DE1959406B2 - Messonde fuer wirbelstroeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zum Betrieb in einer Wechselstrombrückenschaltumg zum Bestimmen der Rückwirkung von elektrisch leitenden Prüflingen durch Wirbelstrom auf die Meßsonde, insbesondere zum Messen von Materialeigenschaften der Prüflinge.

Es ist seit langem bekannt, daß die Größe der Wirbelströme, die durch die Flußänderung eines Wechselmagnetfeldes erzeugt werden, charakteristisch ist für das von dem Magnetfluß durchflossene Material. Wegen der vielen Faktoren, die die daraus gewonnenen Meßwerte beeinflussen, ist ein derartiges Meßverfahren bisher nicht sehr weit verbreitet Temperaturänderungen und die durch nahegelegenes anderes Material verursachten Änderungen sowie der Einfluß elektrischer Schaltungen beeinflussen beispielsweise die Meßwerte in unzulässiger Weise. Das untersuchte leitende Material läßt auch selbst wieder Feldlinien austreten, die zu fehlerhaften Messungen führen können.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde der eingangs genannten Art zu schaffen, welche praktisch nur auf die Materialbeschaffenheit und die Ausdehnung sowie die räumliche Anordnung eines Prüflings anspricht und sich auch für sehr hohe Temperaturen und Drücke verwenden läßt

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch ein elektrisch leitendes Gehäuse, durch je eine in dem Gehäuse untergebrachte Meßspule und eine axial dahinter liegende Referenzspule, welche als identische Zweige der Brückenschaltung verwendet sind, und durch zwei gleiche, unmagnetische Membranen, die die beiden Spulen zwischen sich einschließen und jeweils einen gleichen Absland von der benachbarten Spule haben.

Eine Weiterbildung zeichnet sich aus durch ein Paar im Abstand voneinander angeordneter Abschirmteile aus einem gut leitenden, nicht magnetischen Material, welche einen Kollimatorspalt zwischen sich freilassen Ό und in der Nähe der einen Membran angeordnet sind. Hierdurch wird das räumliche Auflösungsvermögen der Meßsonde erhöht.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

"5 Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

F i g. 1 ist eine perspektivische Darstellung in auseinandergezogenem Zustand der Meßsonde nach der Erfindung,

Fig.2 ist ein Längsschnitt durch die zusammengesetzte Meßsonde,

F i g. 3 zeigt die I mpedanzkomparatorschaltung,
F i g. 4 ist ein Vertikalschnitt eines Endlosförderbandes mit Meßsonden zur kontinuierlichen Gewichtsmessung des Materials auf dem Förderband,

F i g. 5 zeigt eine Seitenansicht eines Teils des Förderbandes mit den anmontierten Meßsonden,

F i g. 6 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie 6-6 von F i g. 5 und zeigt die Anschaltung der einzelnen Meßsonden.

Die in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Meßsonde umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 11, in dem eine Meßspule 12 und eine Referenzspule- 13 untergebracht sind. Das vordere Ende des Gehäuses 11 ist mit einer speziell behandelten nicht magnetischen Membran 15 aus rostfreiem Stahl versehen, an der mit geringem Abstand zwei halbkreisförmige Abschirmteile 16 und 17 angrenzen, die einen Kollimatorspalt 18 freilassen, durch den die Flußlinien gesammelt werden, wie weiter unten noch erläutert ist

In das Gehäuse 11 ist eine Buchse 19 eingeschraubt,

die mit ihrem einen Stirnende 19a mit dein betreffenden Gehäuseende abschließt Die Buchse 19 bildet eine zusätzliche rückwärtige Stütze für die eingesetzte Membran 15.

innerhalb des Gehäuses liegt ferner eine nicht magnetische Membran 20 aus rostfreiem Stahl, die normal zur Achse der Meßsonde angeordnet ist Die Membran 20 ist durch Ringe 21 und 22 festgehalten, welche zu beiden Seiten der Membran in das Gehäuse 11 eingeschraubt sind

An der der Referenzspule 13 abgewandten Seite der Membran 20 ist ein Stopfen 23 aus Isoliermaterial in das Gehäuse 11 eingeschraubt Eine Stirnkappe 24 an der

rückwärtigen Stirnseite des Gehäuses 11 dient zur

Sicherung des Stopfens 23. Zwischen der rückwärtigen Stirnseite des Gehäuses 11 und dem Kopf der Kappe 24

ist ein Dichtungsring 25 gelegt Die Spulen 12 und 13 sind von keramischen Ringen umgeben, die die Spulen innerhalb des Gehäuses U zentrieren.

Die Membran 20 weist drei Bohrungen auf, durch die sich eine gemeinsame Anschlußleitung 29 für die Meßspule und die Referenzspule sowie Anschlußleitungen 27 und 28 für die freien Enden dieser Spulen erstrecken. Die Anschlußleitungen verlaufen durch den Stopfen 23 und eine zentrale Bohrung in der Kappe 24 und sind an die in F i g. 3 dargestellte Meßschaltung 30

angeschlossen. Die zentrale Bohrung cter Kappe 24 ist durch einen Dichtungsstopfen 24a verschlossen, durch den sich die Leitungen 27,28 und 29 erstrecken.

Die Meßschaltung 30 umfaßt einen Wechselstromgenerator 31, dessen Ausgangsleitungen 32 und 33 an die Enden der Primärwicklung 34 eines Transformators 35 angeschlossen sind. Dieser Transformator weist ein Paar identische Sekundärwicklungen 36 und 37 auf, wobei die Wicklung 36 über die Leitung 38 mit der Meßspule 12 in Serie geschaltet ist und den einen Brückenzweig bildet.

Die gemeinsame Verbindungsleitung 29 der Brückenschaltung ist mit den gemeinsam verbundenen Anschlüssen der Sekundärwicklungen 36 und 37 verbunden unter Zwischenschaltung der Primärwicklung 38 eines zweiten Transformators 39. Die Sekundärwicklung 40 desselben ist mit einem üblichen Demodulator 41 verbunden, der eine Anzeigevorrichtung aufweist, welche Stromänderungen durch die Primärspule 39 im Vergleich zu einem phasenverschobenen Referenzstrom anzeigt, der durch ein Phasenschiebernetzwerk erzeugt wird, welches ein Potentiometer 42 aufweist sowie einen Widerstand 43 und einen Kondensator 44, die mittels einer Leistung 45 in Serie geschaltet sind. Der Schleifer des Potentiometers 42 läßt sich so einstellen, daß der Anzeigewert gleich Null ist, wenn die gesammelten Fluißlinien der Meßvorrichtung nicht durch leitendes Material verlaufen. Andernfalls ergibt sich ein bestimmter Anzeigewert, der repräsentativ für das leitende Material ist. Für den Demodulator (Umwandlungsvoirrichtung) lassen sich verschiedene bekannte Bauarten verwenden, etwa ein phasenempfindlicher Demodulator. Derartige Vorrichtungen umfassen bekanntlich eine Schalteinrichtung 41a zum Verschieben der Bezugsphase, so daß entweder die Widerstandskomponente einer Impedanz den Ausgangswert des Demodulators bestimmt oder die Reaktanzkomponente derselben.

Da die Meßspule 12 und die Referenzspule 13 eine identische Größe, Gestalt, Windungszahl und elektrisehe Impedanz aufweisen, wird in diesen normalerweise eine identische Spannung erzeugt Die Membran 20 ist aus dem gleichen Material hergestellt wie die Membran 15 und im wesentlichen identisch ausgebildet, um zu gewährleisten, daß der Flußverlauf bei beiden Sputen gleich ist Der Flußverlauf der Meßspule 12 wird konzentriert, und zwar durch die Sammelwirkung des Kollimatorschlitzes 18 zwischen den hochleitfähigen halbkreisförmigen Abschirmteilen 16 und 17, welche gemäß F i g. 2 mit der Membran 15 verklebt sind, jedoch auch auf dieser plattiert, lösbar aufgespannt oder anderweitig befestigt sein können. Dies kann einen gewissen Einfluß auf die Impedanz der Schaltung haben, jedoch läßt sich der Stromfluß durch die den Anzeigezweig bildende Leitung 29, der durch den anfänglichen Impedanzunterschied der beiden Spulen entsteht, leicht durch Einstellen des Schleifers des Potentiometers 42 kompensieren, so daß am Ausgang der Meßschaltung der Wert Null ist.

Temperaturänderungen wirken sowohl auf die Meßspule 12 als auch auf die Referenzspule 13 in gleicher Weise ein, so daß der Strom durch die Leitung 29 der Brückenschaltung sich nicht wesentlich ändert In gleicher Weise wirken Einflüsse von außen auf die Impedanz jeder Spule ein, so daß der Stromfluß durch die Leitung 29 ebenfalls nicht wesentlich geändert wird.

»I7~_„ ;<^n«k «in loitfähiiroc Material in Hie Nähe der

Meßsonde gebracht wird, so daß die gesammelten

Flußlinien durch das leitfähige Material verlaufen, so ändert sich der Stromfluß durch die Leitung 29, so daß dementsprechend ein von den Eigenschaften, d. h. im wesentlichen von der Leitfähigkeit des untersuchten Materials oder der Entfernung desselben abhängiger Ausgangswert entsteht, der noch von der Einstellung des Schalters 41a abhängt. Wenn die Messungen wiederholt durchgeführt werden, indem die Meßsonde gegen das leitfähige Material gelegt wird oder eine feste Entfernung zwischen beiden gewählt wird, so ist der Anzeigewert repräsentativ für die Leitfähigkeit des Materials und, da unterschiedliche Materialien auch verschiedene Leitfähigkeit haben, für eine Klassifizierung des Materials. Die Meßsonde läßt sich auch verwenden zum Messen von Entfernungen zwischen ihr und einem leitfähigen Material.

Das Gehäuse 11 der Meßvorrichtung richtet die von der Meßspule 12 erzeugten Flußlinien in Richtung auf und durch die Membran 15. Die für die Wärmebehandlung der Membran 15 erforderliche Temperatur ist abhängig von der Dicke derselben, wobei z. B. für eine Membran von 0,13 mm Dicke eine Temperaturbehandlung bei 780° während mindestens zehn bis zwanzig Minuten ausreicht. Danach ist ein langsames Abkühlen erforderlich, um eine Beschädigung der Membran zu vermeiden. Wenn die nichteisenhaltigen, im Abstand von der Membran angeordneten Abschirmteile auf der Stirnseite der Membran 15 befestigt werden, wird ein schmaler Spalt freigelassen, durch den die Flußlinien gesammelt werden.

Die F i g. 4 bis 6 zeigen ein Hauptanwendungsgebiet der Meßvorrichtung nach der Erfindung, wobei zwei Meßsonden als Wägevorrichtung fungieren.

Die in diesen Figuren teilweise dargestellte Vorrichtung umfaßt ein endloses Förderband 50, das in üblicher Weise über den größten Teil der lasttragenden Länge durch freilaufende Rollen 51 unterstützt ist. Diese Rollen sind zwischen gegenüberliegenden Posten 52 abgestützt, welche auf Seitenschienen 53 und 54 der Fördervorrichtung angebracht sind.

An einer Stelle entlang des lasttragenden Abschnittes des Förderbandes ist eine der üblichen freilaufenden Rollen durch eine Rolle 55 ersetzt, die zwischen einem Paar aufrecht stehender Stützteile 56 und 57 gelagert ist. Diese Stützteile ruhen nicht direkt auf den Seitenschienen 53 und 54, sondern sind an einer nach unten offenen U-Schiene 58 befestigt, die sich von der Seitenschiene 53 zur Seitenschiene 54 auf der Oberseite derselben erstreckt. Die Basis !>8a der U-Schiene 58 ruht an deren Enden auf Gummipuffern 59, die auf den Seitenschienen verankert sind.

Oben auf der Basis 58a ruht ferner oberhalb jedes Gummipuffers 59 je ein weiterer Gummipuffer 60, auf denen ein nach unten offener U-förmiger Bügel 61,61a ruht, der an den Seitenschienen befestigt ist und mit seiner basisfläche 61a auf den Gummipuffer 60 drückt. Die Gummipuffer 60 weisen andere Federkonstanten auf als die Gummipuffer 59, so daß keine harmonische Schwingung nach einem Zusammendrücken der Gummipuffer aufgrund einer Belastung derselben durch das Förderband entstehen kann. Die nach unten weisenden Schenkel der U-Schiene 58 sind normalerweise nicht in Berührung mit den beiden Schienen, verhindern jedoch eine Beschädigung der Meßsonde, wie weiter unten noch beschrieben ist

Zur Gewichtsmessung sind ein Paar Meßsonden verwendet, es können jedoch auch mehr oder in manchen Fällen auch eine einzige Meßsonde hierfür

verwendet werden.

Jede Meßsonde 10 ist in einem U-Schienenabschnitt 63 untergebracht, die an einer Platte 64 festsitzt, die an einer der Seitenschienen befestigt ist. Die Meßsonden und die U-Schienenabschnitte liegen unterhalb der U-Schiene58.

An der Unterseite der U-Schiene 58 sitzt eine Scheibe 65 aus Aluminium oder einem ähnlichen hochleitfähigen Material, und zwar unmittelbar oberhalb des Endes der Membran 15 jeder Meßsonde. Die Meßsonden 10 sind jeweils über eine Schaltung 68 mit einem Wechselstromgenerator 67 verbunden und an einen Demodulator 69 mit Anzeigevorrichtung 70 angeschlossen, welche erstere der Meßschaltung 30 entspricht.

Die in den Scheiben 65 induzierten Wirbelströme verzerren die von den Meßsonden erzeugten magnetischen Felder, so daß die elektrische Belastung des Generators in einem von der Entfernung zwischen den Scheiben 65 und den Meßsonden proportionalen Maß verändert wird. Diese Entfernung ist eine Funktion der Last auf dem Förderband oberhalb der Rolle 55. Die Impedanzänderung, die von dem Demodulator 69 ausgewertet und mittels der Anzeigevorrichtung 70 wiedergegeben wird, ist daher repräsentativ für die Belastung des Förderbandes.

Mit den Meßvorrichtungen nach der Erfindung läßt sich eine äußerst genaue und im wesentlichen sofortige Ablesung für Informations- oder Kontrollzwecke erreichen. In den Zeichnungen ist der Hub der Scheibe 65 zur deutlicheren Darstellung zu groß gezeichnet. Praktisch ist die maximale Bewegungsstrecke der Scheiben nur etwa 1,3 mm.

Bei Verwendung der Meßsonde nach der Erfindung in Wägesystemen muß eine Beschädigung derselben verhindert werden. Daher sind die Gummipuffer 59 und 60 und die aufrechtstehenden Teile 56 und 57 so bemessen und ausgewählt, daß sie sich unter der maximalen Förderbclastung nur um eine sehr kleine Strecke verschieben. Außerdem sind die Schenkel der U-Schiene 58 so angeordnet, daß sie auf den Seitenschienen 53 und 54 aufliegen, bevor die Scheiben 65 in Berührung mit den zugeordneten Meßsonden 10 kommen. Die U-Schiene bildet also einen wirksamen Anschlag für die Abwärtsbewegung des belasteten Förderbandes.

Die Meßsonde nach der Erfindung läßt sich für viele andere Zwecke verwenden, z.B. zum Bestimmen der Dicke von Farbaufträgen, Oxydschichten oder anderen Schichten auf leitfähiger. Stoffen, wobei die Ablesevorrichtung so geeicht wird, daß beim Aufliegen der Stirnfläche der Membran 15 direkt auf dem Untergrund der Anzeigewert Null auftritt und der durch eine Beschichtung hervorgerufene Abstand zu einem anderen Anzeigewert führt, der repräsentativ für die Schichtdicke ist.

Die Meßvorrichtung läßt sich ferner zum Klassifizieren von leitfähigen Stoffen verwenden, wobei sich für unterschiedliche Stoffe auch unterschiedliche Anzeigewerte ergeben, und es können selbst unterschiedliche Anteile von eisenhaltigen oder nichteisenhaltigen Metallen festgestellt werden. Es ist auch möglich, die Leitfähigkeitsänderungen von leitfähigen Stoffen durch den Einfluß von Temperatur, Feuchtigkeit und Druck zu messen. Durch Anwendung einer Vergleichsanordnung, bei der eine Meßsonde einer Standardprobe zugeordnet ist und eine andere der zu untersuchenden Probe, lassen sich Änderungen der Materialeigenschaften leicht bestimmen. Die Meßsonde eignet sich ferner als Druckmesser zum Messen eines direkt auf die Membran 15 wirkenden Druckes, so daß die Membran ausgelenkt wird, oder zur Feststellung benachbarter weiterer leitfähiger Stoffe, die durch den Druck gegen die Membran bewegt werden.

Bei vielen Herstellungsverfahren läßt sich das zu messende Produkt an einer oder mehreren Meßsonden vorbeiführen, so daß sich bestimmen läßt, ob diese Produkte Risse aufweisen oder die Toleranzen dei Abmessungen überschritten sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Meßsonde zum Betrieb in einer Wechselstrombrückenschaltung zum Bestimmen der Rückwirkung von elektrisch leitenden Prüflingen durch Wirbelstrom auf die Meßsonde, insbesondere zum Messen von Materialeigenschaften der Prüflinge, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitendes Gehäuse (11), durch je eine in dem Gehäuse untergebrachte Meßspule (12) und eine axial dahinter liegende Referenzspule (13), welche als identische Zweige einer Brückenschaltung verwendet sind, und durch zwei gleiche, unmagnetische Membranen (15,20), die die beiden Spulen zwischen sich einschließen und jeweils einen gleichen Abstand von der benachbarten Spule haben.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Paar im Abstand voneinander angeordneter Abschirmteile (16, 17) aus einem gut leitenden, nicht magnetischen Material, welche einen KolliiiTiatorspalt (18) zwischen sich freilassen und in der Nähe der einen Membran (15) angeordnet sind

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) zylindrisch und die Membran (15) kreisförmig ist und daß die Abschirmteile (16,17) halbkreisförmig gestaltet sind.

4. Meßsonde nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) aus einem ferromagnetischen Material besteht

5. Meßsonde nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (15, 20) aus rostfreiem Stahl bestehen.

6. Meßsonde nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (15, 20) wärmebehandelt sind.