DE19833276A1 - Wirbelstromprüfsonde zum Überprüfen von Kanten metallischer Gegenstände - Google Patents

Abstract

Ein Sondensystem auf Wirbelstrombasis dient zur Überprüfung insbesondere der Kanten von gewalzten Stahlstäben. Es erfasst Defekte sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung solcher Stäbe. Die Sonde sieht eine Kombination mehrerer Spulen vor, mit welchen magnetische Fluss-Differenzen detektierbar sind. Die simultane Empfindlichkeit der Sonde in Quer- und Längsrichtung des Prüflings wird dadurch erzwungen, dass diese eine Drehbewegung um ihre Hochachse ausführt. Als Antrieb für die Drehbewegung dient ein elektrischer Asynchronmotor. Die elektrischen Speise- und Empfangssignale des Sondensystems werden über einen Drehtransformator berührungslos ein- und ausgekoppelt.

Description

[Stand der Technik]

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromprüfsonde zur Prüfung metallischer Gegenstände.

Prüfgeräte der vorgenannten Art gehören seit einiger Zeit zum Stand der Technik und dienen insbesondere dazu, um rohrförmi­ ge Gegenstände von deren Innen- oder Aussenseite her zu prüfen. Weitere wichtige Anwendungsgebiete dieser Geräte betreffen die Kontrolle gewalzter Bleche, Stangen oder Drähte in der metallverarbeitenden Industrie. Es sind vielfältige Anstrengungen unternommen worden, um speziell die Peripherie von Stangen, Rohren oder Drähten allseitig inspizieren zu können. Hierzu werden Prüfsonden verwendet, welche mit einer mechanisch angetriebenen Vorrichtung und mit hoher Geschwin­ digkeit um solche Gegenstände herumgeführt werden, umlaufend Wirbelstromprüfungen durchzuführen. Dabei wird gleichzeitig und mit einer vorgegebenen linearen Geschwindigkeit das zu untersuchende Werkstück durch eine solche Prüfeinrichtung hindurchbewegt. - Die zu detektierenden Materialfehler sind unterschiedlicher Natur. Sie können entweder äusserlich sichtbar sein, oder sich im Inneren des Materials befinden. Sie können eher punktförmig sein oder eine ausgedehnte, insbesondere längliche Form haben. Je nachdem, welche der diesbezüglichen Voraussetzungen gegeben ist, wird eine vorge­ sehene Wirbelstromprüfsonde einen mehr oder weniger hohen Detektions-Wirkungsgrad aufweisen. Es hat sich aber immer wieder herausgestellt, dass die Erkennung von Defekten an den Kanten von Metallstäben mit annähernd rechteckigem Quer­ schnitt (engl. billets, slabs) äusserst schwierig ist und zumeist nur unvollkommen gelingt. Dies betrifft insbesondere die Problemstellung, wenn gleichzeitig Defekte in Längsrich­ tung wie in Querrichtung solcher Stäbe vorkommen können und mit grosser Zuverlässigkeit detektiert werden sollen. In bekannter Weise wird das Problem zusätzlich dadurch ver­ schärft, dass die Querschnitts-Dimensionen solcher Produkte leichten Variationen unterworfen sein können, ohne dass eigentliche Kanten-Defekte vorliegen. Ein Versuch, das ge­ nannte Problem zu lösen, wird in der Patentschrift US 5,130,652 dargestellt, vgl. die dortigen Fig. 1, 3, 4 und 5. Die dortigen Erregerspulen sind nicht nur gross, unhandlich und teuer, sondern können aufgrund ihres Volumens auch nur mit Gleich- oder niederfrequentem Wechselstrom betrieben werden. Die bekannten Vorteile einer hochfrequenten Prüfung auf Wirbelstrombasis können somit dort nicht wahrgenommen werden. - Einen ähnlichen Ansatz verfolgt die in der US 5,648,721 vorgestellte Erfindung. Wie in der Lösung gemäss US 5,130,652 liegt durch die kreisende Bewegung der Sonde bei einer Kantenprüfung jedoch der Nachteil vor, dass wechselwei­ se jeweils interessierende Materialbereiche, dann benachbarte Materialbereiche überprüft werden. Die Erfindung gemäss US 5,648,721 ist dementsprechend auch im Wesentlichen zur Über­ prüfung von Nieten und Schrauben an Flugzeugen vorgesehen. In der von der gleichen Erfindung abgeleiteten US 5,617,024 werden sodann nur Prüfsonden vorgestellt, welche eher allge­ meinen Charakter haben und nicht geeignet sind, gleichzeitig sowohl Quer- wie Längsfehler an den Kanten von stabförmigen Gegenständen aus einem Metall oder elektrisch leitfähigem Material zu entdecken. - Eine weitere, auf einem Kreisbogen geführte Sonde zur Überprüfung flächiger Metallstücke wird in der US 4,274,054 erläutert. Wie in der dortigen Schrift dargestellt, eignet sich die vorgeschlagene rotierende Spu­ lenanordnung jedoch nicht für die Prüfung von Kanten der zu untersuchenden Prüflinge, da für eine Prüfung von Kanten eine andere Lösung mit nicht rotierenden Sonden vorgestellt wird.

[Aufgabe der Erfindung]

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges, einfach zu bedienendes und sehr zuverlässiges Prüfinstrument bereitzustellen, welches insbesondere Defekte an oder bei Kanten von kantigen, metallischen Stäben erfassen kann, wobei gleichzeitig Defekte in zumindest Längs- und Querrichtung solcher Stäbe detektierbar sein sollen. Darüber hinaus sollen möglichst auch Defekte erkennbar sein, welche eine Winkellage zwischen diesen Richtungen aufweisen. Darüber hinaus soll das Prüfinstrument oder eine entsprechende Sonde (ohne Umbaumass­ nahmen) auch für Materialprüfungen an flächigen metallischen Gegenständen einsetzbar sein.

Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Prüfsonde für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material vorgesehen wird, welche einen Mess­ transformator, gegebenenfalls einen oder mehrere Mess- Oszillatoren aufweist, deren Impedanz oder Reaktanz sich bei Vorliegen solcher Materialfehler ändert, zumindest differen­ tiell ändert. Insbesondere in der Ausführungsform mit einem Mess-Transformator ist vorgesehen, dass eine oder mehrere, mit einer hochfrequenten Spannung zu speisenden, als Mes­ stransformator geschaltete Sende- (Primär-) und Empfangs- (Sekundär-)spulen zur Erfassung wirbelstrommässig erzeugter magnetischer Flüsse oder Teilflüsse eingesetzt werden, wobei der Messtransformator in der Lage ist, Differenzen von magne­ tischen Teil-Flüssen detektieren zu können, die durch den Messtransformator in einem metallischen Prüfling generiert und von diesem abgestrahlt werden, und der Messtransformator mindestens eine Symmetrie-Achse aufweist und gemäss der Erfindung kontinuierlich um eine bevorzugte solcher Symme­ trie-Achsen, insbesondere um eine Hochachse, kontinuierlich gedreht wird. Dabei führt der Messtransformator eine Drehbe­ wegung gegenüber dem Prüfling aus (oder umgekehrt). Die genannte Symmetrieachse ist gemäss der Erfindung dabei im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines metallischen Prüflings orientiert, oder zielt auf dessen Längsachse. Die Drehbewegung des Messtransformators wird dabei am besten maschinell ausgeführt, d. h. bevorzugt mittels eines elektro­ motorischen Antriebs.

In der erfindungsgemässen Ausführungsform mit einem Mess- Transformator wird die vorgenannte Aufgabe also in spezieller Weise dadurch gelöst, dass eine Prüfsonde für die zerstö­ rungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogeni­ täten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Mate­ rial bereitgestellt wird, welche Wirbelströme im zu prüfenden Material erzeugen und (per entsprechend abgestrahlten Wirbel- Magnetfeldern) detektieren kann und dabei folgende Merkmale aufweist: Die Prüfsonde ist mit einer oder mehreren Sende­ spulen ausgestattet, deren Längsachsen im wesentlichen senk­ recht zur Oberfläche eines zu prüfenden Gegenstandes orien­ tiert sind oder zumindest so ausgerichtet sind, dass eine Flächennormale des Gegenstandes an einem zu prüfenden Bereich in parallele Richtung zur Längsachse einer solchen Sendespule weist. Die Sendespule wird mit einer hochfrequenten Wech­ selspannung von etwa 1 bis 5000 kHz gespeist. Der Sendespule ist eine Empfangsspule zugeordnet, welche sich bevorzugt innerhalb der Sendespule befindet. Die Empfangsspule weist ein Verhältnis von Längsdimension zu Breitendimension (d. h. Spulenhöhe zu Spulenbreite) von kleiner als 1 auf und ist bevorzugt kleiner als 0,3, typischerweise sogar kleiner als 0,2. Insbesondere kann die Empfangsspule mit einer nicht allzugrossen Zahl von Windungen um einen ferromagnetischen Kern gewickelt sein, welcher eine höhere magnetische relative Permeabilität aufweist, z. B. einen Wert von 10 bis 10 000. Die Längsachse der Empfangsspule ist insbesondere senkrecht zur Längsachse der Sendespule orientiert, wobei beide genann­ ten Längsachsen zumindest näherungsweise einen gemeinsamen Punkt oder Kreuzungspunkt aufweisen.

Sende- und Empfangsspule bilden ein transformatorisches System mit Primärspule und Sekundärspule, welche als (magn.) Fluss-Differenz-Detektionsanordnung geschaltet sind. Die transformatorische Wechselwirkung zwischen Primär- und Sekun­ därspule ist dabei bekanntlich gleichwertig, d. h. Primär- und Sekundärseite des transformatorischen Systems können (unter Berücksichtigung des Windungszahlenverhältnisses) gegeneinan­ der ohne Funktionsverlust des Systems ausgetauscht werden. Die vorgenannte Anordnung von Sende- und Empfangsspule ist innerhalb eines schirmenden Topfes oder Hohlzylinders mit einer bevorzugt einseitigen Öffnung an dessen Stirnseite angeordnet. Der Topf dient als Leiter für einen magnetischen Fluss und besteht aus einem ferromagnetischen Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität von grösser als 10. Die Prüfsonde ist relativ zu einem zu prüfenden Gegen­ stand drehbar gelagert und kann durch einen motorischen Antrieb mit etwa gleichmässiger Drehzahl um eine Achse ge­ dreht werden, welche mit einer Symmetrieachse, (speziell Längsachse) der Sende- oder Empfangsspule übereinstimmt.

Von Vorteil ist es gemäss der Erfindung, wenn der magnetisch schirmende Topf zugleich eine elektrische Schirmung bestehend aus einem elektrisch leitenden Material aufweist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die zu rotierende Anordnung von Sende- und Empfangsspule an einen mit einem Luftspalt versehenen Drehtransformator (nicht zu verwechseln mit dem obengenannten, drehbaren Mess- Transformator) angeschlossen ist, so dass berührungslos eine Sendespannung für die Sendespule und gleichzeitig eine in der Empfangsspule erzeugte Empfangsspannung übertragen werden kann.

Eine kostengünstige Ausführungsform mit einem guten Detekti­ onsverhalten wird gemäss der Erfindung dadurch erhalten, dass die Sendespule mit kreisförmigem Querschnitt ausgelegt ist und die Empfangsspule eher rechteckigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise ist es besonders gut möglich, linienartig ausgedehnte Inhomogenitäten oder Defekte aufzuspüren, welche sich in der Nähe oder auf einer Kante eines langgestreckten Gegenstandes aus elektrisch leitfähigem Material befinden.

Gemäss der Erfindung ist es ebenfalls nützlich, die Sonde mit einer zusätzlichen, an sich bekannten Einrichtung zu verse­ hen, mit der der mittlere Abstand der Sonde von einem zu prüfenden Gegenstand ermittelt werden kann, so dass ein von der Sonde abgegebenes Signal im wesentlichen abstandsunabhän­ gig wird (sogenannte Abstandskompensation).

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass als Antrieb für die Drehung des Sonden-Systems ein kostengünstiger und langlebiger, handelsüblicher Dreiphasen-Elektromotor (Asynchronmotor) spezifiziert werden kann, welcher mit einer Nenndrehzahl von etwa 900 bis 3600 Umdrehungen pro Minute läuft. Es ist also nicht erforderlich, speziell geregelte Antriebsmotoren für die Erfindung vorzusehen. Anstelle eines Asynchronmotors können auch andere Motoren für die Erfindung verwendet werden.

Es hat sich herausgestellt, dass unter Verwendung der erfin­ dungsgemässen Merkmale eine Wirbelstromprüfsonde für kantige Prüflinge bereitgestellt werden kann, deren Ausgangssignale im wesentlichen unabhängig davon sind, welche Orientierung die Längsachse eines Defektes relativ zur Längsachse eines Prüflings einnimmt. Darüber hinaus sind die genannten Aus­ gangssignale sogar praktisch unabhängig davon, ob sich solche Defekte innerhalb eines Sektors befinden, der sich auf etwa +/- 15° erstreckt und um die Längsachse eines Prüflings gemes­ sen wird. Dabei wird eine Referenz-Richtung zugrunde gelegt, welche durch die genannte Längsachse und eine zu prüfende, insbesondere abgerundete Kante des Prüflings definiert wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird anstelle einer sich drehenden Sende- oder Empfangsspule ein rein elektrisch arbeitendes Analogon verwendet. Hierzu wird ein Mehrphasen-Sende- oder -Empfangsspulensystem, bestehend aus einem Spulensatz von z. B. 5 Spulen, und einer vor- bzw. nachgeschalteten elektronischen Phasen-Selektions- oder Diskriminations-Stufe vorgesehen, so dass auf einen motori­ schen Antrieb von Sende- und/oder Empfangsspulen verzichtet werden kann. Dafür muss aber der zugehörige elektronische Aufwand vergrössert werden. Unter einem Phasen-Selektions- System wird ein System verstanden, welches eine (oder eine Teil-Anzahl) von mehreren, auf unterschiedliche Azimut-Winkel weisende Spulen oder Spulen-Sätze mittels eines Wahl- Schalters als aktuell ausgewählte Spule(n) elektrisch an­ schalten oder aktivieren kann. Mit einem Phasen- Diskriminationssystem ist es möglich, bei einem vorhandenen Magnetfeld eine anteilige z. B. azimutale Komponente quantita­ tiv zu bestimmen. Unter Verwendung dieser, an sich bekannter Vorrichtungen und Massnahmen ist es also möglich, Sende- Drehfelder zu erzeugen oder in umlaufender Weise anteilige Azimutalkomponenten eines solchen Drehfeldes zu bestimmen.

Insgesamt beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass die Kombination eines Sende- und mindestens eines Empfangsspulen- Magnetfeldes zur Detektion von Fehlern in Kantennähe eines Prüflings zu wesentlich besseren Prüfergebnissen führt, wenn eine solche Kombination um eine, beiden Spulen zugeordnete, Symmetrieachse gedreht wird. Die genannte Drehung kann dabei entweder mit mechanischen Mitteln ausgeführt werden oder aber mittels eines elektrisch erzeugten magnetischen Drehfeldes. Dabei steht eine der Längsachsen der genannten Spulen bevor­ zugt senkrecht zur Längsachse eines Prüflings von langge­ streckter Form. Es ist darüber hinaus möglich, eine der Spulen-Längsachsen parallel zu einer Flächennormalen eines Prüflings von eher flächenhafter Gestalt zu orientieren. Die Stirnfläche einer der beteiligten Spulen weicht dabei bevor­ zugt von einer Kreisform ab und ist zum Beispiel oval oder länglich gestreckt. Die als Empfangs-Spule(n) dienende(n) Spule(n) wirken dabei typischerweise als Differenz-Sensor für Anteile eines magnetischen Gesamt-Flusses. Gemäss der Erfin­ dung ist es besonders wirtschaftlich, einen handelsüblichen Asynchron-Wechselstrommotor als Drehantrieb für die genannte Spulenkombination vorzusehen.

Wiewohl es besonders vorteilhaft ist, die vorliegende Erfin­ dung mit Wirbelstromsensoren zu betreiben, welche mit fester hochfrequenter Bestromung arbeiten, kann die Erfindung in an sich bekannter Weise so adaptiert werden, dass die Wirbel­ stromsensoren einen oder mehrere frequenzvariable Oszillato­ ren aufweisen, wie auch dem Fachmann diesbezügliche Modifika­ tionsmöglichkeiten nach dem Stand der Technik geläufig sind.

[Beispiele]

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, welche Details zu bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wiedergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste grundlegende Anordnung einer Sende- und einer Empfangsspule

Fig. 2 eine zweite grundlegende Anordnung einer Sende- und zugehöriger Empfangsspulen

Fig. 3 eine Anordnung zur Detektion von Defekten an langgestreckten Prüflingen mit kantigem Quer­ schnitt, nach dem Stand der Technik

Fig. 4 eine erfindungsgemässe Anordnung mit drehbaren Spulen zur Detektion vergleichbarer Defekte

Fig. 5 eine weitere erfindungsgemässe Anordnung mit drehbaren Spulen zur Detektion vergleichbarer Defekte.

Die in Fig. 1 gezeigte erste grundlegende Anordnung einer Sende- und einer Empfangsspule ist insofern als Beispiel zu verstehen, als beide Spulen eine transformatorische Einheit darstellen, bei der gemäss bekannten Theoremen es nicht prinzipiell darauf ankommt, welche der beiden Spulen als Primär- oder Sekundärspule geschaltet ist. Normalerweise wird die gezeigte Spule 11, deren Hochachse bevorzugt auf die Längsachse eines Prüflings zeigt, als Sendespule geschal­ tet. Spule 12, welche von Spule 11 umschlossen wird, ist dann als Empfangsspule geschaltet. Sendespule 11 wird hochfre­ quent bestromt und erzeugt in einem Prüfling Wirbelströme. Ist dieser frei von Defekten, so wird in Empfangsspule 12 praktisch kein Signal erzeugt, da diese nur anspricht, wenn unterschiedlich grosse Teilflüsse aus entsprechend symmetri­ schen Anteils-Richtungen vorhanden sind. Dies ist immer dann der Fall, wenn ein zu untersuchender Prüfling in der Nähe der Empfangsspule einen mechanischen oder materialbedingten Defekt aufweist. Vorteilhaft weisen beide Spulen eine eher geringe Bauhöhe in Richtung ihrer Längsachsen (Feldachsen) auf. (Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird als Längs­ achse einer Spule immer diejenige Achse bezeichnet, welche mit der Richtung eines von dieser Spule erzeugten Magnetfel­ des übereinstimmt). Darüber hinaus muss mindestens eine der beiden Spulen 11, 12 eine Stirnflächen-Gestalt aufweisen, welche von eher gestreckter oder schmaler Form ist, mithin nicht von z. B. quadratischer oder kreisförmiger Art ist. Es ist vorteilhaft, wenn die umschlossene, innere Spule 12 um einen Ferritkern gewickelt ist. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Spulen 11 und 12 fest relativ zueinander beabstandet. Beide sind drehbar gelagert, und zwar so, dass eine entsprechende Drehachse durch Symmetrieachsen beider beteiligter Spulen verläuft.

Eine weitere grundlegende Spulenanordnung wird in Fig. 2 gezeigt. Auch diese Spulenanordnung ist um eine entsprechen­ de, zu der Spulenanordnung symmetrischen Drehachse drehbar gelagert. Im Gegensatz zur Spulenanordnung von Fig. 1, bei der beide Spulen-Längsachsen senkrecht aufeinander stehen, verlaufen die Spulen-Längsachsen von Sendespule 11 und zwei Empfangsspulen 13, 14 im wesentlichen alle parallel. Wie im vorhergehenden Fall sind die Spulen eher flach als lang und hinsichtlich ihrer Stirnflächendimensionen eher von gestreck­ ter Form.

In den Fig. 1 und 2 wird nicht gezeigt, dass die beteilig­ ten Spulen zum Zwecke der Zufuhr und Abfuhr von hochfrequen­ ten (Sende- bzw. Empfangs-)Spannungen an eine Hälfte eines Dreh-Transformators geschaltet sind, wodurch eine elektrische Ankopplung solcher Spannungen an eine feststehende elektri­ sche Versorgungseinrichtung ohne Schleifringe oder derglei­ chen möglich ist. Eine Bestromung mittels Schleifringen ist jedoch ebenfalls denkbar. - Weiterhin wird in Fig. 1 und 2 nicht gezeigt, wie die grundlegenden Spulenanordnungen mit­ tels z. B. eines Elektromotors um die gezeigten Drehachsen in Drehung versetzt werden.

In Fig. 3 wird eine Anordnung zur Detektion von Defekten an langgestreckten Prüflingen mit kantigem Querschnitt gezeigt, wie sie nach dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Eine solche Anordnung besitzt innerhalb eines Gehäuses 34, welches mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen ist, eine Sonde mit einen Spulensatz ähnlich Fig. 1 und 2, jedoch mit dem entscheidenden Unterschied, dass dieser nicht drehbar gelagert ist. Wird das entsprechende Gehäuse mit seiner aktiven Sonde in Kantennähe eines kantigen Stabes 31 in Richtung des Pfeiles 37 verfahren, so wird in Abhängigkeit einer Position x ein Meß-Signal mit der Intensität y regi­ striert, wie dies im unteren Teil der Fig. 3 dargestellt ist. Es wird dort gezeigt, wie ein länglicher Defekt 32, welcher im wesentlichen in Längsrichtung des Stabes 31 orientiert ist, nur relativ kleine Impulshöhen 40 und 41 verursacht, welche relativ zu einem Grundrauschen 35, 36 schlecht zu detektieren sind. Hingegen erzeugt ein ähnlicher Defekt, der im wesentlichen in Querrichtung des Stabes 31 orientiert ist, und sich ebenfalls in der Nähe einer entsprechenden Stab- Kante befindet, ein wesentlich intensiveres Signal 42. Ein solches kann bei Geräten nach dem Stand der Technik also wesentlich besser detektiert werden. Es leuchtet ein, dass es zum Zwecke einer Material-Kontrolle wichtig wäre, eine vergleichbare Detektionssicherheit für beide Signale vorzu­ finden.

Die Lösung zur Behebung dieses Problems wird in Fig. 4 ge­ zeigt, bei der ebenfalls eine Sonde ähnlich der in Fig. 3 gezeigten und im vorhergehenden beschriebenen vorhanden ist, welche jedoch gemäss der Erfindung drehbar gelagert ist. Ein langgestreckter Prüfling 31 und eine solche Sondenanordnung 39 können nicht nur linear gegeneinander verschoben werden (bevorzugt durch Transport des Prüflings), sondern auch relativ zueinander in Drehung versetzt werden - vorteilhaf­ terweise durch Drehung der Sondenanordnung 39 um eine diesbe­ zügliche Hochachse, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Orientierung des Drehpfeils 38 dient nur als Beispiel, da es auf die Drehrichtung im allgemeinen nicht ankommt. Die Drehzahl, mit der die Sondenanordnung 39 gedreht wird, beträgt etwa 10 bis 100 Umdrehungen pro Sekunde. Als Drehantrieb für die Sonden­ anordnung 39 wird ein nicht gezeigter Elektromotor vorgese­ hen. Die der Sondenanordnung 39 zu- und abzuführenden Signa­ le werden zweckmäßig über einen Drehtransformator (nicht gezeigt ein- bzw. ausgekoppelt.

Zum Schutz gegen magnetische und elektrische Störungen befin­ det sich die Sondenanordnung 39 in einem Gehäuse aus magne­ tisch und elektrisch leitfähigen Werkstoffen. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist mit einer solchen Sondenanordnung eine im Ver­ gleich zu Fig. 3 wesentlich bessere Wahrscheinlichkeit gege­ ben, nicht nur einen quer orientierten Defekt 33 anhand eines erzeugten Signals 52 zu erkennen. Vielmehr kann man mit der erfindungsgemässen Vorrichtung genauso gut, und ohne Verände­ rung an der Mess-Einrichtung, einen in Längs- oder Verfahr­ richtung orientierten Defekt 32 anhand eines zugehörigen Signalverlaufes 50, 51 identifizieren.

Wiewohl sich die in Fig. 4 gezeigte Prüfeinrichtung besonders gut dafür eignet, die genannten Fehler in Nähe oder auf einer Kante eines langgestreckten, kantigen Metallstücks zu detek­ tieren, kann die gezeigte Einrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren auch mit Vorteil bei der Überprüfung von flä­ chigen Metallwerkstücken (auch nicht-ferromagnetischen) eingesetzt werden.

In Fig. 5 wird gezeigt, dass zur Realisierung des Messprin­ zips weitere Spulen-Geometrien vorgesehen werden können, so dass die Längsachsen der Spulen senkrecht zu der erfindungs­ gemäss vorgesehenen Drehachse der Wirbelstromprüfsonde orien­ tiert sind, und ihre Längsachsen somit nicht senkrecht zur Oberfläche eines Prüflings stehen oder auf die Längsachse eines metallischen Prüflings (englisch z. B. als billet oder slab bezeichnet) zielen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, stellt die dort gezeigte Spulenanordnung einen vergleichbar wirken­ den Transformator dar, mit dem es gelingt, Differenzen von magnetischen (Teil-)flüssen zu ermitteln. Die Spulen können, um die Anordnung besser an praktische Gegebenheiten anzupas­ sen, mit ferromagnetischen Kernen, Flussleitstücken und ähnlichen zusätzlichen Gegenständen kombiniert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Art und die Geometrie eines gewünschten Magnetkreises zu modifizieren, dessen Eigenschaf­ ten ja auch durch die lokale Beschaffenheit eines zu untersu­ chenden Prüflings beeinflusst werden.

Bezugszeichenliste

11

Sendespule

12

Empfangsspule

13

Empfangsspule

14

Empfangsspule

11

' Sendespule

13

' Empfangsspule

14

' Empfangsspule

31

Prüfling, Stab

31

' Prüfling

32

länglicher Defekt

33

Defekt, quer orientiert

34

Gehäuse

35

Grundrauschen

36

Grundrauschen

37

Pfeil, Pfeilrichtung

38

Drehpfeil

39

Sonden-Anordnung

40

Impulshöhe

41

Impulshöhe

42

Signal

50

Signal, Signalverlauf

51

Signal, Signalverlauf

52

Signal, Signalverlauf

Claims (15)

1. Prüfsonde für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material, mit einer oder mehreren mit einer hochfrequenten Spannung gespeisten, als Messtransformator geschalteten Sende-(Primär-) und Empfangs-(Sekundär-)spulen zur Erfassung wirbelstrommässig erzeugter magnetischer Flüsse oder Teilflüsse, wobei der Messtransformator in der Lage ist, Differenzen von magnetischen Teil-Flüssen detektieren zu können, die durch den Messtransformator in einem metallischen Prüfling generiert und von diesem abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtransformator mindestens eine Symmetrie-Achse aufweist und kontinuierlich um eine ausgewählte von diesen Symmetrie-Achsen, insbesondere um seine Hochachse, gedreht wird, wobei die genannte Symmetrie- Achse im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines metalli­ schen Prüflings orientiert ist oder auf dessen Längsachse zielt.

2. Prüfsonde auf Wirbelstrombasis für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material, mit einer oder mehreren mit einer hochfrequenten Spannung gespei­ sten Sendespule und einer dieser zugeordneten Empfangsspule, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Sendespule (11) im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines zu prüfenden Gegenstandes (31, 31') orientiert ist oder einen Schnittpunkt mit einer Symme­ trielinie eines zu prüfenden Gegenstandes (31, 31') besitzt, dass die Empfangsspule (12; 13, 14) in festem Abstand relativ zur Sendespule angeordnet ist und ein Verhältnis von Längsdi­ mension in Richtung der Spulenachse (Feldachse) zu einer senkrecht dazu orientierten Querdimension von kleiner als 1, speziell kleiner als 0,3, aufweist und dabei insbesondere einen Kern aus einem Material mit vergleichsweise hoher magnetischer Permeabilität aufweist, und wobei zumindest eine Spule der Prüfsonde drehbar gelagert ist und mittels eines motorischen Antriebes um die Längsachse (Feldachse) von Sende- oder Empfangsspule in Drehung versetzt werden kann.

3. Prüfsonde auf Wirbelstrombasis für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material, mit einer oder mehreren, mit einer hochfrequenten Spannung ge­ speisten Sendespule und einer dieser zugeordneten Emp­ fangsspule, dadurch gekennzeichnet,
dass die Längsachse der Sendespule (11) im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines zu prüfenden Gegenstandes orientiert ist oder auf dessen Längsachse zielt,
dass die Empfangsspule (12; 13, 14) innerhalb und in festem Abstand relativ zur Sendespule angeordnet ist, ein Verhältnis von Empfangs-Spulenhöhe zu Empfangs-Spulenbreite von kleiner als 1, speziell kleiner als 0,3, aufweist und insbesondere einen Kern aus einem Material mit vergleichsweise hoher magnetischer Permeabilität aufweist,
dass die Längsachse der Empfangsspule insbesondere senkrecht zur Längsachse der Sendespule orientiert ist, wobei beide genannten Längsachsen zumindest näherungsweise einen gemein­ samen Punkt oder Kreuzungspunkt aufweisen,
dass die Anordnung von Sende- und Empfangsspule innerhalb eines schirmenden Topfes mit stirnseitiger Öffnung angeordnet sind, welcher aus einem Material mit hoher relativer magneti­ scher Permeabilität gefertigt ist,
dass die Prüfsonde drehbar gelagert ist und mittels eines motorischen Antriebes um die Längsachse von Sende- oder Empfangsspule in Drehung versetzt werden kann.

4. Prüfsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer im Vergleich zu den respektiven Ansprüchen transformatorisch vertauschten Anordnung von Sendespule und Empfangsspule, insbesondere mit einer Sendespule, welche zumindest bereichs­ weise innerhalb einer zugehörigen Empfangsspule angeordnet ist.

5. Prüfsonde nach Anspruch 3, bei der der schirmende Topf eine elektrische Abschirmung aus elektrisch leitendem Material aufweist.

6. Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule einen annähernd kreisför­ migen oder annähernd quadratischen Querschnitt und die Emp­ fangsspule einen schmalen, angenähert rechteckigen oder elliptischen Querschnitt aufweist.

7. Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen Drehtransformator zum Übertragen einer Sendespannung für eine Sendespule (11) und/oder zum Übertra­ gen einer in einer Empfangsspule (12; 13, 14) erzeugten Emp­ fangsspannung.

8. Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für die simultane Überprüfung hinsichtlich linienartig ausge­ dehnter Inhomogenitäten oder Defekte, welche sich schräg, parallel oder quer zu einer Längsachse eines Gegenstandes aus elektrisch leitfähigem Material auf einer Kante oder auf einer Oberfläche dieses Gegenstandes erstrecken, oder zur Überprüfung hinsichtlich flächig ausgedehnter Inhomogenitäten auf einem solchen Gegenstand.

9. Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Überprüfen von punktuell oder linienartig ausgedehnten Inhomogenitäten oder Defekten, welche sich in der Nähe oder auf einer Kante eines langgestreckten Gegenstandes aus elek­ trisch leitfähigem Material befinden.

10. Prüfsystem auf Wirbelstrombasis für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material, mit einer Prüfsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, und mit einer abstandskompensierenden Vorrichtung zur Reduzierung oder Eliminierung von abstandsbedingten Messfehlern, insbe­ sondere solchen, welche durch örtlich variierende Querdimen­ sionen eines Prüflings und dessen unterschiedlichem Abstand zur Prüfsonde bedingt sind, oder solchen, welche durch gebo­ gene Prüflinge bedingt sind und zu einer ungleichmässigem Beabstandung eines Prüflings zur Sonde führen.

11. Prüfsonde auf Wirbelstrombasis für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material, gekenn­ zeichnet durch ein Mehrphasen-Empfangs- oder Sende- Spulensystem, welches zumindest einen Spulensatz mit einer Mehrzahl von feststehenden, relativ zu einem Prüfling unbe­ weglichen Spulen und einer diesem Spulensatz nachgeschalteten elektronischen Phasen-Selektions- oder Diskriminations-Stufe aufweist; insbesondere mit einzelnen feststehenden, unbeweg­ lichen Spulen, deren Längsachsen (Feldachsen) senkrecht zur Oberfläche eines metallischen Prüflings orientiert sind oder angenähert auf dessen Längsachse zielen.

12. Prüfsonde auf Wirbelstrombasis für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und zum Erkennen von Inhomogenitäten oder Defekten eines Gegenstandes aus leitfähigem Material, mit einer im wesentlichen kernlosen Sendespule, innerhalb welcher eine mit einem Kern versehene Empfangsspule angeord­ net ist und wobei die Sonde einen umschliessenden, in Rich­ tung eines Prüflings stirnseitig geöffneten Topf aus magne­ tisch und elektrisch leitfähigem Material aufweist und die aus Spulen und Topf bestehende Anordnung um die Achse der Sendespule drehbar ist, speziell in zusätzlicher Kombination mit

• - einem als Drehantrieb dienenden Elektromotor,
• - einem Drehtransformator für die berührungslose Kopplung elektrischer Signale zwischen der drehbaren Sonden-Topf- Kombination und einer zugehörigen stationären Signal-Erzeu­ gungs- und -Auswerteeinheit
• - einer Einrichtung zur Kompensation von Signalschwankungen, welche durch einen variablen mittleren Abstand der Sonde relativ zu einem zu prüfenden Gegenstand aus elektrisch leitfähigem Material bedingt sind.

13. Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Wirbelstromsensoren, insbesondere zum Erkennen von Inhomoge­ nitäten oder Defekten auf metallischem Stangen- oder Blech- Rohmaterial oder auf metallischen Werkstücken, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine als Transformator mit differenzbil­ denden Eigenschaften geschaltete Spulenanordnung (11, 12; 11, 13, 14; 11', 13', 14') als Hochfrequenz-Wirbelstromsensor verwendet wird, wobei die genannte Spulenanordnung laufend um eine ihrer Symmetrieachsen gedreht wird, so dass Defekte von länglicher oder gestreckter Form unabhängig von ihrer Orien­ tierung auf einem Werkstück oder einem Rohling mit gleicher Detektionssicherheit erkannt werden können.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Symmetrieachse eine Hochachse der Spulenanordnung (11, 12; 11, 13, 14; 11', 13', 14') benutzt wird, welche entweder senk­ recht zur Oberfläche eines Werkstücks oder eines Rohlings orientiert ist oder auf eine Längsachse eines stangenförmigen Werkstücks oder Rohlings zeigt.

15. Verfahren für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Wirbelstromsensoren, insbesondere zum Erkennen von Inhomoge­ nitäten oder Defekten auf metallischem Stangen- oder Blech- Rohmaterial oder auf metallischen Werkstücken, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine als Transformator mit differenzbil­ denden Eigenschaften geschaltete Spulenanordnung (11, 12; 11, 13, 14; 11', 13', 14') als Hochfrequenz-Wirbelstromsensor verwendet wird, wobei zumindest ein Teil der genannten Spu­ lenanordnung laufend ein elektrisch erzeugtes magnetisches Drehfeld erzeugt, welches mit den genannten Werkstücken oder Rohmaterialien in Wechselwirkung tritt und dort Wirbelstro­ meffekte hervorruft, zur Erkennung von beliebig relativ zu einem Werkstück oder einem Rohmaterial-Gegenstand orientier­ ten Defekten von länglicher oder gestreckter Gestalt.