DE102013219287A1

DE102013219287A1 - Materialprüfgerät und Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings

Info

Publication number: DE102013219287A1
Application number: DE201310219287
Authority: DE
Inventors: Marc Scherer
Original assignee: MAGNETISCHE PRUEFANLAGEN GmbH
Current assignee: MAGNETISCHE PRUEFANLAGEN GmbH
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-03-26
Also published as: WO2015044130A1

Abstract

Ein Materialprüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an und/oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings hat einem Grundkörper (110), der eine Referenzfläche (113) definiert, einen Permanentmagneten (130), der an oder in dem Grundkörper montiert und relativ zum Grundkörper beweglich gelagert ist sowie ein Antriebssystem zum Erzeugen einer Bewegung des Permanentmagneten relativ zu dem Grundkörper gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster derart, dass bei der Relativbewegung ein mehrfacher Wechsel eines relativen Abstands und/oder einer relativen Winkellage zwischen dem Permanentmagnet und der Referenzfläche erfolgt. Weiterhin weist das Materialprüfgerät einen für Änderungen von Magnetfeldern sensitiver Sensor (140) auf, der dauerhaft oder phasenweise im Bereich des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist, und es sind Einrichtungen zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinrichtung vorgesehen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft ein Materialprüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an und/oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings sowie ein unter Verwendung eines solchen Materialprüfgeräts durchführbares Prüfverfahren.
Bei der zerstörungsfreien Materialprüfung (non-destructive testing, NDT) werden heutzutage in Abhängigkeit von der Art des Prüflings und der gesuchten Eigenschaften des zu untersuchenden Materials unterschiedliche Verfahren eingesetzt, beispielsweise die Wirbelstromprüfung, die magnetische Streuflussprüfung oder die Ultraschallprüfung.
Die Wirbelstromprüfung (eddy current testing, ECT) hat sich bei der Prüfung elektrisch leitender Materialien in vielen Anwendungsgebieten bewährt, beispielsweise bei der automatisierten zerstörungsfreien Prüfung an Halbzeugen für die metallerzeugende und metallverarbeitende Industrie, zur Durchführung von Prüfungen an sicherheitsrelevanten und funktionskritischen Bauteilen für Land- und Luftfahrzeuge oder im Anlagenbau. Die für die Wirbelstromprüfung eingesetzten Sensorsysteme werden üblicherweise als „Wirbelstromsonden“ bezeichnet.
Eine konventionelle, mit Spulen aufgebaute Wirbelstromsonde umfasst eine oder mehrere Feldspulen (bzw. Erregerspulen), die zur Durchführung der Prüfung an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen werden und dann ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen können, welches bei der Prüfung in das Prüfmaterial eindringt und im Wesentlichen in einer oberflächennahen Schicht des Prüfmaterials Wirbelströme erzeugt, die durch Gegeninduktion auf ein oder mehrere Messspulen (bzw. Empfängerspulen) der Wirbelstromsonde zurückwirken. Feldspulen und Messspulen können getrennt sein, es ist jedoch auch möglich, dass eine Spule als Feldspule und als Messspule dient. Ein Defekt im geprüften Bereich, beispielsweise ein Riss, eine Verunreinigung oder eine andere Materialinhomogenität, stört die Ausbreitung der Wirbelströme im Prüfmaterial und verändert somit die Wirbelstromintensität und dadurch auch die Intensität des auf die Messspule rückwirkenden magnetischen Sekundärfeldes. Die dadurch verursachten elektrischen Impedanzänderungen in einer Messspule führen zu elektrischen Messsignalen in Form elektrischer Spannungsänderungen, die mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden können, um Defekte zu identifizieren und zu charakterisieren. Elektrische Impedanzänderungen können auch an defektfreiem Material für Prüfzwecke oder Messzwecke genutzt werden, z.B. bei Messungen der elektrischen Leitfähigkeit oder der magnetischen Permeabilität.
Die Wirbelstromprüfung erlaubt eine Prüfung auf oberflächennahe Defekte mit hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung. Die Frequenzabhängigkeit der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes und eine geringere Ortsauflösung und Geschwindigkeit bei tiefen Frequenzen schränken jedoch die Möglichkeiten zur Identifikation tiefer liegender Defekte in Leitermaterialien ein.
In den letzten Jahren wurde an der Technischen Universität Ilmenau ein neuartiges kontaktloses Prüfverfahren entwickelt, mit dem diese Nachteile abgemildert oder vermieden werden können (vgl. z.B. Brauer, H., Ziolkowski, M., "Eddy Current Testing of Metallic Sheets with Defects Using Force Measurements" Serbian Journal of Electrical Engineering 2008, 5, Seiten 11–20). Die Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung (Lorentz Force Eddy Current Testing, LET) ermöglicht eine Detektion tiefer liegender Defekte anhand von Messungen der auf ein Magnetsystem wirkenden Lorentzkräfte. Werden ein metallischer Prüfling und ein Permanentmagnet in eine Relativbewegung zueinander versetzt, so werden im Prüfling Wirbelströme induziert, die wiederum eine Lorentzkraft hervorrufen. Eine Inhomogenität der elektrischen Leitfähigkeit des Prüflingsmaterials, z.B. hervorgerufen durch einen Riss oder einen anderen Defekt, zeigt sich dabei in einer Veränderung der Lorentzkraft, die mithilfe einer Kraftmessung am Magnetsystem nachgewiesen werden kann. Das Verfahren soll eine Identifikation tief liegender Defekte und einen Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen ermöglichen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Materialprüfgerät bereitzustellen, welches für die Wirbelstromprüfung unter vielen unterschiedlichen Prüfbedingungen genutzt werden kann. Insbesondere soll eine Detektion tiefer liegender Defekte in metallischen Prüflingen mit guter Ortsauflösung und hoher Prüfgeschwindigkeit ermöglicht werden.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben wird ein Materialprüfgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt. Weiterhin wird ein Prüfverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 bereitgestellt, welches unter Verwendung eines solchen Materialprüfgeräts durchgeführt werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Materialprüfgerät hat einen Grundkörper, der eine Referenzfläche definiert. Die Referenzfläche ist eine im Koordinatensystem des Grundkörpers definierte bzw. definierbare Fläche, z.B. eine ebene Fläche, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Materialprüfgerätes der Oberfläche des Prüflings zugewandt ist und/oder in deren Nähe liegt und/oder im Wesentlichen parallel zur Prüflingsoberfläche verläuft. Beispielsweise kann die dem Prüfling zuzuwendende Vorderseite des Materialprüfgeräts als Referenzfläche betrachtet werden. Ein Permanentmagnet ist an oder in dem Grundkörper montiert und durch geeignete Lagereinrichtungen so gelagert, dass er relativ zum Grundkörper beweglich ist. Durch die Konstruktion der Lagereinrichtungen bekommt der Permanentmagnet gewisse Bewegungsfreiheitsgrade zur Bewegung in einer oder mehreren Dimensionen. Ein Antriebssystem dient zum Erzeugen einer Bewegung des Permanentmagneten relativ zu dem Grundkörper gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster in der Weise, dass bei dieser Relativbewegung der relative Abstand und/oder eine relative Winkellage zwischen dem Permanentmagneten und der Referenzfläche mehrfach wechselt.
Weiterhin gehört zum Materialprüfgerät (mindestens) ein für Änderungen von Magnetfeldern sensitiver Sensor, der dauerhaft oder phasenweise im Bereich des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist. Der Sensor generiert z.B. elektrische Sensorsignale, wenn sich die Stärke eines Magnetfeldes im Bereich des Sensors zeitlich ändert. Weiterhin sind Einrichtungen zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinrichtung vorgesehen. Zur Durchführung einer Materialprüfung wird der Sensor über die Anschlusseinrichtungen an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen, die ein konstruktiver Bestandteil des Materialprüfgeräts sein kann, gegebenenfalls aber auch außerhalb des Materialprüfgerätes entfernt von diesem angeordnet sein kann.
Ein einziger für Änderungen von Magnetfeldern sensitiver Sensor kann ausreichen. Es ist auch möglich, zwei, drei oder mehr derartige Sensoren vorzusehen.
Das am Sensor auftretende Sensorsignal ergibt sich aus einer Überlagerung des Effekts des bewegten Permanentmagneten auf den Sensor sowie einer Rückwirkung des Prüflings auf den Sensor.
Wenn der Prüfling zumindest im Bereich seiner Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, so kann mit einem derartigen Materialprüfgerät eine zerstörungsfreie Wirbelstromprüfung durchgeführt werden. Allerdings wird das zur Induzierung der Wirbelströme notwendige zeitlich veränderliche Magnetfeld nicht mit Hilfe einer von Wechselstrom durchflossenen Spule (Erregerspule) erzeugt, sondern mit Hilfe eines Permanentmagneten, der sich bei der Durchführung des Prüfverfahrens gegenüber der Prüflingsoberfläche gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster bewegt. Durch Vorgabe bestimmter Bewegungsmuster ist es in manchen Fällen möglich, räumlich/zeitliche veränderliche Magnetfelder zu erzeugen, deren Eindringverhalten in das Material anders sein kann als bei Anregung durch zeitabhängige elektrische Ströme in einer Feldspule. In gewissen Fällen ist eine Sondierung von tiefer liegenden Fehlern im Prüflingsmaterial mit höherer Prüfgeschwindigkeit und höherer Ortsauflösung als bei herkömmlichen Wirbelstromsonden möglich.
Im Vergleich zu einer Anregung mit zeitlich veränderlichen elektrischen Strömen über eine Erregerspule können mit einem bewegten Permanentmagneten bei Bedarf auch andere Verteilungen der Wirbelströme im Prüfling erzeugt werden. Es können räumliche und zeitliche Änderungen der Wirbelstromverteilung erzeugt werden. Das kann vorteilhaft sein, um z.B. Defekte in der Tiefe des Materials zu ermitteln. Gegebenenfalls kann der Skineffekt, der die Eindringtiefe bei hohen Prüfsequenzen häufig begrenzt, teilweise vermieden werden.
Bei einem in Bezug auf einen Prüfling bewegten Permanentmagneten entsteht der zeitlich veränderliche Anteil des Magnetfeldes zusätzlich zu einem starken statischen Magnetfeld, welches in das Prüflingsmaterial eindringt. Bei der Prüfung von magnetisierbarem Material kann dieses unter Umständen mit Hilfe des Permanentmagneten zumindest teilweise, ggf. aber auch bis in die Sättigung magnetisiert werden, wodurch Einflüsse aufgrund von Permeabilitätsschwankungen des Prüflingsmaterials verringert werden können. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erzielen. Es wird somit auch eine Verwendung des Materialprüfgeräts zur Prüfung eines Prüflings aus magnetisierbarem Material vorgeschlagen.
Ein Permanentmagnet bzw. Dauermagnet im Sinne dieser Anmeldung ist vorzugsweise ein Magnet aus mindestens einem Stück eines magnetisierbaren Materials, welches sein statisches Magnetfeld behält, ohne dass, wie bei Elektromagneten, ein elektrischer Stromfluss zur Erzeugung des Magnetfelds benötigt wird. Die Energiedichte des Permanentmagneten, gegeben durch das Produkt aus magnetischer Flussdichte B und magnetischer Feldstärke H, sollte in der Regel möglichst hoch sein, so dass ein möglichst geringes Verhältnis zwischen Eigengewicht des Permanentmagneten und erzeugter Magnetfeldstärke erzielbar ist. Hierdurch lassen sich auch komplexe Bewegungsmuster mit phasenweise starken Beschleunigungen noch realisieren. Vorzugsweise handelt es sich bei den Permanentmagneten um einen Seltenerdmagneten, der im wesentlichen aus einem Eisenmetall wie Eisen, Kobalt oder Nickel und einem oder mehreren seltenen Erdmetallen, wie insbesondere Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium oder Gadolinium besteht, gegebenenfalls auch mit Yttrium. Auch andere Magnetmaterialien, beispielsweise Aluminium-Nickel-Kobalt oder Bismanol (eine Legierung aus Bismuth, Mangan und Eisen) können als Permanentmagnet verwendet werden. Für manche Anwendungen sollte darauf geachtet werden, temperaturbeständige Permanentmagnete zu verwenden, die ihre magnetischen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen, z.B. bis zu mehreren Hundert °C weitgehend behalten.
Manche Vorteile der beanspruchte Erfindung wären auch mit einem Permanetmagneten zu erreichen, der mindestens eine mit Gleichstrom durchflossene Spule aufweist, wobei diese zur Erzielung eines konstanten Magnetfeldes möglichst an eine Konstanstromquelle angeschlossen werden sollte.
Bei manchen Ausführungsformen ist ein einziger Permanentmagnet vorgesehen, wodurch die Konstruktion des Materialprüfgerätes einfach, kostengünstig und robust wird. Außerdem wird die Auswertung vereinfacht, da Sensorsignale nur in Bezug auf Bewegungen eines einzigen Permanentmagneten ausgewertet werden müssen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Materialprüfgerät zwei oder mehr Permanentmagnete aufweist, wobei die mehreren Permanentmagneten gemäß unterschiedlicher Bewegungsmuster in zeitlicher Koordination zueinander bewegt werden können. Hierdurch können bei Bedarf komplexe räumlich/zeitliche Änderungen des Magnetfeldes im Prüfling hervorgerufen werden, um beispielsweise in einem größeren Bereich von Eindringtiefen arbeiten zu können. Die Auswertung der Sensorsignale kann entsprechend aufwendiger werden.
Eine Array-Anordnung mit einer Vielzahl von Permanentmagneten und Sensoren ist auch möglich.
Bei manchen Ausführungsformen ist der Sensor getrennt vom Permanentmagneten und bewegt sich mit diesem nicht mit. Die Position des Sensors in Bezug auf den Grundkörper liegt in diesen Fällen während der Prüfung fest. Hierdurch können sich besonders robuste und einfache Konstruktionen ergeben. Der Sensor kann z.B. unmittelbar oder mittelbar am oder im Grundkörper befestigt sein, so dass er sich in Bezug auf die Referenzfläche immer in einer fest definierten Position befindet. Es ist jedoch auch möglich, dass der Sensor an einem vom Grundkörper gesonderten Bauteil angeordnet ist, um beispielsweise bei der Prüfung an einer dem Permanentmagneten abgewandten Rückseite des Prüflings in fester räumlicher Beziehung zum Grundkörper angeordnet zu werden.
Es ist auch möglich, einen Sensor am Permanetmagneten zu fixieren, so dass er sich mit diesem mitbewegen kann.
Das Antriebssystem kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass der Permanentmagnet während der Prüfung gemäß einem periodischen Bewegungsmuster bewegt wird. Bei dem periodischen Bewegungsmuster kann es sich z.B. um ein sinusförmiges Bewegungsmuster handeln, also um ein Bewegungsmuster, dem eine einzige Frequenz zugeordnet werden kann. Die Auswertung des Sensorsignals kann auf diese Prüffrequenz ausgerichtet sein.
Es ist auch möglich, dass der Permanentmagnet während der Prüfung gemäß einem wenigstens annähernd rechteckförmigen Bewegungsmuster bewegt wird, so dass die Bewegung durch ein definiertes Spektrum von Frequenzen beschrieben werden kann. Die Auswertung kann auf diese Frequenzen ausgerichtet sein. Bei einer gleichzeitigen Prüfung mit mehreren Frequenzen können unterschiedliche Eindringtiefen realisiert werden. Es können bei Bedarf auch komplexere Bewegungsmuster erzeugt werden, beispielsweise in der Weise, dass der Permanentmagnet gemäß einem Wavelet-förmigen Bewegungsmuster bewegt wird. Dadurch können vorteilhafte Kombinationen von Prüfsequenzen realisiert werden.
Im Vergleich zur Erzeugung der Wirbelströme mittels stromdurchflossener Leiter (Feldspulen) können mit bewegten Permanentmagneten bei Bedarf viel stärkere Magnetfelder bzw. viel stärkere Wirbelströme erzeugt werden, ohne für die Erzeugung mehr (elektrische) Energie zu verbrauchen. Durch den potentiell geringen Energieverbrauch ergibt sich eine besondere Eignung der Materialprüfgeräte als portable Geräte und/oder als handgehaltenen Geräte. Manche Ausführungsformen sind handgehaltene und/oder portable Materialprüfgeräte.
In manchen Ausführungsformen hat das Materialprüfgerät eine netzunabhängige Spannungsversorgung, beispielsweise mit einer Batterie oder einem Akkumulator. Hierdurch sind universelle Einsätze auch an schwer zugänglichen Stellen möglich.
Insbesondere wenn die Bewegung bzw. Auslenkung des Permanentmagneten relativ zur nutzbaren räumlichen Ausdehnung des Magnetfeldes klein ist, z.B. bei einer Vibration oder Rotation, kann längere Zeit auf einer Stelle des Prüflings eine bestimmte Wirbelstromverteilung erzeugt werden, so dass an „einer Stelle“ gemessen werden kann. Bei manchen Verfahrensvarianten ruht das Materialprüfgerät in Bezug auf den Prüfling. Eine scannende Bewegung des Materialprüfgeräts gegenüber dem Prüfling und/oder umgekehrt ist auch möglich, jedoch für die Funktion nicht erforderlich.
Für das Antriebssystem sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. Bei einer Ausführungsform weist das Antriebssystem einen Piezoantrieb mit mindestens einem Piezoelement auf, das an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist. Bei einem derartigen Piezoantrieb wird der piezoelektrische Effekt zur Erzeugung der Bewegungen des Permanentmagneten verwendet. Ein Piezoelement, welches sich in Abhängigkeit von einer angelegten elektrischen Spannung zusammenzieht oder expandiert, kann z.B. als Direktantrieb für eine Linearbewegung eines Permanentmagneten genutzt werden. Der Hub und dessen zeitlicher Verlauf sind dabei über die angelegte elektrische Spannung gut steuerbar. Getriebe oder andere Übertragungseinrichtungen zur Übertragung der Bewegung eines Antriebselementes zum Permanentmagneten können vorgesehen sein, sind aber vorzugsweise nicht vorhanden, so dass sich ein einfacher getriebefreier Aufbau des Antriebssystems ergibt.
Es ist auch möglich, dass das Antriebssystem einen Elektromotor als Antriebselement enthält, wobei der Elektromotor als elektrischer Direktantrieb unmittelbar oder über ein Getriebe mit dem Permanentmagneten gekoppelt sein kann. Ein Elektromotor z.B. kann zur Erzeugung von Rotationsbewegungen des Permanentmagneten günstig sein.
Insbesondere bei Anwendungssituationen, in denen Druckluft zur Verfügung steht, kann das Antriebssystem auch als pneumatisches Antriebssystem ausgelegt sein, wobei beispielsweise als Antriebselement ein über Druckluft antreibbares Luftrad oder eine Turbine vorgesehen sein kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet derart gelagert, dass er eine lineare Oszillationsbewegung relativ zu der Referenzfläche ausführen kann. Die Bewegungsrichtung kann beispielsweise senkrecht zur Referenzfläche verlaufen. Dadurch sind auf besonders einfache Weise Prüfverfahren möglich, bei denen mittels des Antriebs eine Oszillationsbewegung des Permanentmagneten erzeugt wird, die eine senkrecht zur Oberfläche des Prüflings gerichtete Bewegungskomponente aufweist und gegebenenfalls ausschließlich weitgehend senkrecht zur Oberfläche verläuft. Besondere Vorteile von Prüfverfahren, bei denen sich der Abstand zwischen dem Permanentmagneten und der Oberfläche des Prüflings in Normalenrichtung der Prüflingsoberfläche wiederholt ändert, können gegebenenfalls besonders große Eindringtiefen des wechselnden Magnetfelds in den Prüfling ermöglichen, was anhand von Ausführungsbeispielen später noch erläutert wird.
Bei anderen Ausführungsformen ist der Permanentmagnet derart gelagert, dass er eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse ausführen kann, die vorzugsweise senkrecht zur Referenzfläche gerichtet ist.
Ein bevorzugter Permanentmagnet definiert eine magnetische Achse, die zwischen gegensätzlichen magnetischen Polen (Nordpol und Südpol) verläuft. Innerhalb des Permanentmagneten verlaufen die Feldlinien parallel zur magnetischen Achse und treten an den einander gegenüber liegenden Polflächen aus dem Permanentmagneten im Wesentlichen parallel zur magnetischen Achse aus.
Eine lineare Oszillationsbewegung kann z.B. parallel zur magnetischen Achse verlaufen, so dass die Feldlinien im Wesentlichen parallel zur Normalenrichtung des Prüflings in die Prüflingsoberfläche eindringen können. Dadurch kann erreicht werden, dass sich in der Nähe der Oberfläche keine oder nur eine sehr geringe zeitliche Änderung der magnetischen Flussdichte ergibt, so dass auch bei höheren Bewegungsfrequenzen kein nennenswerter Skin-Effekt auftritt und das Magnetfeld in größere Eindringtiefen gelangen kann.
Ein rotierbarer Permanentmagnet wird vorzugsweise so gelagert, dass seine magnetische Achse senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Dadurch kann im Prüfling ggf. ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden, bei dem sich die Ausrichtung der magnetischen Feldlinien in einer Ebene parallel zur Prüflingsoberfläche um die Normalenrichtung zur Prüflingsoberfläche dreht. Damit kann unter Umständen die Empfindlichkeit für kleinere Defekte, wie z.B. Bohrungen oder Löcher, erhöht werden.
Im Rahmen des Materialprüfgerätes bzw. des damit aufgebauten Materialprüfsystems sind unterschiedliche Typen von Sensoren verwendbar. Bei manchen Ausführungsformen weist der Sensor eine Spulenanordnung mit einer Spule oder mehreren Spulen auf, die beispielsweise aus Draht gewickelt oder durch Verfahren der gedruckten Leiterbahnen hergestellt sein können. Eine Spulenanordnung kann als Absolutspulenanordnung oder als Differenzspulenanordnung ausgelegt sein. Spulenanordnungen können besonders bei der Auswertung von Signalen bei hohen Frequenzen vorteilhaft sein.
Es ist auch möglich, dass der Sensor mindestens eine GMR-Sensoranordnung aufweist, also eine Sensoranordnung, die den sogenannten GMR-Effekt (giant magnetoresistance) oder Riesenmagnetowiderstand zur Detektion wechselnder Magnetfeldstärken nutzt. Solche Sensoren können beispielsweise günstig sein, wenn langsamere Bewegungen des Permanentmagneten und entsprechend niedrigere Frequenzen der Bewegung zu analysieren sind.
Es ist auch möglich, dass der Sensor eine supraleitende Quanteninterferenzeinheit (SQUID) aufweist. Es können mehrere unterschiedliche Technologien kombiniert sein, um eine komplexere Analyse des sich ändernden Magnetfelds im Bereich des Sensors zu ermöglichen.
Dem Materialprüfgerät ist eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Sensorsignalen zugeordnet. Die Auswerteeinrichtung kann in das Materialprüfgerät integriert sein, so dass das Materialprüfgerät ein vollständiges Materialprüfsystem bildet. Es ist auch möglich, dass die Auswerteeinrichtung eine vom Materialprüfgerät gesonderte Einheit ist, an die das Materialprüfgerät über Kabel oder kabellos (wireless) angeschlossen ist. Hierdurch sind besonders leichte und kompakte Materialprüfgeräte möglich.
Die Art der Auswertung richtet sich nach der gewünschten Art der Materialprüfung. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung dafür eingerichtet, Sensorsignale aufgelöst nach Amplitude und Phase in Bezug auf die Bewegung des Permanentmagneten auszuwerten. Die Bewegung des Permanentmagneten erzeugt dabei am Sensor ein Referenzsignal, welches sich durch die Anwesenheit des zu prüfenden Prüflings in charakteristischer Weise verändert, wobei die Änderungen in Bezug auf das Referenzsignal Aussagen über die Eigenschaften des Prüflings zulassen.
In konstruktiver Hinsicht sind zahlreiche Varianten des Materialprüfgeräts möglich. Bei einer Ausführungsform ist der Grundkörper nach Art eines im Wesentlichen geschlossenen Gehäuses ausgebildet oder bildet einen Teil eines geschlossenen Gehäuses, wobei der Permanentmagnet, ein Antrieb des Antriebssystems und vorzugsweise auch der Sensor innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Diese Einheiten sind dadurch nach außen gut gegen Beschädigung und Verschmutzung geschützt. Es kann eine einzige Anschlusseinrichtung ausreichen, um elektrische Anschlüsse zur Versorgung des Antriebs des Antriebssystems sowie zur Übertragung elektrischer Sensorsignale zu erhalten. Das Materialprüfgerät kann gegebenenfalls so kompakt dimensioniert sein, dass es als handgehaltenes Gerät von einem Benutzer bequem an den zu prüfenden Bereich eines Prüflings gebracht werden kann. Die Dimensionen des Materialprüfgeräts sind jedoch prinzipiell nicht beschränkt.
Die Erfindung betrifft auch ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings. Bei dem Prüfverfahren wird mindestens ein Materialprüfgerät der hier beschriebenen Art verwendet. Das Materialprüfgerät wird in Bezug auf den Prüfling derart positioniert, dass sich die Referenzfläche in Kontakt mit der Oberfläche oder in einem definierten Abstand zur Oberfläche befindet. Für den Messbetrieb wird mittels des Antriebs eine Bewegung des Permanentmagneten gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster erzeugt und durch den Sensor erzeugte Sensorsignale werden mittels der Auswerteeinrichtung zur Charakterisierung des Prüflings ausgewertet.
Das Materialprüfgerät kann beispielsweise nach Art einer Scanbewegung über die zu prüfende Oberfläche bewegt werden, um größere Flächenbereiche gegebenenfalls lückenlos abtasten zu können. Es ist jedoch auch eine lokale Prüfung möglich, bei der das Materialprüfgerät während der Prüfung in Bezug auf den Prüfling ruht.
Mit Hilfe des Materialprüfgerätes ist es möglich, in einem Prüflingsmaterial, welches zumindest im oberflächennahen Bereich aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials und/oder die Permeabilität dieses Materials zu messen und/oder eine Defektprüfung mittels Wirbelstromtechnik vorzunehmen.
Die Nutzungsmöglichkeiten des Materialprüfgeräts sind jedoch hierauf nicht beschränkt. Es ist gegebenenfalls auch möglich, mit Hilfe des Materialprüfgerätes eine Messung der mechanischen Impedanz von Prüflingsmaterial durchzuführen, wobei das Prüflingsmaterial hierzu nicht zwingend elektrisch leitfähig sein muss. Der Begriff „ Impedanz“ soll hier alle Widerstände zusammenfassen, die der Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in einem bestimmten Umfeld entgegenwirken. Wird das Materialprüfgerät z.B. auf den Prüfling aufgesetzt, so dass es sich in Berührungskontakt mit diesem befindet, kann die Bewegung des Permanentmagneten zu einer definierten Vibration des Materialprüfgerätes führen, welche sich durch den Berührungskontakt auf den Prüfling überträgt. Die mechanische Rückkopplung vom Prüfling zum Materialprüfgerät kann zur Bestimmung von Eigenschaften des Prüflings genutzt werden. Hierfür kann es gegebenenfalls ausreichen, eine eventuelle Verstimmung des Sensorsignals aufgrund der veränderten Schwingungssituation auszuwerten. Beispielsweise kann sich eine veränderte Impedanz in einer Verringerung oder Vergrößerung der Schwingungsamplitude bemerkbar machen, die bestimmt und ausgewertet werden kann.
Es ist auch möglich, dass das Materialprüfgerät zusätzlich zu einem auf Änderungen des Magnetfelds sensitiven Sensor noch einen oder mehrere schwingungssensitive Sensoren aufweist, beispielsweise einen Körperschallsensor oder einen Luftschallsensor, etwa ein Mikrofon oder dergleichen. Auf diese Weise kann ein Kombi-Materialprüfgerät geschaffen werden, das neben elektrischen Impedanzen auch mechanische Impedanzen messen und zur Charakterisierung von Prüflingseigenschaften auswerten kann. Damit kann z.B. das Frequenzspektrum der angeregten mechanischen Schwingungen bei Anregung mit Impulsen oder Rechtecksignalen erfasst und ausgewertet werden. Die beiden Messverfahren können zeitgleich am selben Prüfvolumen oder zeitlich versetzt zueinander durchgeführt werden.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Materialprüfgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt in 2A Bewegungsmöglichkeiten eines Permanentmagneten und in 2B bis 2D schematische Diagramme verschiedener zeitliche Verläufe von Bewegungen des Permanentmagneten;
3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Materialprüfgerät gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
4 zeigt schematisch eine Nutzungsmöglichkeit bei der on-board-Überwachung von beweglichen Komponenten eines Getriebes.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die schematische 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Materialprüfgerät 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei der Durchführung eines Prüfverfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings 190 im Bereich von dessen Oberfläche 192. Der Prüfling besteht im Beispielsfall aus einem elektrisch leitenden metallischen Material und soll mit Hilfe des Materialprüfgerätes mittels Wirbelstromtechnik auf das Vorhandensein von Defekten überprüft werden, die sich an der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche im Inneren des Materials befinden. Das Materialprüfgerät 100 ist Teil eines Materialprüfsystems 105, zu welchem neben dem Materialprüfgerät 100 noch eine Versorgungs- und Auswerteeinheit 180 gehört, an die das Materialprüfgerät über ein Anschlusskabel 182 angeschlossen ist.
Das Materialprüfgerät 100 hat einen stabilen hülsenförmigen Grundkörper 110 aus einem elektrisch nicht leitfähigen, nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise aus einem ausreichend festen Kunststoffmaterial oder aus einem Keramikmaterial. Der Grundkörper ist an seiner dem Prüfling für die Prüfung zuzuwendenden Vorderseite mit einer ebenen Abschlussplatte 112 und an der gegenüberliegenden Rückseite über ein Anschlusselement 114 abgeschlossen. Die Zentralachse 115 des Grundkörpers ist gleichzeitig die Prüfgerätachse des Materialprüfgeräts, welche in z-Richtung des gerätefesten Koordinatensystems KS verläuft.
Die Abschlussplatte 112 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise aus einem ausreichend festen Kunststoffmaterial oder aus einem Keramikmaterial und ist im Beispielsfall leicht auswechselbar am Grundkörper mittels Schrauben o.gdl befestigt. Die senkrecht zur Prüfgeräteachse 115 orientierte, dem Prüfling zuzuwendende ebene Vorderseite der Abschlussplatte dient für die Zwecke dieser Anmeldung als Referenzfläche 113. Diese Wahl ist zweckmäßig, aber nicht zwingend.
Im Anschlusselement 114 befinden sich Steckerelemente zum Anschluss des Anschlusskabels 182. Der Grundkörper 110, die Abschlussplatte 112 und das Anschlusselement 114 umschließen einen Innenraum 116, in welchem die wesentlichen elektrischen und mechanischen Komponenten des Materialprüfgerätes gegen Beschädigung und Verschmutzung geschützt untergebracht sind.
Ein Piezoantrieb 120 mit einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen ist mit Hilfe einer Halteeinrichtung 122 fest am Grundkörper 110 montiert. Anschlussleitungen 124 zur elektrischen Versorgung des Piezoantriebs führen durch das Anschlusselement 114 über das Anschlusskabel 182 zu einer Wechselspannungsquelle in der Versorgungs- und Auswerteeinheit 180. Die Wechselspannungsquelle kann eine Signalerzeugungseineit zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals (z.B. Sinus, Rechteck, Wavelet etc.) und einen angeschlossenen Leistungsverstärker zur Verstärkung dieses Steuersignals aufweisen.
An der der Abschlussplatte 112 zugewandten Seite des Piezoantriebs 120 ist ein Permanentmagnet 130 befestigt, der im Beispielsfall ein Seltenerd-Stabmagnet ist. Die magnetische Achse 132 des stabförmigen Permanentmagneten, also die Verbindungslinie zwischen Nordpol N und Südpol S, ist parallel zur Prüfgeräteachse 115 bzw. parallel zur Bewegungsachse 122 des Piezoantriebs ausgerichtet, so dass der Permanentmagnet mit Hilfe des Piezoantriebs 120 in einer parallel zur Normalenrichtung der Abschlussplatte verlaufenden Bewegungsrichtung auf die Abschlussplatte zu oder von dieser wegbewegt werden kann. Die Amplitude (Hub) sowie der zeitliche Verlauf dieser Linearbewegung kann mit Hilfe der auf den Piezoantrieb 120 wirkenden Wechselspannung gesteuert werden, so dass der Permanentmagnet nach einem vorgegebenem Bewegungsmuster hin- und herbewegt werden kann.
Der Permanentmagnet 130 erzeugt ohne Energiezufuhr dauerhaft ein magnetisches Feld, dessen Magnetfeldlinien F aus dem Permanentmagneten 130 an den Polen weitgehend parallel zur magnetischen Achse 132 bzw. senkrecht zur Referenzebene 113 austreten. Die mit Hilfe des Piezoantriebs 120 erzeugte lineare Oszillationsbewegung verläuft parallel zum Verlauf der Feldlinien an und in der Nähe der Polflächen.
Im Bereich zwischen dem Permanentmagneten 130 und der Abschlussplatte 112 ist ein magnetfeldsensitiver Sensor 140 in Form einer Drahtspule angeordnet. Die Spule des Sensors 140 definiert eine Spulenebene 142, die parallel zur Abschlussplatte 112 bzw. senkrecht zur Prüfgeräteachse 115 ausgerichtet ist. Die Spule ist über entsprechende Halteeinrichtungen an der Innenseite des Grundkörpers 110 befestigt und über Anschlussleitungen 144 mit zugehörigen Steckerelementen im Anschlusselement 114 verbunden. Die Spule kann alternativ auch an der Abschlussplatte befestigt und ggf. mit dieser auswechselbar sein. Beim Anschließen des Anschlusskabels 182 entsteht eine elektrische Verbindung zu der Auswerteeinheit, die in der Versorgungs- und Auswerteeinheit 180 untergebracht ist.
Zur Durchführung einer Prüfung wird das Materialprüfgerät so mit seiner Sensorseite (Seite mit Abdeckplatte) in die Nähe des Prüflings 190 gebracht, dass die Abschlussplatte 112 die Oberfläche entweder kontaktiert oder in einem derart geringen Abstand A (Prüfabstand) zu dieser angeordnet ist, dass die vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldlinien an der dem Prüfling zugewandten Stirnseite noch mehr oder weniger parallel zur Normalenrichtung N der Prüflingsoberfläche, also senkrecht zum Oberflächenverlauf, in das Prüflingsmaterial eindringen. Der Hub H der Oszillationsbewegung und der Prüfabstand A sind vorzugsweise so aneinander angepasst, dass diese Bedingung für alle Hubpositionen des Permanentmagneten gilt. Das seitliche Auseinanderlaufen der Feldlinien zur Rückführung zum entgegengesetzten Pol findet erst in größerem Abstand zur Prüflingsoberfläche innerhalb des Prüflingsmaterials statt.
Der Permanentmagnet wird mit Hilfe des Piezoantriebs gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster relativ zur Oberfläche 192 derart bewegt, dass bei der Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Prüflingsoberfläche ein mehrfacher Wechsel des relativen Abstandes zwischen Permanentmagnet und Oberfläche 192 stattfindet. Der Permanentmagnet oszilliert dabei parallel zur Prüfgerätachse 115 bzw. senkrcht zur Referenzfläche 113 und zur Prüflingsoberfläche.
Der in das Prüflingsmaterial eindringende Teil des vom Permanentmagnet erzeugten primären magnetischen Feldes erzeugt im Prüflingsmaterial Wirbelströme WS, die versuchen, ihrer Ursache entgegenzuwirken in der Weise, dass ein dem Primärfeld entgegen gerichtetes magnetisches Sekundärfeld erzeugt wird. Die Überlagerung aus zeitlich veränderlichem Primärfeld und zeitlich veränderlichem Sekundärfeld erzeugt im Sensor 140 durch Induktion ein Sensorsignal (elektrisches Spannungssignal), welches an die Auswerteeinrichtung übertragen und dort ausgewertet wird. Dieser Wirkmechanismus ist grundsätzlich der gleiche wie bei konventioneller Wirbelstromprüfung, bei der das magnetische Primärfeld mit Hilfe einer mit Wechselstrom durchflossenen Spule erzeugt wird. Ein wichtiger Unterschied sei hier kurz dargestellt.
Eine konventionelle Wirbelstromsonde könnte beispielsweise so betrieben werden, dass die Spule des Sensors 140 nicht nur als Messspule dient, sondern auch als Erregerspule. In diesem Fall würde die Spule mit Wechselstrom beaufschlagt. Das von der Spule erzeugte magnetische Wechselfeld könnte einen ähnlichen Verlauf der Feldlinie haben wie das vom Permanentmagnet erzeugte magnetische Feld. Jedoch würde sich in unmittelbarer Nähe der Oberfläche 192 die magnetische Feldstärke B mit der Frequenz des Wechselstroms in Stärke und Vorzeichen periodisch ändern, so dass sich im Bereich der Oberfläche 192 ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld mit dB/dt ≠ 0 ergeben würde. Somit würden bereits unmittelbar an der Oberfläche 192 Wirbelströme entstehen, die ihrer Ursache entgegenwirken und das Eindringen des primären Magnetfeldes in das Material erschweren würden (sogenannter Skin-Effekt).
Dieser Effekt entfällt bei der gezeigten Ausführungsform zumindest teilweise, da das primäre magnetische Wechselfeld auf andere Weise, nämlich mit Hilfe eines gezielt bewegten Permanentmagneten, erzeugt wird. Bei der Oszillationsbewegung des Permanentmagneten in Normalenrichtung N der Prüflingsoberfläche ist nämlich die zeitliche Änderung des erzeugenden Magnetfeldes in der Nähe der Oberfläche sehr gering (dB/dt ≈ 0), da sich die Feldstärke in der Nähe des stirnseitigen Pols in Richtung der magnetischen Achse bei ausreichend geringem Abstand zur Prüflingsoberfläche nur relativ wenig ändert (geringer Feldgradient, Feldlinien annähernd parallel zur magnetischen Achse 132). Dadurch werden in unmittelbarer Oberflächennähe gegebenenfalls nur Wirbelströme mit geringer Stärke oder gar keiner Wirbelströme erzeugt, so dass sich eine größere Eindringtiefe des magnetischen Wechselfeldes ergibt als im Falle einer konventionellen Erregung mit stromdurchflossenen Spulen.
Es gibt im Rahmen der beanspruchten Erfindung zahlreiche Varianten von Materialprüfgeräten und Prüfverfahren. Grundsätzlich kann eine zeitliche Änderung dB/dt eines Magnetfeldes mit magnetischer Flussdichte B (und damit gegebenenfalls der erzeugten Wirbelströme) hervorgerufen werden durch eine Bewegung eines Permanentmagneten relativ zu einem untersuchenden Prüfling P (vgl. 2A). Dabei kann die Position des Permanentmagneten sowie die Richtung seiner Magnetisierung (bzw. der magnetischen Achse) zeitabhängig durch Translation, Rotation oder Kombinationen dieser Bewegungen relativ zum Prüfling verändert werden. Die Position sei durch die Ortskoordinate z_M beschrieben, die Rotation bezüglich einer Referenzrichtung mit dem Winkel φ_M. Eine sinusförmige Oszillation mit Kreisfrequenz ω in z-Richtung mit der Zeit t wäre dann durch z_M (t) = z_M0 sin (ωt) gegeben. Eine Rotationsbewegung bezüglich einer Referenzlage mit Winkel φ_M0 wäre durch φ_M (t) = φ_M0 sin (ωt) gegeben. Überlagerungen von Translation und Rotation sind möglich. Bei dem Beispiel in 2A wird willkürlich das Koordinatensystem so gewählt, dass sich der Prüfling in Ruhe befindet und sich der Permanentmagnet bewegt. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es ist nun möglich, die Relativbewegung des Permanentmagneten nach einem bestimmten Bewegungsmuster auszuführen, so dass sich für die Anwendung vorteilhafte Eigenschaften ergeben.
In 2B bis 2D sind schematisch einige Beispiele für mögliche Bewegungsmuster dargestellt. Gemäß 2B kann der Permanentmagnet gemäß einem periodischen Bewegungsmuster bewegt werden, welches sich als sinusförmiger Verlauf beispielsweise des Abstands zwischen Permanentmagnet und Prüflingsoberfläche darstellen lässt. Dieser periodischen Bewegung kann eine einzige Frequenz zugeordnet werden, nach der mittels der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden kann. Gemäß 2C kann es sich bei dem Bewegungsmuster auch um eine annähernd rechteckförmige Bewegung (bezogen auf die Zeitachse) handeln, wobei sich Phasen starker Beschleunigung mehr oder weniger abrupt mit Phasen ohne Bewegung abwechseln. Ein annäherndes Rechteckprofil der Bewegung kann durch ein Spektrum von Bewegungsfrequenzen synthetisiert werden. Entsprechend kann gleichzeitig bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen ausgewertet werden. Gemäß 2D kann es sich bei dem Bewegungsmuster auch um ein anderes sich wiederholendes Muster, wie z.B. ein Wavelet-Bewegungsmuster, handeln.
Dies zeigt beispielhaft, dass es möglich ist, im Rahmen der beanspruchten Erfindung Bewegungsmuster zu wählen, welche im Prüfling Wirbelstromverteilungen zur Folge haben, die mit konventionellen Prüfsystemen nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden können. Zum Verständnis: Mit einer von Strom durchflossenen Feldspule bleibt die Form des erzeugten Magnetfeldes im Wesentlichen erhalten, während sich die Stärke und das Vorzeichen ändern. Bei einem bewegten Permanentmagneten bleibt dagegen die Stärke des erzeugten Magnetfeldes zeitlich konstant, aber es ändert sich seine Form bezogen auf den Prüfling, da sich die relative Position und/oder die relative Orientierung ändern.
Dadurch, dass die Relativbewegungen des Permanentmagneten gegenüber dem Prüfling nach einem bestimmten Bewegungsmuster vorgegeben werden können, können bei der Auswertung des Sensorsignals Verfahren der Signalverarbeitung angewendet werden, die für den jeweiligen Anwendungsfall günstig sind. Beispielsweise können bei einer sinusförmigen Bewegung des Permanentmagneten mit einer Frequenz f die detektierten Wirbelströme spezifisch bei dieser Frequenz untersucht werden, was unter anderem für die Unterdrückung von Rauschen günstig sein kann.
Eine mögliche alternative Ausführungsform eines Materialprüfgeräts 300 ist in 3 gezeigt. Entsprechende Bauteile oder Baugruppen tragen die gleichen Bezugszeichen wie bei der Ausführungsform von 1, erhöht um 200. Hier ist ein Materialprüfgerät 300 realisiert, welches einen Permanentmagneten 330 hat, der mit Hilfe eines Antriebs in Form eines Elektromotors 320 um eine Rotationsachse gedreht werden kann, die koaxial zur Gehäuseachse 315, aber senkrecht zur magnetischen Achse 332 des Permanentmagneten 330 ausgerichtet ist. Dadurch dreht sich der Permanentmagnet im Betrieb in einer Ebene parallel zur Abschlussplatte 312 bzw. parallel zu der hierzu parallelen Referenzebene. Als Sensor ist im Beispielsfall ein GMR-Sensor 340 vorgesehen.
Für den Prüfbetrieb wird das Materialprüfgerät 300 so in die Nähe des Prüflings 390 gebracht, dass die Abschlussplatte 312 in einem geringen Prüfabstand A gegenüber der Oberfläche 392 angeordnet ist. Der Permanentmagnet wird dann mit Hilfe des Elektromotors gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster rotiert, z.B. mit konstanter Drehzahl oder zeitlich periodisch oder aperiodisch wechselnder Drehzahl. Dadurch dreht sich auch die Richtung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien F innerhalb des Prüflings nach dem gleichen Bewegungsmuster um eine Achse, die parallel zur Normalenrichtung N der Prüflingsoberfläche verläuft. Der ständige Richtungswechsel des erregenden magnetischen Feldes erzeugt entsprechende Wirbelströme, die dem erregenden Feld entgegenwirken. Die Überlagerung wird mit dem GMR-Sensor erfasst. Dieses magnetische „Drehfeld“ ermöglicht ggf. erhöhte Empfindlichkeit für kleinere Defekte wie Löcher oder Bohrungen, ggf. sind die Signale auch weniger stark abhängig von der Orientierung eines Fehlers, z.B. eines Risses, im Prüfling. Das Drehfeld kann auch mit anderen Typen von Sensoren, z.B. Spulenanordnungen, genutzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die bisher gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten und dem Prüfling kann gegebenenfalls auch in ein bestehendes mechanisches System mit beweglichen Teilen integriert werden, so dass für die Erzeugung der Bewegung des Permanentmagneten keine zusätzliche Vorrichtung nötig ist. In diesem Fall werden Bestandteile des mechanischen Systems als Teile des Antriebssystems verwendet. Dies kann zur Verringerung der Komplexität führen. Beispielsweise kann eine Wirbelstromprüfung in einer Maschine während des Betriebs realisiert werden, indem lediglich ein Sensor zur Aufnahme der erzeugten Felder an geeigneter Stelle montiert wird, während ein Permanentmagnet an einer geeigneten anderen Stelle montiert wird, so dass dieser sich relativ zum Prüfobjekt in geeigneter Weise bewegen kann. Hierdurch sind beispielsweise Wirbelstromprüfungen in einem laufenden Verbrennungsmotor möglich.
Zur Illustration zeigt 4 zwei ineinander greifende Stahl-Zahnräder 470, 490 eines Getriebes, in das zum Zwecke einer permanenten On-Board-Diagnose zwei Permanentmagnete und ein Sensor 440 eines Materialprüfgeräts 400 gemäß einer Ausführungsform integriert sind. Am Umfang des ersten Zahnrads 470 sind diametral gegenüberliegend zwei Permanentmagnete 430A, 430B angebracht. In der Nähe der Stelle, an der die Zahnräder ineinander greifen, ist ein Sensor angebracht, der an eine Auswerteeinrichtung 480 angeschlossen ist. Der Sensor ist bezüglich des Getriebegehäuses ortsfest und wird durch eine gehäuseseitige Halteeinrichtung 422 getragen. Der Sensor erzeugt während des Umlaufs der Zahnräder regelmäßig Sensorsignale, deren Form auch von der Beschaffenheit der Zahnräder in dem vom Magnetfeld der Permanentmagnete beeinflussten Randbereich abhängt. Verändert sich z.B. die Beschaffenheit der Randzone des zweiten Zahnrades 490 durch Verschleiss (z.B. Ausbrechen eines Materialstücks, Rissbildung), so ändern sich die Signalformen. Dies wird über die Auswerteeinrichtung überwacht. Ggf. wir ein Fehlersignal erzeugt, das auf den Verschleiss des Prüflings (zweites Zahnrad 490) hinweist.
Bei manchen Anwendungen wird das Prüfverfahren zum Detektieren von Defekten verwendet, die sich an oder in der Nähe einer Oberfläche eines Prüflings befinden, welcher zumindest im Bereich der Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei durch Bewegung des Permanentmagneten in dem Material Wirbelströme erregt werden, die ein zeitlich und/oder räumlich variierendes magnetisches Sekundärfeld erzeugen, welches dem Magnetfeld des Permanentmagneten im Bereich des Sensors überlagert ist, und wobei eine Überlagerung des Magnetfelds des Permanentmagneten und des Sekundärfeldes mittels des Sensors erfasst und Sensorsignale zur Identifizierung und Charakterisierung der Defekte ausgewertet werden. Das Verfahren kann auch an defektfreien Prüflingen genutzt werden, z.B. um Permeabilitätsmessungen und/oder Leitfähigkeitsmessungen durchzuführen. Das Materialprüfgerät kann auch zu (quantitativen) Messzwecken genutzt werden und somit auch als Messgerät bezeichnet werden.
Gemäß einer anderen Formulierung wird ein Verfahren zum Detektieren von Defekten vorgeschlagen, die sich an oder in der Nähe einer Oberfläche eines Prüflings befinden, welcher zumindest im Bereich der Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei mittels einer Erregeranordnung in dem Material Wirbelströme erregt werden, ein durch die Wirbelströme erzeugtes magnetisches Wechselfeld mittels eines Sensors erfasst und Sensorsignale zur Identifizierung und Charakterisierung der Defekte ausgewertet werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erregung der Wirbelströme (mindestens) ein Permanentmagnet in der Nähe der Oberfläche angeordnet wird und mittels eines Antriebs eine Relativbewegung des Permanentmagneten relativ zur Oberfläche gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster derart erzeugt wird, dass bei der Relativbewegung ein mehrfacher Wechsel eines relativen Abstands zwischen Permanentmagnet und Oberfläche und/oder einer relativen Winkellage zwischen Permanentmagnet und Oberfläche erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brauer, H., Ziolkowski, M., "Eddy Current Testing of Metallic Sheets with Defects Using Force Measurements" Serbian Journal of Electrical Engineering 2008, 5, Seiten 11–20 [0006]

Claims

Materialprüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an und/oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings mit: einem Grundkörper (110), der eine Referenzfläche (113) definiert; einem Permanentmagneten (130, 330, 430A, 430B), der an oder in dem Grundkörper montiert und relativ zum Grundkörper beweglich gelagert ist; einem Antriebssystem zum Erzeugen einer Bewegung des Permanentmagneten relativ zu dem Grundkörper gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster derart, dass bei der Relativbewegung ein mehrfacher Wechsel eines relativen Abstands und/oder einer relativen Winkellage zwischen dem Permanentmagnet und der Referenzfläche erfolgt; einem für Änderungen von Magnetfeldern sensitiven Sensor (140, 340, 440), der dauerhaft oder phasenweise im Bereich des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist, und Einrichtungen zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinrichtung.
Materialprüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (140, 340) unmittelbar oder mittelbar am oder im Grundkörper (110) befestigt ist.
Materialprüfgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130, 330) ein Seltenerdmagnet ist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät (100, 300) genau einen Permanentmagneten aufweist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät (100, 300) ein handgehaltenes und/oder portables Materialprüfgerät ist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät eine netzunabhängige Spannungsversorgung aufweist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem einen Piezoantrieb (120) mit mindestens einem Piezoelement aufweist, das an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130) derart gelagert ist, dass er eine lineare Oszillationsbewegung relativ zu der Referenzfläche ausführen kann.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (330) derart gelagert ist, dass er eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse (315) ausführen kann, wobei die Rotationsachse vorzugsweise senkrecht zur Referenzfläche (113) gerichtet ist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Spulenanordnung, eine GMR-Sensoranordnung oder eine supraleitende Quanteninterferenzeinheit (SQUID) aufweist.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dafür eingerichtet ist, Detektorsignale aufgelöst nach Amplitude und Phase in Bezug auf die Bewegung des Permanentmagneten auszuwerten.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper nach Art eines im Wesentlichen geschlossenen Gehäuses ausgebildet ist oder einen Teil eines geschlossenen Gehäuses bildet, wobei der Permanentmagnet (130, 330), ein Antrieb des Antriebssystems und vorzugsweise auch der Sensor (140, 340) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät zusätzlich zu einem auf Änderungen des Magnetfelds sensitiven Sensor noch einen oder mehrere schwingungssensitive Sensoren aufweist.
Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings unter Verwendung eines Materialprüfgeräts (100, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Materialprüfgerät in Bezug auf den Prüfling derart positioniert wird, dass sich die Referenzfläche in Kontakt mit der Oberfläche oder in einem definierten Abstand zur Oberfläche befindet; mittels des Antriebs eine Bewegung des Permanentmagneten gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster erzeugt wird und durch den Sensor erzeugte Sensorsignale mittels der Auswerteeinrichtung zur Charakterisierung des Prüflings ausgewertet werden.
Prüfverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät während der Prüfung in Bezug auf den Prüfling ruht.
Prüfverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet gemäß einem Bewegungsmuster bewegt wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe: periodisches Bewegungsmuster; sinusförmiges Bewegungsmuster; rechteckförmiges Bewegungsmuster; Wavelet-förmiges Bewegungsmuster.
Prüfverfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Antriebs eine Oszillationsbewegung des Permanentmagneten erzeugt wird, die eine senkrecht zur Oberfläche des Prüflings gerichtete Bewegungskomponente aufweist.
Prüfverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130) eine magnetische Achse (132) definiert, die zwischen gegensätzlichen magnetischen Polen verläuft, dass Feldlinien (F) im wesentlichen parallel zur magnetischen Achse aus dem Permanentmagneten austreten und dass eine lineare Oszillationsbewegung des Permanentmagneten parallel zur magnetischen Achse erzeugt wird, so dass die Feldlinien im wesentlichen parallel zur Normalenrichtung (N) des Prüflings (190) in die Prüflingsoberfläche (192) eindringen.
Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung Detektorsignale aufgelöst nach Amplitude und Phase in Bezug auf die Bewegung des Permanentmagneten ausgewertet werden.
Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prüfling aus einem magnetisierbarem Material geprüft wird, wobei mit Hilfe des Permanentmagneten das Material teilweise oder bis in die Sättigung magnetisiert wird.
Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Materialprüfgerätes eine Messung der mechanischen Impedanz des Prüflings durchgeführt wird, vorzugsweise zusätzlich zu einer Messung der elektrischen Impedanz.
Verwendung des Materialprüfgeräts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Prüfung eines Prüflings aus magnetisierbarem Material.