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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchlaufspulenanordnung zur Verwendung in einer Prüfvorrichtung zum Prüfen von Langprodukten im Durchlaufverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, auf ein Prüfverfahren zur Prüfung von Langprodukten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 sowie auf eine Prüfvorrichtung mit einer solchen Durchlaufspulenanordnung.
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Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Langprodukte sind langgestreckte metallische Gegenstände, wie beispielsweise Drähte, Stäbe, Stangen oder Rohre o. dgl. Solche Langprodukte können als Ausgangsmaterialien für hochwertige Endprodukte dienen und unterliegen häufig höchsten Qualitätsanforderungen. Die Prüfung auf Materialfehler, beispielsweise auf oberflächennahe Risse, Lunker, Schalen oder andere Materialinhomogenitäten (im Folgenden auch Fehler oder Defekte genannt), bildet einen wichtigen Teil der Qualitätskontrolle dieser Produkte. Dabei wird in der Regel eine möglichst lückenlose Prüfung der Materialoberfläche mit hoher Auflösung angestrebt, die nach Möglichkeit am Herstellungsort im Takt und mit der Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses durchführbar sein soll. Derartige Prüfungen werden heutzutage vielfach unter Nutzung elektromagnetischer Methoden, insbesondere der Wirbelstromtechnik, im Durchlaufverfahren durchgeführt. Bei einer Prüfung im Durchlaufverfahren wird ein zu prüfender Gegenstand (Prüfgegenstand, Prüfling) mit vorgebbarer, ggr. relativ hoher Durchlaufgeschwindigkeit durch einen mit entsprechender Sensorik ausgestatteten Prüfabschnitt einer Prüfvorrichtung bewegt und dabei geprüft.
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Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung im Wirbelstromverfahren wird durch eine mit Wechselstrom betriebene Erregerspule in dem zu prüfenden Material ein elektrischer Wechselstrom (Wirbelstrom) geeigneter Richtung, Größe und Frequenz induziert und die entstehenden Unregelmäßigkeiten des Wirbelstroms werden mit Hilfe von Sensoren, z.B. einer Spulenanordnung, erfasst und ausgewertet. Man spricht von einem „Transformatorischen Sensor“, wenn die Erregung und Erfassung mit unterschiedlichen Komponenten erfolgt und von einem „Parametrischen Sensor“, wenn die Erregung und die Erfassung mit nur einer Komponente (Spule) erfolgt und die Impedanzänderung ausgewertet wird. In dieser Anmeldung werden nur transformatorische Sensoren betrachtet.
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Bei der Wirbelstromprüfung wird der Effekt ausgenutzt, dass die meisten Verunreinigungen oder Defekte in einem elektrisch leitfähigen Material eine andere elektrische Leitfähigkeit und/oder eine andere Permeabilität als das Prüfmaterial selbst haben. Das auszuwertende Messsignal ist vor allem von der Leitfähigkeit und Permeabilität des Prüflingsmaterials und vom Abstand zwischen dem Wirbelstromsensor und der Materialoberfläche bestimmt, wobei mit zunehmendem Abstand des Sensors von der Materialoberfläche die absolute Stärke des Fehlersignals und auch das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignalen (Nutz/Stör-Verhältnis, S/N-Ratio) abnimmt.
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Eine Klasse von Prüfvorrichtungen für das Durchlaufverfahren hat einen um das hindurch laufende Langprodukt rotierenden Prüfkopf mit daran angebrachten Prüfsonden (Tastsonden), die bei geeigneter Anpassung von Rotationsgeschwindigkeit und Durchlaufgeschwindigkeit eine lückenlose Prüfung der Langprodukte mit hoher Ortsauflösung ermöglichen. Solche Prüfvorrichtungen der Anmelderin sind z.B. unter der Marke CIRCOGRAPH® kommerziell erhältlich
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Bei einer anderen Klasse von Durchlaufverfahren wird eine den Prüfgegenstand umfassende Durchlaufspulenanordnung eingesetzt, durch die der zu prüfende Gegenstand (das Langprodukt) hindurchgeführt wird. Eine Durchlaufspulenanordnung hat eine Erregerspulenanordnung mit einer Erregerspule, die eine Durchlassöffnung zum Hindurchführen eines langgestreckten Gegenstandes entlang einer Durchlaufrichtung umschließt. Die Erregerspulenanordnung hat eine Anschlusseinrichtung zum Anschluss der Erregerspule an eine Wechselspannungsquelle. Weiterhin ist eine um die Durchlassöffnung herum angeordnete Empfängerelementanordnung vorgesehen, die eine Anschlusseinrichtung zum Anschluss der Empfängerelementanordnung an eine Auswerteeinrichtung der Prüfvorrichtung aufweist. Die Erregerspulenanordnung und die Empfängerelementanordnung werden über die Anschlusseinrichtungen an die elektrischen bzw. elektronischen Komponenten der Prüfvorrichtung angeschlossen.
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Derartige umfassende Durchlaufspulenanordnungen sind in der Regel relativ kostengünstig herstellbar und aufgrund ihrer Robustheit auch unter harten Umgebungsbedingungen zuverlässig und wirtschaftlich einsetzbar.
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Um den starken Einfluss des Abstandes zwischen Sensor und Materialoberfläche auf das Messsignal auszugleichen, sind für Prüfvorrichtungen mit Rotierköpfen verschiedene Systeme der Abstandskompensation vorgeschlagen worden (wie z.B.
DE 40 03 330 A1 ). Dem Einfluss des Abstandes bei den mit Abstand vom Prüfgut angeordneten Tastspulen entspricht bei den Verfahren mit Durchlaufspulen der sogenannte Füllfaktor. Unter dem Füllfaktor versteht man allgemein das Verhältnis vom Prüfmaterialquerschnitt zum wirksamen Spulenquerschnitt. Generell wird beobachtet, dass die Fehlersignalamplitude abnimmt, je geringer der Füllfaktor ist. Daher wird eine möglichst weitgehende Ausfüllung des Spulenquerschnitts der Durchlaufspulenanordnung durch den Prüfgegenstand angestrebt, so dass die inneren Bereiche der Durchlaufspulenanordnung relativ nahe an der zu prüfenden Oberfläche verlaufen. Zusätzlich besteht ein starker Einfluss auf das aufgenommene Fehlersignal durch den Abstand des Fehlerorts zum Messelement der Empfängerelementanordnung, so dass eine exzentrische Lage des Prüfmaterials zur Durchlaufspule zu ortsabhängiger, unterschiedlicher Bewertung führen kann.
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Eine Durchlaufspulenanordnung ist daher nur für einen relativ kleinen Durchmesserbereich des Prüfguts optimal geeignet. Daher werden mehrere Durchlaufspulenanordnungen mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien benötigt, wenn Prüflinge mit unterschiedlich großen Querschnitten zu prüfen sind.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 44 38 171 A1 zeigt eine Prüfvorrichtung mit einer Vielzahl von Prüfsonden mit relativ kleinen Sondenwirkflächen, die in einem Sondenträger in Reihe so angeordnet sind, dass die Sondenwirkflächen der einzelnen Prüfsonden eine Gesamtwirkfläche aufspannen, die unter Einhaltung eines zur Prüfung geeigneten Prüfabstands an die Oberfläche eines durchlaufenden Prüfgegenstandes angepasst werden kann. Jede der Prüfsonden kann beispielsweise als Wirbelstromsonde mit Erregerspulenanordnung und Empfängerspulenanordnung ausgelegt sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen sitzen die Prüfsonden am Umfang einer halbkreisförmigen Ausnehmung eines Sondenträgers, so dass ein durchlaufender runder Prüfgegenstand etwa über die Hälfte seines Umfangs mit Hilfe einer Vielzahl von Prüfsonden geprüft werden kann. Durch Kombination mehrerer Sondenträger ist eine lückenlose Prüfung eines durchlaufenden Prüfgegenstandes über den gesamten Umfang möglich.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Durchlaufspulenanordnung zur Verwendung in einer Prüfvorrichtung zum Prüfen von Langprodukten im Durchlaufverfahren bereitzustellen, die bei kostengünstigem und robustem Aufbau aussagekräftige Prüfergebnisse über Defekte und andere Unregelmäßigkeiten im durchlaufenden Prüfgegenstand bereitstellen kann. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Prüfverfahren sowie eine Prüfvorrichtung bereitzustellen, die mit einer solchen Durchlaufspulenanordnung arbeiten.
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Zur Lösung dieser Aufgaben wird eine Durchlaufspulenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt. Weiterhin werden ein Prüfverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 sowie eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 15 bereitgestellt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Eine erfindungsgemäße Durchlaufspulenanordnung der gattungsgemäßen Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Empfängerelementanordnung zwei oder mehr über den Umfang der Durchlassöffnung verteilte Segmentselementanordnungen aufweist, wobei jede Segmentelementanordnung einen Erfassungsbereich hat, der nur einen Umfangsabschnitt bzw. ein Segment des gesamten Umfangs der Oberfläche des Gegenstandes abdeckt.
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Eine solche Durchlaufspulenanordnung hat eine gemeinsame Erregung für zwei oder mehr Segmentelementanordnungen, die jeweils nur einen Teil bzw. ein Segment des Umfangs des Prüflings abdecken. Alle von den einzelnen Segmentelementanordnungen gelieferten Signale basieren also auf der gleichen Erregung und sind insoweit unmittelbar untereinander vergleichbar. Gleichzeitig ermöglicht die Segmentierung bzw. Aufteilung der Empfängerelementanordnung in mehrere Segmentelementanordnungen, dass auftretende Fehlersignale einen bestimmten Umfangsabschnitt der Gegenstandsoberfläche zugeordnet werden können. Somit ist eine Lokalisierung von Defekten nicht nur, wie bei herkömmlichen Durchlaufspulenanordnungen, in Längsrichtung des Gegenstandes möglich, sondern auch in Umfangsrichtung. Die Vorteile konventioneller Durchlaufspulenanordnungen hinsichtlich Robustheit und Zuverlässigkeit können dabei erhalten bleiben.
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Die Empfängerelementanordnung ist bei bevorzugten Ausführungsformen mit mehreren Segmentspulenanordnungen aufgebaut. Der Signalempfang erfolgt also über Spulen, wodurch sich sehr robuste Systeme aufbauen lassen. In diesem Fall kann die Empfängerelementanordnung auch als Empfängerspulenanordnung bezeichnet werden. Eine Empfängerelementanordnung kann jedoch auch mit anderen magnetfeldempfindlichen Messelementen aufgebaut sein, die keine Spulen enthalten. Beispielsweise können Messelemente in Form von GMR-Elementen verwendet werden, die den Der GMR-Effekt (giant magnetoresistance) oder Riesenmagnetowiderstands-Effekt ausnutzen. Auch Kombinationen daraus sind möglich.
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In der Regel werden alle Segmentelementanordnungen gleichzeitig betrieben und deren Signale ausgewertet. Es hat sich gezeigt, dass eine hohe Anzahl von parallel arbeitenden Kanälen eine Verbesserung bei der Empfindlichkeit der Prüfung bringen kann. Wenn n die Anzahl der gleichzeitig betriebenen Segmentelementanordnungen ist, so ist der Störpegel durch die Segmentierung um den Faktor n geringer als bei einer einzelnen Empfängerspule. Durch die Segmentierung ist somit eine Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses (S/N-Ratio) möglich. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, nur einen Teil der Segmentelementanordnungen, also z.B. eine einzelne Segmentelementanordnung oder eine Untergruppe aller Segmentelementanordnungen für eine Prüfung zu nutzen, um nur einen oder mehrere Umfangsabschnitte, aber nicht den gesamten Umfang zu prüfen.
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Die Anzahl gleichzeitig betreibbarer Segmentelementanordnungen kann der Prüfaufgabe angepasst werden. Häufig sind vier oder mehr Segmentelementanordnungen günstig, um eine ausreichende Ortsauflösung in Umfangsrichtung zu erzielen. Sind z.B. vier identische 90°-Segmentelementanordnung vorgesehen, so kann der Umfang in Quadranten aufgeteilt werden und es ist möglich, jedes Fehlersignal einem der Quadranten zuzuordnen. Es können auch sechs, acht, zehn, zwölf oder mehr Segmentelementanordnungen vorgesehen sein, ggf. kann auch eine ungerade Anzahl von Segmentelementanordnungen vorgesehen sein. Wenn die Anzahl der Segmentelementanordnungen im Bereich von vier bis sechzehn liegt, ist in der Regel ein guter Kompromiss aus hinreichend guter Ortsauflösung in Umfangsrichtung und Komplexität des Aufbaus möglich.
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Die Segmentelementanordnungen können zueinander identisch sein, was u.a. aus Fertigungsgründen und für die Auswertung von Vorteil sein kann. Die Empfängerelementanordnung kann auch zwei oder mehr unterschiedliche Typen von Segmentelementanordnungen aufweisen, die z.B. unterschiedliche Größe und/oder unterschiedliche Spulengeometrie haben können. Dadurch ist ggf. eine bessere Anpassung an komplexere Prüfaufgaben möglich.
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Vorzugsweise ist jede der Segmentelementanordnungen an einen eigenen Kanal der Anschlusseinrichtung angeschlossen, so dass bei Bedarf eine getrennte Auswertung der Signale aller Segmentelementanordnungen mit einer entsprechenden Ortsauflösung in Umfangsrichtung möglich ist. Es können auch die Signale von zwei oder mehr Segmentelementanordnungen bei der Auswertung miteinander verknüpft und gemeinsam ausgewertet werden.
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Die Aufteilung der Empfängerelementanordnung in mehrere Segmentelementanordnungen erlaubt es auch, dass bei Bedarf jede Segmentelementanordnung mit einer individuellen Empfindlichkeit betrieben werden kann, so dass beispielsweise einige Segmentelementanordnungen eine höhere Empfindlichkeit haben können als eine oder mehrere andere Segmentelementanordnungen. So kann beispielsweise bei der Prüfung von geschweißten Rohren derjenige Umfangsbereich, in welchem die entlang des Rohrs verlaufende Schweißnaht verläuft, mit anderer Empfindlichkeit betrieben werden als die anderen Segmentelementanordnungen.
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Die Segmentierung in Umfangsrichtung ermöglicht in vielen Fällen auch eine bessere Anpassung der Geometrie der Empfängerspulenanordnung an unterschiedliche Gegenstandsquerschnitte des Prüflings. Die Empfängerspulenanordnung kann beispielsweise je nach Bedarf einen runden Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt, beispielsweise einen dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Querschnitt haben. Auch unsymmetrische oder lediglich spiegelsymmetrische Querschnittsformen sind möglich.
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Bei einer Weiterbildung weist die Empfängerspulenanordnung mehrere Paare von diametral gegenüberliegenden Segmentelementanordnungen auf. Eine gemeinsame Auswertung von Absolutsignalen von paarweise diametral gegenüberliegenden Segmentelementanordnungen ermöglicht auf besonders einfache Weise die Bestimmung des Prüflingsdurchmessers in der entsprechenden Diagonalrichtung und ggf. auch von Durchmesserschwankungen und/oder Dezentrierungen.
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Bei vielen Ausführungsformen bilden die Segmentelementanordnungen einen in Umfangsrichtung geschlossenen Ring um die Durchlassöffnung. Dadurch kann erreicht werden, dass alle gleichzeitig auftretenden Prüfsignale dem gleichen axialen Abschnitt des Prüflings zugeordnet werden können. Um eine in Umfangsrichtung lückenlose Prüfung zu ermöglichen, können die Segmentelementanordnungen in Umfangsrichtung aneinander angrenzen oder einander teilweise überlappen, wodurch Empfindlichkeitseinbrüche vermieden werden können. Eine in Umfangsrichtung lückenlose Prüfung ist auch dadurch möglich, dass Segmentelementanordnungen in einer Ebene senkrecht zur Durchlaufrichtung in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander liegen, wobei jedoch Segmentelementanordnungen in mehreren in Durchlaufrichtung versetzten Ebenen hintereinander auf Lücke angeordnet sind.
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Bei einer Weiterbildung ist eine als Segmentspulenanordnung ausgebildete Segmentelementanordnung als Flachspulenanordnung ausgebildet. Der Begriff „Flachspulenanordnung“ bezeichnet hierbei insbesondere Spulenanordnungen, bei denen die stromführenden Leiterabschnitte im Wesentlichen in einer gemeinsamen ebenen oder gekrümmten Fläche liegen. Es kann sich um eine gewickelte Spulenanordnung handeln.
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Vorzugsweise weist eine Segmentspulenanordnung Leiterbahnen auf, die auf einem steifen oder flexiblen Träger aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht sind. Solche in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik oder einem anderen Additions- odfer Subtraktionsverfahren herstellbaren Segmentspulenanordnungen können mit engen Toleranzen in den verschiedensten geometrischen Anordnungen aufgebaut werden. Wenn flexibles bzw. biegsames Trägermaterial verwendet wird, ist eine Anpassung der Einbaugeometrie der Segmentspulenanordnung an den zu prüfenden Querschnitt besonders einfach möglich.
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Für die konstruktive Ausgestaltung der Erregerspule gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die Erregerspule kann beispielsweise als aus Draht gewickelte Spule mit mehreren Windungen ausgebildet sein. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn die Erregerspule eine Flachbandspule ist. Der Begriff „Flachbandspule“ bezeichnet hierbei eine in Umfangsrichtung weitgehend geschlossene Spule, deren radiale Dicke klein gegen die in Axialrichtung gemessene Breite des Spulenelementes ist. Eine einzige „Windung“ reicht aus. Solche Flachbandspulen können mit hohen Stromstärken betrieben werden, um ein starkes Erregerfeld zu erzeugen. Außerdem ergibt sich im Vergleich zu gewickelten Spulen ein äußerst homogenes Erregerfeld über eine für die Prüfung ausreichende axiale Länge des Prüfgegenstandes, wodurch die Zuverlässigkeit der Detektion verbessert werden kann. In der Regel reicht eine einzige Flachbandspule als Erregerspule. Es können jedoch zwei oder mehr Flachbandspulen vorgesehen sein.
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Die Messelementsegmente bzw. Segmentelementanordnungen können unterschiedlich ausgeführt sein. Ein Segment besteht vorzugsweise mindestens aus einem Einfachdifferenzelement. Dieses kann erweitert sein zu einem Mehrfachdifferenzelement und/oder um ein Absolutelement ergänzt werden.
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Bei manchen Ausführungsformen weist eine als Segmentspulenanordnung ausgebildete Segmentelementanordnung eine Differenzspulenanordnung und eine Absolutspulenanordnung auf. Mit einer Differenzspulenanordnung können z.B. Lochfehler und Querfehler mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden. Außerdem können Längsfehler entsprechend ihrem Tiefengradienten beurteilt werden. Mit Hilfe einer Absolutspulenanordnung ist es möglich, gravierende Längsfehler in ihrer vollen Länge zu erfassen. Die gleichzeitige Erfassung von Differenzsignalen und Absolutsignalen erlaubt eine zuverlässigere Qualifizierung der Defekttypen.
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Mit einer Absolutspulenanordnung sind darüber hinaus auch Abstandssignale erfassbar, so dass aus Signalanteilen der Absolutspulenanordnung Informationen über den radialen Abstand zwischen der Segmentspulenanordnungen und der Prüflingsoberfläche abgeleitet werden können. Diese Abstandssignale können zur Abstandskompensation genutzt werden, um beispielsweise bei exzentrischer Prüfteillage die Vergleichbarkeit von an unterschiedlichen Segmenten erfassten Fehlersignalen zu verbessern.
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Die Erfindung betrifft auch ein Prüfverfahren zur Prüfung von Langprodukten, bei dem ein Langprodukt entlang einer Durchlaufrichtung durch eine Durchlaufspurenanordnung der in dieser Anmeldung beschriebenen Art verwendet wird.
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Solche Durchlaufspulenanordnungen ermöglichen Auswerteverfahren, die mit konventionellen Durchlaufspulenanordnungen nicht möglich sind. Bei manchen Ausführungsformen findet beispielsweise eine gemeinsame Auswertung von Signalen von paarweise diametral gegenüberliegenden Segmentelementanordnungen statt. Durch Auswertung von Abstandssignalen ist dabei u.a. eine Bestimmung von Durchmesserwerten, Durchmesserschwankungen und/oder Dezentrierungen des Prüflings gegenüber der Durchlaufspulenanordnung möglich.
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Bei einer Variante umfasst die gemeinsame Auswertung die Ermittlung eines Summensignals und/oder eines Differenzsignals von Abstandssignalen bzw. Absolutsignalen der paarweise diametral gegenüberliegenden Segmentspulenanordnungen. Durch die Auswertung kann sowohl der Durchmesser als auch die Exzentrizität bestimmt werden.
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Ein weiterer Vorteil der Nutzung der Erfindung besteht darin, dass ein Fehlerprotokoll erzeugt werden kann, das eine Zuordnung zwischen einem Fehlersignal und einem korrespondierenden Umfangsabschnitt des geprüften Gegenstands enthält. Diese mit herkömmlichen Durchlaufspulenanordnungen nicht erhältliche Information erlaubt eine erheblich verbesserte und präzisierte Bewertung von Defekten. Befindet sich beispielsweise ein prinzipiell nachbearbeitbarer Defekt in einem Umfangsabschnitt, der bei der späteren Verwendung vorhersehbar nicht in kritischer Weise belastet wird, kann eine Nachbearbeitung eingespart werden. Wenn eine Nachbearbeitung erforderlich ist, so ist aufgrund des Fehlerprotokolls der fehlerbehaftete Bereich bereits auf einen relativ kleinen Umfangsabschnitt eingegrenzt, so dass die Fehler leichter auffindbar sind. Bei nicht nachbearbeitbaren Fehlern kann aufgrund des Fehlerprotokolls entschieden werden, ob sich diese in einem kritischen oder ggf. in einem unkritischen Umfangsabschnitt befinden, so dass über die weitere Verwendung des Prüflings präziser als bisher entschieden werden kann. Diese kann z.B. bei geschweißten Rohren zur unterschiedlichen Bewertung von Naht- und Wandfehlern und bei polygonen Profilen zur angemessenen Bewertung von Kanten- und Flächenfehlern sinnvoll sein. Die Unterscheidungen und ihre Gewichtung sind besonders wichtig, um rechtzeitig in einen Fertigungsprozess eingreifen zu können, um noch zu fertigendes Material fehlerfrei zu produzieren.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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1 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchlaufspulenanordnungen mit einem durch die Durchlassöffnung laufenden Prüfgegenstand;
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2 zeigt eine schematische axiale Ansicht der Durchlaufspulenanordnung aus 1;
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3 zeigt eine runde Durchlaufspulenanordnung bei der Prüfung eines Gegenstands mit quadratischen Querschnitt; und
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4 zeigt eine Durchlaufspulenanordnung mit Rechteckquerschnitt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die schematische schrägperspektivische Darstellung in 1 zeigt Komponenten einer Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Wirbelstromprüfung von langgestreckten elektrisch leitenden Gegenständen bzw. Langprodukten im Durchlaufverfahren. Im gezeigten Beispiel ist der zu prüfende Gegenstand (Prüfgegenstand, Prüfling) ein Metallrohr 190, das mit einer Durchlaufgeschwindigkeit bis in die Größenordnung von einigen m/s entlang einer Durchlaufrichtung 192 durch einen Prüfabschnitt der Prüfvorrichtung gefördert wird. Die Prüfvorrichtung kann dabei in eine Fertigungslinie, beispielsweise eine Rohr-Schweißlinie, integriert sein. Es ist auch möglich, dass die Prüfvorrichtung in einer separaten Prüflinie untergebracht ist, welche eine Prüfstrecke enthält, die den optimalen Transport des Prüfmaterials durch den Prüfabschnitt gewährleistet. Die Prüfstrecke enthält unter anderem Führungseinrichtungen und Positioniereinrichtungen, um sicherzustellen, dass die zentrale Längsachse des Prüfgegenstandes möglichst zentrisch durch den Prüfabschnitt läuft.
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Im Prüfabschnitt ist eine stationäre Durchlaufspulenanordnung 100 angeordnet. Diese umfasst einen in 2 ausschnittsweise dargestellten Spulenträger 110, der im Wesentlichen durch eine zylindrische Hülse aus einem elektrisch nicht oder nur geringfügig leitfähigen Material, beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, hergestellt ist. Der in Umfangsrichtung geschlossene Spulenträger umschließt eine kreisförmige Durchlassöffnung 112 zum Hindurchführen des zu prüfenden Gegenstandes 190. Der Innendurchmesser des Spulenträgers ist um einige Prozent größer als der Außendurchmesser des größten hindurch zu führenden Prüfgegenstandes, so dass bei allen mit dieser Durchlaufspulenanordnung zu prüfenden Durchmessern von Prüfgegenständen ein Berührungskontakt zwischen Prüfgegenstand und Durchlaufspulenanordnung vermieden wird.
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An der Außenseite des Spulenträgers sind die elektrischen Komponenten der Durchlaufspulenanordnung angebracht, nämlich eine Erregerspulenanordnung und eine Empfängerspulenanordnung, die als Empfängerelementanordnung dient. Die Erregerspulenanordnung 120 hat eine einzige Erregerspule in Form einer Flachbandspule 122. Diese wird durch ein flaches metallisches Band aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, gebildet, welches ringförmig um den Spulenträger bzw. die Durchlassöffnung herum gebogen ist und im Anschlussbereich zwei radial nach außen gebogene Anschlussabschnitte 124, 126 hat, zwischen denen eine Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Die Flachbandspule bildet eine einzige Wicklung, die praktisch über ihren gesamten Umfang geschlossen ist. Die in Radialrichtung des gebogenen Flachbandes gemessene Dicke des Flachbandes kann z.B. zwischen 0.5 mm und 1 mm liegen und ist um ein Vielfaches geringer als die parallel zur Zentralachse 114 der Durchlaufspulenanordnung gemessene Breite des Flachbandes, die je nach Durchmesser mehrere Millimeter oder mehrere Zentimeter betragen kann. Die Breite kann beispielsweise mehr als 10% des freien Innendurchmessers der Flachbandspule betragen und liegt im Beispielsfall bei ca. 15% dieses freien Durchmessers. Die beiden Enden der Flachbandspule sind über strichpunktiert dargestellte Leitungen mit einer Anschlusseinrichtung 128 verbunden, über die die Erregerspulenanordnung mit einer Wechselspannungsquelle 130 der Prüfvorrichtung verbunden werden kann. Zur Anpassung der Impedanzen von Erregerelement 122 und der Wechselspannungsquelle 130 kann ein Übertrager 127 zwischengeschaltet sein.
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Weiterhin ist eine um die Durchlassöffnung 112 herum angeordnete Empfängerspulenanordnung vorgesehen, zu der eine Anschlusseinrichtung 148 zum Anschluss der Empfängerspulenanordnung an eine Auswerteeinrichtung 150 der Prüfvorrichtung gehört. Die Empfängerspulenanordnung hat im Beispielsfall acht im Wesentlichen identische, gleichmäßig über den Umfang der Durchlassöffnung 112 verteilte Segmentspulenanordnungen 142-1 bis 142-8, die gemeinsam einen in Umfangsrichtung geschlossenen Ring um die Durchlassöffnung herum bilden. Die in Umfangsrichtung benachbarten Segmentspulenanordnungen überlappen dachziegelartig um ca. 5% bis 10% ihrer Länge, so dass eine lückenlose Abdeckung des Umfangs mit Spulenabschnitten gewährleistet ist. Jede der Segmentspulenanordnungen hat einen Erfassungsbereich, in welchem nur ein Umfangsabschnitt von ca. 45° der Oberfläche des durchlaufenden Gegenstandes für die Defektprüfung erfasst werden kann. Jede der Segmentspulenanordnungen ist über einen eigenen Kanal K1 bis K8 und die mehrkanalige Anschlusseinrichtung 148 an die Auswerteeinrichtung 150 angeschlossen, so dass eine separate Auswertung der Prüfsignale aller Segmentspulenanordnungen möglich ist.
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Die Segmentspulenanordnungen sind jeweils als Flachspulenanordnungen ausgebildet. Die Spulen werden dabei durch in Leiterplattentechnik erzeugte Leiterbahnen 144 gebildet, die auf einem flexiblen, elektrisch nicht leitenden Trägermaterial aufgebracht wurden. Bei der Herstellung der Durchlaufspulenanordnung werden die mit Leiterbahnen versehenen Träger direkt auf die zylindrisch gekrümmte Außenseite des Spulenträgers 110 gelegt und dort z.B. mittels Kleber befestigt. Die Anschlussenden der Leiterbahnen verlaufen jeweils gegeneinander isoliert auf einem schmalen angeformten Anschlussstreifen, welcher über geeignete Kabel mit der Anschlusseinrichtung 148 verbunden werden kann. Zwischen den Spulen der Messelement-Segmente bzw. Segmentspulenanordnungen 142-1 bis 142-8 und der Anschlusseinheit 148 können Verstärkereinheiten eingefügt sein, die die Signale verstärken und/oder eine Entkopplung der induktiven Spulenimpedanz von der überwiegend kapazitiven Kabelimpedanz bewirken.
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Bei der zusammengebauten Durchlaufspulenanordnung liegen die Segmentspulenanordnungen zwischen dem elektrisch nicht leitenden Spulenträger 110 und der außen liegenden Erregerspule 122. Zwischen der Außenseite des Prüfgegenstandes und den jeweiligen Segmentspulenanordnungen besteht ein radialer Prüfabstand, der im Beispielsfall eines kreiszylindrischen Prüfgegenstandes bei dieser Anordnung für alle Segmentspulenanordnungen gleich ist, wenn der Prüfgegenstand zentrisch durch die Durchlaufspulenanordnung verläuft.
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Jede Segmentspulenanordnung weist eine Mehrfach-Differenzspulenanordnung sowie eine Absolutspulenanordnung auf. Dadurch kann für jeden 45°-Umfangsabschnitt separat sowohl ein Differenzsignal als auch ein Absolutsignal erfasst und dem jeweiligen Umfangsabschnitt zugeordnet werden. Mit Hilfe einer Differenzspulenanordnung sind auch kleine Defekte oder andere Inhomogenitäten in einem ansonsten homogenen elektrisch leitfähigen Grundmaterial zuverlässig detektierbar, da durch axiale Differenzierung von Spulenabschnitten nicht auf Defekte zurückgehende Signalanteile weitgehend kompensiert werden können. Aufgrund der Segmentierung ist dabei eine Ortsauflösung in Umfangsrichtung möglich. Beispielsweise erzeugt der rissartige Defekt F1 am Umfang des Rohres 190 nur in der Segmentspulenanordnung 142-2 ein Fehlersignal, da die Bewegungsbahn dieses Fehlers bei Durchlauf des Prüfgegenstandes nur den Erfassungsbereich dieser einen Segmentspulenanordnung durchfährt. Der in Umfangsrichtung und in Axialrichtung versetzte zweite Fehler F2 erzeugt dagegen zu einem späteren Zeitpunkt ein Fehlersignal in der um 45° versetzt angeordneten Segmentspulenanordnung 142-1. Die beiden Fehler sind somit sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung lokalisierbar. Die entsprechenden Fehlersignale werden durch voneinander getrennte Kanäle zur Auswerteeinrichtung 150 geleitet und können dort den jeweiligen Umfangsabschnitten zugeordnet werden.
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Mit Hilfe der Absolutspulenanordnung einer Segmentspulenanordnung sind vor allem in Längsrichtung verlaufende gravierende Fehler als Fehlersignal erkennbar. Zudem hängt die Signalstärke des Absolutsignals empfindlich vom Abstand zwischen der Absolutspulenanordnung und der Materialoberfläche ab, wobei mit zunehmendem Abstand der Absolutspulenanordnung von der Materialoberfläche die absolute Stärke des Fehlersignals und das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignal abnimmt. Über einen gewissen Abstandsbereich ist der Zusammenhang im Wesentlichen dB-linear oder derart gut kalibrierbar, dass Absolutspulenanordnungen auch als Abstandssensoren genutzt werden können. Die durch die Absolutspulenanordnungen gebildeten Abstandssensoren sind in der gleichen Ebene senkrecht zur Durchlaufrichtung angeordnet wie die Absolut- und Durchlaufspulenanordnungen, mit denen die Fehlersignale erfasst werden. Die Auswerteeinrichtung 150 ist so konfiguriert, dass die aus den Signalen der Absolutspulenanordnung ableitbaren Abstandsinformationen für verschiedene Auswertezwecke weiterverarbeitet werden können.
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Eine Möglichkeit zur Verarbeitung der Abstandsinformationen besteht darin, eine Abstandskompensation in der Weise durchzuführen, dass die Fehlersignale der Durchlaufspulenanordnungen mit Hilfe der jeweiligen Abstandsinformationen aus dem entsprechenden Segment gewichtet werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass gleichartige Fehler in gewissen Grenzen unabhängig vom radialen Abstand zwischen Segmentspulenanordnung und Materialoberfläche zu Fehlersignalen vergleichbarer Größe führen. Diese Abstandskompensation kann für jede Segmentspulenanordnung gesondert durchgeführt werden. Die Abstandsinformation wird dabei unmittelbar am Ort der Entstehung des Fehlersignals erfasst, so dass eine besondere genaue Abstandskompensation möglich ist.
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In einer anderen Auswerteroutine werden die Absolutsignale (Signale der Absolutspulenanordnung) jeweils eines Paares diametral gegenüberliegender Segmentspulenanordnungen gemeinsam ausgewertet. Beispielsweise kann aus den Abstandssignalen unmittelbar auf den Außendurchmesser des Prüfgegenstandes in der betreffenden Diagonalrichtung geschlossen werden. Wird nämlich beispielsweise aus dem Abstandssignal der Segmentspulenanordnung 142-1 ein erstes Abstandssignal für den Abstand A1 und aus dem Absolutsignal der gegenüberliegenden Segmentspulenanordnung 142-5 ein Abstandssignal abgeleitet, das den entsprechenden Prüfabstand A5 repräsentiert, so kann bei bekanntem diametralen Abstand der beiden gegenüberliegenden Segmentspulenanordnungen unmittelbar auf den Außendurchmesser des Prüfguts in der betreffenden Diametralrichtung geschlossen werden. Eine derartige Auswertung kann bei der gezeigten Ausführungsform in vier jeweils um 45° gegeneinander versetzte Diametralrichtungen durchgeführt werden. Bei Verknüpfung der entsprechenden Signalinformationen erlaubt die gemeinsame Auswertung auch die Bestimmung von Durchmesserschwankungen und/oder Dezentrierungen des hindurch laufenden Gegenstandes bezüglich der Zentralachse 114 der Durchlaufspulenanordnung.
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Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Varianten mit spezifischen Vorteilen und Besonderheiten möglich. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind acht zueinander identische Segmentspulenanordnungen gleichmäßig mit kleiner gegenseitiger Überlappung in Umfangsrichtung in einer kreisförmigen Anordnung angeordnet. Hierdurch sind massive oder rohrförmige Prüfgegenstände mit kreisrundem Querschnitt besonders zuverlässig und mit hoher Genauigkeit prüfbar. Es ist jedoch auch möglich, mit der gleichen Durchlaufspulenanordnung Prüfgegenstände mit anderen Querschnittsformen zu prüfen, beispielsweise mit polygonalem oder ovalem Querschnitt. Dabei kann es zweckmäßig sein, jede Segmentspulenanordnung mit individueller Empfindlichkeit zu betreiben, wobei sich die Empfindlichkeiten einzelner Segmentspulenanordnungen oder Gruppen von Segmentspulenanordnungen gegenüber den Empfindlichkeiten anderer Segmentspulenanordnungen unterscheiden. Bei der in 3 schematisch dargestellten Prüfsituation wird die Durchlaufspulenanordnung der 1 und 2 dazu verwendet, einen Prüfgegenstand 390 mit quadratischem Querschnitt in Umfangsrichtung lückenlos zu prüfen. Dabei werden die den ebenen Seitenflächen zugeordneten Segmentspulenanordnungen aufgrund ihres größeren mittleren Abstands zur Prüflingsoberfläche mit größerer Empfindlichkeit betrieben als die um jeweils 45° demgegenüber versetzt angeordneten Segmentspulenanordnungen, die die Bereiche der Längskanten des Prüfgegenstandes abdecken und die dementsprechend mit geringerem Abstand zur Prüfgutoberfläche liegen. Geeignete Verteilungen unterschiedlicher Empfindlichkeiten können auch bei der Prüfung von Prüflingen mit anderen Querschnittsformen genutzt werden, beispielsweise bei solchen mit polygonalem, insbesondere dreieckigem, viereckigem oder sechseckigem Querschnitt. Durchlaufspulenanordnungen geeigneter Querschnittsform sind auch bei Schienen und Konstruktionsbauteilen, wie T-Trägern, einsetzbar.
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Häufig kann es günstig sein, die Querschnittsformen der Durchlassöffnung an die Querschnittsform des Prüfgutes anzupassen und eine von der Kreisform abweichende, profilangepasste Querschnittsform zu wählen. 4 zeigt hierzu beispielhaft eine Durchlaufspulenanordnung 400 mit quadratischer Durchlassöffnung zur Prüfung von Rechteckstäben, insbesondere solchen mit quadratischem Querschnitt. Die Durchlaufspulenanordnung hat eine umlaufende Erregerspule 422 und vier an den vier Seiten der Durchlaufspulenanordnung angebrachte ebene Segmentspulenanordnungen 442-1, 442-2, 442-3 und 442-4. Die Segmentspulenanordnungen bilden zwei Paare von jeweils diametral gegenüberliegenden Segmentspulenanordnungen. Mit dieser Rechteckanordnung können unterschiedliche Prüflingsquerschnitte zuverlässig geprüft werden. Wenn sich aufgrund der Geometrie unterschiedliche Abstände in den beiden senkrecht zueinander stehenden Diametralrichtungen ergeben, können bei Bedarf die gegeneinander versetzten Paare von Segmentspulen jeweils mit unterschiedlicher Empfindlichkeit betrieben werden, um eine Vergleichbarkeit der Fehlersignalamplituden zu erreichen. Eine optionale Ergänzung zur Kantenprüfung ist nicht dargestellt, kann aber vorgesehen sein, da Kantenfehler üblicherweise eine von Flächenfehlern abweichende Signalamplitude erzeugen.
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Die Segmentierung der Empfängerspulenanordnung bei gleichzeitiger gemeinsamer Erregung für alle Empfängerspulenanordnungen bringt im Vergleich zur herkömmlichen Durchlaufspulenanordnungen mit einer unsegmentierten Empfängerspulenanordnung als weiteren Vorteil, dass wesentlich größere Prüfabstände tolerierbar sind und dass mit wesentlich größeren mittleren Prüfabständen noch zuverlässige Prüfergebnisse erzielbar sind. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass der Störpegel durch die Segmentierung um den Faktor n geringer als bei unsegmentierten Spulen ist, wobei n die Anzahl der gleichzeitig betriebenen, über den Umfang verteilten Segmentspulenanordnungen ist. Wird der Störpegel kleiner und damit das Signal-Rausch-Verhältnis größer, so können auch kleinere Fehleramplituden noch zuverlässig vom Störuntergrund getrennt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, noch kleinere Fehler als bisher zu detektieren.
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Alternativ oder zusätzlich kann mit größeren Prüfabständen gearbeitet werden. Dies wiederum bringt als weiteren Vorteil, dass mit einer einzigen Durchlaufspulengeometrie ein breiteres Spektrum unterschiedlicher Prüfgutdurchmesser abgedeckt werden kann. Dementsprechend müssen weniger Durchlaufspulenanordnungen unterschiedlicher Spulengeometrie vorgehalten werden, um eine bestimmte Vielfalt unterschiedlicher Prüfquerschnitte prüfen zu können. Alternativ oder zusätzlich können die Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der Prüfgegenstände während der Durchlaufprüfung reduziert werden, da erfindungsgemäße Durchlaufspulenanordnungen größere Abstandsschwankungen eher tolerieren können und da es gegebenenfalls mit Hilfe der Auswertung von Abstandssignalen möglich ist, die Auswirkungen von Positionsschwankungen während der Prüfung auf die Fehleramplituden durch geeignete Abstandskompensation zu kompensieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4003330 A1 [0008]
- DE 4438171 A1 [0010]
