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Die
Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Induktionsprüfgerät und insbesondere
ein Gerät
zum Prüfen
von Bedingungen wie innere Defekte eines Probestücks, indem eine Änderung
der elektromagnetischen Induktion gemessen wird, die durch Einsetzen
des Probestücks
in ein elektromagnetisches Feld verursacht wird.
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Es
sind elektromagnetische Induktionsprüfgeräte bekannt, bei denen ein elektromagnetischer,
in einem elektromagnetischen Feld induzierter Induktionsstrom gemessen
wird, um ein leitendes Probestück
zu prüfen.
Da das leitende Probestück
im elektromagnetischen Feld einen Wirbelstrom erzeugt, ändert sich
der im elektromagnetischen Feld induzierte Induktionsstrom. Durch
Messen der Induktionsstromänderung
können daher
Zustände
wie das Material, Defekte und Abmessungen des Probestücks erkannt
werden. Diese Prüfgeräte werden
in weitem Umfang benutzt.
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Aus
der
US 4 881 031 ist
ein elektromagnetisches Induktionsprüfgerät mit einem Oszillator zum
Erzeugen eines Wechselstroms, einer elektromagnetischen Induktionssensoreinheit
mit einer Erregerspule zum Erzeugen von elektromagnetischen Feldern
bei Aufbringen des Wechselstroms und mit Induktionsspulen, die in
den von den Erregerspulen erzeugten elektromagnetischen Feldern
angeordnet sind, um Induktionsströme zu induzieren bekannt, wobei
die Induktionsspulen in einer entgegengesetzten Phasenbeziehung
verbunden sind, um zu ermöglichen,
dass sich die induzierten Induktionsströme, bspw. ohne Prüfobjekt,
einander aufheben, um einen Differentialstrom zwischen den Induktionsströmen mit
Phasen- und Amplitudenkomponenten abzuleiten, und eine Signalprozessor
zum Erfassen der Phasen des Differentialstroms, der von der Sensoreinheit
zugeführt
wird, um ein zusammengesetztes Signal auszugeben, wobei der Differentialstrom,
der sich mit den Zuständen
des Prüfobjekts ändert, das
in einem der von den Erregerspulen erzeugten elektromagnetischen
Feldern angeordnet wird, im Signalprozessor analysiert wird, um
die Zustände
des Prüfobjekts
zu identifizieren.
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Die
US 4 799 010 zeigt eine
Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächenfehlern metallurgischer
Produkte mittels Wirbelströmen,
mit einem ersten Sender zum Erzeugen eines Magnetfeldes nahe der
Oberfläche eines
zu überprüfenden Produktes,
und mit einem ersten, vom ersten Sender verschiedenen Empfänger zum Auffangen
eines allfällige
Störungen
der Wirbelströme
an der Oberfläche
des Produktes auf Grund vorhandener Fehler dieser Oberfläche übermittelnden
Signals, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Empfänger bezüglich des
ersten Senders einerseits derart angeordnet ist, dass er mit dem
ersten Sender in einer Richtung ausgerichtet ist, die der allgemeinen
Ausrichtung der festzustellenden Fehler der Oberfläche eines
metallurgischen Halbfabrikates entspricht, und anderseits in einer
derart ausreichenden Entfernung von dem ersten Sender, dass der
erste Empfänger
von dem vom ersten Sender erzeugten Magnetfeld direkt nicht beeinflusst
ist, so lange die Oberfläche
des überprüften Halbfabrikates
von Fehlern frei ist, so dass vom ersten Empfänger nur im Falle der Ablenkung
der Wirbelströme
in Richtung des Empfängers
auf Grund einer Unregelmäßigkeit der
Oberfläche
des Halbfabrikates ein signifikantes Signal aufgefangen wird.
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Die
US 3 478 263 zeigt eine
Wirbelstromtestvorrichtung zur Bestimmung der Charakteristik eines
Prüfkörpers umfassend:
Eine elektrische Energiequelle die ein Signal von vorgegebener.
Frequenz zur Verfügung stellt,
und Testspulen, welche wenigstens eine Spule umfassen, die mit der
Energiequelle verbunden ist, um ein magnetisches Feld der vorgegebenen
Frequenz zu erzeugen. Dabei enthalten die Testspulen weiterhin eine
zweite Spule, um ein magnetisches Feld aufzunehmen, das von der
Störung
des angelegten magnetischen Feldes durch Wirbelströme erzeugt
wird, wenn ein Prüfkörper in
das Feld eingeführt
wird und um ein Testsignal zu erzeugen, welches sich in Abhängigkeit
der Veränderung
des gesamten Feldes verändert.
Dieses Testsignal hat Variationen in der Phase und Variationen in
der Amplitude, welche zu den Unterschieden zwischen den Testkörpern in
Beziehung stehen. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus einen ersten Schaltkreis
der das Testsignal aufnimmt und ein erstes Ausgabesignal erzeugt,
dessen Amplitude in Übereinstimmung
mit der Spitzenamplitude des Testsignals variiert, einen zweiten
Schaltkreis der auf das Testsignal reagiert und ein zweites Ausgangssignal
erzeugt, dessen Amplitude in Übereinstimmung
mit der Phase des Testsignals variiert, und ein Ausgangsschaltkreis,
der auf wenigstens eines der beiden Ausgangssignale reagiert, um
ein Signal zur Verfügung
zu stellen, dass die Differenzen in den Charakteristiken der verschiedenen
getesteten Prüfkörper repräsentiert.
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Wie
beispielsweise aus 1 ersichtlich,
weist das übliche
elektromagnetische Induktionsprüfgerät im allgemeinen
einen Oszillator 1 zum Erzeugen eines Wechselstroms auf,
einen Sensor 2 mit einer Erregerspule 2a zum Erzeugen
eines elektromagnetischen Feldes F bei Aufbringen des Wechselstroms,
und eine Induktionsspule 2b, in der ein Induktionsstrom
im elektromagnetischen Feld F induziert wird, eine Balanceschaltung 3 wie
eine Brückenschaltung
zum Erfassen von Änderungen
des Induktionsstroms, einen Verstärker 4 zum Verstärken eines
Signals, das die Änderung
des Induktionsstroms repräsentiert,
einen Synchrondetektor 5 zum Erfassen eines Signals mit
einem spezifischen Phasenwinkel, einen Phasenverschieber 6 zum
Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der Erregerspule 2a und
der Induktionsspule 2b, und ein Display 7 wie
ein Oszilloskop, wobei Instruktionen gemessen werden, und einen
Datenrekorder.
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Wird
ein leitendes Probestück
S im elektromagnetischen Feld F plaziert, das durch Aufbringen des Wechselstroms
vom Oszillator 1 auf die Erregerspule 2a des Sensors 2 erzeugt
wird, wird ein Wirbelstrom durch das leitende Probestück S erzeugt
und durch die Induktionsspule 2b erfaßt. Als Ergebnis der Wirbelstromerzeugung ändert sich
der durch die Induktionsspule 2b induzierte Induktionsstrom.
Die Induktionsstromänderungen
werden durch die Balanceschaltung 3 erfaßt, um ein
elektrisches Potentialsignal auszugeben, das die Induktionsstromänderungen
repräsentiert.
Das elektrische Potentialsignal wird vom Verstärker 4 verstärkt und
zum Synchrondetektor 5 geleitet. Zur selben Zeit wird ein
Phasensignal mit einer spezifischen Phase, die vom Phasenverschieber 6 zum
Ausschalten von Rauschen bestimmt wird, zum Synchrondetektor 5 geleitet.
Infolgedessen werden Informationssignale, die Zustände wie
Defekte, die Materialqualität und
Abmessungen des Probestücks
zeigen, vom Synchrondetektor 5 abgeleitet und dem Display 7 zugeführt.
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Der
vom Probestück
S erzeugte Wirbelstrom fließt
meistens entlang der Oberfläche
des Probestücks und
verringert sich mit fortschreitender Tiefe. Das Prüfgerät dieser
Art ist daher lediglich zur Erfassung von Oberflächendefekten und – dimensionen
des Probestücks
geeignet. Das übliche
Prüfgerät hat jedoch
die Nachteile, daß interne
Defekte insbesondere in der Tiefe des Probestücks nur schwierig erfaßt werden
können, und
kann keine genaue Prüfleistung
liefern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit dem üblichen
Prüfgerät verbundenen
Nachteile zu beseitigen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes elektromagnetisches
Induktionsprüfgerät zu schaffen,
das eine genauere Prüfleistung
liefert und insbesondere nicht nur Oberflächendefekte sondern auch innere
Defekte in der Tiefe des Probestücks
mit einer sehr hohen Genauigkeit erfaßt.
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Um
die vorstehend beschriebenen Ziele erfindungsgemäß zu erreichen, ist ein elektromagnetisches Induktionsprüfgerät vorgesehen,
das einen Oszillator zum Erzeugen eines Wechselstroms aufweist,
eine elektromagnetische Induktionssensoreinheit mit Erregerspulen
zum Erzeugen von elektromagnetischen Feldern, und Induktionsspulen
zum Induzieren von Induktionsströmen,
wobei die Induktionsspulen mit einer entgegengesetzten Phasenbeziehung
verbunden sind, so daß die
induzierten Induktionsströme
einander aufheben können,
um einen Differentialstrom zwischen den Induktionsströmen auszugeben,
und einen Signalprozessor zum Erfassen der Phase und Amplitude des
Differentialstroms von der Sensoreinheit, um ein zusammengesetztes Signal
auszugeben, das aus der Phase und Amplitude des Differentialstroms
besteht.
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Der
Signalprozessor enthält
einen Amplitudendetektor zum Erfassen der Amplitude des DifferentialstromsL einen Phasendetektor zum Erfassen der Phase
des Differential-stroms, und eine Schaltung zum Synthetisieren der
Amplituden- und Phasensignale, die von den Amplituden- und Phasendetektoren
ausgegeben werden, um ein zusammengesetztes Signal zu erzeugen.
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Die
Phase und Amplitude des Differentialstroms ändern sich nicht nur mit der
Frequenz des Wechselstroms, der auf den Erregerstrom aufgebraucht
wird, sondern auch mit verschiedenen Bedingungen eines leitenden
Probestücks,
das in das von den Erregerspulen erzeugte elektromagnetische Feld
gestellt wird. Durch Analysieren des zusammengesetzten Signals der
Phase und Amplitude des Differentialstroms können Zustände wie innere Defekte im leitenden
Probestück
genau erkannt werden.
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Das
zusammengesetzte Signal wird in einer Wellenform ausgegeben und
auf einer Anzeigeeinheit angezeigt, um die Analyse der Zustände des
Probestücks
zu erleichtern.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 ein
Blockschaubild eines üblichen
elektromagnetischen Induktionsprüfgeräts;
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2 ein
Blockschaubild einer Ausführungsform
eines elektromagnetischen Induktionsprüfgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3A ein
schematisches Schaltbild einer Sensoreinheit im erfindungsgemäßen Prüfgerät;
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3B ein
schematisches Schaltbild einer modifizierten Form der Sensoreinheit
im erfindungsgemäßen Prüfgerät;
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4 ein
Blockschaubild einer Phasen-/Amplitudenerfassungs- und -Zusammenstellungseinheit
im erfindungsgemäßen Prüfgerät;
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5 eine
charakteristische graphische Darstellung der Amplituden- und Phasencharakteristiken
der Probestücke
beim Test; und
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6A bis 6D Wellenformen
der Amplituden- und Phasendaten, die im Experiment unter Verwendung
des erfindungsgemäßen Prüfgeräts erhalten
wurden.
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Das
Prüfgerät gemäß der vorliegenden
Erfindung fällt
unter den Typ eines elektromagnetischen Induktionswirbelstromgeräts, in welchem
die Intensität
eines elektromagnetischen Feldes in der Form der Amplitude gemessen
wird, die zur Impedanz äquivalent
ist, und Rauschen wird durch Einstellen der Phase eines Induktionsstroms
ausgeschaltet. Die Änderung
des elektromagnetischen Feldes wird durch die Permeabilität (Phase)
und Impedanz (Amplitude) eines elektrischen Leiters gemessen. Die
Permeabilität
kann der Amplitude des Induktionsstroms entsprechen, und die Impedanz
kann der Phase desselben entsprechen. Gemäß der Maxwell'schen Feldgleichungen
können,
wenn ein leitender Gegenstand in ein elektromagnetisches Feld gestellt wird,
drei Arten von elektrischen Signalen erhalten werden, welche die
Festzustandeigenschaften des Gegenstands (spezifischer Widerstand,
magnetische Permeabilität
und die Elektrizitätskonstante)
angeben. Um die elektrischen Signale zu erhalten, welche den spezifischen
Widerstand und die magnetische Permeabilität repräsentieren, ist es insbesondere
erforderlich, die Frequenz des Erregerstroms einzustellen, um das
elektromagnetische Feld zu erzeugen und die Amplitude und Phase
des Induktionsstroms zu messen.
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Da
der statische magnetische Fluß und
der alternierende magnetische Fluß leitendes Material wie Metall
durchdringen, können
die Zustände
und Eigenschaften eines leitenden Probestücks, das in dem von einem Wechselstrom
erzeugten elektromagnetischen Feld plaziert wird, durch Messen der
Intensitätsänderung
des elektromagnetischen Felds erkannt werden. Die vorliegende Erfindung
macht zusätzlich
zu derartigen elektrischen Eigenschaften von einem Phänomen Gebrauch,
daß der
alternierende magnetische Fluß von
der Frequenz des Wechselstroms abhängt, der zum Erzeugen des elektromagnetischen
Felds aufgebraucht wird. Das bedeutet, daß die Frequenz des Wechselstroms
zum Erzeugen des elektromagnetischen Felds bei der vorliegenden
Erfindung eingestellt wird.
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Die
erste Ausführungsform
dieser Erfindung umfaßt
das Ausbilden von wechselnden elektromagnetischen Feldern mit gleicher
Magnetkraft mittels eines Wechselstroms, der eine eingestellte Frequenz
hat, das Hineinstellen eines leitenden Probestücks in eines der elektromagnetischen
Felder, das Messen eines Induktionsstroms oder einer Induktionsspannung,
der (die) elektromagnetisch durch die elektromagnetischen Felder induziert
wird, um ein elektrisches Signal zu erhalten, das die Intensitätsänderung
repräsentiert,
die durch das Hineinstellen des Probestücks in das elektromagnetische
Feld verursacht wird, und das Identifizieren der magnetischen Permeabilität und des
spezifischen Widerstands des Probestücks aus dem elektrischen Signal.
Die sich ergebenden Daten, die als Resultat des Auffindens der magnetischen
Permeabilität
und des spezifischen Widerstandes erhalten werden, werden angezeigt.
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Konkret
umfaßt,
wie in 2 dargestellt, das erfindungsgemäße elektromagnetische
Induktionsprüfgerät eine elektromagnetische
Induktionssensoreinheit 10 zum Erfassen des Induktionsstroms
oder der Induktionsspannung, der (die) elektromagnetisch induziert
werden, um ein Induktionssignal auszugeben, einen Signalprozessor 20 zum
Erfassen der Phase und Amplitude des Induktions Signals, das von
der Sensoreinheit 10 zugeführt wird, um ein zusammengesetztes
Signal zu erhalten, das aus der Phase und Amplitude des Induktionssignals
zusammengesetzt ist, eine Anzeigeeinheit 30 zum Anzeigen
der Phase und Amplitude, welche die Eigenschaften des leitenden
Probestücks
angeben, und eine äußere Vorrichtung 40,
in welcher Daten wie die Phase und Amplitude des Induktionssignals
vom Signalprozessor 20 verarbeitet und in einem magnetischen
Speichermedium wie einem magnetischen Speicherband, einer magnetischen
Aufzeichnungsscheibe und einer MO-Disk zu speichern.
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Die
vorerwähnte
Sensoreinheit 10 umfaßt
einen ersten Sensor 11 und einen zweiten Sensor 12.
Wie in den 3A und 3B gezeigt,
weist der erste Sensor 11 eine Erregerspule 111 auf,
um ein wechselndes elektromagne tisches Feld mit Aufbringen eines
Wechselstroms zu schaffen, und eine Induktionsspule 112, durch
die ein Induktionsstrom v1 geschaffen wird, der proportional zur
Intensität
des elektromagnetischen Feldes ist, das von der Erregerspule 111 erzeugt
wird. Der zweite Sensor 12 hat eine Erregerspule 121 und
eine Induktionsspule 122, die aufbau- und funtionsmäßig ähnlich zur
Erreger- und Induktionsspule im ersten Sensor 11 sind,
um einen Induktionsstrom v2 zu induzieren.
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Die
Induktionsspulen 112 und 122 sind in entgegengesetzter
Phasenbeziehung verbunden, wie in 3A gezeigt.
Das heißt,
daß da
die Induktionsspulen 112 und 122 in gleicher Richtung
gewickelt sind, die vorderen Anschlüsse 112a und 122a der
Spulen 112 und 122 mit dem Signalprozessor 20 verbunden
sind, und die hinteren Anschlüsse 112b und 122b miteinander
verbunden sind, wie dargestellt. Daher sind die Induktionsströme v1 und
v2, die von den Induktionsspulen 112 und 122 induziert
werden, welche in einer entgegengesetzten Phasenbeziehung verbunden
sind, im wesentlichen einer Subtraktion ausgesetzt, wie gleichwertig durch
die gepunkteten Pfeile in 3A angegeben
wird, wodurch infolgedessen ein Differentialstrom δv erzeugt
wird.
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Sind
andererseits die Induktionsspulen 112 und 122 in
entgegengesetzten Richtungen zueinander gewickelt, wie in 3B gezeigt,
können
sie derart angeordnet werden, daß der vordere Anschluß 112a der
ersten Spule 112 und der Endanschluß 122b der zweiten
Spule 122 mit dem Signalprozessor 20 verbunden
sind, und der hintere Anschluß 112b der
ersten Spule 112 und der vordere Anschluß 122a der
zweiten Spule 122 miteinander verbunden sind, wie dargestellt.
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In 3B ist
durch die gepunkteten Pfeile die äquivalente Schaltung dargestellt,
durch die die Induktionsströme
v1 und v2 von den Induktionsspulen 112 und 122,
die in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, einander aufheben,
wodurch ein Differentialstrom 8v erzeugt wird. Die in den 3A und 3B gezeigten
Schaltungen sind daher zueinander im wesentlichen gleichwertig.
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Die
Induktionsspulen 112 und 122 sind mit einem Verstärker 22 im
Signalprozessor 20 verbunden.
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Befindet
sich kein leitendes Probestück
in den elektromagnetischen Feldern, die von den Erregerspulen 111 und 121 erzeugt
werden, werden die von den Induktionsspulen 121 und 122 ausgegebenen
Induktionsströme
derart ausgeglichen, daß ein
Differentialstrom (oder Spannung) als Ausgabe vom zweiten Sensor 12 bei
Null (0) gehalten wird, da die Ausgangsströme von den Induktionsspulen 121 und 122,
die in entgegengesetzter Phasenbeziehung verbunden sind, einander
aufheben.
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Ist
jedoch ein leitendes Probestück
in irgendeinem der von den Erregerspulen 111 und 121 erzeugten elektromagnetischen
Feldern angeordnet, sind die Ausgangsströme, von den Induktionsspulen 121 und 122 nicht ausgeglichen,
um einen bedeutenden Differentialwert abzuleiten.
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Dies
bedeutet, daß die
Erregerspulen 111 und 121 die elektromagnetischen
Felder mit dem Aufbringen eines Wechselstroms von einem Oszillator 21 im
Signalprozessor 20 erzeugen. Die Induktionsspulen 121 und 122 sind
den von den Erregerspulen 111 und 121 erzeugten
elektromagnetischen Feldern ausgesetzt, wodurch entsprechende Induktionsströme induziert
werden. Die von den Induktionsspulen 121 und 122 ausgegebenen
Induktionsströme
werden in entgegengesetzten Phasen gemischt, so daß die Induktionsströme einander
kompensieren, wodurch das Differentialsignal zwischen den Induktionsströmen abgeleitet
wird. Das Differentialsignal wird dem Signalprozessor 20 über Signalleitungen 13 zugeführt.
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Zusätzlich zum
Oszillator 21, mit dem der Wechselstrom auf die Sensoreinheit 10 aufgebracht
und die Frequenz des Wechselstroms eingestellt werden kann, und
dem Verstärker 22 zum
Verstärken
des Differentialsignals, das vom Sensor 10 über die
Signalleitungen 13 zugeführt wird, weist der Signalprozessor 20 ferner eine
Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammensetzeinheit 23 zum
Bestimmen der Phase und Amplitude vom durch den Verstärker 22 verstärkten Differentialsignal
auf, um ein zusammengesetztes Wellenformsignal zu erhalten, das
aus der Phase und Amplitude besteht, eine Schalteinheit 24,
die Schalter und Selektoren enthält,
welche zum Zurücksetzen
des gesamten Verfahrens betätigt
werden, die Ausgangsinformationsdaten schaltet (Phase und/oder Amplitude
und zusammengesetzte Wellenformsignale), Ausgangsdaten adressiert und
den Wechselstrom vom Oszillator 21 auf die vorgeschriebene
Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs einstellt,
sowie eine Ausgabeeinheit 25 mit einem Mikrocomputer, einer
Interfaceschaltung (I/F) und einem Analog/Digital-Umwandler (A/D)
zum Umwandeln der Ausgabeinformationsdaten, die von der Phasen/Ampli-tudenerfassungs-
und -Zusammensetzungseinheit 23 zugeführt werden, in digitale Signale.
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Der
Signalprozessor 20 weist eine Signalleitung 26 auf,
durch welche ein Signal, das synchron zum vom Oszillator 21 erzeugten
Wechselstrom ist, zur Phasen/Amplitudenerfassungs- und Zusammensetzungseinheit 23 geführt wird,
eine Signalleitung 27, durch welche ein Signal zum Schalten
des AusgangsSignals, das die Phase und Amplitude repräsentiert,
zur Einheit 23 geführt
wird, und eine Signalleitung 29, durch welche ein von der
Schalteinheit 24 bestimmtes Levelsignal dem Oszillator 22 zugeführt wird.
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Aufgrund
des elektromagnetischen Induktionsprüfgeräts, das die vorerwähnte Ausgestaltung
aufweist, können
verschiedene Zustände
eines vorgegebenen Probestücks
auf der Basis der Phasen- und Amplitudenkomponenten des Induktionsstroms
erkannt werden. Vor der Messung des Probestücks wird ein fehlerfreies Standardmuster
mit diesem Prüfgerät geprüft, um charakteristische
Referenzdaten über
einen vorgeschriebenen Frequenzbereich und die Phase und Amplitude,
die dem Standardmuster eigen sind, zu bestimmen. Durch Analysieren
der Ausgangsdaten, die als Resultat davon erhalten werden, daß das vorgegebene Probestück der elektromagnetischen
Induktionsprüfung
mit dem erfindungsgemäßen Prüfgerät ausgesetzt wird,
in Vergleich zu den vorbestimmten charakteristischen Referenzdaten,
können
verschiedene Zustände wie
Zustand, Größe und Stelle
der inneren Defekte, die sich tief im Probestück befinden, genau erkannt
werden.
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Wie
in 4 gezeigt, enthält die vorerwähnte Phasen/Amplitudenerfassungs-
und -Zusammensetzungseinheit 23 einen Amplitudendetektor 23a zum
synchronen Gleichrichten des vom Verstärker 22 zugeführten Informations-signals δv mit dem
synchronen Signal δi,
das vom Oszillator 21 zugeführt wird, um ein Amplitudensignal
va zu erhalten, einen Phasendetektor 23b zum Erfassen des
Phasensignals vp vom Informationssignal, das einen entsprechenden
Level hat, der vom Verstärker 22 automatisch
eingestellt wird, Schaltungen 23c und 23d zum
Verstärken
des Amplitudensignals va vom Amplitu- dendetektor 23a bzw.
des Phasensignals vp vom Phasendetektor 23b, Verstärker 23c und 23d zum
Verstärken
der Signale va und vp in Signale vA und vP, eine Schaltung 23e zum
Synthetisieren des Amplitudensignals vA und des Phasensignals vP,
um ein zusammengesetztes Signal Ei abzuleiten, und einen Selektor 23f zum
wahlweisen Ausgeben von wenigstens einem vom zusammengesetzten Signal
Ei von der Syntheseschaltung 23e, dem Amplitudensignal vA
von der Verstärkerschaltung 23c,
und dem Phasensignal vP von der Verstärkerschaltung 23d in
Reaktion auf einen Schaltbefehl von der Schalteinheit 24.
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Als
nächstes
wird der Betrieb des vorerwähnten
elektromagnetischen Induktionsprüfgeräts beschrieben.
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Der
Oszillator 21 bringt einen Wechselstrom (i) auf die Induktionssensoreinheit 10 auf,
um die Erregerspule 111 des ersten Sensors 11 und
die Erregerspule 121 des zweiten Sensors 12 zu
erregen, und führt gleichzeitig
das synchrone Signal δi
synchron mit dem Wechselstrom der Phasen/Amplitudenerfassungs- und -Zusammensetzungseinheit 23 über die
Signalleitung 26 zu.
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Wird
ein Probestück
in eines der wechselnden elektromagnetischen Felder gestellt, die
vom ersten und zweiten Sensor 11, 12 erzeugt werden,
sind die durch die Induktionsspulen 112 und 122 induzierten
Induktionsströme
unausgeglichen, um einen Differentialstrom Sv hervorzubringen. Dieser
Differentialstrom δv wird
als erfaßtes
Signal dem Signalprozessor 20 über die Signalleitung 13 zugeführt (3).
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Obwohl
hier der elektrische Strom als das erfaßte Signal aus Vereinfachungsgründen beschrieben
ist, kann das Messen gemäß der vorliegenden
Erfindung selbstverständlich
durch Messen der elektrischen Spannung oder der elektrischen Leistung
des erfaßten
Signals 5v ausgeführt
werden.
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Das
erfaßte
Signal δv,
das dem Signalprozessor 20 zugeführt wird, wird einleitend durch
den Verstärker 22 verstärkt und
sowohl dem Amplitudendetektor 23a und dem Phasendetektor 23b der
Phasen/Amplitudenerfassungs- und -Zusammensetzungseinheit 23 zugeführt. Die
entsprechenden erfaßten
Signale Sv im Amplitudendetektor 23a und Phasendetektor 23b der
Phasen/Amplitudenerfassungs- und -zusammensetzungseinheit 23 werden
synchron mit dem synchronen Signal δi gleichgerichtet, das vom Oszillator 21 zugeführt wird,
um die Amplitudenkomponente va oder Phasenkomponente vp des erfaßten Signals
Sv abzuleiten. Die Empfindlichkeit der Amplituden- oder Phasenkomponente
hängt von
der Frequenz des Wechselstroms ab, die auf die Erregerspulen aufgebracht
wird, und vom Oszillator 20 eingestellt wird. Die Phase
des erfaßten
Signals δv ändert sich
daher mit der Frequenz, die durch die Schalteinheit 24 gesteuert
wird.
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Je
niedriger die vom Oszillator 21 erzeugte Frequenz ist,
umso tiefer streut der magnetische Fluß in das leitende Probestück. Es ist
daher wünschenswert,
die Frequenz des Erregerstroms niedrig einzustellen, um einen inneren
Defekt im Probestück
ausfindig zu machen.
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Die
Beziehung zwischen der Frequenz, der magnetischen Permeabilität und dem
spezifischen Widerstand des Wechselstroms, der vom Oszillator erzeugt
wird, wird im folgenden beschrieben.
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Unter
der Voraussetzung, daß der
Wechselstrom (i) vom Oszillator 21 den Erregerspulen 111 und 121 der
Induktionssensoreinheit 10 zugeführt wird, existiert die gegenseitige
Induktivität
(M) zwischen der Erregerspule 111 und der Induktionsspule 112 und
zwischen der Erregerspule 121 und der Induktionsspule 122,
und die komplexen Magnetisierungsraten des fehlerlosen Standardmusters
(Sa) und des einen inneren Defekt aufweisenden Probestücks (Sb)
sind (μa
+ jρa) bzw.
(μb + jρb), wobei μa und μb die magnetischen
Charakteristiken (magnetische Permeabilität) und ρa und ρb die elektrischen Charakteristiken
(spezifischer Widerstand) der Probestücke Sa und Sb sind.
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Die
entsprechenden Induktionsspannungen "v1" und "v2", die von den Induktionsspulen 112 und 122 induziert
werden, sind: v1
= jωiM(μb + jρb) = jωiMμb – ωiMρb (1) v2 = jωiM(μa + jρa) = jωiMμa – ωiMρa (2)wobei ω = 2πf (f: Frequenz)
ist. Da die Induktionsspulen 112 und 122 in Reihe
in entgegengesetzter Phasenbeziehung derart verbunden sind, daß die elektromotorischen
Induktionsspannungen v1 und v2 einander aufheben, ist die Differentalspannung δv: δv = v2 – v1 = jωiM(μa – μb) – ωiM(ρa – ρb) (3)
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Hier
wird δv
durch ωiM(μa – μb) repräsentiert,
das um 90° relativ
zum auf die Erregerspulen aufgebrachten Strom (i) verzögert ist,
und durch die in Phase liegende Komponente ωiM (ρa – ρb). Diese zwei Komponenten (Amplitude
va und Phase vp) werden unabhängig
durch den Amplitudendetektor 23a und den Phasendetektor 23b erhalten,
wie in 4 gezeigt.
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Das
Standardprobestück
(Sa) und das Probestück
(Sb) werden daher entsprechend ihrer magnetischen Permeabilitäten (μa; μb) und den
spezifischen Widerständen
(ρa; ρb) verglichen,
die in der vorstehenden Weise erhalten werden, wodurch die Zustände und
Eigenschaften des Probestücks
aufgedeckt werden.
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Wie
aus 4 ersichtlich, werden das vom Amplitudendetektor 23a erfaßte Amplitudensignal
va und das vom Phasen- detektor 23b erfaßte Phasensignal
vp entsprechend durch die Verstärker 23c und 23d verstärkt, um
das verstärkte
Amplitudensignal vA und Phasensignal vP zu erzeugen. Die Signale
vA und vP werden der synthetisierenden Schaltung 23e und
dem Selektor 23f zugeleitet. In der synthetisierenden Schaltung 23e werden
die Signale vA und vP synthetisiert, um ein zusammengesetztes Signal
Ei an den Selektor 23f auszugeben. Der Selektor 23f wird
entsprechend dem Schaltbefehl gesteuert, der von der Schalteinheit 24 gegeben
wird, um wahlweise das Amplitudensignal vA, das Phasensignal vP
und/oder das zusammengesetzte Signal Ei der Ausgabeeinheit (I/F) 25 zuzuführen.
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Die
Ausgabeeinheit (I/F) 25 wird ebenso durch die Schalteinheit 24 gesteuert,
um wahlweise Informationsdaten, welche die vorerwähnte Amplitude,
Phase und/oder die zusammengesetzten Signale enthalten, der Anzeigeeinheit 30 zuzuführen, um
die Informationsdaten auf einem Display oder der externen Vorrichtung 40 anzuzeigen,
die einen Datenrekorder umfaßt.
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Als
nächstes
wird ein Beispiel der Experimente beschrieben, die tatsächlich durchgeführt worden
sind, um ein Probestück
mit einem inneren Defekt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfgeräts zu prüfen.
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In 5 ist
eine charakteristische graphische Darstellung gezeigt, welche die
Amplituden- und Phasendaten darstellt, die als Ergebnis vom Experiment
erhalten werden. In dieser graphischen Darstellung werden die Amplituden-
und Phasencharakteristiken des Probestücks, die mit der Frequenz des
auf die Erregerspulen aufgebrachten Wechselstroms variieren, mit
denjenigen eines fehlerlosen Standardmusters dargestellt. In diesem
Experiment wurde als Probestück
ein durch Punktschweißen
gebildeter Schweißabschnitt
verwendet, der im allgemeinen als "Klumpen" bezeichnet wird. Die Frequenzwerte
des Wechselstroms und die erfaßten
Phasen- und Amplitudenwerte sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben.
Es wurde der vorerwähnte
Erregerstrom mit 5 Volt aufgebracht. In Tabelle 1 zeigt die Frequenz
des aufgebrachten Erregerstroms Intervalle von 5 kHz bis 50 kHz
als Beispiel.
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Wird
kein Probestück
im elektromagnetischen Feld angeordnet, sind die Induktionsströme, die
vom ersten Sensor 11 und dem zweiten Sensor 12 induziert
werden, zueinander gleich, um einen Differentialstrom von 0V auszugeben.
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Wird
das fehlerlose Standardmuster (fehlerloser Gegenstand) in einem
der elektromagnetischen Felder angeordnet, die von der ersten und
zweiten Spule 11, 12 erzeugt werden, ändert sich
die Amplitude des Induktionsstroms mit der Frequenz der aufgebrachten
Erregerstroms, wie in Tabelle 1 und 5 gezeigt,
und es werden als Resultat hiervon die spezifischen Widerstände, welche
die elektrischen Charakteristiken des Probestücks relativ zur Frequenz des
aufgebrachten Erregerstroms repräsentieren,
erhalten.
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Im
Experiment wurde die Phase des für
das Standardmuster aufgebrachten Erregerstroms zu 0° bestimmt,
um den Vergleich mit dem Probestück
zu erleichtern, welches die inneren Defekte aufweist (fehlerhafter
Gegenstand). Als Resultat konnten die magnetischen Permeabilitäten, welche
die magnetischen Charakteristiken der Probestücke repräsentieren, aus den damit erhaltenen
Phasendaten erkannt werden.
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Wie
in 5 gezeigt, ändert
sich, wenn das Probestück
mit den inneren Defekten in einem der von den Induktionsspulen erzeugten
elektromagnetischen Feldern angeordnet wird, die Phase unregelmäßig bei Änderung
der Frequenz, und die Amplitude ändert
sich ungleich zu derjenigen des Standardmusters. Auf diese Weise
konnten Differential werte des Probestücks erhalten werden, die von
denjenigen des Standardmusters unterscheidbar sind. Dieses Experiment
zeigt auf, daß bei
Anheben der Frequenz die Änderung
des Differentialsignals signifikant von den Zuständen der Oberfläche des
Probestücks
abhängt.
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Ein
weiteres Experiment, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfgeräts durchgeführt wurde,
wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 6A bis 6D beschrieben.
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Bei
diesem Experiment wurde ein Wechselstrom mit einer Frequenz von
20 kHz und 5V vom Oszillator 20 auf die Erregerspulen 11 und 12 aufgebracht.
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6A zeigt
eine Referenzwellenform, die erhalten wird, wenn kein Probestück in den
elektromagnetischen Feldern angeordnet wird, die von den Erregerspulen
erzeugt werden. Diese Referenzwellenform, welche durch die erfaßte Phase
und Amplitude ausgedrückt
wird, hat die Phase von 0° und
die Amplitude von 280 mV.
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6B zeigt
eine Wellenform, die erhalten wird, wenn ein erstes Probestück aus Aluminium
mit einer Dicke von 2 mm in einem der elektromagnetischen Feldern
angeordnet wird. Diese Wellenform hat eine um 20° verzögerte Phase und ändert sich
auf 0,32V.
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6C zeigt
eine Wellenform, die erhalten wird, wenn ein zweites Probestück aus Stahl
(SPCC) mit einer Dicke von 2 mm in einem der elektromagnetischen
Felder angeordnet wird. Diese Wellenform hat eine um 50° verzögerte Phase
und ändert
sich auf 0,72V.
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Eine
in 6D gezeigte Wellenform wurde erhalten, wenn ein
drittes Probestück
mit einem inneren Defekt im elektromagnetischen Feld angeordnet
wird. Dieses dritte Probestück
ist bezüglich
Material und Größe zum oben
erwähnten
ersten Probestück
identisch mit der Ausnahme, daß ein
innerer Defekt eingeschlossen war. Demgemäß ist die Wellenform von 6D im
wesentlichen gleich zu derjenigen von 6B, enthält jedoch
unregelmäßige Übergänge (verformte
Abschnitte) C, die vom inneren Defekt verursacht werden.
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Es
ist aus dem vorerwähnten
experimentiellen Ergebnis ersichtlich, daß dann, wenn ein zu prüfender vorgegebener
leitender Gegenstand (Probestück)
einen Defekt oder Defekte wie einen Riß und Lunker aufweist, eine
Amplituden-Phasen-Wellenform,
die durch Anordnen des Gegenstands im elektromagnetischen Feld erhalten
wird, unvermeidlich eine Unregelmäßigkeit an spezifischen Phasenabschnitten
zur Folge hat. Es können
daher durch numerische Analyse der Daten, die in der Form einer
Amplituden-Phasen-Wellenform unter Verwendung der externen Vorrichtung 40 erhalten
werden, die Formation wie Größe, Stelle
und Zustand des Defekts in bestimmter Weise identifiziert werden.
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Es
ist daher durch Verwendung des Phänomens, bei welchem die Amplituden-Phasen-Wellenform
relativ zur Frequenz des aufgebrachten Stroms mit den Festzustandseigenschaften
(spezifischer Widerstand, magnetische Permeabilität und die
Elektrizitätskonstante)
eines zu prüfenden
leitenden Gegenstands variiert, möglich, nicht nur genau verschiedene
innere Defekte oder Anomalien einschließlich Risse und Lunker im leitenden
Gegenstand, beispielsweise einem Schweißabschnitt, zu erfassen, sondern
auch fein die Festzustandseigenschaften wie Kohlenstoffgehalt, Qualität und Dichte
des Materials des Gegenstands durch Analysieren der Phase, der Amplitude
und Muster an der sich ergebenden Wellenform zu unterscheiden.
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Das
erfindungsgemäße Prüfgerät ist zum
Prüfen
aller Arten von Sachen und Artikeln anwendbar, insbesondere für mechanische
Komponenten, die schwierig zu zerlegen sind, beispielsweise einen
Motorblock, der in einem Auto eingebaut ist.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, können, da das Phänomen, bei
dem die magnetischen und elektrischen Charakteristiken eines vorgegebenen
Probestücks,
das im elektromagnetischen Feld angeordnet wird, welches von den
Erregerspulen erzeugt wird, mit der Frequenz des auf die Erregerspulen aufgebrachten
Erregerstroms variiert, Bedingungen wie Defekte, Material und Dimensionen
des Probestücks genau
und ohne Rücksicht
auf die Qualität
des Materials, die magnetische Permeabilität; die Oberflächenbedingungen
und physikalischen Abmessungen des Probestücks und die Testgeschwindigkeit
und die Testanordnung identifiziert werden.
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Ferner
können
auch, da die Wellenformdaten, die als Ergebnis erhalten werden,
gemäß der erfaßten Amplitude
und Phase analysiert werden, auch die Stelle, Größe und Formation eines Defekts
im vorgegebenen Probestück
ohne weiteres mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden, ohne
daß irgendwelche
Störgeräusche in
Kauf genommen werden müßten.
