärke erhöht und damit potenziell ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis vorliegt.
Weiter bezogen auf 1b ist dargestellt, dass die Spule 5 mittels weit verbreiteter Leiterplatten-Technologie auf eine flexible oder steife Leiterplatte geätzt werden kann. Spulenanschlüsse 6 und 7 stellen Mittel zum Anschließen der Spulen an eine Erfassungseinheit des WS-Systems (nicht dargestellt) über separate Leiterplattenschichten oder unter Verwendung von Lötdrähten bereit.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist, dass eine 2D-Wicklungskonfiguration wie die, die in der Spule 5 verwendet wird, die eine Erregerspule wie die Spule 1 nachbildet, auch verwendet werden kann, um nach demselben Prinzip, wie es zuvor beschrieben ist, eine Empfängerspule nachzubilden. Mit anderen Worten kann ein 2D-Wicklungsmuster, wie es in der Spule 5 verwendet wird, auch zum Nachbilden der Ergebnisse einer 3D-Empfängerspule verwendet werden, deren Wicklungen wie bei der Spule 1 auf einem 3D-Kern vorgesehen sind.
Die geometrischen Eigenschaften des flachen 2D-Wicklungsmusters der vorliegenden Erfindung können bestimmt werden, indem zuerst das Muster und die Richtung des WS-Flusses 3 ermittelt werden, die sich aus dem Magnetfeld auf einer fehlerfreien Oberfläche 2 ergeben, das von der 3D-Erregerspule erzeugt wird, die nachgebildet werden soll. Nachdem dieses Muster und diese Richtung bekannt sind, wird die Spule 5, die in 1b dargestellt ist, so hergestellt, dass ihre Wicklungen der Form und Richtung des WS-Stroms 3 entsprechen.
Es ist allgemein bekannt, dass eine 3D-Spulenkonfiguration, wie sie in 1a dargestellt ist, als ”Absolutkonfiguration” verwendet werden kann, die sowohl als Erreger als auch als Empfänger dient. Es ist deshalb vorstellbar, dass gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung die gewickelte Spule 5, die in 1b dargestellt ist, in einer Absolutkonfiguration sowohl als Erreger als auch als Empfänger verwendet werden kann, um die Oberfläche 2 zu prüfen und ein WS-Ergebnis zu erhalten, das das Verhalten der Spule 1 nachbildet, die ebenfalls in Absolutkonfiguration verwendet wird.
Bezogen auf 2a ist eine Art eines bekannten orthogonalen Sensors 30 dargestellt, der für die Prüfung der Oberfläche 2 eine separate Erregerspule 1 und eine separate Empfängerspule 29 aufweist. Wie dargestellt ist, ist die Empfängerspule 29 orthogonal zur Erregerspule 1. Ein Teil der Empfängerspule 29 verläuft senkrecht zur Ebene der Prüfoberfläche 2, auf der der WS-Fluss 3 induziert wird. Unter Verwendung des hier offenbarten Verfahrens und da bekannt ist, dass die Erregerspule 1 und die Empfängerspule 29 in Form und Anzahl der Wicklungen beinahe identisch, jedoch senkrecht zueinander sind, kann eine entsprechende flache 2D-Wicklungskonfiguration bereitgestellt werden, wenn zwei senkrechte Spulen verwendet werden, die wie die Spule 5 in 1b geformt sind.
Wie in 2b dargestellt ist, umfasst ein orthogonaler 2D-Sensor 31 die 2D-Spule 5 als Erreger und die 2D-Spule 8 als orthogonalen Empfänger. Mit der Mehrlagen-Leiterplatten-Technologie können Sensoren wie die 31 auf einer einzelnen flexiblen oder steifen Leiterplatteneinheit hergestellt werden, indem die Erreger- und Empfängerwicklungen in separaten Lagen angeordnet werden und die mehrlagige Einheit zur Verbindung mit den Wicklungsanschlussen 6, 7, 9 und 10 verwendet wird. So kann in der Ausführungsform, die in 2b dargestellt ist, ein orthogonales 2D-Erreger-Empfänger-Paar als Ersatz für den herkömmlichen orthogonalen 3D-Erreger-Empfänger-WS-Sensor, der in 2a dargestellt ist, verwendet werden.
Erwähnenswert ist, dass orthogonale Spulenkonfigurationen wie 30 und/oder 31 insbesondere in einem kleinen Bereich 11 in der Mitte der Sonden empfindlich sind. Die tatsächliche Breite dieses Bereichs ist vorzugsweise so definiert, dass sie nicht mehr als die Hälfte der Diagonale der herkömmlichen Spule 30 beträgt. Bei diesen Konfigurationen, bei denen ein kleiner Teil des WS-Flusses für den Großteil des WS-Verhaltens verantwortlich ist, ist es nicht so wichtig, das WS-Muster über die gesamte Oberfläche 2 genau anzupassen. Wird dies bedacht, kann die orthogonale 2D-Spulenwicklung daher in ein vereinfachtes Wicklungsmuster abgeändert werden, wie in 3 dargestellt ist.
Wie in 3 dargestellt ist, wird in der Spule 33 die alternative orthogonale 2D-Spulenwicklung verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass anstatt der ohrförmigen Spulen, die in Sensor 31 von 2b verwendet werden, quadratische Spulen 33 verwendet werden, um die Konstruktion und den Herstellungsprozess zu vereinfachen. Es können andere geometrische Formen als ein Quadrat verwendet werden. Da er dem Wicklungsmuster von Sensor 31 nur ungefähr ähnelt, bewirkt der Sensor 33 auf der Prüfoberfläche ein WS-Verhalten, das im Wesentlichen dem ähnelt, das mit dem Sensor 31 erreicht wird. Dies ist hauptsächlich auf die wesentliche Gleichwertigkeit des empfindlichen Bereichs 11 in beiden Sensoren 31 und 33 zurückzuführen.
Mit Bezug auf 3 ist festzustellen, dass der Sensor 33 vier einzelne Spulen umfasst. Um ein Verhalten entsprechend dem orthogonalen 3D-Sensor 30 (in 2a) zu erreichen, müssen die Anschlüsse 13, 16, 20 und 22 an Masse gelegt sein. Die Anschlüsse 19 und 17 sind an dasselbe Erregersignal (dieselbe Amplitude und Phase) angeschlossen. Die Anschlüsse 21 und 23 sind an einen Differenzeingang angeschlossen, um ein einzelnes Empfängersignal zu liefern. Der Vorteil dieses alternativen Verfahrens zum Anschließen dieser Wicklungen wird deutlich, wenn die nachfolgend offenbarte Gruppenausführung des flachen orthogonalen Sensors betrachtet wird.
Es wird nun Bezug auf 4 genommen. In 4 umfasst eine Gruppensonde 34 eine Spulenkonfiguration zum Aufbauen einer kompakten WS-Gruppensonde unter Verwendung mehrerer 2D-Spulen, wie sie zuvor in Verbindung mit 2b und 3 offenbart wurden, um das WS-Verhalten nachzubilden, das mit einer 3D-WS-Gruppensonde erreicht wird. Genauer gesagt umfasst die Sonde 34 vier 2D-Erregerspulen (12, 13, 25 und 26) und vier 2D-Empfängerspulen (14, 15, 27 und 28). Eine Multiplexereinheit 24 kann jede Erregerwicklung und die entsprechenden Paare der Empfängerwicklungen (14–15; 27–15; 27–28) nacheinander aktivieren. Wie in 4 dargestellt ist, wird der erste Prüfkanal durch die Aktivierung der Erreger 12 und 13 zusammen mit den Empfängern 14–15 erzeugt und stellt einen empfindlichen Punkt 35 bereit. Der zweite Prüfkanal wird durch die Aktivierung der Erreger 13 und 25 zusammen mit den Empfängern 27–15 erzeugt und stellt einen empfindlichen Punkt 36 bereit. Der dritte Prüfkanal wird durch die Aktivierung der Erreger 25 und 26 zusammen mit den Empfängern 27–28 erzeugt und stellt einen empfindlichen Punkt 37 bereit.
Die vorstehende beispielhafte 2D-WS-Gruppensonde 34, die in 4 dargestellt ist, ist eine Dreikanal-Gruppensonde. Es ist festzuhalten, dass je nach Anwendung jede beliebige Anzahl von Kanälen zum Aufbau einer derartigen Gruppensonde verwendet werden kann.
Da die Multiplexereinheit 24 und eine Erfassungseinheit (nicht dargestellt), die Gruppensonden wie die 34 halten können, handelsüblich sind, wird hier nicht weiter auf deren Einzelheiten eingegangen. Es versteht sich auch, dass die hier offenbarte zweilagige Leiterplattenstruktur beispielhaft ist. Es können auch mehr wie Leiterplatten konstruierte Schichten verwendet werden. Es könnten beispielsweise bei jeder Spule mehrere Leiterplattenschichten zur Anwendung kommen, um die Sondeninduktivität zu erhöhen, wodurch niedrigere Prüffrequenzen verwendet werden können. Ein weiteres Beispiel wäre das Stapeln mehrerer abgestufter Sonden wie der 34 über die mehrlagige Struktur, um für eine bessere Abdeckung (höhere Auflösung) der geprüften Oberfläche zu sorgen.
Ein weiteres Beispiel wäre die Verwendung verschiedener Leiterplattenschichten zum Nachweis von Fehlern unterschiedlicher Ausrichtung unter Verwendung eines angepassten Spulenmusters.
Es ist weiter festzuhalten, dass es, da bekannt ist, dass herkömmliche orthogonale 3D-Sensoren als Sende-Empfangs- oder Differenzkonfiguration geschaltet werden können, denkbar ist, dass das vorliegend offenbarte orthogonale 2D-Gegenstück ebenfalls als Differenzkonfiguration geschaltet werden kann, damit eine Empfindlichkeitsachse bereitsteht, die um 45 Grad versetzt ist, und dass auch eine entsprechende Gruppensondenkonfiguration hergestellt werden kann.
Wie hier offenbart ist, dass entsprechende Wicklungen, wie die 5 in 1b und 2b oder Gruppen von Wicklungen wie die 12 und 18 in 3 Spulen nachbilden können, die in einem bestimmten 3D-Sensor enthalten sind, indem entsprechende WS-Muster auf der geprüften Oberfläche erreicht werden, wie in dieser Erfindung beschrieben ist, fällt es in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung, dass vielfältige Spulenkonfigurationen, die für die 3D-Sensoren ausgelegt sind, mit dem 2D-Gegenstück reproduziert werden können. Entscheidend ist, dass die hier offenbarten flachen 2D-Sensoren ein entsprechendes WS-Verhalten auf der geprüften Oberfläche erreichen können und damit die Fehlersignaturen von dem 3D-Gegenstück in der Impedanzebene nachbilden.
Es muss auch darauf hingewiesen werden, dass die Spulen 5A und 5B in 1b im Wesentlichen dasselbe Muster aufweisen. Wenn die Erreger-/Empfängerspulen, die nachgebildet werden sollen, jedoch ein unregelmäßiges Muster aufweisen oder asymmetrisch auf der Prüfoberfläche angeordnet sind, weist der WS-Fluss, der sich aus den 3D-Spulen ergibt, ein asymmetrisches unregelmäßiges Muster auf Der Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung betrifft das Muster des WS-Flusses, der von den 3D-Spulen erzeugt wird, die ferner dazu verwendet werden, das Muster der 2D-Spulen zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung ist zwar in Bezug auf konkrete Ausführungsbeispiele derselben beschrieben worden, jedoch sind für einen Fachmann viele andere Varianten und Abwandlungen und andere Anwendungen ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die konkrete Offenbarung eingeschränkt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3495166 [0005]
US 5389876 [0018]
US 2005-0007108 [0020]

Claims

Verfahren zum Entwickeln einer 2D-Wirbelstromspule, die eine 3D-Wirbelstromspule nachbildet, die dafür einsetzbar ist, an einer Prüfoberfläche Wirbelstromprüfungen durchzuführen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bestimmen von Eigenschaften eines ersten Wirbelstromflusses auf der Prüfoberfläche, der der 3D-Spule zugehörig ist, wobei die Eigenschaften des ersten Wirbelstromflusses ein Flussmuster umfassen, das einen kontinuierlichen Fluss aufweist, der mindestens zwei entgegengesetzt gedrehte Wirbel definiert; und b) Herstellen der 2D-Spule, sodass, wenn die 2D-Spule an der und parallel zur Prüfoberfläche platziert wird, die 2D-Spule einen zweiten Wirbelstromfluss mit ähnlichen Eigenschaften wie denen des ersten Wirbelstromflusses erzeugt, und wobei die 2D-Spule so eingerichtet ist, dass sie gezielt als: Wirbelstromerreger, Wirbelstromerreger und -empfänger, oder Wirbelstromempfänger verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Konstruieren der 2D-Spule unter Verwendung von Leiterplatten-Herstellungstechnologie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich eine Form und ein Muster der 2D-Spule im Wesentlichen an eine Form und ein Muster des ersten Wirbelstromflusses halten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich eine Form und ein Muster der 2D-Spule ungefähr an eine Form und ein Muster des ersten Wirbelstromflusses halten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 2D-Spule unter Verwendung eines leitfähig durchgängigen Schaltkreiselements als Paar von im Wesentlichen identischen und entgegengesetzt gewickelten Wicklungen gewickelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 2D-Spule unter Verwendung eines leitfähig durchgängigen Schaltkreiselements als Paar von Wicklungen mit unterschiedlicher Form gewickelt ist, die in entgegengesetzte Richtung gewickelt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 2D-Spule mindestens einen ersten und zweiten separaten Spulenabschnitt umfasst, wobei jeder Abschnitt in dieselbe Richtung gewickelt ist und unabhängig mit einem Phasenunterschied von 180 Grad angeregt wird, wobei die beiden Spulenabschnitte in derselben Ebene parallel zur Prüfoberfläche angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 3D-Spule eine Erreger-Empfänger-Absolutausführung ist und die 2D-Spule eine Erreger-Empfänger-Absolutausführung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 3D-Spule ferner eine Erregerwicklung und eine Empfängerwicklung umfasst, wobei die Empfängerwicklung senkrecht zur Erregerwicklung gewickelt ist, und wobei die 2D-Spule ferner eine 2D-Erregerwicklung und eine 2D-Empfängerwicklung umfasst, wobei die 2D-Empfängerwicklung orthogonal zur 2D-Erregerwicklung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 2D-Spule als eine Vielzahl identischer 2D-Spulen ausgeführt ist, die abgestuft in einer Reihe und/oder in mehreren Schichten angeordnet sind.
2D-Wirbelstromspule, die dafür eingerichtet ist, eine 3D-Wirbelstromspule nachzubilden, die dafür einsetzbar ist, an einer Prüfoberfläche Wirbelstromprüfungen mit einem ersten Wirbelstromfluss durchzuführen, wobei die 2D-Spule, wenn sie an der und parallel zur Prüfoberfläche platziert ist, dafür eingerichtet ist, dass sie einen zweiten Wirbelstromfluss mit ähnlichen Eigenschaften wie denen eines ersten Wirbelstromflusses erzeugt, der von der 3D-Spule erzeugt wird, wobei zu den Eigenschaften des ersten Wirbelstromflusses ein Flussmuster gehört, das einen kontinuierlichen Fluss aufweist, der mindestens zwei entgegengesetzt gedrehte Wirbel definiert, und die 2D-Spule so eingerichtet ist, dass sie gezielt als: Wirbelstromerreger, Wirbelstromerreger und -empfänger, oder Wirbelstromempfänger verwendet werden kann.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 2D-Spule eine Spule ist, die unter Verwendung von Leiterplatten-Herstellungstechnologie hergestellt ist.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei sich eine Form und ein Muster der 2D-Spule im Wesentlichen an eine Form und ein Muster des ersten Wirbelstromflusses halten.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei sich die Form und das Muster der 2D-Spule ungefähr an die Form und das Muster des ersten Wirbelstromflusses halten.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 2D-Spule unter Verwendung eines leitfähig durchgängigen Schaltkreiselements als Paar von identischen, jedoch entgegengesetzt gewickelten Wicklungen gewickelt ist.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 2D-Spule mindestens einen ersten und zweiten separaten Spulenabschnitt umfasst, wobei jeder Abschnitt in dieselbe Richtung gewickelt ist und unabhängig mit einem Phasenunterschied von 180 Grad angeregt wird, wobei die beiden Spulenabschnitte in derselben Ebene parallel zur Prüfoberfläche angeordnet sind.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 2D-Spule unter Verwendung eines leitfähig durchgängigen Schaltkreiselements als Paar von Wicklungen mit unterschiedlichen Formen gewickelt ist.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 3D-Spule eine Erreger-Empfänger-Absolutausführung ist und die 2D-Spule eine Erreger-Empfänger-Absolutausführung ist.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 3D-Spule ferner eine Erregerwicklung und eine Empfängerwicklung umfasst, wobei die Empfängerwicklung senkrecht zur Erregerwicklung gewickelt ist, und wobei die 2D-Spule ferner eine 2D-Erregerwicklung und eine 2D-Empfängerwicklung umfasst, wobei die 2D-Empfängerwicklung orthogonal zur 2D-Erregerwicklung angeordnet ist.
2D-Wirbelstromspule nach Anspruch 11, wobei die 2D-Spule als eine Vielzahl identischer 2D-Spulen ausgeführt ist, die abgestuft in einer Reihe und/oder in mehreren Schichten angeordnet sind.
Verfahren zum Durchführen einer Wirbelstromprüfung an einer Prüfoberfläche eines Prüfgegenstands, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines 2D-Wirbelstromsensors, der eine 2D-Spule aufweist, die, wenn sie an der und parallel zur Prüfoberfläche platziert wird, dafür eingerichtet ist, dass sie einen Wirbelstromfluss mit einem Flussmuster erzeugt, das einen kontinuierlichen Fluss aufweist, der mindestens zwei entgegengesetzt gedrehte Wirbel definiert, und die 2D-Spule so eingerichtet ist, dass sie gezielt als: Wirbelstromerreger, Wirbelstromerreger und -empfänger, oder Wirbelstromempfänger verwendet werden kann; Platzieren des 2D-Wirbelstromsensors an der Prüfoberfläche des Prüfgegenstands; Arbeiten mit dem 2D-Wirbelstromsensor zur Induzierung von WS-Flüssen in der Prüfoberfläche und Erfassen der WS-Flüsse; und Ermitteln, ob der Prüfgegenstand Fehler aufweist, und Bestimmen der Eigenschaften der Fehler durch Analysieren der erfassten WS-Flüsse.