DE19714685A1 - Materialprüfsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Werkstoffprüfen ei­ ner metallischen Wand mittels Fernfeld-Wirbelstromprüftechnik gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Die Fernfeld-Wirbelstromprüftechnik ist ein bekanntes Verfah­ ren zur zerstörungsfreien Materialprüfung von metallischen Wänden, insbesondere von metallischen Rohren. Bei ihrer An­ wendung wird eine Sonde bzw. ein Molch durch das zu prüfende Rohr gefahren. Die Sonde weist wenigstens eine Senderspule auf, mittels der ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die Frequenz des Wechselfeldes liegt je nach zu prüfen­ den Materialeigenschaften üblicherweise im Bereich von eini­ gen Hertz bis hin zu einigen MHz. Ein beispielsweise zylin­ drisches metallisches Rohr verhält sich gegenüber diesem elektromagnetischen Wechselfeld wie ein Rundhohlleiter, der weit unterhalb seiner Cutoff-Frequenz betrieben wird. Das so­ genannte Direktfeld einer solchen Anordnung wird daher mit zunehmender Entfernung zur Senderspule exponentiell gedämpft und ist bereits im Abstand von wenigen Millimetern bis auf das 10^-4-fache des Ausgangswertes abgefallen.

Dieses elektromagnetische Wechselfeld induziert in der metal­ lischen Rohrwand Wirbelströme. Die Wirbelströme induzieren ihrerseits ein elektromagnetisches Feld, das dem erzeugenden elektromagnetischen Direktfeld entgegengerichtet ist und mit diesem wechsel wirkt. Wird der Fluß der Wirbelströme in der Rohrwand durch Unregelmäßigkeiten (Risse, unsaubere Schweiß­ nähte o. ä.) gestört, verändert sich das durch die Wirbelströ­ me induzierte elektromagnetische Feld und aufgrund dessen Wechselwirkung mit dem Direktfeld der Senderspule auch dieses Direktfeld. Diese Änderungen des Direktfeldes können mit ei­ ner in verhältnismäßig geringem axialen Abstand von der Sen­ derspule angeordneten Empfängerspule registriert und an­ schließend ausgewertet werden.

Aufgrund der Abhängigkeit der Eindringtiefe der Wirbelströme von Materialkenngrößen und der Prüffrequenz, die ihrerseits das Auflösungsvermögen verändert, kann man häufig auch an dünnwandigem Material nur an der Prüfsonden zugewandten Seite Defekte oder Unregelmäßigkeiten mit guter Nachweisempfind­ lichkeit und genügender Meßgenauigkeit erfassen. Da die Ein­ dringtiefe u. a. von der Permeabilität des Prüfmaterials ab­ hängt und bei ferromagnetischem Stahl die Permeabilität ge­ genüber austenitischen Stählen deutlich erhöht ist, ist ins­ besondere bei ferromagnetischen bzw. ferritischen Stählen die Aussagekraft der geschilderten Direktfeldwirbelstrommessung begrenzt.

Die Senderspule hat zusätzlich zu dem beschriebenen Direkt­ feld ein sogenanntes Fernfeld. Bei optimal gewählter Prüffre­ quenz durchdringt das elektromagnetische Feld der Senderspule die Rohrwandung bzw. die Prüfgegenstandsdicke in unmittelbarer Nachbarschaft der Senderspule von innen nach außen und in ei­ nem von der jeweiligen Feldliniengröße abhängigen Abstand wieder von außen nach innen (geschlossene Feldlinien!). Senk­ recht zu diesen gedachten Feldlinien werden in jedem Punkt Wirbelströme erzeugt.

Da die Feldliniendichte mit zunehmendem Abstand zur Sender­ spule abnimmt, nimmt in gleicher Weise auch die Wirbelstrom­ dichte ab. In der Nähe der Senderspule dominieren die Wirbel­ ströme, die nicht die gesamte Prüfgegenstandsdicke durchdrun­ gen haben, sondern in unmittelbarer Umgebung der Spule er­ zeugt wurden, d. h. die Wirbelströme des Direktfeldes.

In größerem Abstand zum Sender ist jedoch dieses sich expo­ nentiell abschwächende Direktfeld kaum noch meßbar, während die Wirbelströme, die die Rohrwand von außen nach innen voll­ ständig durchdrungen haben, nur unwesentlich im Vergleich zu den Wirbelströmen des Direktfeldes abgeschwächt wurden (Faktor 10-20 größere Amplitude).

Ein weiterer Unterschied zwischen den im Direktfeld und im Fernfeld erzeugten Wirbelströmen liegt in der Aussagekraft der Phasenverschiebung zur Phase der stromdurchflossenen Sen­ derspule. Der Phasenunterschied zwischen dem in der Spule an­ gelegten Strom und den induzierten Wirbelströmen beträgt di­ rekt an der Spulenoberfläche nach physikalischen Gesetzmäßig­ keiten 180 Grad in Luft. Wird nun diese Luftspule auf einen metallisch leitenden Prüfgegenstand aufgesetzt, so vergrößert sich die Phasenverschiebung weiter je nach Materialkenngrößen und angelegter Frequenz. Prüftechnisch wird bei dieser Anord­ nung ein Geräteabgleich vorgenommen, d. h. sowohl die sich einstellende Amplitude als auch die Phase werden auf Null ge­ setzt. Alle zu diesem Abgleichspunkt gemessenen Phasendiffe­ renzen entsprechen nun der Tiefe, aus welcher die Informatio­ nen stammen, d. h. je weiter eine Änderung im Prüfgegenstand von der Prüfgegenstandsoberfläche entfernt liegt, um so grö­ ßer wird die Phasendifferenz zum Nullpunkt.

Im Direktfeld entspricht die Phaseninformation der Gesamtweg­ strecke der Wirbelströme und ist eine direkte Funktion der Eindringtiefe bzw. der zu untersuchenden Prüfgegenstandsdic­ ke.

Im Fernfeld entspricht die gemessene Phasendifferenz jedoch der Gesamtlänge der (gedachten) geschlossenen Feldlinie von der Senderspulenoberfläche durch die Prüfgegenstandsdicke von innen nach außen, dem Abstand zwischen Sender- und Empfänger­ spule (einige mm, in welchen das beeinflussende Direktfeld nicht mehr stört) und schließlich wieder der Prüfgegen­ standsdicke von außen nach innen. Daraus ergibt sich, daß die effektiv bewertbare Phasendifferenz (=Prüfgegenstandsdicke) im Fernfeld wesentlich kleiner wird als im Direktfeld.

Da zum anderen im Fernfeldbereich die Wegstrecke zwischen Au­ ßenoberfläche und Innenoberfläche des Prüfgegenstandes klein ist gegen die Gesamtlänge der geschlossenen Feldlinie, werden Anzeigen, die auf der Innen- oder Außenseite angeordnet sind, fast mit der gleichen Amplitude angezeigt.

Diese physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zusammengefaßt dazu, daß im Fernfeldbereich die Meßempfindlichkeit, selbst bei sehr dickwandigem Prüfmaterial annähernd gleich für Au­ ßen- und Innenfehler ist. Nachteilig zeigt sich für die Pha­ senauswertung, daß es bei einer einzelnen Frequenz kaum Un­ terschiede zwischen Außen- und Innenfehlern in der Signalpha­ se gibt. Bezüglich der Phasenänderung mit Veränderungen der Prüffrequenz oder mit Veränderungen im Materialgefüge gelten im Fernfeld jedoch die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie im Di­ rektfeldbereich.

Im angelsächsischen Sprachraum wird diese Fernfeldmessung re­ mote field eddy current (RFEC)-Technik genannt. Sie wird zur Detektion von Fehlern bei ferritischen Materialien über die gesamte Rohrwanddicke eingesetzt.

Übersichtsartikel über die Fernfeldprüftechnik finden sich bspw. in Review of progress in quantitative non destructive evaluation, Vol. 7A, Plenum Press, New York 1988, in British Journal of NDT, 22-27, 1988, oder in Materialprüfung, Band 33, 257-262, 1991.

Bei der Fernfeldprüfung erzeugt jede Veränderung in der Rohr­ wand ein Signal in der Empfängerspule sowohl dann, wenn die Empfängerspule daran vorbeibewegt wird, als auch dann, wenn die Senderspule daran vorbeibewegt wird. Das bei Vorbeilauf der Senderspule erzeugte Signal ist in der Regel deutlich schwächer. Insbesondere beim Auftreten mehrerer Anzeigen auf einem kürzerem Rohrabschnitt kann die Dublettbildung die ein­ deutige Anzeigenidentifizierung und Zuordnung erschweren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht oder in vermindertem Maße aufweisen, und mit­ tels derer sich auch in verhältnismäßig dickwandigen metalli­ schen Wänden sowohl aus austenitischem als auch ferritischem Material Veränderungen detektieren und bewerten lassen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Werkstoffprüfen einer metallischen Wand mittels Fernfeld- Wirbelstromprüftechnik geschaffen, die aufweist:

• - eine Hauptachse, die der vorgesehenen Hauptbewegungsrich­ tung entlang der zu prüfenden Wand entspricht;
• - Senderspulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes;
• - wenigstens eine in Richtung der Hauptachse von den Sender­ spulen beabstandete und in deren Fernfeld angeordnete Emp­ fängerspule zur Detektion des von der zu prüfenden Wand be­ einflußten Magnetfelds bzw. der von der zu prüfenden Wand beeinflußten Wirbelströme

dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Hauptachse beidseitig der Empfängerspule(n) wenigstens je eine Senderspule angeord­ net ist.

Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Be­ griffe erläutert.

Da es sich bei der zu prüfenden metallischen Wand häufig um eine Rohrwand handelt, entspricht die Hauptachse dann der Längsachse des Rohrs und der darin geführten Prüfsonde. Die Hauptachsenrichtung wird nachfolgend vereinfachend auch Axialrichtung genannt.

Der Begriff "metallische Wand" ist im Rahmen der Erfindung jedoch nicht auf Rohrwände beschränkt, er kann vielmehr Wan­ dungen jeglicher Prüfgegenstände (bspw. Platten etc.) umfas­ sen. Auch dicke Wandungen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geprüft werden.

Unter einer Senderspule ist jede Einrichtung zu verstehen, die bei Stromdurchfluß ein elektromagnetisches Feld aufbaut. In den Ansprüchen wird dieses elektromagnetische Feld verein­ fachend auch als Magnetfeld bezeichnet.

Unter dem Begriff Empfängerspule ist jede Einrichtung zu ver­ stehen, die unter dem Einfluß eines elektromagnetischen Wech­ selfeldes ein detektierbares Spannungs- und/oder Stromsignal abgibt. Häufig handelt es sich um eine Umfangsspule. Die Emp­ fängerspulen werden in der Regel gewickelte Spulen sein, der Begriff "Empfängerspule" soll jedoch nicht auf solche Ausfüh­ rungsformen beschränkt sein. Er umfaßt als Oberbegriff sowohl Detektoren, die in allen Richtungen senkrecht zur Hauptachse eine ortsauflösende Empfindlichkeit aufweisen als auch Detek­ toren, die in einem bestimmten Umfangsabstand oder auf einer bestimmten Fläche eine höhere Empfindlichkeit aufweisen und die weiter unten noch näher erläutert werden. Die Anordnung der Empfängerspule im Fernfeld bedeutet, daß der axiale Ab­ stand von jeder Senderspule so groß ist, daß am Ort der Emp­ fängerspule das Fernfeld gegenüber dem Direktfeld jeder Sen­ derspule überwiegt.

Die erfindungsgemäße Anordnung von Senderspulen beidseitig der Empfängerspule bewirkt zum einen eine Erhöhung des auf die Empfängerspule wirkenden Fernfelds und damit eine Emp­ findlichkeitssteigerung und erleichtert zum anderen die ein­ deutige Zuordnung der Signale zu bestimmten Anzeigen (bspw. durch Materialveränderungen oder Wanddickenschwächungen ver­ ursacht). Jede Materialveränderung erzeugt in einem Spektrum, in dem die Prüflänge gegen die Signalamplitude aufgetragen wird, grundsätzlich ein Triplett, da zunächst die erste Sen­ derspule, dann die Empfängerspule und anschließend die zweite Senderspule an der Veränderung vorbeiläuft.

Bevorzugt weisen die beidseitig der Empfängerspule entlang der Hauptachse angeordneten Senderspulen jeweils den gleichen Abstand von der Empfängerspule (bzw. ggf. den Empfängerspu­ len) auf. Da jede Veränderung als Signalgrundmuster dann ein symmetrisches Triplett erzeugt, wird die Zuordnung der Signa­ le zu bestimmten Anzeigen nochmals erleichtert.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung von Sen­ dern beidseitig der Empfängerspule liegt auch darin, daß so erst die Erkennung von zwei Anzeigen ermöglicht wird, deren Abstand dem Axialabstand Sender-Empfänger entspricht. Bei den herkömmlichen Fernfeldmeßsonden des Standes der Technik könn­ te eine solche Anzeigenkonstellation nicht eindeutig erkannt und zugeordnet werden.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist die Prüfbarkeit unsymmetrischer Geometrien, wie bspw. Rohrbögen, Rohrenden oder Durchmesser- bzw. Dickenänderungen. Je nach Prüfgeome­ trie wirkt die links oder rechts der Empfängerspule(n) lie­ gende Senderspule noch auf die gleiche geometrische Anord­ nung, während die andere Senderspule bereits ein veränderndes Magnetfeld erzeugt.

Ein Nachteil der herkömmlichen Fernfeldmethode liegt darin, daß keinerlei Aussagen darüber getroffen werden können, ob die Anzeigen sich eher an der Innen- oder Außenseite der Wan­ dung befinden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird daher eine Vorrichtung zum Werkstoffprüfen einer metallischen Wand mit­ tels Wirbelstromprüftechnik geschaffen, die aufweist:

• - eine Hauptachse, die der vorgesehenen Hauptbewegungsrich­ tung entlang der zu prüfenden Wand entspricht;
• - wenigstens eine Senderspule zur Erzeugung eines Magnet­ felds;

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je eine Empfängerspule zur Detektion des von der zu prüfenden Wand beeinflußten Ma­ gnetfelds benachbart einer Senderspule im Bereich deren Di­ rektfelds und beabstandet von der oder den Senderspule(n) im Bereich des Fernfelds angeordnet ist.

Die Anordnung einer Empfängerspule im Direktfeld bedeutet, daß der axiale Abstand dieser Empfängerspule von der Sender­ spule so gering ist, daß das Direktfeld der Senderspule ge­ genüber deren Fernfeld überwiegt. In der Regel wird dazu, so­ fern es sich bei der zu prüfenden Wand um ein Rohr handelt, der axiale Abstand geringer sein als ein Rohrdurchmesser bzw. gegen Null tendieren.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung werden die Vorteile der Di­ rekt- und Fernfeldmessung miteinander kombiniert. Die Fern­ feldmessung ermöglicht ein sicheres Aufspüren jeglicher An­ zeigen, selbst wenn sich diese bei dickwandigen Rohren aus ferritischem oder austenitischem Stahl in der Nähe der Außen­ seite befinden. Die Direktfeldmessung wiederum erlaubt über die Signalphase Aussagen, ob sich diese Störstelle an der In­ nen- oder Außenseite der Wand befindet. Ist bspw. bei einem dickwandigen Rohr eine Anzeige nur im Fernfeldspektrum zu se­ hen, kann man aus dieser Tatsache schließen, daß die Verände­ rung wohl in der Nähe der Außenseite der Wand liegen dürfte und daher durch die Direktfeldmessung nicht mehr erfaßt wird. Zeigt sich umgekehrt eine Anzeige sehr deutlich sowohl in der Fernfeld- als auch der Direktfeldmessung, kann man daraus schließen, daß sich die Störstelle nahe der Innenseite der Wand befindet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrich­ tung zum Werkstoffprüfen einer metallischen Wand mittels Fernfeld-Wirbelstromprüftechnik geschaffen, die aufweist:

• - eine Hauptachse, die der vorgesehenen Hauptbewegungsrich­ tung entlang der zu prüfenden Wand entspricht;
• - wenigstens eine Senderspule zur Erzeugung eines Magnet­ felds;
• - eine Mehrzahl von im Fernfeld der Senderspule(n) angeordne­ te Segmentspulen zur Detektion des von der zu prüfenden Wand beeinflußten Magnetfelds, die jeweils selektiv zur Prüfung eines vorbestimmten Abschnitts oder eines bestimm­ ten Anzeigentyps oder einer bestimmten Anzeigenerstreckung der Wand vorgesehen sind;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen oder mehre­ re Verstärker zum Verstärken der von den Empfänger- und/oder Segmentspulen detektierten Signale und einen Multiplexer zum Umsetzen der Signale dieser Empfänger- und/oder Segmentspulen auf wenigstens eine Datenübertragungsleitung aufweist.

Der in Anspruch 4 verwendete Begriff "Abschnitt einer Wand" umfaßt sowohl Streckenabschnitte der Wand längs als auch quer zur Hauptbewegungsrichtung. Bei einer Rohrwand kann es sich bspw. um Axialabschnitte und/oder Umfangsabschnitte handeln.

Häufig ist es wünschenswert, genauere Informationen über die radiale und/oder axiale Lage einer Anzeige bzw. einer Stör­ stelle in einem Rohr zu erhalten. Zu diesem Zweck können so­ genannte Segmentspulen verwendet werden. Eine Segmentspule im Sinne der Erfindung ist jeder Detektor eines elektromagneti­ schen Feldes, der über einen bestimmten Umfangswinkel und/oder eine bestimmte axiale Erstreckung eine erhöhte Emp­ findlichkeit aufweist und somit in der Radial- und/oder Axi­ alebene der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt einen be­ stimmten Umfangsabschnitt und/oder Axialabschnitt des Rohrs abtastet. Es werden mehrere (bevorzugt 6, 8 oder 16) über den Umfang der Vorrichtung verteilte, ggf. unterschiedliche Seg­ mentspulen verwendet, um den gesamten Rohrumfang abtasten zu können. Die Vorrichtung sieht auch vor, mit nur einer ausge­ wählten Segmentspule einen Rohrwandbereich kammförmig oder rotierend abzutasten. Da die Fernfeldtechnik keine begrenzte Eindringtiefe kennt, kann je nach Frequenzwahl in definierten Prüfgegenstandstiefen "geprüft" werden, d. h. es werden direk­ te Abbildungen von Veränderungen im Prüfvolumen aufgezeigt.

Vorteile dieses Vermögens liegen in der Vermessung sehr schmaler Veränderungen im Prüfling (bspw. 0,6 bis 0,8 mm breiten Laserschweißnähten mit einem Auflösungsvermögen von ca. 0,1 mm) und in der Visualisierung des Profils einer Ver­ änderung (Einbrandtiefe; Nahtbreite von Schweißnähten), d. h. es werden hier Werkstoffprüfungen durchgeführt. Die Wahl von hochortsauflösenden Segmentspulen unterschiedlicher Empfind­ lichkeit in radialer und axialer Richtung als Gegenstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht nicht nur ein siche­ res Aufspüren jeglicher Anzeigen in der Prüfgegenstandswand, sondern auch die Ermittlung der axialen und radialen Erstrec­ kung einer Anzeige.

Bei vergleichbarem Fernfeld geben jedoch Segmentspulen gegen­ über Empfängerspulen mit gleicher Empfindlichkeit über die gesamte Umfangsebene (Umfangsspulen) einen geringeren Signal­ pegel ab. Im Stand der Technik sind getrennte Signalleitungen für jede Segmentspule von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu der zugehörigen Auswerteeinheit vorgesehen. Das Verbin­ dungskabel zwischen der üblicherweise als Sonde oder Molch ausgebildeten Vorrichtung und der Auswerteeinheit wäre daher verhältnismäßig dick und unflexibel, was insbesondere das Prüfen von gekrümmten Rohrleitungen erschweren kann.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, den Signalpegel der Segmentspulen durch einen oder mehrere in oder an der Vor­ richtung angeordnete(n) Verstärker (Vorverstärker) anzuheben und die Signale der Mehrzahl von Empfänger- und/oder Segment­ spulen durch ein Multiplexverfahren auf wenigstens eine Si­ gnalleitung bzw. Datenübertragungsleitung umzusetzen. Bevor­ zugt wird dabei ein Zeitmultiplexverfahren angewendet. Die schaltungstechnische Ausführung eines Multiplexers ist dem Fachmann geläufig und bedarf hier keiner näheren Erläuterung. Bevorzugt erfolgt eine Umsetzung auf eine Datenübertragungs­ leitung. Ein Nachteil dieser Anordnung ist jedoch, daß die Prüfgeschwindigkeit mit zunehmender Spulenanzahl über einen Zeitmultiplexer abnimmt (Einschwingverhalten der Ausgangsfil­ ter). Ggf. kann auch eine Umsetzung auf mehrere Datenübertra­ gungsleitungen erfolgen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn bspw. verschiedene Spulen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten betrieben werden. In jedem Fall liegt er­ findungsgemäß die Zahl der Datenübertragungsleitungen unter der Gesamtzahl von Empfänger(Umfangs)- und Segmentspulen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Prüfung zylindrischer Rohre ausgebildet, kann jedoch auch zur Prüfung ebener oder gekrümmter, dickwandiger Prüfgegenstände ausge­ bildet sein.

Bei der Prüfung zylindrischer Rohre entspricht der Abstand der Fernfeldempfänger(umfangs)spulen oder -segmentspulen von der Senderspule oder den Senderspulen üblicherweise minde­ stens dem Rohrinnendurchmesser, vorzugsweise mindestens dem doppelten Rohrinnendurchmesser, weiter vorzugsweise minde­ stens dem dreifachen Rohrinnendurchmesser. Häufig ist ein Ab­ stand zwischen dem zwei- und vierfachen Rohrinnendurchmesser bevorzugt. Zur Prüfung von Rohren aus ferritischem Material wird häufig ein Axialabstand von wenigstens zwei Rohrinnen­ durchmessern erforderlich sein. Bei austenitischen Stählen kann bereits ein Abstand von einem Rohrinnendurchmesser aus­ reichen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die axiale Erstreckung jeder Senderspule größer als die axiale Erstreckung jeder Empfänger- und/oder Segmentspule. Dies be­ wirkt eine hohe Homogenität des auf die Empfänger- und/oder Segmentspulen einwirkenden Feldes und erhöht somit die Meßge­ nauigkeit.

Vorteilhafterweise sind im Fernfeld der Senderspule(n) zwei Empfängerspulen benachbart angeordnet. Der Begriff "benach­ bart" bedeutet, daß diese Empfängerspulen einen geringen axialen und/oder radialen Abstand aufweisen. Diese beiden Empfängerspulen können in einer sogenannten Absolut-Schaltung betrieben werden, dabei erfolgt eine Signalauswertung der (ggf. aufaddierten) Absolut-Signale. Häufig wird jedoch eine Differenzschaltung dieser beiden Empfängerspulen bevorzugt, ausgewertet wird anschließend das Differenzsignal. Durch die Differenzbildung lassen sich auf beide Spulen gleichermaßen einwirkende unerwünschte Störeinflüsse bis zu einem gewissen Maße ausschalten. Zudem lassen sich mit einer solchen Diffe­ renzschaltung Anfang und Ende einer Störstelle, deren axia­ le/radiale Erstreckung größer ist als die axiale/radiale Aus­ dehnung der beiden Empfängerspulen zusammengenommen, genauer feststellen. Sobald die in Bewegungsrichtung erste Spule die Störstelle erreicht, entsteht ein Differenzsignal, nachdem auch die zweite Empfängerspule sich im Bereich der Störstelle befindet, wird dieses Differenzsignal wieder Null. Sobald die erste Spule den Bereich der Störstelle verläßt, entsteht wie­ derum ein Differenzsignal. Anfang und Ende der Störstelle werden also im Spektrum, in dem die axiale/radiale Rohrer­ streckung gegen die Signalamplitude aufgetragen ist, durch zwei Peaks gekennzeichnet.

Die Differenzschaltung von zwei Empfängerspulen ermöglicht eine Charakterisierung der Störstellen durch eine besondere Art der Signalauswertung. Bei dieser Auswertung wird das Si­ gnal als Trajektorie in der komplexen Ebene der Impedanz dar­ gestellt. Einzelheiten zu diesem Verfahren finden sich bspw. in Review of progress in quantitative non destructive evalua­ tion, supra, S. 831-837.

Die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 3 und 4 können im Rahmen der Erfindung entweder einzeln oder in beliebiger Kom­ bination Anwendung finden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Diagramm zur Erläuterung der Be­ griffe Direktfeld und Fernfeld;

Fig. 2 teilweise im Längsschnitt einen Sondenkörper einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 ebenfalls einen Sondenkörper mit einer etwas geän­ derten Spulenanordnung.

In Fig. 1 ist die an einem Detektor (einer Empfängerspule) gemessene Spannung gegen den Abstand zwischen Sender und De­ tektor, in Vielfachen des Rohrinnendurchmessers d_i ausge­ drückt, aufgetragen. In unmittelbarer Nachbarschaft der Sen­ derspule dominiert zunächst das Direktfeld. Diese Direkt­ feldzone A erstreckt sich etwa über eine axiale Länge von ei­ nem Rohrdurchmesser. Aufgrund der exponentiellen Abschwächung des Direktfeldes mit wachsendem Abstand von der Senderspule kommt es im Bereich der Übergangszone B zu einer Unstetigkeit der Spannungskurve. Die Spannung des Direktfeldes fällt hier so stark ab, daß die durch das Fernfeld induzierte Spannung zu dominieren beginnt. Im Bereich der Fernfeldzone C ist schließlich das Direktfeld so stark abgeschwächt, daß die ge­ samte im Detektor induzierte Spannung praktisch nur noch durch das Fernfeld hervorgerufen wird. Die Dämpfung des Di­ rektfeldes erfolgt abhängig von der Frequenz des Feldes, dem Rohrdurchmesser sowie der Permeabilität des Prüfmaterials oder dessen Umgebung unterschiedlich schnell, so daß der Be­ ginn der Fernfeldzone C (der Abstand des Detektors von der Senderspule ausgedrückt in Vielfachen des Rohrinnendurchmes­ sers) unterschiedlich sein kann.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils schematisch einen Sondenkör­ per für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, teilweise im Längsschnitt. Die Länge des in Fig. 2 gezeigten Sondenkörpers beträgt etwa 200 bis 250 mm, der größte Außendurchmesser etwa 15 mm. Der Sondenkörper weist an seinen beiden Enden jeweils eine Senderspule 1, 2 auf. Die axiale Erstreckung jeder Sen­ derspule ist größer als die jeder Empfänger- bzw. Umfangs- oder Segmentspule. In den Figuren ist der Deutlichkeit halber nur der Spulenkörper ohne die Spulenwicklung gezeigt. Als Spulenwicklung kann Kupferdraht Verwendung finden.

Unmittelbar benachbart der Senderspule 2 sind zwei Um­ fangsspulen 3, 4 angeordnet. Die Wicklungen dieser Spulen sind ebenfalls nicht dargestellt. Die Umfangsspulen 3, 4 be­ finden sich im Direktfeld der Senderspule 2 und dienen zur Direktfeldmessung. Bei der Auswertung ihrer Signale kann ent­ weder eine Absolutschaltung oder die oben beschriebene Diffe­ renzschaltung Verwendung finden.

Im Fernfeld sowohl der Senderspule 1 als auch der Senderspule 2 sind zwei axial benachbarte Fernfeldumfangsspulen 5, 6 an­ geordnet. Die Empfängerspulen 5, 6 können entweder in Abso­ lut- oder in Differenzschaltung betrieben werden. Die Sende/- bzw. Empfangscharakteristik der bisher genannten Spulen ist in sämtliche Radialrichtungen identisch.

Benachbart der Umfangsspule 6 sind in den Sondenkörper über dessen Umfang verteilt bis zu sechs zylindrische Ausnehmungen 7, 8 eingetieft. In diese Ausnehmungen sind in der Zeichnung nicht dargestellte Segmentspulen eingesetzt, die hier als Topfspule ausgebildet sind. Jede dieser Topfspulen weist eine erhöhte Empfindlichkeit über ein Radialsegment von 5-10° auf und ermöglicht so eine Radialprüfung von Materialveränderun­ gen in dem zu prüfenden Rohr.

In dem Hohlraum 9 des Spulenkörpers sind ein Vorverstärker sowie ein Multiplexer (in der Zeichnung nicht dargestellt) angeordnet. Vorverstärker und Multiplexer sind vorzugsweise in SMD-Technik ausgeführt. Die Signale der Empfängerspulen 3, 4, 5, 6, 7, 8 werden verstärkt und mittels des Multiplexers im Zeitmultiplexverfahren in eine einzige Datenübertragungs­ leitung eingespeist. Die Verbindungsleitung 10 zur Verbindung mit der Antriebs-, Steuer- und Datenaufnahmeeinheit (in der Zeichnung nicht dargestellt) kann verhältnismäßig dünn und flexibel gestaltet werden, da für sämtliche Empfängerspulen 3, 4, 5, 6, 7, 8 nur eine Datenübertragungsleitung erforder­ lich ist. Über die Verbindungsleitung 10 werden auch die Speiseleitungen für die Senderspulen 1, 2, den Vorverstärker und den Multiplexer geführt.

Fig. 3 zeigt einen Sondenkörper, bei dem die Segmentspulen 11, 12 abwechselnd axial versetzt angeordnet sind. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform weitgehend der Fig. 2, glei­ che Teile sind daher mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen sind für eine Betriebsfrequenz von etwa 0,10-200 kHz ausgelegt, die Sen­ derspulen werden also mit einem Wechselstrom verschiedener paralleler Frequenzen aus diesem Frequenzbereich gespeist. Sie eignen sich zur Werkstoffprüfung sowohl von austeniti­ schen als auch ferritischen Rohren, die Rohre können verhält­ nismäßig dickwandig sein. Veränderungen der Wandstärke in der Größenordnung von 10% lassen sich sicher detektieren. Ebenso sicher detektierbar sind Materialeigenschafts- oder Gefüge­ veränderungen in dieser Größenordnung oder Veränderungen ei­ ner Schweißnahtanbindung, beispielsweise zwischen zwei Rohren im Bereich von ca. 0,1 mm.

Die Signale der Segmentspulen werden in der Regel absolut ausgewertet. Insbesondere bei axial gegeneinander versetzten Segmentspulen 11, 12 wie in der Fig. 3 kann jedoch auch eine ggf. per Auswertungssoftware vorzunehmende Differenzbildung sinnvoll sein, um in der oben beschriebenen Weise genauere Aussagen über die axiale Erstreckung von Störstellen zu ge­ winnen. Bei der Ausführungsform der Fig. 3 können zu diesem Zweck Segmentspulen vorgesehen sein, deren Radialsegmente hö­ herer Empfindlichkeit sich überlappen, so daß jeder Umfangs­ abschnitt des Rohrs von zwei axial gegeneinander versetzten Segmentspulen abgetastet wird. Ggf. können auch abweichend von der Ausführungsform der Fig. 3 zwei oder mehrere axial gegeneinander versetzte Ringe von Segmentspulen vorgesehen sein. Unter einem Ring ist in diesem Zusammenhang eine über den Umfang des Sondenkörpers verteilte Anordnung von mehreren Segmentspulen zu verstehen.

Abweichend von der Ausführungsform in Fig. 2 und 3 können über den Sondenkörperumfang auch unterschiedliche Segmentspu­ lentypen auf zwei oder mehreren axial gegeneinander versetz­ ten Ringen zur Detektion und Vermessung unterschiedlicher An­ zeigenmuster oder Störstellen vorgesehen sein. Eine auf den Rohrumfang bezogene kammförmige oder gleichförmig rotierende Prüffahrt ermöglicht dann die Abdeckung des gesamten Prüfbe­ reiches in axialer und in Rohrumfangsrichtung.

Abweichend von der Ausführungsform in Fig. 2 und 3 kann die Form des Sondenkörpers zur Prüfung ebener oder konve­ xer/konkaver Geometrien größerer Prüfgegenstandsdicken sein. Ein solcher Sondenkörper ist dann ebenfalls planparallel oder konkav/konvex der Prüfgegenstandsoberfläche, jedoch mit glei­ cher Sender-/Empfängerspulenanordnung angepaßt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Werkstoffprüfen einer metallischen Wand mittels Fernfeld-Wirbelstromprüftechnik, die aufweist:

• - eine Hauptachse, die der vorgesehenen Hauptbewe­ gungsrichtung entlang der zu prüfenden Wand ent­ spricht;
• - Senderspulen (1, 2) zur Erzeugung eines Magnet­ felds;
• - wenigstens eine in Richtung der Hauptachse von den Senderspulen (1, 2) beabstandete und in deren Fern­ feld angeordnete Empfängerspule (5, 6) zur Detekti­ on des von der zu prüfenden Wand beeinflußten Ma­ gnetfelds;

dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Hauptachse beid­ seitig der Empfängerspule(n) (5, 6) wenigstens je eine Senderspule (1, 2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig der Empfängerspule(n) (5, 6) entlang der Hauptachse angeordneten Senderspulen (1, 2) jeweils den gleichen Abstand von der Empfängerspule bzw. den Empfän­ gerspulen (5, 6) aufweisen.

3. Vorrichtung zum Werkstoffprüfen einer metallischen Wand mittels Wirbelstromprüftechnik, die aufweist:

• - eine Hauptachse, die der vorgesehenen Hauptbewe­ gungsrichtung entlang der zu prüfenden Wand ent­ spricht;
• - wenigstens eine Senderspule (1, 2) zur Erzeugung eines Magnetfelds;

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je eine Empfän­ gerspule (3, 4; 5, 6) zur Detektion des von der zu prü­ fenden Wand beeinflußten Magnetfelds benachbart einer Senderspule (2) im Bereich deren Direktfelds und beab­ standet von der oder den Senderspulen(n) (1, 2) im Be­ reich des Fernfelds angeordnet ist.

4. Vorrichtung zum Werkstoffprüfen einer metallischen Wand mittels Fernfeld-Wirbelstromprüftechnik, die aufweist:

• - eine Hauptachse, die der vorgesehenen Hauptbewe­ gungsrichtung entlang der zu prüfenden Wand ent­ spricht;
• - wenigstens eine Senderspule (1, 2) zur Erzeugung eines Magnetfelds;
• - eine Mehrzahl von im Fernfeld der Senderspule(n) (1, 2) angeordnete Segmentspulen (7, 8, 11, 12) zur Detektion des von der zu prüfenden Wand beeinfluß­ ten Magnetfelds, die jeweils selektiv zur Prüfung eines vorbestimmten Abschnitts der Wand vorgesehen sind;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen oder mehrere Verstärker zum Verstärken der von Empfänger­ und/oder Segmentspulen (3, 4, 5, 6, 7, 8, 11, 12) detek­ tierten Signale und einen Multiplexer zum Umsetzen der Signale dieser Empfänger- und/oder Segmentspulen auf we­ nigstens eine Datenübertragungsleitung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Prüfen von Rohren und/oder ebenen Geometrien ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Fernfeld der Senderspule(n) (1, 2) angeordnete(n) Empfängerspule(n) (5, 6) und/oder Segmentspulen (7, 8, 11, 12) einen axialen Abstand von jeder Senderspule (1, 2) aufweisen, der mindestens dem Rohrinnendurchmesser, vorzugsweise mindestens dem doppelten Rohrinnendurchmes­ ser, weiter vorzugsweise mindestens dem dreifachen Roh­ rinnendurchmesser, besonders bevorzugt dem zwei- bis vierfachen Rohrinnendurchmesser entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die axiale Erstreckung jeder Senderspule (1, 2) größer ist als die axiale Erstreckung jeder Empfänger­ und/oder Segmentspule.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Fernfeld der Senderspule(n) (1, 2) zwei Empfängerspulen (5, 6) benachbart angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese beiden Empfängerspulen (5, 6) in Differenz- oder Absolutschaltung geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz- und Absolutauswertung der Detektions­ signale der beiden Umfangsspulen (5, 6) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentspulen (7, 8, 11, 12) in Differenz- oder in Absolutschaltung geschaltet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz- und Absolutauswer­ tung der Detektionssignale der Segmentspulen (7, 8, 11, 12) vorgesehen ist.