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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines elektromagnetischen Sensors sowie ein Verfahren zur Messung von magnetischen Werkstoffeigenschaften.
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Für die zerstörungsfreie Prüfung elektrisch leitfähiger Werkstoffe sind bspw. Prüfverfahren mittels Wirbelströmen bekannt.
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Die
US 4754218 A offenbart einen elektromagnetischen Sensor, der zur Messung des Stroms durch ein isoliertes elektrisches Kabel eingesetzt werden soll. Das Joch des Sensors liegt hierbei nicht an dem elektrischen Leiter an, sondern an der isolierenden Kabelumhüllung. Die
DE 697 32 210 T2 beschreibt einen elektromagnetischen Aktor. Die
US 4288743 A und die
US 3781682 A befassen sich jeweils mit Fehlerstromdetektoren, in denen durch den Stromfluss ebenfalls ein elektromagnetischer Aktor bewegt wird.
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Die
DE 1955366 A beschreibt eine Vorrichtung für eine magnetische Rissprüfung, bei der die Prüflinge mit einem Strom beaufschlagt werden und Risse in den Prüflingen durch Aufbringung magnetischer Prüfmittel auf den Prüfling kenntlich gemacht werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Durchflutungsstrom ein quer gerichtetes Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien an Kanten von Längsrissen im Prüfling aus diesem austreten und damit durch die magnetischen Prüfmittel erfasst werden können. Auf die Art der magnetischen Prüfmittel geht diese Druckschrift nicht näher ein.
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Die
US 6002251 A beschreibt einen Messsensor zur Detektion von Fehlstellen in elektrisch leitfähigen Platten mittels einer Wirbelstrommessung. Der Sensor erzeugt hierbei ein magnetisches Wechselfeld und detektiert den resultierenden magnetischen Fluss über einen Bypass mit elektrischer Spule.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektromagnetischen Sensor zur Messung von magnetischen Werkstoffeigenschaften anzugeben, der sich gegenüber den bekannten Sensoren einfacher handhaben lässt und einen robusten, einfachen Aufbau aufweist mit Potential zur Miniaturisierung.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Verwendung des elektromagnetischen Sensors gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 6 betrifft ein Verfahren zur Messung von Werkstoffeigenschaften mit Hilfe eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters, welches das zugrundeliegende Prinzip des elektromagnetischen Sensors nutzt.
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Der vorgeschlagene elektromagnetische Sensor weist einen elektrischen Leiter auf, beispielsweise in Form eines Leiterstabes, der vollständig oder zumindest entlang eines Längsabschnittes von einem Strom durchflossen werden kann, einen magnetischen Bypass für die Durchleitung eines vom stromdurchflossenen Längsabschnitt erzeugten magnetischen Flusses und eine Einrichtung am magnetischen Bypass, über die ein magnetischer Fluss durch den magnetischen Bypass erfasst und/oder in eine mechanische Bewegung umsetzbar ist. Der magnetische Bypass ist dabei im Bereich des stromdurchflossenen Längsabschnittes des Leiters an zwei Stellen (den beiden Enden des Bypasses) an den Leiter angekoppelt, zwischen denen bei einem Stromfluss entlang des Längsabschnittes des Leiters ein magnetischer Spannungsabfall entsteht. Unter einem Leiter oder Leiterstab ist hierbei ein länglicher Körper zu verstehen, der einen beliebigen Querschnitt aufweisen kann, bspw. einen runden, quadratischen oder allgemein rechteckigen Querschnitt. Der Leiter bzw. Leiterstab muss hierbei eine ausreichende Dicke aufweisen, damit der magnetische Bypass, d. h. ein magnetisches Joch, an den beiden oben genannten Stellen angekoppelt werden kann.
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Bei dem vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensor wird ausgenutzt, dass ein stromdurchflossener Leiter, im vorliegenden Fall bspw. der elektrische Leiterstab, ein Magnetfeld und damit einen magnetischen Spannungsabfall erzeugt, der zudem von seiner Querschnittsgeometrie abhängt. Durch die Ankopplung eines magnetischen Bypasses wird ein magnetischer Fluss aus dem Leiter heraus durch den Bypass hindurch und wieder dem Leiter zugeführt. Der Leiterstab ersetzt hierbei die bei üblichen Elektromagneten eingesetzte Erregerspule. Dies wird im Folgenden nochmals näher erläutert.
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Die Interpretation des Durchflutungsgesetzes erlaubt auch die Betrachtung eines unendlich langen geraden Leiters (Windungszahl n = 1) zur Flusserzeugung. Eine Spule kann dabei durch einen geraden Leiter ersetzt werden. Dies ist in der 1 veranschaulicht. 1a zeigt hierbei bspw. einen stromdurchflossenen Rundstableiter 1, der den in 1b dargestellten Magnetfeldverlauf hervorruft. Der Strom durch den Rundstableiter 1 ist in der 1a durch den Pfeil dargestellt. 1b zeigt einen Querschnitt durch den Rundstableiter 1. Im Leiterinneren stellt sich der Feldverlauf proportional zum Radius, außerhalb des Leiters proportional zum Kehrwert des Radius ein. Bei Elektromagneten wird das sich außerhalb des Leiters einstellende Magnetfeld H technisch genutzt.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Felderzeugung in einem stromdurchflossenen Leiter für sensorische Anwendungen eingesetzt. Die zur Felderzeugung dienende Spule eines Elektromagneten wird dabei durch einen Leiterstab oder anderen langgesteckten Leiter ersetzt und die äußeren partiellen magnetischen Spannungsabfälle um den Leiter bzw. Leiterstab herum für die sensorischen Anwendungen technisch nutzbar gemacht. Der magnetische Spannungsabfall findet dabei als magnetische Spannungsquelle Anwendung. Vergleichbar mit einer elektrischen Parallelschaltung, welche einen gemeinsamen Spannungsabfall aufweist und sich den Impedanzen entsprechend Zweigströme einstellen. Der magnetische Spannungsabfall Vm entspricht der Feldstärke Hi multipliziert mit ihrer Feldlinienlänge li. Vm = Hi·li
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Der gesamte magnetische Spannungsabfall entlang einer Feldlinie, bestehend aus k Einzelspannungsabfällen
entspricht der magnetischen Quellenspannung θ. Technisch genutzt wird der magnetische Spannungsabfall bei der vorliegenden Erfindung zur Magnetwerkstoff-Eigenschaftsprüfung.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung von magnetischen Werkstoffeigenschaften in einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter wird somit ein magnetischer Bypass an zwei Stellen an den Leiter angekoppelt, zwischen denen durch den Stromfluss ein magnetischer Spannungsabfall entsteht. Der magnetische Fluss durch den Bypass wird dabei über eine ein- oder mehrfache Wicklung bzw. eine Spule um einen Abschnitt des Bypasses in eine elektrische Spannung umgesetzt, die an den Enden der Wicklung erfasst und zur Ermittlung der magnetischen Werkstoffeigenschaften ausgewertet wird.
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Der vorgeschlagene elektromagnetische Sensor ermöglicht eine Strommessung durch den Leiter, bei welcher der elektrische Leiter weder mit einem Messshunt versehen noch mit einer Umspule oder Strommesszange umschlossen werden muss. Dies vereinfacht die Handhabung, da die Stromleitung weder umschlossen noch aufgetrennt werden muss. Der Strommessbereich unterliegt dabei keiner Einschränkung und die Strommessung erfolgt verlustlos. Aufgrund der einfachen Bauweise des vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensors zeigt dieser eine hohe zu erwartende Lebensdauer und ist aufgrund des robusten Aufbaus für den Einsatz in unwirtlicher Umgebung (Öl-, Schmutz-, Vakuumumgebung) geeignet. Bei Verwendung entsprechend weitgehend temperaturbeständiger Werkstoffe kann aufgrund der einfachen Bauweise auch eine hohe Temperaturbeständigkeit und somit der Einsatz in einem großen Temperaturbereich ermöglicht werden. Die einfache Bauweise mit der geringen Anzahl von Bauelementen ermöglicht bei Einsatz einfacher und kostengünstiger Werkstoffe auch eine hohe Kosteneffizienz. Aufgrund der einfachen Bauweise treten auch geringe Ohmsche- und geringe Wirbelstromverluste auf, so dass der Sensor auch eine hohe Energieeffizienz aufweist. Die Prüfung magnetischer Eigenschaften von magnetischen Werkstoffen, die als Stromleiter eingesetzt werden, ist damit zerstörungsfrei möglich.
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Bei dem vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensor weist die Einrichtung am magnetischen Bypass für die sensorische Anwendung vorzugsweise eine ein- oder mehrfache elektrische Wicklung bzw. eine elektrische Spule um einen Abschnitt des Bypasses auf. Über diese Wicklung kann der Magnetfluss durch den Bypass in eine elektrische Spannung umgesetzt werden, die an den beiden Enden der Wicklung erfasst und ausgewertet werden kann.
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Der elektrische Leiter weist bei dem vorgeschlagenen elektrischen Sensor vorzugsweise zumindest in dem Längsabschnitt, durch den der Stromfluss erfolgt, einen konstanten Querschnitt auf. Es kann sich hierbei bspw. um einen Rechteckleiter, einen Quadratleiter oder einen Rundleiter handeln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der vorgeschlagene elektromagnetische Sensor und das vorgeschlagene Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Darstellung eines stromdurchflossenen Rundstableiters und der dadurch erzeugte Feldverlauf des magnetischen Feldes;
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2 eine Darstellung eines stromdurchflossenen Quadratleiters und der dadurch erzeugte interne Feldverlauf des magnetischen Feldes;
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3 eine Darstellung eines stromdurchflossenen Rechteckleiters und der dadurch erzeugte interne Feldverlauf des magnetischen Feldes;
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4 eine Darstellung eines Anwendungsbeispiels für eine in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beanspruchte Strommessung mit dem vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensor;
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5 eine weitere Darstellung eines Anwendungsbeispiels für eine in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beanspruchte Strommessung mit dem vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensor;
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6 eine weitere Darstellung eines Anwendungsbeispiels für eine in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beanspruchte Strommessung mit dem vorgeschlagenen Sensor, bei der auch die Messeinrichtung zu erkennen ist; und
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7 eine Darstellung der Verwendung des vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensors für eine Magnetwerkstoffprüfung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die Verteilung des magnetischen Feldes eines stromdurchflossenen Rundstableiters wurde in Verbindung mit 1 bereits erläutert. 2 zeigt die Verhältnisse am Beispiel einer Stromschiene, die als Quadratleiter 2 ausgebildet ist. In 2a ist hierbei ein Abschnitt des stromdurchflossenen Quadratleiters 2 mit der Querschnittsfläche A zu erkennen. Technisch nutzbar gemacht werden bei der vorliegenden Erfindung die magnetischen Spannungsabfälle, die den Leiter konzentrisch umgeben. Die 2 und 3 zeigen hierbei nicht-runde Feldverläufe, wie sie bei Quadrat- oder Rechteckleitern entstehen. In 2b ist der Querschnitt des Quadratleiters 2 mit dem internen Feldverlauf dargestellt. Die magnetischen Spannungsabfälle entlang der Seiten a dieses Quadratleiters 2 sind gleich, da Vm = 2Hxa + 2Hya = 2a(Hx + Hy) = θ
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Im Gegensatz dazu sind die Spannungsabfälle entlang der Seiten eines Rechteckleiters 3 wie dem der 3 unterschiedlich. Über die Seitenverhältnisse des Rechteckleiters 3 kann die Feldverteilung in x- und y-Richtung und damit der magnetische Spannungsabfall eingestellt werden. Es gilt Vm = 2Hxb + 2Hyh = 2(Hxb + Hyh) = 2a(Hxc + Hy1/c) = θ
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Die Feldstärke und Feldlinienlänge ist aus Gründen der Darstellung bei den 2 und 3 nur an der Oberfläche der Stäbe eingezeichnet worden. Die Orientierungen der Feldstärken und Feldlinien (x- und y-Richtung) sind in Übereinstimmung mit dem Koordinatensystem dargestellt. Damit entspricht bspw. der magnetische Spannungsabfall in x-Richtung in 3b an der Ober- und Unterseite der Stromschiene: Vmx = 2Hxb
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Bei dem vorgeschlagenen elektrischen Sensor und dem zugehörigen Verfahren wird ein partieller magnetischer Spannungsabfall an einem derartigen elektrischen Leiterstab für die sensorische Anwendung genutzt. Hierzu wird ein magnetischer Bypass (magnetisches Joch) so an den Leiterstab angekoppelt, dass ein magnetischer Fluss aus dem Leiterstab in den Bypass und dann über denselben Bypass wieder in den Leiterstab erfolgt. 4 zeigt hierzu ein Anwendungsbeispiel für eine in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beanspruchte Strommessung mit einem Joch an Ober- und Seitenfläche einer Stromschiene 4, die hier als Rechteckleiter ausgebildet ist. Das magnetische Joch 5, das den magnetischen Bypass bildet, kann in dieser wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen, bspw. aus einem Eisenmaterial gebildet sein. Der durch die Schiene 4 fließende Strom ruft das Magnetfeld H hervor. Durch das von außen an die Stromschiene 4 in der dargestellten Weise angebrachte Joch 5 wird der sich einstellende magnetische Fluss partiell durch das mit einer Spule 6 bewickelte Joch 5 geleitet. Eine zeitliche Stromänderung durch die Stromschiene ruft an den Spulenklemmen eine induzierte Spannung Umess hervor, die zu Messzwecken ausgewertet werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung für eine in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beanspruchte Strommessung an einer als Rechteckleiter ausgebildeten Stromschiene 4 zeigt 5. In diesem Beispiel ist das Joch 5 so angeordnet, dass der magnetische Spannungsabfall zwischen den beiden breiten Seiten der Stromschiene 4 genutzt wird. Auch hier ruft eine Stromänderung durch die Stromschiene 4 an der Spule bzw. Wicklung 6 eine Messspannung hervor, die zur Auswertung herangezogen werden kann. Für eine Auswertung der hervorgerufenen Messspannung kann eine Messanordnung eingesetzt werden, wie sie in der 6 dargestellt ist. Der Strom I wird mit I = 1 / L∫Umessdt berechnet. Hierzu wird die an den Spulenklemmen anliegende Spannung Umess mit einem Integrator 7 integriert und anschließend mit dem Multiplikator 8 mit der inversen Induktivität (1/L) der Messspule 6 multipliziert.
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7 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit des vorgeschlagenen elektromagnetischen Sensors zur Magnetwerkstoffprüfung. Der zu prüfende Magnetwerkstoff wird dabei als elektrischer Leiterstab 16 der Anordnung eingesetzt. Im Beispiel der 7 ist der zu prüfende Magnetwerkstoff in Stabform realisiert. Durch diesen wird ein elektrischer Strom geleitet. Der Strom erzeugt in und um den Leiter 16 herum ein magnetisches Feld, wie dies bereits erläutert wurde. Ein Teil des sich im Leiter 16 einstellenden magnetischen Flusses wird durch das bewickelte magnetische Joch 5 geleitet. Die sich dabei einstellende induzierte Spannung in der Spule 6 des Jochs 5 kann wiederum zu Messzwecken ausgewertet werden. Hierzu können bspw. Simulationen mittels einer Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden, um die magnetischen Materialeigenschaften des elektrischen Leiterstabes 16 auszuwerten. Damit können bspw. Magnetstähle in Stangenform untersucht und/oder identifiziert werden, ohne dass eine spezielle Werkstoffprobengeometrie angefertigt werden muss. Des Weiteren kann schnell geprüft werden, ob ein Werkstoff einer Wärmebehandlung unterzogen worden ist. Es genügt auch, den Prüfstrom nur lokal in den Werkstoff einzuleiten, ohne den Strom durch die gesamte Länge des Leiterstabs zu leiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rundstableiter
- 2
- Quadratleiter
- 3
- Rechteckleiter
- 4
- Stromschiene
- 5
- magnetisches Joch
- 6
- Messspule
- 7
- Integrator
- 8
- Multiplikator
- 16
- Rundstab aus zu prüfendem Magnetwerkstoff
