DE1773501C3 - Wirbelstromsonde zur Fehlerprüfung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsonde zur Fehlerprüfung von Werkstücken aus elektrisch leitendem Material, bestehend aus einem Kern aus ferromagnetischem Material, einer Primärwicklungsanordnung lur Erregung des Kernes mit einem magnetischen Wechselfeld und zur Erzeugung von Wirbelströmen in den zu prüfenden Werkstücken sowie aus einer Sekundärwicklungsanordnung zum Empfang von Signalen, die durch von den Wirbelströmen, erzeugte Magnetfelder in der Sekundärwicklungsanordnung induziert werden, wrbei die dem Prüfteil zugewandte Seite des Kernes in mehrere Arme aufgeteilt ist, auf die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung aufgebracht sind.

Im Journal of Applied Physics, Bd. 13, Juni 1942, S. 377 bis 383, wird eine dem oben Gesagten entsprechende Wirbelstromsonde für die Prüfung von Punktschweißstellen beschrieben. Diese weist einen im wesentlichen C-förmigen Kern aus ferromagnetischem Material auf, dessen beide seitliche Arme mit Erregerwicklungen versehen sind, sowie einen zwischen den beiden Armen des ersten Kernes auf diesem aufsitzenden dünnen zweiten Kern, der eine Empfängerwicklung trägt Die beiden Erregerwicklungen sind so gepolt, daß die in der Empfängerwicklung induzierten Spannungen sich herausheben, solange den Polen des Kernes eine homogene Prüfieiloberfläche gegenübersteht. Die Empfindlichkeit einer solchen Sonde auf sehr kleine Oberflächeninhomogenitäten ist jedoch auf Grund ihres geometrischen Aufbaus nicht besonders groß. Ein

>° weiterer Nachteil der Sonde besteht darin, daß ein leichtes Verkanten der Sonde gegenüber der Prüfteiloberfläche sehr starke, die gesuchten Fehlersignale häufig überdeckende Störsignale in der Empfängerwicklung zur Folge hat. Von Nachteil ist auch, daß die

'5 Sonde sorgfältig abgeglichen sein muß.

Aus BE-PS 6 52 471 ist eine Wirbelstromsonde bekannt, die an ihrer Spitze eine 8-förmige Erregerwindung trägt und deren Empfängerwicklung sich in SoIenoidform an die Erregerwindung anschließt. Der zylindrische Spulenkörper kann aus ferromagnetischem Material sein. Ein Hauptnachteil dieser Sonde liegt darin begründet, daß wegen des offenen magnetischen Kreises die Feldstärke sehr schnell abnimmt mit zunehmendem Abstand von der Erregerwindung. Auch wenn

²S ein Stiftkern aus ferromagnetischem Material beim Aufbau dieser Sonde benutzt wird, fällt bereits bei einem Abstand von 1 mm zwischen Sondenspitze und Prüfteiloberfläche die Fehlerempfindlichkeit der Sonde auf einen kleinen Bruchteil ihres ursprünglichen Wertes ab. Auch wenn, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch erläutert wird, eine Ausregelung der abstandsbedingten Empfindlichkeitsänderung möglich ist, bleibt bei der vorstehend beschriebenen Sonde nur ein eingeschränkter Regelbereich übrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstromsonde der eingangs genannten Art zu schaffen, die Wirbelstromrückwirkungen eng benachbarter Bereiche einer "rüfteiloberfläche miteinander vergleicht, um bereits bei kleinen Oberflächeninhomogenitäten zu brauchbaren Signalamplituden zu gelangen. Ferner soll die Fehlerempfindlichkeit der Sonde mit zunehmendem Abstand nur relativ langsam abnehmen und die Entstehung von Störspannungen durch Abstandsänderung oder Verkanten der Sonde praktisch auf unbedeutende Werte beschränkt bleiben. Schließlich soll die Sonde einfach herzustellen sein. Abgleicharbeiten sollen möglichst weitgehend entfallen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem Prüfteil zugewandte Seite des aus einheitlichem Material gebildeten Kernes durch zwei Einschnitte in drei Hauptarme und der mittlere dieser Hauptarme durch einen weiteren, zu den beiden vorgenannten Einschnitten senkrecht verlaufenden Einschnitt in zwei Nebenarme geteilt werden, daß die beiden äußeren Hauptarme jeweils wenigstens eine Wicklung der Primärwicklungsanordnung tragen und daß die Sekundärwicklung in einer Anzahl 8-förmiger Einzelwindungen um die beiden Nebenarme geschlungen ist.

Mit einer derartigen Sonde lassen sich auch für kleine Fehler hohe Signalempfindlichkeiten realisieren. Die Wirbelstromerregung über die drei an die Prüfteiloberfläche herangeführten Hauptarme gewährleistet einen relativ großen Abstandsbereich mit brauchbarer Emp-

⁶S findlichkeit. Die Behandlung des Kernes durch Herstellung der Einschnitte ist einfach. Nur der Einschnitt des mittleren Hauptarmes benötigt eine etwas höhere Genauigkeit. Diese zahlt sich jedoch wieder aus, da auf

Grund der 8-förmigen Wicklungstechnik jeder weitere Abgleich der Empfängerwicklung überflüssig wird, wenn die Querschnitte der Nebenarme hinreichend gleich sind.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die beiden äußeren Hauptarme des Kernes auf der dem Prüfteil abgewandten Seite des Kernes als G^genarme fortzusetzen und mit Wicklungen zu versehen, die mit denen üer Hauptarme in Serie geschaltet sind. Aus diesen Wicklungen, die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Brücke geschaltet werden können, läßt sich dann eine Spannung gewinnen, die sich stark mit dem Abstand des Kernes von der Prüfteiloberfläche ändert und die zur Regelung der Signalspannung benutzt werden kann. Es gelingt auf diese Weise, in '5 einem relativ großen Abstandsbereich eine praktisch konstante Fehlerempfindlichkeit zu gewährleisten.

im folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren durch Beispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die perspektivische Ansicht einer Tast- ^2D spule mit einem Blockschaltbild eines Teiles des Prüfsystems;

F i g. 2 zeigt die perspektivische Ansicht einer weiteren Form der Tastsonde und einen Teil eines Prüfsysiems.

Die Sonde nach F i g. 1 besitzt eine Primärwicklung 91, welche an einen Oszillator 96 angeschlossen ist. Sie strahlt daher ein Magnetfeld von ihrer Fläch; ab und bewirkt, daß Wirbelströme innerhalb eines der Fläche gegenüberliegenden Werkstückes erzeugt werden. Die Sonde 90 besitzt weiterhin eine Sekundärwicklung 98. welche auf das von der Oberfläche des Werkstückes zurückgestrahlte Magnetfeld anspricht und dabei ein Sekundärsignal entsprechend den Eigenschaften des Werkstückes erzeugt.

Die Sekundärwicklung 98 ist an Vorrichtungen angeschlossen, welche auf das Sekundärsignal ansprechen und bewirken, daß die Eigenschaften des Werkstückes angezeigt werden. Die Sekundärwicklung 98 kann über einen Verstärker 100 an einen Demodulator, ein Differenzierglied, einen weiteren Verstärker, eine Meldevorrichtung und/oder einen Oszillographen in der bei Wirbelstromsystemen üblichen und hier nicht mehr dargestellten Weise angeschlossen werden. Kern 112 der Sonde 90 besteht aus einem geeigneten magnetischen Material, welches eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Der Kern 112 kann aus Ferrit bestehen. Der Kern 112 hat ein Rückenteil 114, einen mittleren Arm 116 sowie ein Paar äußere Arme 118,120 und ist von im wesentlichen E-förmiger Gestalt. Der mittlere Arm 116 ist durch einen Einschnitt 122 in zwei Teile aufgeteilt, so daß ein Paar von getrennten Nebenarmen 124 und 126 gebildet wird.

Die Sekundär- oder Tastspule 98 kann auf den mittleren Arm 116 gewickelt werden, um zwei getrennte Teilwicklungen 128 und 130 zu bilden, welche jeweils auf die Nebenarme 124 und 126 aufgesteckt werden. Obwohl zwei getrennte Spulen verwendet werden können, kann die Sekundärwicklung 98 auch in der Form von Achterwindungen gewickelt sein, wobei die beiden Teilwicklungen 128 und 130 genau gleich und einander entgegengerichtet sind. Diese Teilwicklungen 128 und 130 sind an den Verstärker 100 angeschlossen. Die Primärwicklung 91 kann um den ganzen Kern 112 herumgewickelt werden oder — wie in dieser Anordnung ^6s ausgeführt — zwei getrennte Teile 92 und 94 beinhalten, welche auf den zwei äußeren Armen 118 und 120 sitzen. Diese zwei Teilwicklungen 92 und 94 sind im gleichen Wicklungssinn gewickelt. Die Felder, welche von den Enden der Arme 118 und 120 abgestrahlt werden, sind daher in Phase und Richtung gleich. Infolgedessen sind die Feldlinien des magnetischen Flusses in der Gegend nahe dem mittleren Arm 116 im wesentlichen gradlinig und gleichmäßig verteilt, wo sie in das Werkstück eintreten. Das stellt sicher, daß die Wirbelströme, die im Werkstück in der Nähe der Sekundärwicklung 98 erzeugt werden, im wesentlichen gleichförmig sind.

Des weiteren bewirken die äußeren Arme 118 und 120 über eine erhebliche Entfernung von dem mittleren Arm 116 eine Bündelung des magnetischen Flusses. Daher wird die Flußdichte, die tatsächlich in das Werkstück eintritt, die Tendenz haben, im wesentlichen konstant zu bleiben, vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen dem Zentralarm 116 und dem Werkstück sich noch innerhalb des gebündelten Bereiches befindet. Dementsprechend ist der Abhebeeffekt bei diesem Sondentyp 90 erheblich reduziert.

Wenn die Sonde 90 sich einer Diskontinuität der Werkstücksoberfläche nähert, über sie hinwegläuft und sich von ihr entfernt, so werden Signale dem Verstärker lOO zugeführt, die zur Auflösung extrem kleiner Fehler führen. Da die Sonde 90 äußerst empfindlich auf Diskontinuitäten parallel zum Einschnitt 122 ist, so sollte die Sonde 90 mit dem Einschnitt 122 im allgemeinen parallel zu den am häufigsten vorkommenden Arten von Diskontinuitäten orientiert sein. Zu diesem Zweck kann — wie gezeigt — der Einschnitt 122 der Sonde 90 sich in Längsrichtung der Sonde 90 erstrecken, oder er kann um 90° gedreht werden, so daß er quer zur Sonde 90 verläuft.

Als Alternative kann eine Sonde nach F i g. 2 Verwendung finden. Diese Sonde 154 weist einen Kern 156 auf, welcher aus magnetischem Material wie z. B. Ferrit hergestellt ist und eine hohe magnetische Permeabilität hat. Der Kern besitzt einen Kernkörper 158, welcher eine Anzahl von Armen hat, die an dessen einander entgegengesetzten Seiten angebracht sind. Im vorliegenden Beispiel sind dies ein mittlerer Arm 160 oder 162 und ein Paar von äußeren Armen 164 bis 166 oder 168 bis 169 auf jeder Seite. Die Sonde 154 hat deshalb eine Doppei-E-Form, die einem Sondenpaar 90 ähnelt, welches Rücken zu Rücken zusammengesetzt wird. In der Tat kann ein Paar solcher Sonden 90 verwendet werden. Die Arme 160, 164 und 166 auf einer Seite der Sonde 154 bilden eine erste Stirnfläche, während die Arme 162,168 und 169 auf der anderen Seile eine zweite Stirnfläche bilden.

Eine Sekundär- oder Tastspule 170 wird um den mittleren Arm 160 herumgewickelt, der einen Teil der ersten Stirnfläche bildet. Dieser Arm 160 ist geschlitzt, und die Sekundärwicklung 170 ist in Form einzelner Achterwindungen im wesentlichen in Übereinstimmung mit der vorher beschriebenen Anordnung ausgeführt. Eine Primärw^:cklung 172 und 174 ist um die beiden äußeren Arme 164 und 166 gewickelt, welche den Rest der ersten Fläche bilden. Diese Primärwicklung 172 und 174 ist in einem getrennten Teil für jeden der Arme 164 und 166 aufgeteilt. In Übereinstimmung mit der Anordnung von F i g. 1 wird ein gebündeltes Feld von der ersten Fläche der Sonde 154 abgestrahlt. Die Primärwicklung 172, 174 ist an einen geeigneten Oszillator 176 zur Speisung der Primärwicklung und zur Erzeugung der Wirbelströme im Werkstück angeschlossen. Die Sekundärwicklung 170 ist an einem Verstärker 178 angekoppelt, welcher mit einem geeigneten zerstö-

-ungsfreien Prüfsystem, ähnlich dem vorher beschriesenen, verbunden sein kann. Die Verstärkung des Verstärkers 178 wird bestimmt durch die Größe des am Regeleingang 180 vorhandenen Signals. Somit ist die Amplitude des verstärkten Signals, welche am Ausgang 182 steht, eine Funktion von zwei Faktoren. Zunächst ist sie eine Funktion der Amplitude des Signals aus der Sekundär- oder Tastspule 170, welche durch die Größe der Wirbelströme bestimmt ist. Zum anderen ist sie eine Funktion des Signals am Regeleingang 180 des Verstärkers 178. Zusätzlich kann eine zweite Primärwicklung 184 bis 186 um die zwei äußeren Arme 168 und 169 auf die zweite Seite des Kernes 156 gewickelt werden. Diese Wicklung 184 bis 186 stimmt im wesentlichen mit der ersten Primärwicklung 172 bis 174 auf den Armen 164 bis 166 überein. Die Wicklung 184 bis 186 ist verbunden mit dem Oszillator 176, wobei sie ein zweites Magnetfeld erzeugt, welches von der zweiten Fläche abgestrahlt wird. Die Wicklungssätze der Primärwicklungen 172 bis 174 und 184 bis 186 werden an den Oszillator 176 angeschlossen, indem man ein Paar von Abgleichwiderständen 190 bis 192 verwendet, um eine Brückenschaltung herzustellen. Der Oszillator 176 ist mit einer Diagonale der Brücke verbunden, wobei die Anschlüsse an den gegenüberliegenden Enden der Widerstände 190 bis 192 die zweite Brückendiagonale 194 bilden. Es versteht sich, daß an Stelle einer Brükkenanordnung die zwei Wicklungssätze 172 bis 174 und 184 bis 186 auch in einer Differentialanordnung aufgebaut werden können, bei welcher der Oszillator beide speist, während sie in Serie gegeneinander geschaltet sind. Eine Regelspannung wird dann vor den Anschlüssen zwischen den Wicklungen gewonnen und dem Regeleingang 180 zugeführt.

Wenn der Kern 156 sich weit entfernt von irgendwelchen störenden Materialien befindet, so sind die Primärwicklungen 172 bis 174 und 184 bis 186 gegeneinander abgeglichen, und an der Brückendiagonale 194 wird keine Spannung stehen. Wenn jedoch die erste Fläche der Sonde sich dem Werkstück nähert, so wird der Primärwicklungssatz 172 bis 174 durch den Werkstoff des Prüfstückes beeinflußt, und der Scheinwiderstand verändert sich. Der Scheinwiderstand des zweiten Satzes

ίο von Primärwicklungen 184 bis 186 bleibt im wesentlichen unverändert. Infolgedessen kommt die Brücke aus dem Gleichgewicht, und ein Signal wird an der Brükkendiagonale 194 erzeugt. In dem Maße, wie die Sonde 154 sich der Oberfläche des Werkstücks nähert, nimmt die Beeinflussung der Primärwicklung 172 bis 174 zu, und die Größe des Signals wächst an, wobei ein ständig größer werdendes Signal erzeugt wird. Dieses Signal wird dem Kontrolleingang 180 des Verstärkers 178 zugeführt und verringert dessen Verstärkung, d. h., es be-

XO wirkt eine automatische Verstärkungsregelung.

Bei Abnahme des Abstandes zwischen der Stirnfläche der Sonde 154 und dem Werkstück wird die Sekundärwicklung 170 zunehmend empfindlicher gegenüber Feldern, welche von der Oberfläche des Werkstückes zurückgestrahlt werden. Durch eine geeignete Wahl der Komponenten kann das anwachsende Regelsignal so eingestellt werden, daß es die Verstärkung des Verstärkers 178 in gleichem Maß verringert, wie die Empfindlichkeit der Sonde 154 zunimmt. Als Folge dessen kann die Gesamtempfindlichkeit des Prüfsystems im wesentlichen konstant gehalten und praktisch unabhängig vom Abstand zwischen Sonde und Oberfläche gemacht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wirbelstromsonde zur Fehlerprüfung von Werkstücken aus elektrisch leitendem Material, bestehend aus einem Kern aus ferromagnetischem Material, einer Primärwicklungsanordnung zur Erregung des Kernes mit einem magnetischen Wech-.selfeld und zur Erzeugung von Wirbelströmen in den zu prüfenden Werkstücken sowie aus einer .Sekundärwicklungsanordnung zum Empfang von Signalen, die durch von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfelder in der Sekundärwicklungsanordnung induziert werden, wobei die dem Prüfteil zugewandte Seite des Kernes in mehrere Arme aufgeteilt ist, auf die Primär- und Sekundär-Wicklungsanordnung aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Prüfteil zugewandte Seite des aus einheitlichem Material gebildeten Kernes (112; 156) durch zwei Einschnitte in drei Hauptarme (116, 118, 120; 160, 164, 166) und der mittlere (tl6; 160) dieser Hauptarme durch einen weiteren, zu den beiden vorgenannten Einschnitten senkrecht verlaufenden Einschnitt (122), in zwei Nebenarme (124, 126) geteilt werden, daß die beiden äußeren Hauptarme (118, 120; 164, 166) jeweils wenigstens eine Wicklung (92, 94; 172, 174) der Primärwicklungsanordnung (91) tragen und daß die Sekundärwicklung (98; 170) in einer Anzahl 8-förmiger Einzelwindungen um die beiden Nebenarme geschlungen ist.

2. Wirbelstromsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Hauptarme (164,166) mit den Wicklungen (172,174) sich auf der dem Prüfteil abgewandten Seite des Kernes (156) als zwei Gegenarme (168,169), die beide wenigstens eine mit der Primärwicklungsanordnung in Serie geschaltete Wicklung (184, 186) zur Erzeugung eines abstandsabhängigen Signals tragen, fortsetzen.

3. Wirbelstromsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (172, 174) auf den beiden äußeren Hauptarmen (164, 166) und die Wicklungen (184, 186) auf den beiden Gegenarmen (168,169) Glieder einer Brückenschaltung bilden.