DE1473696B2

DE1473696B2 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung

Info

Publication number: DE1473696B2
Application number: DE19651473696
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Columbus Sisson Edwin Dean Worthington Ohio McMaster (V St A)
Original assignee: FW Bell Ine , Columbus, Ohio (V St A)
Priority date: 1964-08-13
Filing date: 1965-08-13
Publication date: 1971-11-25
Also published as: GB1066517A; DE1473696A1; US3359495A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bestehend aus einer Induktionseinrichtung zum Erzeugen eines pulsförmig oder periodisch sich zeitlich ändernden Magnetfeldes, das im Prüfling Wirbelströme induziert, die ein mit den Eigenschaften oder Fehlern des Prüflings in Beziehung stehendes Magnetfeld hervorrufen, und aus magnetfeldempfindlichen Nachweismitteln für das durch die Wirbelströme hervorgerufene Magnetfeld.

Es sind bereits Vorrichtungen der vorgenannten Art bekannt, bei denen als Nachweismittel für das durch die induzierten Wirbelströme hervorgerufene Magnetfeld eine Spule vorgesehen ist. Dabei kann die zum Induzieren der Wirbelströme im Prüfling vorgesehene Induktionsspule gleichzeitig als Nachweisspule verwendet werden, oder es können aber innerhalb der Induktionsspule eine oder mehrere Nachweisspulen angeordnet sein. Bei diesem bekannten, nach dem Wirbelstromverfahren arbeitenden Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bewirken Veränderungen des Prüflings Änderungen des Scheinwiderstandes der Nachweisspule. Diese Scheinwiderstandsänderungen werden festgestellt, und aus ihrer Größe und Richtung lassen sich Rückschlüsse auf die Veränderungen im Prüfling ziehen. Das von einer Nachweisspule gelieferte Ausgangssignal hängt von der Frequenz des nachzuweisenden Magnetfeldes und von der flächenmäßigen Ausdehnung der Nachweisspule ab. Der Nachweis von flächenmäßig sehr kleinen Magnetfeldanomalien ist daher mit einer Nachweisspule nur sehr schwer möglich, da das Ausgangssignal einer Nachweisspule bei abnehmender Spulenfläche geringer wird. Darüber hinaus treten auf Grund von Gegeninduktions- und Selbstinduktionserscheinungen Rückwirkungen auf das nachzuweisende Magnetfeld auf, die sich ungünstig auf die Meßgenauigkeit auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß im Vergleich zu den bekannten, nach dem Wirbelstromverfahren arbeitenden Vorrichtungen eine verbesserte Meßgenauigkeit und ein verbessertes AuflöseVermögen erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nachweismittel aus mindestens einem magnetfeldempfindlichen Halbleiter bestehen.

Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem magnetfeldempfindlichen Halbleiter um einen Hallspannungsgenerator.

Die Verwendung von magnetfeldempfindlichen Halbleitern als Nachweismittel auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung war zwar bislang schon bekannt, aber nur in Verbindung mit den rein magnetischen Prüfverfahren, wo vornehmlich unter Einwirkung eines statischen Magnetfeldes der an Fehlerstellen von Prüflingen verursachte Streufluß erfaßt wird, jedoch nicht in Verbindung mit dem Wirbelstromverfahren. Die erfindungsgemäße Kombination eines magnetfeldempfindlichen Halbleiters, insbesondere eines Hallgenerators, mit dem Wirbelstromverfahren ergibt überraschende vorteilhafte Wirkungen.

Da das Ausgangssignal eines Hallspannungsgenerators nicht von seiner flächenmäßigen Ausdehnung abhängt, sondern lediglich von der Dichte des einwirkenden Magnetfeldes, können Hallspannungsgeneratoren mit sehr geringen Abmessungen vorgesehen werden, die den Nachweis von flächenmäßig außerordentlich kleinen Magnetfeldanomalien gestatten, d. h. ein hohes Auflösungsvermögen ermöglichen. Bei Verwendung eines Hallspannungsgenerators treten keinerlei Rückwirkungen auf das Magnetfeld auf, und weiterhin ist das Ausgangssignal eines ίο Hallspannungsgenerators unabhängig von der Frequenz des nachzuweisenden Magnetfeldes, so daß mit der Vorrichtung nach der Erfindung einwandfreie genaue Absolutmessungen ohne aufwendige Eichverfahren durchgeführt werden können.
Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt eine graphische Darstellung einer die Erfindung verkörpernden Prüfvorrichtung einschließlich der grundsätzlichen Arbeitselemente und einer Darstellung der prinzipiellen Arbeitsweise;

F i g. 2 ist eine Ansicht der Stromwege und des Felddetektors, wobei die in F i g. 1 gezeigte prinzipielle Arbeitsweise noch weiter dargestellt wird;

F i g. 3 ist die Ansicht eines durch die Mitte der Meßsonde geführten Schnittes;

F i g. 4 ist das Blockschaltbild einer diese Erfindung verkörpernden Grundschaltung, die dem dynamischen Prüfverfahren angepaßt ist;

F i g. 5 ist die graphische Darstellung der aus der Arbeitsweise dieser Vorrichtung hervorgehenden Magnetfeldvektoren;

F i g. 6 ist das Blockschaltbild einer alternativen, diese Erfindung verkörpernden Grundschaltung, die speziell dem statischen, ein Gleichstrommagnetfeld verwendenden Prüfverfahren angepaßt ist;

F i g. 6 a ist die graphische Darstellung der Magnetfeldvektoren, die sich aus der Arbeitsweise mit dem Gleichstrommagnetfeld der Vorrichtung nach Fig. 6 ergeben;

F i g. 7 ist die Darstellung der Wirbelstromwege, die sich bei der Arbeitsweise mit der Vorrichtung zur Prüfung auf Bruchstellen od. ä. Uneinheitlichkeitsstellen ergeben;

F i g. 8 ist die graphische Darstellung der Örter der Magnetfeldvektoren, die sich aus der Arbeitsweise der Vorrichtung beim Prüfen magnetischer Materialien ergeben;

F i g. 9 ist die Ansicht eines durch die Mitte einer Null-Typ-Meßsonde geführten Schnittes;
Fig. 1Ö ist die graphische Darstellung der Magnetfeldvektoren, die sich aus der Arbeitsweise der die Null-Typ-Sonde verwendenden Vorrichtung ergeben;

Fig. 11 ist die graphische Darstellung einer alternativen Sondenkonstruktion, die einen Polarisationseffekt erzielen soll;

Fig. 12 ist die graphische Darstellung einer anderen alternativen Sondenkonstruktion, die einen ferromagnetischen Kern benutzt;

Fig. 13 ist das Blockschaltbild einer abgewandelten Schaltung für eine Prüfvorrichtung mit Wirbelstrom-Hallelement, das dazu geeignet ist, eine amplitudenbezogene Ausgabeinformation zu liefern;

Fig. 14 ist das Blockschaltbild einer abgewandelten Schaltung für eine Prüfvorrichtung mit Wirbelstrom-Hallelement, das dazu geeignet ist, eine frequenzbezogene Ausgabeinformation zu liefern.

Die Prüfvorrichtung und das Prüfverfahren dieser

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Erfindung beinhalten ganz allgemein eine elektro- liehen Widerstandselementes sein kann, welches auf magnetische Induktionsspule, um in magnetisch kop- ein mit ihm elektromagnetisch gekoppeltes Magnetpelnder Weise mit einem zu prüfenden Material ein feld anspricht. Das im folgenden als Hallelement beMagnetfeld zu induzieren und in dem zu unter- zeichnete Abfühlgerät 23 ist mit herkömmlichen suchenden Prüfling oder in einem in bestimmter 5 (nicht gezeigten) Steuerstromanschlüssen versehen, Weise zur Spule angeordneten Material eine Magne- die mit einer (nicht gezeigten) geeigneten Energietisierung und einen Wirbelstromfluß hervorzurufen, quelle und Ausgangssignalleitungen verbunden sind, und sie beinhalten ein magnetfeldempfindliches Halb- Die Ausgangssignalleitungen sind mit einer Detekleitergerät, das auf das von der Permeabilität des torvorrichtung 24 verbunden, die ein Gauß-Meter magnetischen Materials oder dem Wirbelstrom oder io sein kann. Somit wird ein mit dem Hallelement 23 beiden gemeinsam herrührende Rückkopplungs- gekoppeltes Magnetfeld ein Ausgangssignal erzeugen, magnetfeld anspricht. Die Arbeitsweise besteht in das mit dem Feld in Beziehung steht und das durch erster Linie darin, ein magnetisierendes Feld be- die Detektorvorrichtung 24 in eine geeignete Ausstimmter Stärke, Frequenz und Gestalt zu erzeugen gabeinformation umgeformt wird. Das magnetische und dann die Wirkung des zu untersuchenden Prüf- 15 Rückwirkungsfeld H_r hängt mit den Eigenschaften lings auf das resultierende Rückkopplungsmagnet- des zu untersuchenden Prüflings 20 zusammen, wofeld auf Grund eines Ausgangssignals aus dem ma- bei der Detektor 24 eine Anzeige dieser Eigenschafgnetfeldempfindlichen Halbleitergerät zu bestimmen. ten liefert.

In der vorliegenden Erfindung besteht das magnet- Die Spule 21 und ein Hallelement 23 werden vorfeldempfindliche Halbleitergerät aus einem oder 20 teilhafterweise in einer einzigen Sondenvorrichtung mehreren Hallelementen oder magnetfeldempfind- 25, so wie es am besten in F i g. 3 dargestellt ist, geliehen Widerstandselementen, die verwertbare Aus- meinsam untergebracht. Diese Sondenvorrichtung· gangssignale liefern, welche in einen Ausgangssignal- umfaßt ein längliches, stabiles, rohrförmiges Gehäuse schaltkreis gegeben werden. Die Auswahl der spe- 26 aus nichtmagnetischem und elektrisch isolierendem ziellen Elemente ist eine Frage des Aufbaues mit 25 Material, das eine elektromagnetische Induktionsdem Ziel der optimalen Arbeitsweise der Vorrich- spule 27 und ein Hallelement 28 trägt. Das Gehäuse tung bei einer bestimmten Stärke des magnetisieren- 26 besitzt zylindrische Form mit einer an einem den Feldes. Eine geeignete Eichung der Vorrichtung Ende ausgearbeiteten passenden Spulenform 29, in liefert notwendige quantitative Daten für eine be- die eine bestimmte Anzahl Windungen eines geeigstimmte Prüfung. 30 neten elektrischen Leiters in Form einer kreisförmi-Die grundsätzliche Arbeitsweise der Prüfvorrich- gen, in einer parallelen Ebene zur Endfläche des Getung dieser Erfindung ist in bezug auf einen zu un- häuses liegenden Spule 27 gelegt werden. Indem man tersuchenden Prüfling 20 in den F i g. 1 und 2 darge- die Spule 27 so nahe am Ende des Gehäuses 26 anstellt. In diesem Beispiel besteht der zu untersuchende bringt, als dies mechanisch möglich ist, erreicht man Prüfling 20 aus einer flachen, aus elektrisch leitendem 35 eine optimale Kopplung der Magnetisierspule mit Material gefertigten Platte, die magnetisch sein kann dem zu untersuchenden Prüfling. Die spezielle Win- oder nicht und die eine oder mehrere spezielle zu be- dungszahl der Magnetisierspule hängt von der betrachtende Eigenschaften oder Parameter und Zu- sonderen Anwendung ab und hat die erforderliche stände besitzt. Eine, wie gezeigt, aus einer oder meh- Größe zur Erreichung der gewünschten Amperewinreren, in bekannter Weise in planparalleler, kreisför- 40 dungszahl über den Prüffrequenzbereich hinweg, um miger Form angeordneten Windungen eines elektri- entsprechende Magnetfeldstärken zu erzeugen,
sehen Leiters bestehende elektromagnetische Induk- Das Hallelement liegt axial auf der Mittellinie der tionsspule 21 ist in geringem*Abstand zu dem unter- Spule 27. In der abgebildeten Ausführungsform besuchenden Prüfling angeordnet, wobei die Spule in steht das Hallelement aus einer flachen Platte, die einer zur Oberfläche des zu untersuchenden Prüflings 45 vom Gehäuse 26 in axialer Ausrichtung mit der praktisch parallelen Ebene liegt. Mit der Spule .21 ist Achse der Spule 27 festgehalten wird und sich so eine elektrische Energiequelle 22 verbunden, die ge- nahe, als dies durchführbar ist, an der Endfläche des eignet ist, einen brauchbaren Magnetisierstrom I]_n Sondengehäuses befindet. Dadurch gelangt das Hallfür die spezielle Anwendung zu liefern. Für die dar- element 28-in geringem Abstand zur Oberfläche des gestellten Zwecke wird eine Wechselstromenergie- 50 zu untersuchenden Prüflings. Es ist jedoch wünquelle gezeigt und beschrieben, obgleich darauf hin- sehenswert, daß das Hallelement so gehalten oder anzuweisen ist, was sich auch deutlich ergibt, daß der gebracht wird, daß durch eine Berührung der Sonde Magnetisierstrom auch ein anderer als der herkömm- mit dem zu untersuchenden Prüfling keine mechaliche symmetrische, sinusförmige Wechselstrom sein nische Kraft auf diese ausgeübt wird. Eine solche kann, etwa ein Gleichstrom, ein asymmetrischer 55 auf das Hallelement wirkende mechanische Kraft Wechselstrom, eine Impuls-, Rechteck- oder andere würde einen Druckeffekt hervorrufen und eine falsche Wellenform. Die durch den magnetisierenden Wech- Messung bewirken. Falls es notwendig ist, kann eine selstrom erregte Spule 21 erzeugt das als H₀ in der geeignete Abdeckung oder eine (nicht gezeigte) Abbildung angedeutete Magnetfeld, das im zu unter- Schutzplatte mit der Endfläche des Gehäuses 26 versuchenden Prüfling fließende Wirbelströme /,.,. her- 60 bunden werden, um Abnutzung oder Druckausübung vorruft. Dieser Wirbelstrom l_ec ist in F i g. 1 symbo- durch Berührung mit dem zu untersuchenden Prüflisch dargestellt und fließt im allgemeinen mit ent- ling zu vermeiden.

gegengesetzter Umlaufrichtung als der Magnetisier- Die Sondenvorrichtung 25 wird durch die das

strom /,„ in der Spule 21, wobei er ein als H_r ange- Hallelement 20 und die Magnetisierspule 27 verbin-

deutetes magnetisches Rückwirkungsfeld erzeugt. 65 denden elektrischen Leitungen vervollständigt. Diese

Innerhalb der Spule 21 ist ein magnetfeldempfind- Stromzuführungen umfassen im allgemeinen ein Paar

liches Halbleitergerät 23, das entweder von der Art mit der Spule 27 verbundene Leitungen zum Zufüh-

eines Hallelements oder eines magnetfeldempfind- ren des Magnetisierstromes für das Hallelement 28

und zwei Leitungen für die Hallelement-Ausgangssignalspannung. Diese Leitungen sind alle vorzugsweise in einem einzigen, flexiblen Kabel 26 α zur Verbindung mit den Prüfinstrumenten der Vorrichtung zusammengefaßt, um ein internes und externes Überkoppeln magnetischer und elektrischer Felder auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Eine Anschlußplatte 26 b kann im Gehäuse zur Befestigung der Zuleitungsdrähte angebracht werden.

Bei der Verwendung der Meßsonde 25 können die einzelnen Leitungen bezüglich der Wechselstromenergiequelle und der Detektorvorrichtung, wie in F i g. 1 angedeutet, geschaltet werden. Das Blockschaltbild dieser Grundschaltung ist in Fig. 4 dargestellt, wobei die Sonde 25 mit einem Oszillator 30 variabler Frequenz zum Betrieb der Magnetisierspule verbunden ist, eine Gleichstromenergieversorgung 31 den Steuerstrom I_c für das Hallelement liefert und eine Detektorschaltung 32 eine Anzeige des Hallelement-Ausgangssignals bewerkstelligt. Die Sonde 25 wird zu Anfang durch ein geeignetes Verfahren geeicht, um die gewünschte Ausgabeinformation mit einer bestimmten Art eines in einer besonderen Prüfanwendung verwendeten Detektors zu erhalten. Im Zusammenhang mit dem zu bestimmenden spezifischen Parameter oder kennzeichnenden Zustand des zu untersuchenden Prüflings verwendet man zur Erzeugung eines Magnetisierungsstromes I_m bestimmter Größe und Frequenz zum Betrieb der Magnetisierspule 27 einen Oszillator 30 variabler Frequenz. Dieser Magnetisierstrom I_m erzeugt ein magnetisierendes Feld H₀, das eine räumliche, axial zur Sonde 25 gerichtete und auf das Hallelement 28, das eine Hallausgangsspannung liefert, wirkende Komponente besitzt. Wird die Sonde 25 nicht mit dem zu untersuchenden Prüfling oder einem anderen Körper, der auf das Magnetfeld wirken könnte, zusammengebracht, was der Fall ist, wenn die Sonde vom zu untersuchenden Prüfling entfernt ist, so wird das so erzeugte Magnetfeld H₀ eine bestimmte, vom Detektor 32 festgestellte Hallspannung hervorrufen. Bringt man anschließend die Meßsonde 25 in geringem Abstand zum zu untersuchenden Prüfling, so wird im Prüfling ein rückwirkendes Magnetfeld oder ein Wirbelstromfluß mit einer von der Frequenz des magnetisierenden Stromes I_n, abhängigen wirksamen Eindringtiefe und mit einer zum Magnetisierstrom entgegengesetzten Umlaufrichtung hervorgerufen. Als Folge dieses Wirbelstromes entsteht ein Rückkopplungsmagnetfeld H_n das allgemein dem Magnetisierfeld H₀ entgegengerichtet ist und eine in F i g. 5 dargestellte Phasenabweichung aufweist.

Dieses magnetische Rückkopplungsfeld H_r wirkt auch auf das Hallelement 28 und bewirkt über ein homogenes, elektrisch leitendes unmagnetisches Material eine Verringerung der Hallausgangsspannung. , Die Verringerung der Hallausgangsspannung als Folge des Rückwirkungsfeldes H_r steht in Zusammenhang mit den Parametern oder Kennzeichen des zu prüfenden Materials und kann dementsprechend zur Erzeugung einer qualitativen Anzeige der Parameter oder Kennzeichen eines bestimmten zu untersuchenden Prüflings benutzt werden.

Die vektoriclle Summe des magnetisicrenden Feldes H_n und des magnetischen Rückkopplungsfeldes H_r wird durch den Detektor 32 in dieser Grundschaltungsvorrichtung festgestellt. Diese Vektorbeziehungen sind aus der F i g. 5 leicht zu verstehen, die die magnetischen Feldstärkevektoren in der komplexen //-Ebene wiedergibt, wobei die resultierende magnetische Feldstärke als H_n angedeutet ist. Die Vektorbeziehungen als Funktion der Frequenz gehen sehr gut aus diesem Diagramm hervor, das auch die relativen Vorteile der vorliegenden Vorrichtung über die dem Stand der Technik entsprechenden Untersuchungs- oder Abtastspuleninstrumente aufzeigt. Die resultierende magnetische Feldstärke H_n erreicht ein

ίο Maximum, wenn die Frequenz im Minimum ist. Die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von H_n ist jedoch bei tiefen Frequenzen äußerst gering, weil die Größe von H_n nahezu konstant bleibt und daher die Zweckmäßigkeit des Prüfens bei niedrigen Frequenzen hinfällig macht, falls man eine dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung mit Abtastspule benutzt. Diese Einschränkung im Niederfrequenzarbeitsbereich ist an Hand eines Diagramms in F i g. 5 durch die Vektoren H_n' und H_n" dargestellt. Es ist einzusehen, daß eine gleiche Änderung pro Einheit der .magnetischen Rückkopplung im Niederfrequenzbereich eine wesentlich kleinere Ände- · rung in der Größe von H_n bewirkt als bei höheren Frequenzen und daß dabei ein Unterschied zwischen zwei Prüfungen nur schwer feststellbar sein wird. In einem mittleren Arbeitsbereich jedoch bewirkt eine gleiche Änderung pro Einheit entweder des Rückwirkungsfeldes H_r oder der Frequenz eine verhältnismäßig größere Änderung im resultierenden Magnetfeld H_n. Im Bereich höherer Frequenzen ergeben sich für gleiche Änderungen in der Frequenz oder im Rückwirkungsfeld ziemlich große Änderungen pro Einheit.

Es soll anschließend an Hand weiterer Einzelheiten aufgezeigt werden, daß es mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auch möglich ist, das magnetische Rückwirkungsfeld H_r direkt zu messen, was eine deutliche Verbesserung gegenüber der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung ist.

Die Verwendung eines magnetfeldempfindlichen Halbleiterelements erlaubt es vorteilhafterweise, das magnetische Rückwirkungsfeld H₁. auch im Niederfrequenzbereich zu messen, weil ein solches Element auch auf niederfrequente Magnetfelder anspricht.

Die Möglichkeit des Messens eines magnetischen Rückwirkungsfeldes H_r in Verbindung mit der Empfindlichkeit bei tiefen Frequenzen erlaubt Messungen im Niederfrequenzbereich mit einem relativ hohen Grad an Eindeutigkeit und aus denselben Gründen, aus denen t>ei Messungen des //„-Feldes im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen ein hoher Genauigkeitsgrad erzielt wird. Daher ist, wie aus Fig. 5 hervorgeht, die prozentuale Änderung der Stärke des //,.-Feldes auch im Niederfrequenzbereich ziemlich groß.

Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Geräten des Abtastspulentyps wurde festgestellt, daß sie in einem begrenzten Arbeitsbereich eine optimale Empfindlichkeit besitzen. Dies ist die Folge der obenerwähnten Faktoren. Der Bereich ist im Diagramm der F i g. 5 zur Veranschaulichung dargestellt und mit A gekennzeichnet. Im Gegensatz zu diesem ziemlich begrenzten Bereich hat die neuartige Prüfvorrichtung mittels magnetischer Rückwirkung über einen wesentlich größeren praktischen Arbeitsbereich hinweg eine verbesserte Empfindlichkeit, was sich mit einer wirtschaftlich ausführbaren Ausrüstung erreichen läßt und die Folge der über den gesamten

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Frequenzbereich gleichbleibenden Empfindlichkeit tektor notwendigerweise von einer zur Arbeit mit eines Hallelements ist. Der Ausgangssignalpegel des Gleichstromsignalen geeigneten Art sein müßte. Bei Hallelements ist von der Frequenz unabhängig und der ein Gleichstrommagnetfeld verwendenden Arhängt nur von der Stärke des Magnetfeldes ab. Die- beitsweise dieser Schaltung ist im Falle von unser erweiterte Arbeitsbereich ist in F i g. 5 durch den 5 magnetischen Materialien das magnetische RückPfeil B gekennzeichnet, und es wurde festgestellt, kopplungsfeld H_r Null und das resultierende Feld H_n daß sich der Prüfbereich bezüglich niedriger Prüf- gleich dem magnetisierenden Feld H₀, was in F i g. 6 a frequenzen im wesentlichen bis zur Frequenz Null graphisch dargestellt ist. Bei Verwendung magnetierstreckt. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung die- scher Materialien wird das resultierende Feld durch ser Erfindung gegenüber der dem Stand der Technik io die wirksame Permeabilität des zu prüfenden Mateentsprechenden Vorrichtung ist die ziemlich kleine rials auf den in F i g. 6 a gezeigten Wert B₀ verstärkt, körperliche Ausdehnung der magnetfeldempfind- Ein spezielles Beispiel für Anwendungen der Prüflichen Elemente, die sich bei Verwendung von Halb- vorrichtung dieser Erfindung in der Gestalt der leitern, beispielsweise eines Hallelements, erzielen läßt. Fig. 4 ist im Auffinden von Rissen in einem zu un-

Da es möglich ist, Hallelemente geringer Dicke 15 tersuchenden Prüfling gegeben, wobei sich die Risse herzustellen, wird deren elektromagnetische Kopp- in die Tiefe des Prüflings erstrecken und als Durchlung mit dem Prüfling dadurch begünstigt, und es risse bezeichnet werden. Angenommen, ein Riß C erläßt sich auch eine bessere Oberflächenauflösung zum streckt sich merklich über den Radius der Magneti-Auffinden kleiner, örtlicher Ungleichmäßigkeiten des sierspule mit dem dargestellten Magnetisierspulen-Magnetfeldes erzielen. Mit einem Hallelement er- 20 strom I_m hinaus, so wie es in F i g. 7 abgebildet ist, reicht man im wesentlichen eine hundertprozentige so wird ein zum Prüfling 5 senkrechtes magnetisieelektromagnetische Kopplung mit dem Prüfling. Ein rendes Feld einen Wirbelstrom hervorrufen, der etwa Vorteil bei niedrigen Frequenzen liegt darin, daß die auf dem gleichen Weg wie der Magnetisierstrom I_m Eindringtiefe der Wirbelströme im zu untersuchen- fließt. Dieser Wirbelstromfluß wird in zwei unterden Prüfling wesentlich größer ist. Dies ist notwen- 25 schiedlich kreisende Wirbelstromflüsse I_ec, die durch dig, um eine brauchbare Antwortreaktion bezüglich den Riß getrennt sind und in der Umgebung des Ris-Parametern dicker Prüflinge zu erhalten. Durch die ses mit entgegengesetzter Richtung fließen, aufgeteilt. Vorrichtung dieser Erfindung erhält man daher über Die Wirkung der sich entgegenfließenden Wirbeldie Parameter des zu untersuchenden Prüflings voll- ströme auf jeder Seite des Risses geht dahin, daß ein ständigere Informationen. Beide Vektorgrößen der 30 das Hallelement mit viel kleinerem Radius umkrei-Magnetfelder H_T und H_n können genau bestimmt sender wirksamer Wirbelstrom erzeugt wird, als das werden, und bei Verwendung des in Fig. 5 darge- bei einem normalen Wirbelstromfluß in einem gleistellten Kreisdiagramms können auch die relativen chen, aber rißfreien Prüfling der Fall ist. Die Ver-Phasenbeziehungen festgestellt werden. Die verbes- ringerung des wirksamen Radius der Wirbelströme serte Auflösung und der erweiterte Arbeitsbereich, 35 und ihr geringer Abstand vom Hallelement verstärkt die mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden, die vom Hallelement aufgenommene magnetische ergeben sich aus der Verwendung eines Hallelements Rückwirkung, sobald das Hallelement unmittelbar an und des Meßsondenaufbaues und aus der Fähigkeit oder in die Nähe des Risses gebracht wird. Die der vorliegenden Vorrichtung, sowohl den H_n- als Unterscheidung von Rissen od. ä. Ungleichmäßigauch den H_r-Vektor zu messen, so wie es im folgen- 4° keiten wird durch die aus der unterschiedlichen Flußden noch umfassender beschrieben werden soll. · richtung der Wirbelströme am Riß herrührende Um-

Die Arbeitsweise der ein 'magnetisches Rückwir- kehr in der Anzeige begünstigt. Daher wird eine über kungsfeld verwendenden Prüfvorrichtung dieser Er- die Oberfläche des einen Durchriß od. ä. Ungleichfindung- wurde in dem bisher Gesagten im Zusam- mäßigkeiten enthaltenden und zu untersuchenden menhang mit einem von der Sondenspule erzeugten 45 Prüflings bewegte Sonde solche Ungleichmäßigkeiten Wechselmagnetfeld beschrieben. Die Vorrichtung durch eine sich umkehrende Anzeige ziemlicher arbeitet jedoch, wie schon eingangs festgestellt, auch" Stärke im Detektor wiedergeben. Der Riß C wurde mit einem magnetisierenden Feld der Frequenz Null, als sich ganz über den zu untersuchenden Prüfling S das keine Wirbelströme hervorruft und bei der Be- erstreckend dargestellt, um die Möglichkeit von um Stimmung statischer Eigenschaften des Prüflings, wie 5° den Riß in dem ziemlich schmalen Prüfling fließenetwa der magnetischen Permeabilität, von Vorteil ist. den Wirbelströmen auszuschließen. Wo der Riß eine Die Arbeitsweise der Vorrichtung mit einem eine genügend große Ausdehnung in bezug auf den Durch-Gleichstromsondenspule magnetisierenden Strom ist messer der Magnetisierspule hat, um jeglichen beim Blockschaltbild der Fig. 6 dargestellt. Diese deutsamen Wirbelstromfluß um den Riß auszuschlie-Schaltung umfaßt in ihrer Grundausführung. eine 55 ßen, ist es klar,, daß man auch da, wo sich der Riß Gleichstromenergieversorgung 35 für eine Sonden- nicht ganz über den zu untersuchenden Prüfling erspule27a, ein Hallelement 28a mit einer- Wechsel- streckt, die gleichen günstigen Ergebnisse erzielt,
stromversorgung 36 und einen Detektor 32 a. Diese Der Vorteil der Prüfvorrichtung dieser Erfindung Schaltungsanordnung liefert einen magnetisierenden gegenüber der dem Stand der Technik entsprechen-Gleichstrom I_m, der ein statisches Magnetfeld er- 60 den Vorrichtung bezüglich der stark verbesserten zeugt. Zur Erzeugung des Steuerstromes /,. für das Empfindlichkeit beim Aufsuchen von Rissen ist ohne Hallelement 28a wird eine Wechselstromversorgung weiteres einzusehen. Tn der dem Stand der Technik 36 benutzt, so daß man Wechselstromvcrstärker ver- entsprechenden und eine mit der Magnetisierspule wenden kann und somit die Nachteile von Gleich- identische oder im wesentlichen gleiche Abtastspule stromverstärkcrn, wie etwa wandernde Kennlinien, 60 verwendenden Vorrichtung spricht die Abtastspule ausschaltet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auf den gesamten vom Prüfling aus durch die Fläche der Steuerstrom, wenn es gewünscht wird, auch ein der Abtastspule tretenden magnetischen Kraftfluß Gleichstrom sein kann, wobei in diesem Fall der De- an, und es zeigt sich im Bereich des Risses nur eine

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Verringerung. Die dem Stand der Technik entspre- gestellt. Bringt man anschließend die Sonde auf ein

chende und mit der Abtastspule verbundene Vorrich- Material, dessen Permeabilitätsfaktor größer als Eins

tung zeigt dementsprechend nur eine Verringerung ist, so zeigt der Detektor einen relativ größeren Wert

beim normalen oder normgerechten Abtasten von H_n an. Es ist jedoch möglich, die Frequenz des Magne-

dann an, wenn die Spule den Riß überstreicht, wo- 5 tisierstromes so abzugleichen, daß die von den ma-

bei sich eine viel geringere Änderung ergibt, als dies gnetischen und den Leitungseigenschaften herrüh-

bei der Vorrichtung dieser Erfindung der Fall ist, renden Wirkungen ausgeglichen werden und man

die ein ein Hallelement beinhaltendes Abtastgerät somit eine gleich große Anzeige erhält, gleich, ob die

verwendet, das eine sehr viel kleinere Abfühlfläche Sonde vom Prüfling entfernt ist oder sich in geringem

im Vergleich zur Fläche der Magnetisierspule be- ίο Abstand hierzu befindet. Dieser Abgleich ist für einen

sitzt. Während nun die verbesserte Ansprechempfind- bestimmten zu untersuchenden Prüfling nur auf einer

lichkeit beim Aufsuchen von Rissen dargestellt und kennzeichnenden Frequenz möglich und kann dem-

beschrieben wurde, bezogen auf innere Risse, ist es entsprechend auf eine besondere Gruppe von Para-

einzusehen, daß ein gleich günstiges Ergebnis sowohl metera bezogen werden. Die Abgleichfrequenz kann

bei der Bestimmung des Rand- oder Endverlaufs 15 mit hoher Trennschärfe digital abgelesen werden,

eines Prüflings als auch bei der Bestimmung anderer wobei dieser Ablesewert speziell für automatische

scharfer Ungleichmäßigkeiten erzielbar ist. Somit Steuerungssysteme verwertbar ist. Eine Automation

kann die Vorrichtung auch in Geräten, welche den wird ferner noch dadurch begünstigt, daß das Diffe-

Verlauf einer Kante, feststellen und danach entspre- renzsignal gerichtet ist und gut dazu benutzt werden

chend gesteuert werden, verwendet werden, wie etwa 20 kann, ein passendes korrigierendes Signal zu liefern,

in Kopiermaschinen. um Null oder Abgleichstellung zu erreichen.

Ein anderes, die Zweckmäßigkeit der Anwendung Die grundsätzliche Vorrichtung und der Prüfvorder Prüfvorrichtung dieser Erfindung aufzeigendes gang, die vorstehend beschrieben wurden, sprechen Beispiel ergibt sich im Zusammenhang mit dem Prü- auf den resultierenden Magnetfeldvektor H_n an und fen magnetischen Materials. In der vorausgegangenen 25 arbeiten bei höheren Frequenzen am besten."Bei einer Beschreibung der Arbeitsweise einer grundsätzlichen, als Null-Typ bezeichneten in Fig. 9 dargestellten diese Erfindung verkörpernden Vorrichtung wurde Abwandlung der Meßsonde hebt sich das Signal, das angenommen — mit Ausnahme der vorhergehenden die alleinstehende Sonde liefert, und man kann daher Seite —, daß der Prüfling einen etwa der Luft oder ein Signal messen, das in Beziehung steht zu den eins gleichen Permeabilitätsfaktor besitzt. Da das 30 Parametern des Prüflings, wobei im Niederfrequenz-Wirbelstrommagnetfeld dem Feld der Magnetisier- bereich ein hoher Genauigkeitsgrad erreicht wird. Der spule entgegengerichtet ist, zeigt der in der Grund- Aufbau der Null-Typ-Sonde ist allgemein der gleiche, anordnung benutzte Detektor einen geringeren Wert wie er vorher schon beschrieben wurde, und umfaßt an, sobald die Sonde auf oder in geringem Abstand ein Gehäuse 40, eine elektromagnetische Induktionszu einem leitenden, unmagnetischen und zu unter- 35 spule 41 und ein Hallelement 42. Die Spule 41 befinsuchenden Prüfling gebracht wird, verglichen mit der det sich in der Nähe des Endes des Gehäuses 40 mit Anzeige, die man erhält, wenn die Sonde hiervon ent- dem ebenfalls axial hierzu ausgerichteten und zentral fernt ist. Im Falle magnetischer Materialien, ferro- zur Spule angeordneten Hallelement 42. In dieser abmagnetischer beispielsweise, die eine Permeabilität gewandelten Form ist eine zusätzliche elektromagnegrößer als Eins haben, wird das Feld'der Magnet!- 4° tische Spule 43 von geringerem Umfang als die Spule sierspule der Sonde eher verstärkt, was sich in einen 41 in der gleichen Ebene und in axialer Ausrichtung größeren angezeigten Wert des Detektors äußert, so- mit dem Hallelement 42 angeordnet. Die zweite bald die bei niedrigen Frequenzen arbeitende Sonde Spule 43 enthält eine geringere Anzahl Windungen auf oder in geringen Abstand zu dem zu unter- als die erste und ist in der vorliegenden Ausführungssuchenden Prüfling gebracht wird. 45 form mit der ersten Spule in Reihe geschaltet. Der

Diese eigenartige Eigenschaft erlaubt es, daß die Wicklungssinn 43 ist umgekehrt, um ein entgegenVorrichtung eine von den betrachteten Parametern gesetzt gerichtetes Magnetfeld zu erzeugen. Bei dieabhängige digitale Anzeige liefert. Der Detektor in ser Sondenkonstruktion sind die Windungszahlen so der vorhergehend beschriebenen Grundanordnung abgestimmt, daß ein gleich großes, dem der ersten liefert nur eine Anzeige der Vektorgrößen der Ma- 5° Spule 41 durch die Fläche der zweiten Spule 43 ergnetfelder und bezieht den speziellen untersuchten zeugten Magnetfeld entgegengerichtetes Magnetfeld Prüfling auf einen normgerechten, so wie dies mit erzeugt wird, wobei jegliche durch ein Magnetfeld der Anzeige im Falle der vom Prüfling entfernten hervorgerufene Wirkung auf das Hallelement 42 ausSonde ist. Eine Erhöhung oder Verringerung der geschaltet wird, wenn die Sonde vom Prüfling entFrequenz des magnetisierenden Stromes bewirkt eine 55 fernt ist.

entsprechende, durch den Detektor festgestellte An- Die Auslöschung des Magnetfeldes in bezug auf derung im resultierenden Magnetfeld H_n. Es ist mög- das Hallelement 42 liefert ein vorteilhaftes Arbeitslich, zwischen den Messungen mit der Sonde sowohl verfahren, wobei das magnetische Wirbelstrom-Rückauf als auch entfernt von einem leitenden, magneti- wirkungsfeld, das im Niederfrequenzbereich einen sehen Prüfling durch geeignete Wahl der Frequenz fio hohen Auflösungsgrad besitzt, leicht gemessen werdes Magnetisierstromes der Sondenspule keine An- den kann. Wird eine Null-Typ-Sonde mit der Oberderung in der Größe der Detektoranzeige zu erhalten. fläche eines zu untersuchenden Prüflings zu Betriebs-Diese Technik ist in F i g. 8 graphisch dargestellt, wo- ■ zwecken in Verbindung gebracht, wobei ängenombei der Vektor »Λ« die Detektormessung mit der men wird, daß die Sonde Teil einer der in Fig. 4 gevom Prüfling entfernten Sonde darstellt, wo der Per- 65 zeigten ähnlichen Grundschaltung ist, so wird in ähnmeabilitätsfaktor Eins ist. Das durch »A« wieder- licher Weise im zu untersuchenden Prüfling ein Wirgegebene Magnetfeld H_n wurde entsprechend durch belstromfluß hervorgerufen. Dieser Wirbelstrom bedie diesbezügliche Kurve der Permeabilität Eins dar- wirkt dann ein direkt mit den betrachteten Para-

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metern oder Zuständen zusammenhängendes magne- abweichung zwischen Prüfling und Sondenfläche zu tisches Rückkopplungsfeld, wobei nur dieses Magnet- bestimmen, da jede Winkeländerung des magnetifeld wirksam mit dem Hallelement 42 elektromagne- sehen Rückwirkungsfeldes auch eine Verringerung tisch gekoppelt ist. Fig. 10 ist ein der Fig. 5 ahn- der Hallelement-Ausgangsspannung bewirkt, liches Vektordiagramm der Magnetfeder, die den 5 Im vorhergehenden wurde die magnetisierende Vorteil in den Beziehungen dieser Magnetfelder deut- Spule der Sonde in kreisförmiger Ausführung und in Hch aufzeigt. Die Vorrichtung kann nun im Bereich einer flachen Ebene geformt dargestellt und beschrieerheblich niedrigerer Frequenzen arbeiten, als dies ben, wobei das Hallelement zentral und axial ausmit einer in F i g. 3 dargestellten und aufgebauten gerichtet in der Spulenebene angeordnet ist. Dieser Sonde praktisch durchführbar ist. Als Beispiel sind io spezielle Sondenaufbau läßt sich für besondere Anzwei mit A und B gekennzeichnete magnetische Wendungen, die auf Grund der physikalischen Struk-Rückwirkungsfelder abgebildet, die sich· auf einen tür des zu untersuchenden Prüflings oder durch normgerechten Prüfling und einen zu untersuchen- eigenartige elektrische und magnetische Kennzeichen den Prüfling mit einer entsprechenden Parameter- bedingt sind, .leicht umändern. Als Beispiel für eine abweichung beziehen. An Hand dieses Diagramms ist 15 anzutreffende Einschränkung infolge der körperlichen es leicht einzusehen, daß der Unterschied zwischen Struktur sei angeführt, daß die Oberfläche des zu den zwei Rückwirkungsfeldern und die Feldstärken untersuchenden Prüflings gekrümmt sein kann, wie klein sein, können, wobei sich aber trotzdem ziem- dies beim Prüfen langgestreckter röhrenförmiger Erlich große prozentuale Änderungen ergeben. Zeugnisse der Fall ist. In einem solchen Anwendungs-Der »Abhebe«-Effekt kann dazu benutzt werden, 20 fall kann die Endfläche der Sonde ähnlich gekrümmt die Eigenschaften des zu untersuchenden Prüflings sein, wobei die magnetisierende Spule zum Zweck zu bestimmen. Das »Abheben« besteht in der Ent- der günstigsten Kopplung ebenfalls diese Gestalt anfernung der Sonde von der Oberfläche eines elektri- nimmt. Das Sondengehäuse kann auch als flache sehen leitenden Körpers und bewirkt durch die zu- Platte ausgeführt werden, deren minimale Dicke nehmende Entfernung eine Abnahme der auf das as durch den notwendigen Aufbau der Sondenspule be-Hallelement wirkenden Magnetfeldrückwirkung. An- grenzt ist. Eine solche flache, plattenförmige Sonde genommen, der elektrisch leitende Körper hat be- kann zur Untersuchung solcher Prüflinge vorteilhaft kannte, normgerechte Eigenschaften, so kann der angewendet werden, die ähnlich wie Kesselrohre, »Abhebe«-Effekt vorteilhafterweise dazu benutzt Wärmetauscher oder Brennelementbelegungen in werden, geometrische Eigenschaften der Oberfläche 30 Atomreaktoren beschränkt zugänglich sind, oder der Oberflächenschicht festzustellen. So kann Ein weiteres Beispiel einer Sondenausführung ist beispielsweise die Dicke eines nichtleitenden, un- in F i g. 11 abgebildet. In dieser Ausführungsform ist magnetischen Belags auf einem elektrisch leitenden die Spule 45 rechteckförmig, besitzt eine relativ kleine und/oder magnetischen Körper, etwa einem Metall- Breite im Vergleich zur Länge und ist auf einem gestreifen, leicht durch diese Vorrichtung festgestellt 35 eignet geformten Sondengehäuse 46 angebracht. Das werden, da Dickeunterschiede des Belags dazu be- Hallelement 47 ist zentral und in axialer Ausrichtung nutzt werden können, den relativen Abstand der zur Spule 45 angeordnet. Eine so aufgebaute Sonde Sonde von der Oberfläche des Metallstreifens zu ver- wird im allgemeinen in dem zu untersuchenden Prüfändern und dabei eine Veränderung des Ausgangs- üng rechteckförmige, effektiv polarisierte Wirbelsignals der Vorrichtung zu bewirken. Die Dicke von 40 stromflußwege hervorrufen. Ein zu untersuchender Materialien oder Belägen, die weder leitend noch Prüfling, dessen Widerstand gegen in ihm fließende magnetisch sind, kann mit dieser Technik leicht be- Wirbelströme sich in einer Richtung von dem in der stimmt werden, da eine Entfernungsänderung der anderen Richtung unterscheidet, sowie in einem aus Sonde von der Oberfläche des Metallstreifens eine Metallstreifen bestehenden Lamellengefüge, dessen merkbare Änderung des Ausgangssignals bewirkt, 45 Streifendicke wesentlich geringer ist als die Längswenn die Entfernungsänderung relativ klein ist. Bei ausdehnung der Sondenspule, wird daher durch die Dickemessungen von nichtleitenden und unmajgneti- eine solche Sonde benutzende Vorrichtung dieser Ersehen Materialien kann das Material durch ein Ge-- findung eine leicht feststellbare Streifenausrichtung genstück hinterlegt werden, das ein die notwendige aufweisen. Eine Drehung der Sonde um ihre Achse magnetische Rückwirkung liefernder, elektrisch lei- 50 liefert eine auf den maximalen und minimalen Widertender Körper sein kann. Als Anwendungsbeispiel stand der Wirbelströme bezogene Anzeige. Der Effekt, für diese Technik kann ein langes oder endloses Band das Wirbelstromfeld zu formen, um eine Polarisation eines zu prüfenden Materials über eine hinterlegte zu erzielen, kann hinsichtlich der in F i g. 9 darge-Walze oder Platte gezogen werden, die die erforder- stellten Sondenkonstruktion verwendet werden. Die liehen, elektrisch leitenden und/oder magnetischen 55 Kompensationsspule 43 dieser Sonde kann mit einem Kennzeichen aufweist. Die Anbringung der Sonde in größeren Durchmesser als abgebildet ausgeführt wer-Berührung mit der Oberfläche des Materials liefert den, um so die Wirbelströme auf den unmittelbar eine spezielle Anzeige für eine bestimmte Dicke. unter der Magnetisierspule liegenden Bereich zu be-Jede Dickeänderung des Materials ändert entspre- schränken.

chend die Entfernung der Sonde von der hinterleg- 60 Eine andere abgewandelte Sondenausführung ist ten Rolle oder Platte und bewirkt dabei eine An- in Fig. 12 dargestellt. Diese Sonde umfaßt einen Zeigeänderung der Vorrichtung. Dickeänderungen topfförmigen ferromagnetischen Kern 50 mit einem des Streifenmaterials erzeugen eine entsprechende in der Mitte des Kernes sitzenden Ansatz 51. Eine Anzeige durch die Vorrichtung, die, wenn es ge- ringförmige Magnetisierspule 52 ist innerhalb des wünscht wird, in automatisch gesteuerten, mit der 65 ringförmigen Kernhohlraumes angeordnet, wobei der Produktion des Streifenmaterials verbundenen Sy- magnetische Widerstand des magnetischen Kreises stemen benutzt werden kann. Ein »Schrägstelk-Effekt entsprechend abnimmt, wenn der magnetische Kraftkann auch dazu benutzt werden, die relative Winkel- fluß durch den Kern geht. Das Hallelement 53 sitzt

auf der Endfläche des Kernansatzes 51, wo es dem gebündelten. Kraftfluß ausgesetzt ist. Von den Vorteilen der einen ferromagnetischen Kern verwendenden Sondenausführung ist die mittels eines bestimmten Spulenmagnetisierstromes erreichbare Erhöhung der Ausgangssignalpegel hervorzuheben. Ein anderer Vorteil ist die durch den Kern für das Hallelement erzielte magnetische Abschirmung. Da der magnetische Kraftfluß in den Polschuhen konzentriert ist, ist es auch möglich, den vorher beschriebenen Polarisationseffekt durch eine geeignete Ausführung des Kernes zu erhalten.

Obwohl nur symmetrische Sondenausführungen gezeigt wurden, ist darauf hinzuweisen, daß die Sonden, so wie es für spezielle Anwendungen erforderlich ist, ausgebildet werden können. Es wurde vorher gesagt, daß das Hallelement axial und zentral zur Magnetisierspule liegt. Es ist leicht einzusehen, daß das Hallelement hierzu verschoben sein kann, vorausgesetzt, die Wirkung einer solchen Verschiebung wird bei der Arbeit mit dieser Sonde beachtet. So kann beispielsweise das Hallelement in der Nachbarschaft der Magnetisierspule angeordnet oder mit deren magnetischer Achse nicht ausgerichtet sein, wobei die magnetische Achse der Spule so weit von der dargestellten Hallelementrichtung abweichen kann, daß sie sich im rechten Winkel oder senkrecht hierzu befindet. Zwei oder mehr Hallelemente können in planparalleler, paralleler oder senkrechter Ausrichtung zueinander in der Sondenanordnung eingeschlossen sein, um eine Differeritialsonde zum Auffinden örtlicher Änderungen einer Eigenschaft zu liefern. Es ist leicht einzusehen, daß viele andere Spulenkonstruktionen zur Abwandlung der Wirbelstromwege und viele andere Anbringstellen und Ausrichtungen der Hallelement-Detektoren zum Auffinden besonderer gerichteter Komponenten des Magnetfeldes durchführbar sind. Als weiteres Beispiel sei angeführt, daß das Hallelement auf der der Magnetisierspule entgegengesetzten Seite des zu untersuchenden Prüflings angebracht werden kann.

Das Blockschaltbild der Fig. 13 stellt eine vollständigere Schaltung für die diese Erfindung verkörpernde Prüfvorrichtung dar. Diese Schaltung schließt die "Grundvorrichtung nach der elementaren Schaltung der F i g. 4 ein, wobei die Untereinheiten der verschiedenen Komponenten angedeutet sind. Der Oszillator mit variabler Frequenz ist über einen Steuerverstärker, der die Aufgabe hat, einen von der gewählten Prüffrequenz oder den Aufladewirkungen der Wirbelströme unabhängigen, konstanten, magnetisierenden Sondenspulenwechselstrom /_m zu liefern, mit der Magnetisierspule der Sonde verbunden. Hohe Genauigkeit und eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit der Messungen erhält man dann, wenn Normprüfbedingungen, wie etwa ein Normmagnetfeld, ein-. gehalten werden, wobei man reproduzierbare Informationen erhält. Die Energiequelle, ein mit der Sondenmagnetisierspule verbundener Spulen-Steuer-Verstärker, muß imstande sein, unabhängig von irgendwelchen Aufladewirkungen der Wirbelströme oder durch ferromagnetische Rückwirkung, einen magnctisierenden Wechselstrom /,„ konstanter Größe aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise muß die Gleichstromversorgung einen praktisch konstanten Hallelcmentsteuerstroni /,. liefern können. Zunächst wird das Hallspannungsausgangssignal in ein summierendes Netzwerk gegeben, das resultierende Signal hieraus fließt.dann zu einem Wechselstromverstärker und dann in eine Detektorschaltung. Die Detektorschaltung in der abgebildeten Ausführungsform wird dazu benutzt, einen Meßinstrumentenschaltkreis und ein damit zusammenhängendes optisch anzeigendes Meßinstrument zu steuern. Ein Oszillator mit veränderbarer Frequenz ist mit dem Eingang des die Spule betreibenden Verstärkers verbunden, um den gewünschten Magnetisierstrom für die spezielle Un-

xo tersuchung zu liefern. Vorzugsweise ist der Oszillator von der Art, die ein Signal der Frequenz Null zu liefern imstande ist, um eine Permeabilitätsuntersuchung bequem bewerkstelligen zu können. Ähnlich ist auch die Hallelement-Steuerstromversorgnng vorzugsweise so, daß sie einen Steuerwechselstrom/,, liefern kann, wobei das Ausgangssjgnal wechselstromartig bleibt.

Mit der Detektorschaltung ist ein Ausgangsverstärker verbunden, der bei dieser amplitudenbezogenen Arbeitsweise ein auf das resultierende magnetische Rückwirkungsfeld H_n bezogenes Ausgangssignal analoger Amplitude liefert. Das resultierende magnetische Rückwirkungsfeld H_n ist die Vektorsumme aus der von der Sonde allein erzeugten magnetischen FeIdstärke H₀ und dem Wirbelstromrückwirkungsfeld H₁.. Dieses Ausgangssignal mit analoger Amplitude kann leicht dazu benutzt werden, ein Steuerungssystem für automatisierte Fertigungsvorgänge zu lenken, um die zur Aufrechterhaltung der Produktqualität notwendigen Änderungen zu bewirken. Diese Schaltung liefert ein zusätzliches Ausgangssignal oder eine zusätzliche Anzeige, die in einer von dem Oszillator mit veränderbarer Frequenz gesteuerten Frequenzanzeige besteht. Diese Frequenzanzeige kann bequem mit der im Zusammenhang mit Fig. 8 beschriebenen Kompensationsprüfungsvorrichtung benutzt werden.

In der Schaltung nach Fig. 13 ist ein durch den Schalter 5 wahlweise zuschaltbares Netzwerk dargestellt, das eine Eingangsbezugsspannung liefert. Dieses Netzwerk kann zwischen den die Spule betreibenden Verstärker und das summierende Netzwerk geschaltet werden und arbeitet in der Weise, daß es die vorteilhafteste direkte Bestimmung'des magnetischen Rückwirkungsfeldes H_r erlaubt. Bei geöffnetem Schalter 5 liefert das Hallelement ein auf das resultierende Magnetfeld H_n bezogenes Ausgangssignal. Das Schließen des Schalters S leitet ein Signal zum summierenden Netzwerk, das auf den Magnetisierstrom /„, oder das magnetisierende Feld H₀ bezogen ist. Dieses Signal oder diese Bezugsspannung ist mit dem Signal, das von dem allein durch die Spule erzeugten Magnetfeld H₀ herrührt, in Phase, obgleich es die entgegengesetzte Polarität aufweist, und es hat infolge eines geeigneten Schaltungsaufbaus die gleiche Größe.

Das Bczugsspannungssignal löscht folglich die Magnetfeldkomponente H₀ des Hallausgangssignals H_n effektiv aus und liefert eine direkte Anzeige des magnetischen Rückwirkungsfeldes H₁.. Der wesentliche Vorteil einer direkten Bestimmung des magnetischen Rückwirkungsfeldes H_r besteht darin, daß, zusammen mit H_n, der genaue Arbeitspunkt in der komplexen Η-Ebene (vergleiche F i g. 5) festgestellt werden kann, wobei es möglich ist, am Prüfling eine Phasenanalyse durchzuführen, wobei bestimmte Parameter festgestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist der, daß sich Messungen bei niedrigen Frequenzen ohne Einbußen an Empfindlichkeit und Genauigkeit durchführen lassen. Diese Magnetfeld-Auslöschtech-

nik hat gegenüber der Nullsonde einige weitere Vorteile, die die Arbeitsweise begünstigen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das magnetisierende Feld an der Sonde oder am zu untersuchenden Prüfling nicht geschwächt wird, so wie es mit einer Kompensationsspule der Fall ist. Die Magnetisierspule kann wie gewünscht aufgebaut werden, und da keine Kompensationsspule erforderlich ist, ist eine weitere Verkleinerung der Sonde möglich. Die Kompensation kann auch leicht allen speziellen Arbeitsbedingungen durch ziemlich einfache Schaltiingseinstellungen angepaßt werden.

Eine der Fig. 13 ähnliche Schaltung für eine frequenzbezogene Arbeitsweise ist in F i g. 14 abgebildet. Diese Schaltung unterscheidet sich bezüglich der Ausgangssignale der Detektorschaltung, die jetzt dazu verwendet werden, die Betriebsfrequenz des Oszillators mit veränderbarer Frequenz automatisch zu steuern. Ein Eingangsbezugsspannungsnetzwerk läßt sich wahlweise mit der Schaltung verbinden, um, wie im Zusammenhang mit der Schaltung nach Fig. 13 beschrieben, entweder die resultierende Magnetisierung H_n oder die magnetische Rückwirkung H₁. zu bestimmen. Das Signal aus der Detektorschaltung wird in einen Spannungsvergleicher gegeben, der auch von einer regelbaren Ausgangsbezugsspannungsschaltung ein Bezugsspannungssignal erhält. Das Bezugsspannungsausgangssignal aus dieser letztgenannten Schaltung ist so abgeglichen, daß es das Signal aus der Detektorschaltung auslöscht, vorausgesetzt, die Sonde befindet sich im betriebsfähigen Abstand zu einem normgerechten und zu untersuchenden Prüfling, wobei der Vergleicher ein bestimmtes Signal für eine bestimmte Frequenz liefert, um einen Arbeitspunkt zu liefern. Sollte das Signal aus der Detektorschaltung von diesem normgerechten Zustand abweichen, liefert die Vergleicherschaltung ein geeignetes Signal, um ein spannungsbetätigtes Frequenzsteuergerät zu steuern. Das spannungsbetätigte Frequenzsteuergerät spricht auf das Signal an und gleicht die Betriebsfrequenz des Oszillators entsprechend ab. Der Oszillator wird automatisch so lange abgestimmt, bis das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung wieder zum Ausgangsbezugsspannungssignal. symmetrisch ist und das Ausgangssignal aus dem Vergleicher die erforderliche Größe hat, um diesen Ausgleichszustand aufrechtzuerhalten. Mit der spannungsbetätigten Frequenzsteuerung ist eine Ausgangskoppelschaltung verbunden, die ein Ausgangssignal analoger Frequenz abgibt, das, wie zuvor angedeutet, in einem automatischen Steuerungssystem Verwendung finden kann.

Diese Prüfvorrichtung und ihre Arbeitsweise, so wie sie diese Erfindung vorsieht, bringt gegenüber der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung mit Abtastspule eine erheblich größere Genauigkeit und umfassendere Möglichkeiten in der Technik der zerstörungsfreien Materialprüfung. Das ein magnetfeldempfindliches Halbleitergerät benutzende und die magnetische Rückwirkung ausnutzende Meßsondengerät erlaubt sowohl Messungen bei niedrigen Frequenzen und mit verbesserter Ansprechempfindlichkeit auf die Eigenschaften des zu untersuchenden Materials als auch statische und dynamische Prüfung. Die Empfindlichkeit des Halbleitergerätes ist von der Betriebsfrequenz unabhängig und spricht augenblicklich auf die magnetischen Feldstürken an. Die Vorrichtung ermöglicht zum Zweck der Bestimmung der Phasenverhältnisse der H_n- und //,.-Felder eine getrennte Messung des resultierenden Magnetfeldes H_n und des magnetischen Rückwirkungsfeldes H₁. im Zusammenhang mit dem magnetisierenden Feld H₀, wobei hieraus die genaue Bestimmung des Arbeitspunktes in der komplexen //-Ebene möglich ist. Die Vorrichtung liefert auch eine genaue Frequenzbestimmung in jedem Arbeitspunkt. Die Parameter H_n, H_n, H_T und / (Frequenz) beschreiben den Betriebszustand des zu erprobenden Materials vollkommen und können unter Verwendung grundsätzlicher theoretischer und empirischer Beziehungen leicht mit bestimmten Eigenschaften korreliert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bestehend aus einer Induktionseinrichtung zum Erzeugen eines pulsförmig oder periodisch sich zeitlich ändernden Magnetfeldes, das im Prüfling Wirbelströme induziert, die ein mit den Eigenschaften oder Fehlern des Prüflings in Beziehung stehendes Magnetfeld hervorrufen, und aus magnetfeldempfindlichen Nachweismitteln für das durch die Wirbelströme hervorgerufene Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweismittel aus mindestens einem magnetfeldempfindlichen Halbleiter (23; 28; 28α: 42; 47; 53) bestehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldempfindliche Halbleiter ein Hallspannungsgenerator (23; 28: 28a; 42; 47; 53) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch ge- , kennzeichnet, daß in dem durch die Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfeld zwei Halbleiter im Abstand voneinander angeordnet sind, deren Ausgangssignale zur Erzeugung eines Differenzsignals gegeneinander geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionseinrichtung zwei miteinander in Verbindung stehende Stromleitungspfade (41, 43) aufweist, in denen gegenläufige Magnetisierungsströme fließen und die relativ zueinander derart angeordnet sind, daß ihr Magnetisierungsfeld auf einen vorgegebenen Bereich des Prüflings begrenzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromleitungspfade von den Leiterschleifen von Spulen (41, 43) gebildet sind, die konzentrisch zueinander derart angeordnet sind, daß sich im Innenraum der inneren Spule (43) die Magnetisierungsmagnetfelder gegenseitig aufheben, und der magnetfeldempfindliche Halbleiter (42) im magnetisierungsfeldfreien Innenraum der inneren Spule angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung der Dicke eines nichtleitenden und nichtmagnetisehen Prüflings, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von der Induktionseinrichtung ein elektrisch leitender Körper vorgesehen ist. auf den der Prüfling auflegbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal dos Halbleiters an den Eingang einer Suinmieremriehtimg angelegt ist, der als weiteres Eingangssignal ein Spannungssignal zugeführt wird, das proportional

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zu dem von einer Erregerstromquelle an die Tnduktionseinrichtung gelieferten Erregerstrom ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Suinmiereinrichtung an den Eingang einer Vergleichs-

schaltung gelegt ist, an der auch noch ein einstellbares Bezugssignal anliegt und das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung als Fehlersignal einer Einrichtung zur Einstellung der Frequenz des Erregerstromes zugeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen