DE1912399A1

DE1912399A1 - Vorrichtung zur Ermittlung magneticher Diskontinuitaeten

Info

Publication number: DE1912399A1
Application number: DE19691912399
Authority: DE
Inventors: Joinson Alan Braid
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-03-13
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1969-10-09
Also published as: NL6903584A; FR2003787A1; US3609530A; GB1261346A

Description

PATENTANWALT

DlPL-ING. ERICH SCHUBERT Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen

1912399 Postscheckkonten:

Köln 104931, Essen 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhgusen (RhId )

Postfach 325

69 047 Fl/Sohm

11. Mä±z 1969

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 12306/68 vom 13. März 1968 beansprucht.

Vorrichtung zur Ermittlung magnetischer Diskontinuitäten

"Background" der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Ermittlungsvorrichtungen oder Detektorgeräte für die Ermittlung von magnetischen Unstetigkeiten oder Diskontinuitäten /magnetic discontinuities/, Diese Technik eignet sich für das" Ermitteln von Rissen in Materialien wie beispielsweise Stahl, und sie kann auch verwendet werden als ein sehr genaues Verfahren zum Zählen der Anzahl von Platten in einem Stapel von Preßlingen," und zwar auch dann, wenn die Ränder ziemlich stark deformiert sind.

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Bekanntlich ist eine Halleffekt-Vorrichtung oder "'" ein (Halleffekt-)Kristall ein gerades rechteckiges Prisma aus Halbleitermaterial, in welchem ein Strom I, der in Richtung ζ bei Vorhandensein eines magnetischen Feldes B in Richtung y fließt, bewirkt, daß eine Spannung V zwischen den übrigen Flächen des Prismas erzeugt wird, d.h. in Richtung x.

Diese Spannung ist sowohl dem Strom als auch dem magnetischen Feld proportional. Halleffekt-Kristalle sind als Detektor-Vorrichtungen zum Ermitteln magnetischer Diskontinuität verwendet worden, bei welchen sie dazu benutzt werden können, das Oberflächenstreufeld zu ermitteln. Es ist außerdem vorgeschlagen worden, andere Vorrichtungen für das Ermitteln dieses Feldes zu verwenden.

Es ist theoretisch möglich, das magnetisierende Feld mit Hilfe eines Dauermagneten, vorzugsweise von Hufeisenform, zu erzeugen, aber leider werden Variationen im induzierten Feld durch Wechsel oder Veränderungen im effektiven Spalt zwischen den Polen des Dauermagneten und des Prüflings hervorgerufen? dies trifft jedoch nicht für den Fall zu, bei welchem das gesamte Material im ganzen magnetisiert wird, aber auf der anderen Seite ist die Verwendung eines kleinen Magneten sehr erwünscht, um ein tragbares Probestück /probe/ zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung für das Ermitteln magnetischer Diskontimii-tät geschaffen, die sich zusammensetzt aus magnetischen Mitteln für das Induzieren von Magnetismus in einem Prüfling oder Probe- bzw. Formstück, aus Kontrollmitteln, die vorzugsweise einen Halleffekt-Kristall aufweisen, der auf Veränderungen im Magnetfluß im Flußweg zwischen den magnetischen Mitteln und dem Formstück anspricht,

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aus Signalerzeugungseinrichtungen, die auf den induzierten Magnetismus im Formstück ansprechen, und aus Verstärkereinrichtungen für das Verstärken des Signals von den Signalerzeugungseinrichtungen her, wobei die effektive Verstärkung bzw. der Verstärkungsfaktor oder Durchgriff /gain/ solcher Verstärkereinrichtungen durch die Kontrolleinrichtungen kontrolliert wird. Vorzugsweise weisen die magnetischen Mittel einen Hufeisenmagnet auf.

Es sei darauf hingewiesen, daß, da der Halleffekt-Kristall im Flußweg lokalisiert ist, er die Veränderungen im Streufeld aufgrund von Änderungen im effektiven Spalt zwischen den Magnetpolen und dem Formstück wahrnimmt bzw. ermittelt, und infolge der Eigenschaften dieses Kristalls wird die effektive Verstärkung des Verstärkers in einer solchen Weise bewirkt bzw. eingeregelt, daß der Effekt der Spaltveränderungen aufgehoben wird. In der Praxis kann der Halleffekt-Kristall angrenzend an den einen Pol des Magneten vorgesehen werden, und ein geeigneter Abstandhalter kann angrenzend an den anderen Pol angeordnet werden. Der Magnet ist zweckmäßigerweise ein Dauermagnet.

Bei einer Anordnung weisen die Signalerzeugungsmittel einen magnetischen Bandaufzeichnungskopf auf, welcher relativ

zum Formstück oder Prüfling bewegt wird und ein Signal erzeugt, welches eimMeßgröße des indzierten Magnetismus ist.

Alternativ können die Signalerzeugungsmittel eine fixierte Signalquelle und eine Sondeneinheit aufweisen, die aus einem weiteren Halleffekt-Kristall besteht.

Vorzugsweise weist in diesem letzteren Fall und wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, die Prüflingsoder Sondeneinheit ein Bündel von drei Halleffekt-Kristallen auf, die so vorgesehen sind, daß der Magnetfluß vom Formstück

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her durch sämtliche Kristalle hindurch geleitet wird, wobei der Ausgang von der Sonde her gleich der Summe der Signale von den beiden Außenkristallen abzüglich des Zweifachen des Signals vom zentralen Kristall bzw. Mittelkristall her ist· Durch diese Anordnung wird erhöhte Discrimination gegen ungewünschte Signale erreicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Um die Erfindung deutlich zum Ausdruck zu bringen, werden nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung einige Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben, und zwar zeigt . .

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gruppierung der Abfühleinrichtung, -

Fig. 2 einen Stromlaufplan,

Fig. 3 einen modifizierten Stromlauf plan, während die

Fign. 4, 5 und 6 Diagramme zeigen, die mit der Vorrichtung erreicht wurden. *

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, aus welcher ersichtlich ist, daß ein Hufeisenmagnet 1, welcher Pole Ii und S aufweist, angrenzend an ein Formstück 2 angeordnet ist, um darin ein magnetisches Feld B zu induzieren. Zwischen dem N-PoI des Magneten 1 und dem Formstück 2 befindet sich ein Halleffekt-Kristall 3, während sich zwischen dem anderen Pol und dem Formstück ein Abstandhalter 4 ähnlicher Dimensionen befindet. Zwischen den Polen ist eine Sonde 5 angeordnet.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung besteht die Sonde 5 aus einem magnetischen Bandaufzeichnungskopf, und ein Stromkreis bzw. eire Schaltung, ähnlich der in Fig. 2 dargestellten, kann verwendet werden. Da die Anordnung relativ

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zum Formstück bewegt wird, erzeugt der Bandkopf 5 ein Signal, das einem Verstärker 6 und von dort einer Ausgangsklemme bzw. einem Ausgangspunkt 7 übermittelt wird. Ein Teil des Signals vom Verstärker 6 her wird dem Halleffekt-Kristall 3 über Widerstände 8 und 9 übermittelt. Die Spannung, die über den Halleffekt-Kristall hinweg entsteht, wird über einen Resistor 10, der dem Gleichstromwiderstand des Bandkopfes 5 gleich ist, übermittelt, um die Verstärkung des Verstärkers 6 durch negative Rückkopplung zu beeinflussen. Der Halleffekt-Kristall 3 wird durch einen variablen Resistor 10a vorgespannt, welcher zwischen dem Ausgang des Verstärkers 6 und Erde angeschlossen ist, um kleine Vorrichtungsfehler auszugleichen.

Wenn auf der anderen Seite die Sonde 5 ein weiterer Halleffekt-Kristall ist, ist eine Schaltung ähnlich der in Fig. 3 dargestellten geeignet. Bei dieser Schaltung speist eine Signalquelle Vs einen Verstärker 6, ähnlich dem Verstärker der Figo 2, und der Halleffektkristall-Kompensator 3 ist in einer ähnlichen Weise angeschlossen. An Stelle des Signalausgangs 7 der Fig» 2 ist ein weiterer Verstärker 11 vorhanden, welcher den Strom für den Sondenkristall 5 liefert, wobei der Ausgang dieses Kristalls nach einem weiteren Verstärker 12 übermittelt wird.

Für jeden beliebigen Halleffekt —Kristall besteht die Gleichung:

V_H = k I_H B (1)

und diese Gleichung kann wie folgt umgestellt werden·:

R = -ä = kB (2)

H I_H

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■ - 6 -

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 sollte der Verstärker 6 die folgenden Charakteristiken aufweisen:

Polglich:

worin I = Stromausgang,

Vg = Signalspannungseingang,

g = Vorwärtstranskonduktanz /forward transconductance/,

Wenn die Vorwärtstranskonduktanz dieses Verstärkers sehr hoch gewählt wird, dann kann der Ausdruck 1 in Bezug

.Sm

auf Rtt ignoriert werden, was die folgende Gleichung ergibt:

tt

VV

^s - ³
R_H " kB

Falls dieser Strom, nach Verstärkung wie im Verstärker erforderlich, jetzt dem Halleffekt-Kristall 5 in der Sonde, übermittelt wird, ist der Ausgang der Sonde

V_d = k'I.B¹ von (I)- (6)

worin V^ das Fehlsignal /defect signal/, K¹ die Hall-Konstante und
B¹ das Streufeld ist.

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f r ■•«rift ft -ft

Gleichung 6 kann umgeschrieben werden:

^Vs · "TT

Es ist zu erkennen, daß das Fehlsignal nicht von der Magnetisierung abhängig ist,.da erwartet werden kann, daß B und B¹ in Sympathie mit den meisten Änderungen im Spalt variieren wird.

Aue Fig. 4, auf welche nunmehr Bezug genommen wird, geht hervor, daß die tangentialkomponente des Streufeldes (welche diejenige Komponente ist, die ermittelt wird) langsam über den Defekt wechselt, der als Riß bei 13 dargestellt ist. Dies macht es schwierig, die präzise Stelle des Defektes zu ermitteln. Wenn auf der anderen Seite — und wie in Pig. dargestellt — der Tangentialfeldgradient oder die Rate des, Wechsels des tangentialen Feldes gemessen wird, statt das tangentiale Feld zu messen, ist ein viel rapiderer Wechsel über den Defekt 13 vorhanden, welcher eine präzise Lokalisierung ermöglicht. Der Nachteil dieser Form der Messung besteht darin, daß der Signalausgang schwer zu überwachen oder erkennbar ist, und es kann sein, daß die Bedienungsperson mehrere Prüfungen über den Bereich hinweg vornehmen muß, um sicherzugehen bzw. sich zu tiberzeugen.

Wenn daher der Gradient der Kurve der Fig. 5 oder die zweite Abgeleitete der Kurve der Fig. 4 aufgetragen wird, wie in Fig. 6 dargestellt, wird ein einzelner negativer Ausschlag erzeugt, der sich über die Länge des Defektes erstreckt. Diese Art von Signal eignet sich für automatische Interpretation, und ein Signallicht kann vorgesehen werden für die Erregung, wenn der Ausschlag die Bezugslinie 14 quert.

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Die verschiedenen Differenzierungsverfahren können
zweckmäßigerweise durch Bubtraktion angrenzender Feldstärkeablesungen bewerksteiltigt werden, und in diesem Zusammenhang hat die physikalische Anordnung des Halleffekt-Kristalls
beträchtliche Vorteile. Die tatsächliche Dicke eines solchen Kristalls in der Richtung y ist in der Größenordnung von
0,001" (0,025 mm) und somit können drei solcher Platten in
Kontakt mit ihren Flächen senkrecht zur Richtung y zusammengebracht werden, so daß das magnetische Feld durch alle Kristalle hindurch verläuft, und diese Anordnung kann verwendet werden,

um ·*«—tA bei einem lokalisierten Punkt der Größenordnung

von 0,005" (0,127 mm) zu messen. Somit haben wir in der
Anordnung, wo drei solcher Kristalle vorhanden sind und wenn man Fig. 2 in Betracht zieht, die Bezeichnung

²H J

* (γ -γ)- (γ - T_H ) (8)

% ^H2 ' ^H2 ^H3

wobei Vj, die Ausgangsspannung vom Hallkristall H her ist„ η

Die Gleichung (8) kann umgewandelt werden in:

·
~ V_H + V_F - 2V_n (9)

^{H H H}

_H + V_F - 2V_n
2 ^Hl ^H3 ^H2

Die arithmetische Addition kann zweckmäßigerweise
beim Eingang nach dem Verstärker 12 vorgenommen werden, wenn man bedenkt, daß die Bezeichnung -Vt₃- erreicht werden kann

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.durch Umkehrung des Stromeingangs nach dein zweiten Kristall H₂ hin.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Einzelheiten der voraufgeführten Ausführungsbeispiele. Beispielsweise braucht die Verstärkung des Verstärkers 6 nicht unbedingt durch einen Halleffekt-Kristall kontrolliert zu werden, sondern kann durch andere geeignete Mittel kontrolliert werden, die auf Wechsel im Magnetfluß im Flußweg zwischen dem Magnet 1 und dem Formstück 2 ansprechen. Beispielsweise kann ein Magnetoresistor anstelle des Halleffekt-Kristalls verwendet werden. Ein Magnetoresistor hat einen Widerstand, ungefähr dem aufgebrachten Magnetfeld proportional, innerhalb eines Bereiches magnetischer Felder. Wenn man einen Magnetoresistor anstelle des Hallkristalls 3 der Fig. 2 verwendet, wird der Magnetoresistor zwischen Erde und dem einen Eingang des Verstärkers 6 angeschlossen, mit einem Fehlerkompensierungswiderstand, der in einem Äückkopplungsweg angeschlossen ist, und der Kopf 5 wird zwischen Erde und dem anderen Eingang nach dem Verstärker 6 angeochlossen.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANWALT _

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT ^{10 Telefom(0271)32409}

Telegramm-Adr.: Patschub, Sicgtn

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Köln 106931, Essen 20362

Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfach 325

69 04-7 ?!/A 11. 3. 1969

Patentansprüche

( 1.) Magnetische Diskontinuitäts-Ermittlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich zusammensetzt aus magnetischen Mitteln für das Induzieren von Magnetismus in ein Formstück oder Prüfling, aus Kontrollmitteln, die auf Wechsel oder Änderungen im Magnetfluß im Flußweg zwischen den Magnetmitteln und dem Formstück ansprechen, aus Signalerzeugungseinrichtungen, die auf den induzierten Magnetismus im Formstücke oder Prüfling ansprechen, und aus Verstärkereinrichtungen für das Verstärken des Signals von den Signalerzeugungseinrichtungen her, wobei die effektive Verstärkung solcher Verstärkereinrichtungen durch die genannten Kontrollmittel eingeregelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollmittel einen Halleffekt-Kristall aufweisen, der im Flußweg zwischen den Magnetmitteln und dem Formstück lokalisiert ist,
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetmittel einen Magnet der Hufeisen-Art , aufweisen. ' . : ■
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollmittel, welche die Variationen im Streu-

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magnetfeld auf Grund der Wechsel im effektiven Spalt zwischen den Magnetpolen und dem Formstück fühlen, ertasten oder ermitteln, so angeordnet sind, daß sie die effektive Verstärkung des Verstärkers kontrollieren, um so den Effekt der Spaltvariationen aufzuheben.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, abhängig von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halleffekt-Kristall an den einen Pol des Magneten angrenzt und ein Abstandhalter angrenzend an den anderen Pol lokalisiert ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung aus einem Dauermagnet besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung einen magnetischen Bandaufzeichnungskopf aufweist, der relativ zum Formstück bewegt wird und ein Signal erzeugt, welches eine Messung des induzierten Magnetismus ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung eine fixierte Signalquell e aufweist und eine Sondeneinheit, die aus einem weiteren Halleffekt-Kristall besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondeneinheit ein Bündel aus drei Halleffekt-Kristallen aufweist, die so vorgesehen sind, daß der Magnetfluß vom Probestück her durch alle Kristalle hindurch verläuft, wobei der Ausgang von der Sonde her die Summe der Signale von den beiden Außenkristallen jier abzüglich zweimal das Signal vom Mittelkristall her ist.

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