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Vorrichtung zum Untersuchen von Metallröhren und Metalldrähten auf
Fehler.
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Untersuchen
von Metallteilen, Metalldrähten und dUnnwandigen metallischen R6hren auf Ungleichmäßigkeiten
in den Abmessungen oder Strukturfehler und besonders auf eine Vorrichtung zum Untersuchen
von Röhren mit kleinen Durchmessern von etwa 2,5 mm und weniger, sowie von dünnen
Drähten mit Durchmessern von 0,5 mm und weniger, welche
aus widerstandsfähigem
Metall bestehen.
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Viele industrielle Geräte benutzen zur Steuerung Medien, die durch
relativ dünnwandige Metallröhren geführt werden.
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In anderen Fällen verwendet man Metallröhren zum Speichern von Medien,
Dabei ist es häufig erforderlich zu wissen, daß die Röhren oder Leitungen keine
Fehler und-Ungleichmäßigkeiten bezüglich ihrer Abmessungen und ihres Aufbaues aufweisen.
Sollten beispielsweise die Rohrwandungen zu dünn sein, könnten die Röhren bei inneren
oder äußeren Beanspruchungen mangelnde Festigkeit besitzen, Ist andererseits ein
Rohr zu groß, so tritt das Problem auf, daß eine um das Rohr herum auftretende Luftströmung
oder eine andere Strömung behindert werden könnte, Kleine Risse oder Sprünge von
weniger als 10 Prozent der Wanddicke können in Röhren, die unter innerem Druck stehen,
zum Bruch führen und dabei Gerate und Werkzeuge schwer beschädigen.
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Pru'fvorrichtung zum Auffinden von Fehlstellen und Ungleichmäßigkeiten
benutzen häufig Wirbelströme, welche in dem zu untersuchenden Material induziert
werden, -und -liefern eine Anzeige des veränderten Verhaltens -von Schaltkreisen,
die mit den wirbelstromerzeugenden Geräten zusammenwirken, Solche, Wirbelströme
benutzende, Untersuchungsgeräte erwiesen sich in der Vergangenheit als ungeeignet
zur Untersuchung von Röhren auf Fehler, die unter 10 Prozent liegen.
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Ferner ist ein brauchbares Untersuchungsgerät nicht in der Lage gleichzeitig
anzuzeigen, ob die Unregelmäßigkeitsstelle auf die Abmessung oder Wandstärke des
untersuchten Teiles oder auf einen Strukturfehler im Material selbst zurückzuführen
ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu liefern,
die Unregelmäßigkeiten in Drähten, Metallteilen und dünnwandigen Röhren mit einem
Durchmesser von etwa 25mm oder weniger anzeigt.
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Ferner soll die zu schaffende Vorrichtung anzeigen, ob die Unregelmäßigkeiten
auf die Abmessungen oder die Struktur zurückzuführen sind.
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Außerdem soll die Vorrichtung Fehler in Metall teilen und Röhren
auffinden, wobei zum Anzeigen des Ortes einer strukturellen oder die Abmessungen
betreffenden Unregelmäßigkeit in einem solchen Teil Wirbelströme Anwendung finden,
Erfindungsgemäß benutzt man mehrere ringförmige Abfühlspulen, durch welche Metallteile,
Drähte oder Röhren zu Untersuchungszwecken hindurchgeführt werden0 Ein Spulensatz
liefert Informationen über die Abmessungen, indem er die Durchmesser der Teile mit
denen von Normteilen vergleicht, der andere Spulensatz liefert eine differentielle
Information
über die Fehlstellen in dem Teil oder Rohr.
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Der Ausdruck Information über die Abmessungen" bedeutet Information
über die Abmessungen des Querschnittes.
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Allgemein betrifft dies bei Drähten den Durchmesser und bei Röhren
die Wandstärke, Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltung für die Abmessungen
auch Metalleherausfindet, die eine unterschiedliche metallurgische Zusammensetzung
aufweisen Der Ausdruck "Fehlstellen-Information" bedeutet Information über strukturelle
Unregelmäßigkeiten, sowie die Lage von Fehlstellen, Rissen, Brüchen, Löchern, Binschlüssen
und Schweißfehlern.
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Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur Erläuterung
dieser Erfindung. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Explosionsansicht der in dieser
Brfindung verwendeten Abfühlspulen; Fig. 2 ein Blockschaltbild der zusmmen mit der
Vorrichtung von Fig.1 verwendeten elektrischen Schaltungen.
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Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1, die dazu dient, die zur Untersuchung
yon metallis.chen Teilen oder Röhren
dienenden Abfühlspulen zu halten.
Die Vorrichtung 1 besteht aus einem zentralen Aufnahmeteil 2 und zwei zusätzlichen
Aufnahmeelementen 3 und 4, welche die Abfühlepulen 5, 6 und 7 aufnehmen, wobei die
Spulen 5 und 6 a-m Teil 3 und die Spule 7 am Teil 4 angebracht sind. Das Aufnahmeteil
2 enthält zusätzlich noch eine Vergleichsspule 8. Die Elemente 3, 2 und 4 werden
durch Paßstifte 9 und Abstandsblöcke 10, 11 im richtigen Abstand zueinander gehalten,
wobei die Abmessungen der Blöcke 10 und 11 so gehalten -sind, daß die Spulen 5,
6 und 7 bestimmte räumliche Abstande voneinander haben, so daß beim Hindurchführen
von Stangen oder Röhren 12 durch die Öffnungen der Spulen 5, 6 und 7 diese das Teil
12 an räumlich entfernten auf einer Achse liegenden Punkten umgeben, wobei eine
gewünscht Folge elektrischer impulse in die mit den Spulen zusammenwirkenden Schaltungen
geschickt wird. Die angebrachte Vergleichsspule 8 tragt ein Normteil oder ein Normrohr
13, das dazu benutzt wird, Größenvergleichswerte zum Bewerten des untersuchten Teils
oder Rohres 12 zu gewinnen. Die Anschlüsse der Spulen 5 bis 8 sind über gabel 94
mit den in Figur 2 dargestellten Schaltungen verbunden.
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Die im Blockschaltbild der Figur 2 zum-Auffinden von Fehlstellen
in zu untersuchenden Teilen benutzten Abfühlspulen 5 und 6 liegen in benachbarten
Zweigen einer Wheatetone@ schen Brücke, die in einer "Fehletellen"-Meßbrücke enthalten
ist. Diese Wheststone@sche Brücke ist von herkömmlicher Art
und
enthält in ihren anderen beiden benachbarten Zweigen einen veränderlichen Widerstand
16 bzw eine veränderliche Reaktanz 17. Dem gemeinsamen Anschluß 18 der Elemente
16 und 17 mit veränderbarer Impedanz werden aus einem Prüffrequenz-Oezillator 19
bestimmte Betriebsspannungen bestimmter Frequenz zugeleitet. Der Oszillator 19 kann
auf mehreren Frequenzen arbeiten, die von der Position eines Eingangs kontaktes
20 abhängig sind, der Ströme mit bestimmten f-esten Frequenzen über mehrere urschiedene
Eingangsanschlüsse 21 aufnehmen kann. So wie bei Wheatstone'schen Brückenschaltungen
üblich, wird eine Spannung veränderlicher Größe, welche von den aus den Spulen 5
und 6 erhaltenen Impulsen abhängt, über den Ausgang 22 der "Fehlstellen"-Brücke
15 und einen Vorverstärker 23 einem abgestimmten Verstärker 24 zugeführt.
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Dem abgestimmten Verstärker 24 werden auch aus einem Schwebungs frequenzoszillator
25 Spannungen bestimmter Frequenz zugeleitet. Die Frequenz der aus dem Oszillator
25 zum Verstärker 24 gesandten Spannungen wird durch die Position eines beweglichen
Contalçtes 25 an den Anschlüssen 27 im Rngangskreis des Schwobungsfrequenzoszillators
25 bestimmt Die Kontakte 20 und 26 in der angegebenen Weise zum Zweck eines gleichzeitigen
Abgleichs mechanisch gekoppelt, um dem abgestimmten Verstärker 24 zwei Spannungen
zuzuführen, deren Frequenzen einen bestimmten festen Abstand aufweisen Die dem abgestimmten
Verstärker 24 zugeführten Spannun-gen werden anschließend von einem Amplitudendetektor
28 gleichgerichtet,
welcher ein Ausgangssignal liefert, das von
einem Fehlstellenmeßgerät 29 angezeigt wird. Das Ausgangssignal wird auch auf die
Ausgangsleitung 29, einen akustischen Alarmgeber 32 und einen optischen Alarmgeber
33 gegeben.
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Der Fehlstellen"-Detektor kann einen Differentialver stärker 30 enthalten,-~welcher
zum Anschluß31, zum akustischen Alarmgeber 32 und zum optischen Alarmgeber-33 ein
Ausgangssignal schickt. Bei Verwendung dieses Differentialverstärkers muß das zu
untersuchende Material bewegt werden, um eine Fehlstellenanzeige zu erhalten. Die
Vorteile liegen in einer höheren Untersuchungsgeschwindigkeit und einer empfindlicheren
Anzeige von Fehlstellen, als dies ohne Verwendung eines Differentialverstärkers
möglich ist. Im-allgemeinen können Fehlstellen, die weniger als fünf Prozent ausmachen,
angezeigt werden. Die Funktionen der Alarmsignalschaltung werden in dieser Beschreibung
später erläutert.
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Die Abfühlspulen 7 und 8 sind mit einer zweiten herkömmlichen Wheatstone'schen
Brücke 34, welche als Block dargestellt ist und die Aufschrift nMeßbrücke für die.
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Abmessungen" trägt, verbunden. Die Spulen 7 und 8 liegen in benachbarten
Zweigen einer solchen Wheatstone@schen Brücke, deren gegenüberliegende Zweige einen
variablen Widerstand 35 bzw. eine variable Reaktanz 36 enthalten, Der Testfrequenzoszillator
19
gibt Spannungen an den gemeinsamen Anschluß 37 der Impedazelemente 35 und 36 ab,
Die Ausgangssignalströme der Brücke 34 für die Abmessungen, welche die Abfühispule
7, die Standard- oder Vergleichsabfühlspule 8 und die variablen Widerstände 35 und
36 enthält, fließen über den Eingang 38 zum Vorverstärker 39 und zu einem abgestimmten
Verstärker 40. Die Ströme aus dem Schwebungsfrequenzoszillator 25 fließen ebenfalls
zum abgestimmten Verstärker 40, wo sie mit den Strömen aus dem Vorverstärker 39
gemischt und im Amplitudendetektor 41 gleichgerichtet werden. Die Ausgangsströme
des Detektors 41 fließen dann zu einem Anzeigegerät 42 Pür die Abmessungen und zu
einem Ausgangsstecker 43. Sie fließen ebenfalls zu einem akustischen Alarmgeber
44 und zu einer Alarmlampe 45.
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Um die Phase der Ausgangssignalströme des Vorverstärkers 39 und damit
die Art des AbmessungsPehlers zu bestimmen, d.. Pestzustellen, ob die Querschnittsfläche
des untersuchten Rohres oder Drahtes größer oder kleiner als die eines Normteiles
13 ist, werden die Ströme aus dem Vorverstärker 39 über einen Phasen-Verstärker
46 zu einem Phasen-Detektor 47 gesandt. Zum Phasendetektor 47 gelangen ebenfalls
Spannungen aus dem Testfrequenzoszillator 19, die über eine Phasenabgleichschaltung
48 geschickt werden. Die Ausgangssignalströme
des Phasendetektors
47 fließen zu einem Phasen-Anzeigegerät 49, einem AusgangsanschluB oder Stecker
50, einem akustischen Signalgeber 51 und zu einem optischen Alarmgeber 52 oder zu
einer Lampe. Die ArbeitspegO der Alarmgeber 32, 44 und 51 werden durch entsprechende
Schwellwert-Regelkreise 53, 54 und 55 bestimmt.
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Im Betrieb können mit den verstellbaren Kontakten 20 und 26 gewünschte
Test- und Schwebungsfrequenzen ausgewählt werden, wodurch die Fehlstellen- und die
Abmessungsbrücke 15 bzw, 34 und die Phasenabgleichschaltung 48 mit Betriebsspannungen
versorgt werden, Bei der Anwendung dieser Vorrichtung zum Untersuchen von Teilen
oder Röhren, deren Außendurchmesser von weniger als etwa 2,5 mm bis zu etwa 25 mm
und mehr reichte, wurden Untersuchungserequenzen von 5 KHz, 140 KHz und 300 KHz
geeignet gefunden. Es können Steckspulen verwendet werden, um höhere oder geringere
Testfrequenzen als die fest eingerichteten zu bekommen. Eine höhere Frequenz wird
vorzugsweise im Zusammenhang mit Röhren kleineren Durchmessers benutzt, welche dünne
Wände besitzen. oder bei elektrisch schlecht leitenden Materialien, Die Frequenzen
des Schwebungerequenzoszillators werden 9 gewählt, daß das Ausgangssignal dr Detektoren
28, 41 und 47 eine konstante SchwebungsPrequenz zeigt, Die Vorrichtung arbeitet
besonders zufriedenstellend, wenn man einen Schwebungsfrequenzoszillator verwendet,
der auf Frequenzen arbeitet, welche gleich der
Testfrequenz plus
einer Frequenz des abgestimmten Verstärkers sind, Der abgestimmte Verstärker kann
für irgend eine Frequenz ausgelegt werden. Frequenzen im Bereich von 100 KHz bis
456 KHz wurden mit Erfolg verwendet, Bei der Untersuchung von Röhren~oder Teilen
unterschiedlicher Abmessungen und Art sind vorzugsweise zwei Normteile vorgesehen.
Bin erstes Normteil besteht aus einem Rohr oder Teil hoher Qualität, welches in
der Dimensions- oder Normspule 8 als Teil 13 untergebracht ist. Dieses Teil verbleibt
während der Untersuchung als relative Dimensionskontrolle in der Spule 8, Das andere
benutzte Normteil ist ein Stück eines Rohres oder Teiles, welches bekannté,"geeichte"
Fehlstellen und Abweichungen in den Abmessungen besitzt.
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Dieses Normteil wird dazu verwendet, die"Fehlsteilen"-Brückenschaltung
zu eichen und Schwellwerte für die verschiedenen Alarmsignalgeber einzustellen,
Mit den beiden so angebrachten Normröhren, wobei die zweite Normröhre vorübergehend
anstelle des zu untersuchenden Teils 12 benutzt wird, werden die Werte der Impedanzen
16,17 und 36, 36 so eingestellt, daß die angeschlossenen Fehlstellen- und Dimensions-Anzeigegeräte
auf Null stehen, Der zweite erforderliche Abgleich besteht darin, das Proberohr
12 durch die Dimensionsspule i zu führen und die Dimensions-Kreise so abzugleichen,
daß
das Anzeigegerät die Dimensionsänderung eines solchen Normrohres
angibt. Die Phasenabgleichschaltung 48 wird so eingestellt, daß bei annehmbaren
Röhren oder Drähten, d.h,Röhren, welche keine wesentlichen Abweichungen in ihren
Abmessungen aufweisen, das Phasenanzeigegerät 49 Null anzeigt, und bei nicht annehmbaren
Röhren oder Drähten, eine größere oder kleinere Querschnittsfläche. Bei geringerer
Wandstärke des Rohres schlägt das meßgerät nach links, bei größerer Wandstärke nach
rechts aus. Auf diese Weise können die Parameter der Dimensionsbrückenschaltung
so abgeglichen werden, daß das Phasenanzeigegerät 49 die Größe der Änderung in der
Wandstärke und auch die Art dieser Änderung angibt, d. h. ob die Änderung auf eine
größere oder kleinere Querschni*sfläche des Rohres oder Drahtes zurückzuführen ist,
Nachdem die Schaltungen in dieser Weise auf den Normzustand abgeglichen wurden,
werden zu prüfende Röhren oder Teile durch die konzentrischen Abfühispulen 5 bis
7 geführt, wobei sowohl Abweichungen bezüglich der Abmessungen als auch der inneren
Struktur eines solchen Teiles durch die drei Anzeigegeräte 29, 42, 49 angegeben
werden.
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Sowohl akustische als auch optische Signale werden von den akustischen
Signalgebern 32, 44- und 51 und den Lampen 53, 45 und 52 geliefert. Die Größe der
Abweichung von gewünschten
Zuständen, bei denen solche akustische
und optische Anzeigen auftreten sollen, wird durch die Schwellwert-Regelschaltungen
53, 54, 55 eingestellt.
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Es wurde festgestellt, daß diese verbesserte Mehrfrequenz-Wirbelstrom-Prüfvorrichtung
zur zerstörungsfreien Untersuchung von Röhren mit weniger als etwa 0*8 mm Durchmesser
bis zu etwa 25 mm Durchmesser und mehr brauchbar ist. Eine solche Untersuchung liefert
nicht nur Informationen über Abweichungen bezüglich der Abmessungen,sondern auch
über die Zusammensetzung, Fehlstellen, Risse, Sprünge, Löcher, Einschlüsse oder
Schweißfehler in Abhängigkeit von der Art des Rohres und der untersuchten Zusammensetzung.