DE1573837A1

DE1573837A1 - Magnetische Pruefvorrichtung

Info

Publication number: DE1573837A1
Application number: DE1966S0107260
Authority: DE
Inventors: Takayuki Kanbayashi; Toshi Shiraiwa
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1965-12-04
Filing date: 1966-12-05
Publication date: 1970-09-03
Also published as: DE1573837B2; DE1573837C3; GB1169752A

Description

Dipl.-Ing. F.Weickmann, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipl.-Ing. H. Weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanwälte

8 MÜNCHEN 27, MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

Sumitomo Metal Industries limited, 15» 5-chome, Kitahama, Higashi-ku, Osaka City, Japan

Magnetische Prüfvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Prüfvorrichtung.

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Bei der magnetischen Überprüfung eines magnetisierten Prüfmaterials auf das Vorhandensein von in diesem enthaltenen Rissen sind die von derartigen Rissen ausgehenden Stiieuflüsse mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen zu ermitteln. Zur zerstörungsfreien Untersuchung eines gewalzten Stabes wird heute überlicherweise ein Verfahren angewandt, bei dem die Überprüfung mittels lluoreszenz-Magnetpartikel erfolgt. Bei diesem Verfahren ist die Untersuchungsgesehwindigkeit relativ niedrig, und außerdem ist die Rißtiefe relativ schwer zu bestimmen. Aus diesen Gründen heraus hat sich die Entwicklung eines automatischen Prüfverfahrens mit einem derart hohen Wirkungsgrad bei der jeweiligen Prüfung als wünschenswert herausgestellt, daß dieses Verfahren zur Überprüfung magnetischer Artikel angewendet werden kann. Gemäß der Erfindung wird zur magnetischen Überprüfung eine automatisch arbeitende Vorrichtung unter Verwendung eines Hall-Generators als Detektor vorgeschlagen.

Magnetische Prüfverfahren arbeiten zerstörungsfrei und dienen zur Ermittelung jeglicher in einem magnetischen Körper vorhandener Störstellen. Die Prüfverfahren beruhen grundsätzlich auf der Idee, eine Störstelle, wie einen Riß, in einem magnetischen Körper dadurch zu ermitteln, daß der von dieser Störstelle beim Magnetisieren des betreffenden magnetischen Körpers ausgehende magnetische Streufluß festgestellt wird. Die Größe des magnetischen Streuflusses wird bei Vorhandensein einer solchen Störstelle auf der Oberfläche des au

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untersuchenden Materials am größten sein. Je weiter man in die Störstelle eindringt, desto kleiner wird der magnetische Streufluß. Die durch die magnetische Prüfung ermittelten Störstellen sind somit auf das Vorhandensein entsprechender Abschnitte auf der Oberfläche oder nahe der Oberfläche des jeweiligen zn untersuchenden Körpers beschränkt. Trotz eines solchen Mangels sind magnetische Prüfverfahren in breitem Umfange angewandt worden, da die zur Durchführung dieser Verfahren dienenden Torrichtungen einfach aufgebaut sind und keinen komplizierten Punktionsablauf erfordern.

Die mit Hilfe eines magnetischen Prüfverfahrens zu untersuchenden Teile sind meistens gegossen oder gewalzt; ihre Form ist im allgemeinen derart kompliziert, daß es schwierig ist, diese Teile automatisch zu untersuchen. Zur Zeit werden verschiedene automatische Prüfanlagen angewandt, die zur Durchführung eines magnetischen oder eines anderen Prüfverfahrens dienen» Dabei besitzt das jeweils zu untersuchende Teil stets eine relativ einfache Porm, wie die eines Stahlrohres oder eines Rundstabes.

Die jeweiligen Risse haben stark voneinander verschiedene Formen. Die Größe des von einer Rißstelle in einem zu untersuchenden, magnetisierten Material ausgehenden magnetischen Streuflusses ändert sich derart stark mit der lOrm (wie mit der Breite, Tiefe, Richtung und Endschärfe) des jeweiligen Risses, daß es nahezu unmöglich ist, die Größe des magnetischen Streuflusses theoretisch zu bestimmen. In der Praxis

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besteht bei der automat!sehen Überprüfung hinsichtlich, der quantitativen Bestimmung ein Problem darin, ob der zu überprüfende Riß eine Tiefe aufweist, die größer ist als eine zulässige Grenztiefe. Eine Rißtiefe in der Größenordnung von z.B. 0,3 mm ist bereits problematisch. Sogar bei derart kleinen Rissen beeinflussen die oben erwähnten Faktoren den magnetischen Streufluß. Es ist experimentell ermittelt worden, daß die Rißtiefe den Haupteinflußfaktor darstellt.

Die zur Zeit angewandten magnetischen Prüfverfahren werden den zur Ermittelung des von den Rissen jeweils ausgehenden magnetischen Streuflusses eingesetzten Detektoren entsprechend in folgende Gruppen eingeteilt:

1) Prüfverfahren mittels magnetischer Partikel,

2) Prüfverfahren mittels magnetischer Aufzeichnung,

3) Prüfverfahren mittels Suchspule,

4) Prüfverfahren mittels Hall-Generator.

Bei dem Prüfverfahren mittels feiner magnetischer Partikel ist es zufolge der Verwendung dieser Partikel als Detektoren möglich, feine Risse zu ermitteln. Diese Prüfmethode besitzt aber den Nachteil, daß das Ausmaß eines Risses nicht bestimmt werden kann, ferner ist von Nachteil, daß die Geschwindigkeit, mit der diese Prüfung vorgenommen werden kann, niedrig ist.

Bei dem Prüfverfahren mittels magnetischer Aufzeichnung wird ein Aufzeichnungeband, bestehend aus auf einem synthetische

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Harzband abgelagerten magnetischen Partikeln, als Detektor verwendet. Hiermit kann die Größe des jeweiligen Risses ermittelt werdenj die Empfindlichkeit "bei der Rißfeststellung ist relativ groß. Da es erforderlich ist, das magnetische Band in dichtem Kontakt mit dem jeweiligen zu untersuchenden Material zu bringen, haftet diesem Verfahren der Mangel an, daß das Band nicht zur Ermittelung von Rissen in rauhflächigen !Peilen, wie beispielsweise in Barren, geeignet ist.

Bei dem Prüfverfahren mittels Suchspule ist die von der betreffenden Suchspule abgegebene Spannung proportional der zeitlichen Änderung der Größe des mit dieser Spule verketteten Magnetflusses, d.h. proportional dem Differenzwert der Größe des verketteten Magnetflusses mit der Zeit und der Windungüahl der Spule. Um die Empfindlichkeit bei der Rißfeststellung zu erhöhen, muß die Anzahl der Spulenwindungen erhöht werden. Dies bringt aber den Nachteil mit sich, daß der Detektor an Größe zunimmt, und daß die jeweils ermittelte Spannung sich mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Untersuchungsmaterials oder mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Suchspule ändert. Ferner wird die Prüfgenauigkeit beeinflußt.

Bei dem Prüfverfahren mittels Hall-Generator , auf das weiter unten nooh näher eingegangen werden wird, treten verschiedene Vorteile auf. So ist bei konstant gehaltenem Steuerstrom des Hall-Generators die von dem Hall-Generator erzeugte Spannung proportional der Stärke des Magnetflusses; diese Spannung wird nicht durch die Bewegungegesohwindigkeit des Hall-

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Generators oder durch die Bewegungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden Materials beeinflußt. Ferner ist von Vorteil, daß der magnetische Streufluß ohne eine Berührung des zu untersuchenden Materials festgestellt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hall-Generatoren verwendende Torrichtung zur automatischen Ermittelung von sehr kleinen Rissen in zu untersuchenden Materialien zu schaffen. Die jeweiligen Risse sind dabei unabhängig von magnetischen Schwankungen genau zu ermitteln, und zwar auch dann, wenn das jeweils zu untersuchende Material exzentrisch oder nicht kreisförmig ausgebildet ist.

Gemäß der Erfindung werden zur automatischen magnetischen Überprüfung von Zwischenmaterialien oder speziell von gewalzten Stäben aus den oben ersichtlichen Gründen als Detektoren wirtschaftlich Hall-Generatoren verwendet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen in einem Magnetfeld angeordneten Halbleiterkörper und dient zur Erläuterung des Hall-Effektes. I"ig. 2 zeigt schematisch einen in einem Magnetfeld angeordneten HaIl-Generaotr mit zugehöriger Flußverteilung. Pig. 3A zeigt in einer magnetischen Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung die relative Anordnung von Magnetpolen, Hall-Generatoren und einem zu untersuchenden Material.

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Pig. 5B zeigt eine Seitenansicht der in Pig. 3A dargestellten Anordnung»

Mg. 3C zeigt eine Vorderansicht der In Pig. 3A dargestellten Anordnung.

Mg. 4A zeigt eine Ausführungsform eines Detektorteiles der magnetischen Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung in Torderansicht·

die
Pig. 4-B zeigt/in Pig. 4A dargestellte Ausführungsform in einer

Seitenansicht.

Pig. 5 zeigt einen Schaltplan einer elektronischen Schaltung für die erfindungsgemäße magnetische Prüfvorrichtung. Pig. 6 zeigt eine Anordnung von zwei Hall-Generatoren in einem Magnetfeld.

Pig. 7A zeigt eine andere Anordnung von zwei Hall-Generatoren in einem Magnetfeld, sowie eine Schaltung für die "betreffenden Hall—Generatoren.

Pig. 7B zeigt eine weitere Anordnung von zwei Hall-Generatoren und eine Schaltung für diese Hall-Generatoren. Pig. 8 zeigt in einem Kurvendiagramm die Beziehung zwischen zwei Hall-Generatoren und einer von jedem Hall-Generator ermittelten Magnetflußkomponente §z in Richtung einer Z-Achse. Pig. 9 zeigt ein Beispiel einer mit einer magnetischen Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung erhaltenen Aufzeichnung.

Der nach E.H. Hall benannte und von diesem im Jahre 1879 entdeckte Effekt beruht auf einer galvanomagnetiechen Wirkung, die bei In ein Magnetfeld eingebrachten Halbleiternauftritt.

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Wie Pig. 1 verdeutlicht, wird beim Fließen von Ladungsträgern durch einen leiter, der von Magnetfeldlinien unter einem rechten Winkel geschnitten wird, eine EME in einer unter rechtem Winkel zu den Magnetfeldlinien und zu dem Ladungsträgerfluß verlaufenden Richtung erzeugt.

Wenn, wie dies Fig. 1 erkennen läßt, ein Strom in Richtung der X-Achse fließt und senkrecht dazu ein Magnetfeld in Richtung einer Z-Achse vorhanden ist, so wird zufolge der lorentz-Eraft auf die ladungsträger eine Kraft von -e · V · B in Richtung der Y-Achse ausgeübt. Hierbei bedeuten e eine Trägerladung, V eine Ladungsträgergeschwindigkeit und B die Flußdichte. Auf Grund dieser Kraft bewegen sich die ladungsträger auf die Seite A in der Zeichnung zu, was zum Entstehen einer Raumladung führt. Auf diese Weise entsteht ein diese Ladung aufhebendes elektrisches Feld Ey in Richtung der Y-Achse, welches durch die aufgrund des Magnetfeldes B auf die Ladungsträger ausgeübte Kraft ausgeglichen wird. Im Falle eines N-Typs (bei welchem der Ladungsträger ein Elektron oder die Ladung gleich -e ist) ist die auf ein Elektron durch das Magnetfeld ausgeübte Kraft gleich

-e . V . B (1)

Die durch das elektrische Feld sich ergebende, durch die obige Kraft auszugleichende Kraft ist gleich

e . Ey (2)

Aus beiden Gleichungen folgt, daß die elektrische Itldetärke - -V . B ist. (3)

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Bei einer Stromdichte i und einer ladungsträgerdichte η (Elektronen) ist
i = η · e · V

^v - FT"? <♦)

Durch Einsetzen der Gleichung (4) in die Gleichung (3) ergibt sich

tf.-L·^ (5)

η · e

geht die Gleichung (5) über in ·

Ey = R · i · B (7)

Hierin stellt R eine Hall-Konstante dar (beim P-Iyp ist

^Λ η · e

Bei für den Hall-Generator gegebenem Strom I in Ampere und einer 3?lußdichte B in Gauß ist die Hall-Spannung
Y_H = b· By

Hierin bedeuten b die Breite des Hall-Generators und d dessen Dicke. Bei gegebener Dicke d in cm ist

V_H „ R . I_£_J . -icT⁸ (YoIt) (9)

Hierin wird R in cm / Coulomb angegeben.

Um die Hall-Spannung Y^ dee Hall-Generators unter Ausnutzung des Hall-Effektas zu erhöhen, ist es erforderlich, die -Elektronendichte η klein zu machen, die Dicke d des

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Hall-Generators klein zu halten, ein Material mit großer Ladungsträger-Beweglichkeit ja. und mit größtmöglicher Oberfläche zu verwenden. Die heute für Hall-Generatoren üblichen Materialien sind Germanium, Silizium, Indium-Antimonid (InSb),Indium-Arsenid (InAs), etc. Die yu-Werte für InSb und InAs sind groß.

Da die für das Entstehen der Hall-Spannung erforderliche Zeit 10~¹² bis 1Cf*¹ ^ Sekunden beträgt, liegt die obere Grenzfrequenz eines Hall-Generators bei etwa 10 bis 10 ^Hz. Wenn der oben erwähnte Halbleiter in ein magnetisches Wechselfeld eingebracht wird, entsteht ein Wirbelstrom; außerdem ändert sich die Hall-Spannung mit der Frequenz« Deshalb wird zur Erzielung gleichförmiger Kenndaten der Frequenzbereich zwischen 0 und 10 Hz gewählt.

Nachstehend wird eine mit niedriger Magnetisierungsfrequenz betriebene automatische Prüfvorrichtung näher erläutert, in welcher Hall-Generatoren verwendet werden und die gemäß der Erfindung aufgebaut ist.

TJm eine zerstörungsfreie Überprüfung eines Werkstückes oder dgl. mit Hilfe eines magnetischen Prüfverfahrens durchzuführen, ist es erforderlich, das zu untersuchende Werkstück in geeigneter Weise zu magnetisieren. Es ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem unmittelbar durch ein zu untersuchendes Werkstückmaterial ein Gleichstrom geleitet wird.

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Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem das zu untersuchende Material dadurch magnetisiert wird, daß es zwischen Magnetpolen gehalten wird. Bei dem unmittelbaren Durchleiten eines elektrischen Stromes durch ein Materiälstück wird im allgemeinen der Remanenzmagnetismus ermittelt. Diesem "Verfahren haftet ;jeäoch der üachteil an, daß zur Magnetisierung eines zu untersuchendes Katerialstückes ein Gleichstrom von einigen Hundert bir siaigen Tausend Ampere und eine Gleichstromquelle mit einer entsprechend hohen Kapazität erforderlich sind, um eine Prüfung in ausreichendem Umfang vornehmen zu können. Bei einem mit einem Permanentmagneten arbeitenden Verfahren, bei welchem das zu untersuchende Material durch diesen Permanentmagneten magnetisiert wird, ist zwar keine einen Magnetisierungsstrom liefernde Stromquelle erforderlich; dafür ist aber das erzeugte Magnetfeld ein magnetisches Gleichfeld, demzufolge auf α?& zu untersuchende Material eine Kraft in Richtung zu dem Magnetpol hin ausgeübt wird und die für den Transport des zu prüfenden Materials vorgesehene automatische Zuführvorrichtung (wie beispielsweise eine Transportrolle) magnetisch gebremst wird, was unvorteilhaft ist. Wenn ein WechselEtrormagnet verwendet wird, besteht hinsichtlich dieses Punktes keine Befahr, weshalb eine solche Methode dementsprechend günstig ist. In einem solchen 3?all werden ein mit niedriger technischer Frequenz arbeitendes Verfahren und ein Hochfrequenz-Magnetisierungsverfahren angewandt. Bei einer Frequenz von 50 bis 60 Hz ist keine besondere Stromquelle erforderlich; mit steigender Prüfgeschwindigkeit tritt jedoch

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die Gefahr auf, daß das zu untersuchende Material nicht gut zu folgen vermag. Ferner werden mit steigender Magnetisierungsfrequenz in dem zu prüfenden Material viele Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits die Prüfgenauigkeit beeinflussen. Aus den oben aufgezeigten Gründen wird daher ein mit niedriger Frequenz betriebener Elektromagnet verwendet; dabei wird zur überprüfung magnetischer Rundstäbe mit einem Durchmesser von 50 mm eine Magnetspule mit 1600 Amperewindungen verwendet. Der Rand jedes Magnetpoles verläuft unter spitzem Winkel dicht an dem jeweiligen zu prüfenden Material vorbei, so daß in dem geprüften Teil konzentrisch verlaufende Magnetflüsse erzeugt werden können.

Bs ist bereits eine Prüfvorrichtung bekannt, bei der ein von einem Oberflächenriß eines Stahlmaterials ausgehender magnetischer Streufluß mittels eines Hall-Generators ermittelt wird. Dieser Vorrichtung haftet jedoch der Nachteil an, daß die Signalauswertung erschwert ist, wenn bei Vorhandensein eines feinen Risses dem dabei ermittelten Signal sich ein Störsignal überlagert. Im Hinblick auf Fig. 2 heißt dies, daß ein Hall-Generator, durch den ein Steuerstrom fließt, in der Mitte zwischen zwei Magnetpolen 1 und 2 eines Wechselstrom-Elektromagneten angeordnet ist. Die Magnetflußdichte in der Z-Richtung ist theoretisch Null, und es wird keine Hall-Spannung erzeugt. Tatsächlich ist es jedoch schwierig, den Hall-Generator derart genau auf der Mittellinie zwischen beiden Magnetpolen anzuordnen, daß die durch den Hall-Generator ermittelte Magnetflußdichte in der Z-Richtung genau Null

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wird. Der Hall-Generator gibt vielmehr eine Wechselspannung mit der Frequenz des Erregerstromes des Elektromagneten ab. Der von einem feinen Riß ausgehende magnetische Streufluß wird häufig so klein sein, daß die von dem Hall-Generator erzeugte Riß-Spannung so gering ist, daß das Signal-Störspannungsverhältnis kleiner als 1 ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zur Vermeidung der oben erwähnten, bei mit niedriger Frequenz erfolgender Magnetisierung auftretenden Mangel zwei Hall-Generatoren und HGp vorgesehen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die beiden Hall-Generatoren sind sehr dicht bei dem zu untersuchenden Material 4 in gleicher Ebene auf der Mittellinie der Magnetisierungsfelder der Magnetpole 1 und 2 angeordnet. Ferner ist eine eine elektrische Differenzbildung vornehmende Schaltung vorgesehen, mit deren Hilfe die von den Hall-Generatoren normalerweise abgegebenen Spannungen einander aufgehoben werden können. Mit der Feststellung eines Risses durch den Hall-Generator HG^ stellt der Differenzbetrag |V-. - V₂] aus der Hall-Spannung V₁ des Hall-Generators HG₁ und der Hall-Spannung V₂ des Hall-Generators HGg eine prozentuale Größe des von dem betreffenden Riß ausgehenden magnetischen Streuflusses dar* Dies bedeutet, daß die beiden Hall-Generatoren HG₁ uncl HG« eines Differenzwert ermitteln, wobei der Störpegelabsta&ä erhöht werden kann und die Vorrichtung somit automatisch die Smittelung von feinen Rissen gestattet.

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Der zur Überprüfung von gewalzten Stäben, mit einem Durch,-messer von 50 mm verwendete Hall-Generator ist ein Indium-Arsenid-System mit einem Außendurchmesser von 3,7 mm. Wie Pig. 4 zeigt, sind zwei Hall-Generatoren in einem gegenseitigen Abstand von 8 mm angeordnet. Der Steuergleichstrom beträgt hier 180 mA. Die beiden Hall-Generatoren HG₁ und HGp sind in zwei Detektoren 21 und 22 enthalten und werden mechanisch von einem Träger 24 gehalten, der von einem nichtmagnetischen Träger herabhängt. Auf diese Weise können zwei an dem mechanischen Träger vorgesehene Zahnstangen 27 mit Hilfe von in den Detektoren 21 und 22 enthaltenen Schrauben und 26 senkrecht verschoben werden; der Träger 24 kann mit Hilfe einer Schraube 28 nach rechts oder links verschoben werden. Mittels dieser Einstellvorrichtungen werden die beiden Hall-Generatoren so eingestellt, daß sie magnetisch in der gleichen Stellung zwischen den Magnetpolen des Magnetisierungs-Elektromagneten angeordnet sind. Wenn die magnetischen Feldstärken in der betreffenden Stellung, in der sich die beiden Hall-Generatoren befinden, einander gleich sind, tritt keine Störung auf.

Der von einem Riß in dem zu prüfenden,magnetisieren Material 4 ausgehende magnetische Streufluß wird mit Hilfe der Kali-Generatoren HG₁ und HG₀ ermittelt· Die von diesen Hall-Generatoren dabei abgegebene Spannung wird einer elektronischen Schaltung zugeführt. Diese Schaltung ist in Pig. 5 näher gezeigt. Gemäß Fig. 5 sind die Hall-Generatoren HG^ und HG₂ mit KonstantStromquellen 5 und 6 verbunden, welche

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die Steuergleichströ'me liefern. Perner sind Stromregelglieder 7 und 8 und Amperemeter 9 und 10 vorgesehen. Die Ausgänge der Hall-Generatoren sind an zwei Torverstärker 11 und 12 mit gleichen Kenndaten angeschlossen, deren Ausgänge über eine Ausgleich-Einstellvorrichtung 13 an einen Ausgangstransformator 14 geschaltet sind.

Pur die Hall-Generatoren können Steuergleichstromquellen verwendet werden. Wie in Pig. 7 dargestellt, kann anstelle der beiden Torverstärker 11 und 12 ein Differenzverstärker verwendet werden. In einem solchen Pail ist es erforderlich, daß die Ausgänge der Hall-Generatoren zur Differenzbildung entsprechend Pig. 7 geschaltet sind. Das Ausgangssignal des Ausgangstransformators 14 wird über ein veränderbares Tiefpassfilter 15 8i"sm Hauptverstärker 16 zugeführt. Nach erfolgter Terstärkung wird das Ausgangssignal gleichgerichtet und von der Torrichtung 18 als gleichstromverstärktes Signal abgegeben. Dieses Signal wird dann in einer Aufzeichnungsvorrichtung 19, wie einem Ozsillografenschreiber, aufgezeichnet. Ein Teil 'des Ausgangssignals wird dem Eingang eines Synchroskopes 17 zugeführt. Das von dem Gleichstromverstärker 18 abgegebene Ausgangesignal wird dem Eingang einer automatischen Rißmarkierungsvorrichtung, einer Warnvorrichtung, einer das zu prüfende Material automatisch freigebenden Torrichtung und einer die jeweiligen Erzeugnisse qualitätsmäßig unterscheidenden Torrichtung, sofern erforderlich, zugeführt. Derartige Torrichtungen sind hier nicht näher dargestellt.

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Ob die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung mit den Hall-Generatoren ihre Prüffunktion gut erfüllen kann oder nicht, hängt entscheidend von der Anordnung der beiden Hall-Generatoren HG^ und HGp ab.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind aus den oben erwähnten Gründen zwei Detektoren vorgesehen, deren Ausgänge zum Zwecke einer Differenzbildung entsprechend geschaltet sind. Damit die Ausgänge der betreffenden Detektoren eine ausgezeichnete Differenzbildung ermöglichen und das Ausgangssignal Null ist, müssen die Amplituden der betreffenden ermittelten Flüsse in der Stellung, in der sich die beiden Hall-Generatoren befinden, einander gleich gemacht werden. Im Hinblick auf Fig. 6 bedeutet dies, daß die Ausgangssignale bei Zusammenfallen des Nullpunktes 0 der Mittelpunkte P und Q der beiden Detektorelemente mit der magnetischen Mittellinie χ der beiden Magnetpole 1 und 2 auch dann unterschiedlich gemacht werden können, wenn der Winkel θ zwischen der Axialrichtung des zu prüfenden Materials und der Mittellinie der Detektorelemente verändert wird. Ist der Winkel θ nicht Null, so werden nur dann, wenn die magnetische Mittellinie χ zwischen den beiden Magnetpolen und der Mittelpunkt 0 der die Mittelpunkte P und Q der Detektorelemente verbindenden linie zusammenfallen, die Ausgangssignale der beiden Detektorelemente derart verschieden voneinander sein, daß Störungen aufgehoben sind. Bei einer Änderung der Form des zu prüfenden Materials verschieben sich die x-Achse und der magnetische Mittelpunkt

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zwischen "beiden Magnetpolen auch dann, wenn die Ausgangssignale der Detektorelemente voneinander verschieden sind. Hierbei kann die Störung nicht genau aufgehoben werden. Bei der Überprüfung eines in der Oberflächenrauhheit ungleichmäßigen und in der Form unregelmäßigen Materialstückes, wie einem gewalzten Stab, ist es vorteilhaft, den Winkel θ zu Null zu machen. Auf der anderen Seite besteht ein Nachteil darin, daß bei gleichzeitiger Peststellung eines von einem Riß, wie einem langen Riß in axialer Richtung,ausgehenden magnetischen Streuflusses durch beide Detektoren das Ausgangssignal Null wird. Deshalb muß der Winkel θ stets eine gewisse Größe für die Ermittelung langer Risse besitzen. Dieser Winkel θ beträgt in dem Magnetfeld praktisch etwa 5°. Praktische Ausführungsformen von Hall-Generatoren (Detektoren) sind in Figuren 7A und 7B gezeigt. Um in zu prüfenden Materialstücken vorhandene Langrisse bei der Ausführung einer spiralförmigen Bewegung ermitteln zu können, sind gemäß Fig. 7A zwei Hall-Generatoren bezogen auf die magnetische Mittellinie χ zwischen den dort vorgesehenen Magnetpolen 1 und 2 des Magnetisierungselektromagneten symmetrisch in der gleiohen Ebene angeordnet. Durch die Hall-Generatoren fließen dabei Steuergleichströme mit gleichem Stromwert aber mit zueinander entgegengesetzter Phasenlage. Auf diese Weise kann der magnetische Streufluß zwischen beiden Magnetpolen mittels der Hall-Generatoren ermittelt werden, wobei die in beiden Hall-Generatoren erzeugten Störspannungen mit gleicher Phasenlage auftreten. Werden die Ausgangseignale beider Hall-Generatoren mit Hilfe

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des Differenzverstärkers 20 verstärkt, so werden die Störspannungen aufgehoben, und abgegeben wird lediglich, die auf den festgestellten Riß beruhende Spannung. Dieser System macht es jedoch erforderlich , daß auch dann, wenn das zu prüfende Materialstück 4 eine exzentrische oder nieht kreisförmige Querschnittsfläche besitzt, ein Satz von Hall-Generatoren stets symmetrisch zu der magnetischen Mittellinie zwischen den Magnetpolen angeordnet sein muß. Wenn die Stellen, an denen die beiden Hall-Generatoren angeordnet sind, zufolge der Exzentrizität oder anderer Eigenschaften des zu prüfenden Materialstückes magnetisch unsymmetrisch werden, tritt eine Umkehr im- Verhalten der betreffenden Hall-Generatoren HG₁ und HGp zueinander auf. Pig. 8 zeigt die Änderung der mit Hilfe der Hall-Generatoren HG₁ und HGp ermittelten Magnetflußkomponente § in Richtung der Z-Achse bei von dem magnetischen Mittelpunkt a zwischen beiden Magnetpolen auf der X-Achse zu einem Punkt b hin verschobener magnetischer Mittellinie. (a ist ein magnetischer Mittelpunkt bei einem zu prüfenden Material mit genau kreisförmigem Querschnitt, und b ist ein magnetischer Mittelpunkt bei rechterseits exzentrischem,zu prüfenden Material). Bei konstantem Steuerstrom I ist die Hall-Spannung V_H des Hall-Generators gleich ^VH^=K * ^I "

Befindet sich die magnetische Mitte im Punkt a, so sind die Hall-Spannungen V_H1 und V_H2 ^^er beiden Hall-Generatoren gleich:

V_H1 a K . $ und V_H2 = -K (--φ) » K · $ (12)

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Hierin stellt K eine Konstante dar. Da die Steuerströme der "beiden Hall-Generatoren HG₁ und HG₂ zueinander um 180° phasenverschoben sind, besitzen die Konstanten E für die beiden Hall-Generatoren HG^ und HG₂ verschiedene Vorzeichen. Damit ist die Differenzausgangsspannung

Verschiebt sich der magnetische Mittelpunkt vom Punkt a zum Punkt b, so sind die Hall-Spannungen gleich. v_H1 = κ (f + *#,)

V_H2 = -K (-tf +4O₂) (14)

Damit ist die Differenzspannung gleich

^{V = V}H1 ~ ^YH2 ^{= E (Λ}$1 ^+Ah^ ⁽¹⁵⁾

Bei Anwendung der vorliegenden Anordnung wirken sich die Einflüsse der magnetischen Änderung auf beide Hall-Generatoren aus, wenn sich der magnetische Mittelpunkt auch nur geringfügig ändert; die in dem Differenzausgangssignal auftretende Störspannung erhöht sich hierdurch schnell.

Bei dem in Pig. 7B dargestellten System besitzten die Steuergleichströme gleiche Phasenlage und gleichen Stromwert; diese Steuergleichströme werden den Hall-Generatoren satzweise zugeführt. Die Mittelpunkte der beiden Hall-Generatoren werden bezogen auf die oben erwähnte magnetische Mittellinie geringfügig symmetrisch verschoben. Da die Hall-Generatoren als auf einer Geraden in nahezu axialer Richtung (Richtung χ in Pig. 7B) des zu prüfenden Materials 4 angeordnet anzusehen

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sind, wirkt sich bei dieser Anordnung der durch die Exzentrizität oder dgl. des zu prüfenden Materials hervorgerufene Einfluß der magnetischen Änderung nahezu in gleichem Umfang auf beide Hall-Generatoren aus und tritt somit nicht in dem Differenzausgangssignal in Erscheinung. Wenn sich die Mitten der beiden Hall-Generatoren geringfügig voneinander verschieben, dann ist es bei Zuführung des sich spiralförmig drehenden, zu prüfenden Materials möglich, mit weitgehend gleicher Empfindlichkeit nicht nur in dem zu prüfenden Material abschnittweise vorhandene Risse zu ermitteln, sondern auch solche Risse, die sich über die gesamte länge des zu prüfenden Materials erstrecken.

Der Fall, daß die magnetische Mittellage sich vom Punkt a zum Punkt b hin verschiebt, ist in der gleichen "Weise wie oben zu betrachten. Befindet sich die magnetische Mittelstelle im Punkt a, so ist

Y_H1 = K $« und V_H2 = K (-$«) = -Kf' (16) Hierin stellt K eine Konstante dar. Da die Steuerströme der beiden Hall-Generatoren HG., und HGg die gleiche Phasenlage besitzen, tragen die Konstanten K hierbei das gleiche Vorzeichen. Deshalb ist die Differenzausgangsspannung

^V - ^VH1 - ^TH2 = ^2K#' Ο?)

Auf diese Weise wird also eine Störspannung erzeugt. Durch sehr dichtes Anordnen der Hall-Generatoren HG₁ und HG₂ an der magnetischen Mittelstelle a kann §*^ φ gemacht und auf einem Störpegel gehalten werden, der in der Praxis keine

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Probleme mit sich bringt. Wennjsich andererseits die magnetische Mittelstelle vom Punkt a zum Punkt b hin verschiebt, sind die betreffenden Hall-Spannungen

V_H1 = E ( φ» + 4$,) und T_H2 = K (-#« +δ$₂) (18)

Die Differenzspannung aus beiden Hall-Spannungen ist dann V = V_H1 - V_H2 = K (2 $· + ^O₁ - 4O₂)

^ (^i₁ - δΦ₂) (19)

Bei der vorliegenden Anordnung macht sich die magnetische Änderung als Differenz auf beide Hall-Generatoren bemerkbar und wird daher wesentlich geringer sein als bei der Anordnung gemäß Pig· 7A. Bei Anwendung der vorliegenden Anordnung zur Überprüfung eines Abschnittes eines feingedrehten Rundstabes mit einem Durchmesser von 50 mm ohne einen Riß wurde sogar bei einer Exzentrizität des zu überprüfenden Materials von etwa 0,4 mm eine sehr kleine periodische Störspannung festgestellt.

Anhand von Pig. 9 wird an einem Beispiel die Überprüfung eines an der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbeigedrehten Stabes mit einem Durchmesser von 50 mm erläutert. Die dabei festgestellten Risse sind wie bei mikroskopischen Aufnahmen vergrößert dargestellt, und zwar hier in 30-facher Vergrößerung.

Die Überprüfungsbedingungen hierbei waren folgendes Luftspalt zwischen Hall-Generatoren und zu prüfendem Material: 0,3 mm

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Mittenabstand der Hall-Generatoren: 8 mm Anzahl der Umdrehungen des zu prüfenden Materials: 10 u/min Zuführsteigung des zu prüfenden Materials bei dessen Drehung:

5 mm/Umdrehung

Verstärkung des Hauptverstärkers: 30 db Geschwindigkeit des Aufzeichnungsträgers: 1 mm/sec Magnetisierungsspannung und Amperewindungen: 100 Y - 60 Hz-1560 AW

Bei der Überprüfung eines Rundstabes mit einer spiralförmigen Steigung von 50 mm beträgt die zur Erzielung einer Prüfgeschwindigkeit von mehr als 5 m/min erforderliche Anzahl an Umdrehungen des zu prüfenden Materials mehr als 100 U/min. Wenn das zu prüfende Material mit mehr als 100 U/min bei einer Magnetisierungsfrequenz von 60 Hz gedreht wird, dann erfolgt keine richtige Abbildung. Um die Frequenz des Magnetisierungsstromes für das mit hoher Geschwindigkeit sich drehende, zu prüfende Material zu bestimmen, muß die Frequenz des Riß-Signales bestimmt werden. Unter der Annahme, daß der von einem Riß ausgehende magnetische Streufluß an einem Ende des betreffenden Risses austritt und am anderen Ende wieder eintritt, d.h. daß die Breite W in mm des Risses gleich der Wellenlänge des Rißsignales ist, und unter der weiteren Annahme, daß der magnetische Streufluß mit Hilfe zweier Hall-Generatoren ermittelt wird, ist f des Riß-Signales gleich 65,5 Hz aus

_{f =} 2 7Tr . RPS

2b + W

Hierin bedeuten r der Radius des zu prüfenden Materials, b die Breite des Hall-Generators und RPS die Umlaufanzahl pro Sekunde·

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Zwischen der Frequenz fe des Magnetisierungsstromes und der Frequenz fs des Riß-Signales ist eine solche Beziehung erwünscht, daß der Magnetisierungsstrom stets einen maximalen Momentanwert mindestens einmal pro Halbzyklus des Riß-Signales aufweist. Deshalb ist fe -> 2fs oder im Hinblick auf die Aufzeichnung fe -> 3fs erwünscht. Um das zu prüfende Material bei einer Drehzahl von mehr als 100 U/min mit ausgeprägter Abbildungsfähigkeit überprüfen zu können, muß die Frequenz des Magnetisierungsstromes größer als 200 Hz sein. Wenn die Frequenz jedoch mehr als 1000 Hz beträgt, treten unter dem Einfluß des Skineffektes zufolge der Oberflächenrauhheit des zu prüfenden Materials zusätzliche Störungen auf; ferner tritt ein Problem im Hinblick auf die Hochfrequenzstromquelle auf. Es hat sich gezeigt, daß bei Felduntersuchungen mit Hilfe der in Fig. 4 dargestellten Anordnung eine ausreichend hohe Prüfgenauigkeit durch Anwendung einer Magnetisierungsfrequenz von 560 Hz und einer Drehzahl von 150 U/min erzielt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1. Magnetische Prüfvorrichtung zur Oberflächenprüfung eines magnetisierbaren Materials, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Material (4) eine kreisförmige Querschnittsfläche besitzt und zur Prüfung eine spiralförmige Drehbewegung in axialer Richtung ausführt, daß eine die Oberfläche des zu prüfenden Materials (4) mit einem Wechselstrom magnetisierende und damit einen magnetischen Wechselfluß hervorrufende Vorrichtung (1,2) vorgesehen ist, daß ein Satz von zwei Hall-Generatoren (HG^, HG₂) in ein und derselben Ebene auf dem zu prüfenden Material (4) entlang einer Mittellinie des magnetischen Wechselflusses angeordnet ist, und daß die Hall-Generatoren (HG.., HGg) mit - ihren Ausgängen an eine eine Differenzbildung der jeweiligen Ausgangssignale der Hall-Generatoren (HG^, HG₂) vornehmende Schaltung (11 bis 14; 20) derart angeschlossen sind, daß in beiden Hall-Generatoren (HG^, HG₂) bei der Überprüfung erzeugte Störsignale sich aufheben.

2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hall-Generatoren (HG.,, HG₂) bezogen auf die Mittellinie des magnetischen Wechselflusses symmetrisch versetzt angeordnet sind.

INSPECTED

009836/0219

3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-

die

kennzeichnet, daß die/Wechselstrommagnetisierung vornehmende Torrichtung zwei Magnetpole (1,2) aufweist, deren jeder Magnetpol (1 bzw. 2) unter einem spitzen Winkel zu dem zu prüfenden Material (4) verläuft, so daß auf der Oberfläche des zu prüfenden Materials (4) ständig ein konzentrisch verlaufender magnetischer Wechselfluß erzeugbar ist.

4. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Hall-Generatoren (HG..,HG₂) Steuerströme mit gleicher Phasenlage und gleichem Stromwert abgebende Stromquellen (5»6) angeschlossen sind.

5. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Hall-Generatoren (HG^HG,,) Steuerströme mit zueinander entgegengesetzter Phasenlage aber gleichem Stromwert abgebende Stromquellen (5»6) angeschlossen sind.

6. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge der Hall-Generatoren (HG.., HG₂) zwei Vorverstärker (11,12) mit

-> weitgehend gleichen Kenndaten angeschlossen sind, deren Ausgänge derart zusammengefaßt sind, daß sich die in den Hall-Generatoren (HG^₁HG₂) erzeugten Störsignale aufheben.

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7. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Material (4) stets einem mit einer technischen Frequenz von weniger als 1000 Hz auftretenden magnetischen Wechselfeld vollkommen ausgesetzt ist.

009836/0219 oritimäi ·ι._β

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