DE19940843A1

DE19940843A1 - Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Materials mittels Wirbelstromverfahren

Info

Publication number: DE19940843A1
Application number: DE1999140843
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-29

Abstract

Wirbelstom-Meßverfahren für die Bestimmung des elektrischen Widerstandes (Leitfähigkeit eines Materials) (1) mit Bildung einer Meßgröße tg·2·phi, die linear proportional mit dem Widerstand ist und die Kalibrierung vereinfacht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes und damit auch der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines elektrisch leitenden Materials. Bei dem dazu auszuführenden Verfahren bedarf es keiner Anbringung elektrischer Kontakte an diesem Material.

Für die Ausführung der Erfindung wird ein Wirbelstromverfah ren angewendet, wie es dem Prinzip nach für die zerstörungs freie Materialuntersuchung auf Risse, Lunker und dgl. Defekte hin bekannt ist. Hierzu sei auch auf den diesbezüglichen Stand der Technik verwiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, optimale Maßnahmen zur wenig aufwendigen Auswertung der mit dem Wirbelstrommeß verfahren gewonnenen Meßwerte anzugeben.

Diese Aufgabe ist gemäß der Merkmale des Anspruches 1 und in Weiterbildung gemäß der Unteransprüche gelöst.

Für das Wirbelstrom-Material-Untersuchungsverfahren ist es bekannt, die mit dem Detektor, einer Prüfspule, erfaßte Induktionsspannung V nach Realteil und Imaginärteil aus zuwerten.

Bei der Erfindung wird jedoch eine spezielle Meßgröße aus der jeweils erfaßten komplexen Induktionsspannung gebildet, näm lich die Größe tg²ϕ = [Im(V_L - V_M)/Re(V_L - V_M)]² gebildet. Darin ist V_M das komplexe Spannungssignal bei Messung mit dem De tektor auf dem Material und V_L dasjenige komplexe Spannungs signal, das man dann erhält, wenn der Meßkopf (siehe Fig. 1) derart weit vom zu untersuchenden Material abgehoben ist, daß im Material praktisch keine Wirbelströme mehr angeregt wer den, also ein erheblicher Luftabstand zwischen dem Detektor und dem Material vorliegt.

Die Besonderheit der Erfindung, d. h. die Wahl der Größe tg²ϕ zur Ermittlung des gesuchten elektrischen Widerstandswertes des Materials zu verwenden, liegt darin, daß diese Größe sich in etwa linear proportional der Größe des elektrischen Wider standes verhält. Dadurch ist es bei der Erfindung ausrei chend, im Kalibrierungsverfahren, wie nachfolgend noch näher beschrieben, nur zwei Kalibrierungspunkte von zwei hinsicht lich des elektrischen Widerstandes bekannten Materialien ver fügbar zu haben.

Gemäß der Erfindung werden diese Kalibrierungspunkte bekann ter Materialien mit derselben Wirbelstrom-Meßanordnung, ins besondere demselben Detektor ermittelt, mit dem auch die erfindungsgemäße Meßwerterfassung erfolgt. Infolgedessen sind die der Normierung bzw. Kalibrierung dienenden Meßwerte nur noch sehr geringfügig vom verwendeten Meßkopf abhängig. Ent sprechend muß nicht unbedingt jeweils derselbe Meßkopf ver wendet werden, wenn der verwendete gleiche Meßkopf nur in enger Toleranz abweichend ist. Dies erspart in diesem Falle den Aufwand einer jeweiligen Neukalibrierung.

Einfluß des Abhebeeffekts auf den Meßwert V_M kann bei der Erfindung entsprechend einer Weiterbildung insbesondere noch dadurch minimiert werden, daß als Detektor eine nachfolgend noch näher beschriebene, an die Oberfläche des zu messenden Materials anschmiegbare Detektorspule verwendet wird. Ins besondere ist dies eine photolithographisch hergestellte Flachspule mit engen Toleranzen.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung sollen nunmehr anhand der Beschreibung zu den zur Erfindungsoffenbarung gehörenden Figuren gegeben werden.

Fig. 1 zeigt eine zu verwendende Meßeinrichtung.

Fig. 2 zeigt eine zu verwendende Flachspule.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der komplexen Spannungsebene.

Fig. 4 zeigt das Diagramm der Widerstandswerte.

Fig. 1 zeigt ein Schemabild des Aufbaues einer Wirbelstrom- Meßeinrichtung 10 mit einem Meßkopf 11 mit einer Spule als Detektor 12. Mit 13 ist eine der Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes dienende Induktionsspule bezeichnet. Der Meß kopf 11 ist nahe der Oberfläche des Materials 1 gehaltert, dessen spezifischer elektrischer Widerstandswert, bzw. elek trischer Leitwert, zu bestimmen ist. Mit 14 ist andeutungs weise das im Material 1 mittels der Induktionsspule 13 er zeugte Wirbelstromfeld angedeutet.

Die Messung des Widerstands des Materials kann an verschie denen Orten gemessen werden, indem der Meßkopf 11 über die Oberfläche des Materials hinweg verschoben wird.

Die elektrischen Anschlüsse der Spule des Detektors 12 sind mit dem Eingang des Verstärkers 30 verbunden. Dessen Ausgang ist parallelgeschaltet mit zwei Mischern 31 und 32 verbunden, die 180° Phasenverschiebung zueinander haben. Mit 33 und 34 sind andeutungsweise Imaginärteil Im und Realteil Re der Meß spannung V angedeutet, die jeweils am Eingang des Verstärkers 30 anliegt. Das Bild 35 zeigt diese Spannung V in der komple xen Spannungsebene.

Wie schon erwähnt, kann, insbesondere für den Fall einer nicht ebenen, insbesondere eine Krümmung aufweisenden Ober fläche des Materials 1 die Spule des Detektors eine flexible Flachspule sein, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Solch eine Flachspule 112 kann als Dick- oder Dünnfilm-Spule auf einer flexiblen Folie 113 insbesondere photolithographisch her gestellt sein. Eine solche flexible Spule paßt sich einer Krümmung der Oberfläche des Materials 1 in vorteilhafter Weise an. Alle Windungen dieser Spule sind sehr nahe und insbesondere gleich nahe dem Material 1, was bedeutet, daß der Abhebeeffekt auf ein Minimum reduziert ist.

Das Wirbelstromverfahren kann transformatorisch oder auch parametrisch ausgeführt sein. Als günstige Frequenzen der Magnetfeld-Wirbelstromerregung seien Werte kleiner 2 MHz angegeben.

Fig. 3 zeigt das in Fig. 1 mit 35 bezeichnete Bild im Detail und in Kombination für die Messung mit dem Detektor 12 auf dem Material 1 mit dem Meßergebnis V_M und in Kombination damit mit dem Meßergebnis V_L der ebenfalls obenbeschriebenen Messung. Die graphische Darstellung zeigt den Winkel ϕ der vektoriellen Differenz zwischen den komplexen Spannungswerten V_L - V_M. Das Quadrat des tangens dieses Winkels ist die bei der Erfindung jeweils ausgewertete Meßgröße, die vorteilhaft für die Vereinfachung der Kalibrierung ist.

Die Fig. 4 zeigt die Kalibrierungsgerade 40 im Diagramm des auf der Abszisse aufgetragenen spezifischen Widerstandswertes und der auf der Ordinate aufgetragenen Meßgröße tg²ϕ. Wegen der schon obenerwähnten linearen Proportionalität zwischen den Werten tg²ϕ und den ihnen entsprechenden Widerstands werten genügt es, die zwei z. B. an Silber und an rostfreiem Stahl gemessenen tg²ϕ-Werte beim Ort ihrer bekannten spezi fischen Widerstandswerte in das Diagramm einzutragen. Trägt man nun den tg²ϕ-Wert 41, den man bei Messung des Materials 1 erhalten hat, in das Diagramm der Fig. 4 ein, so ergibt sich der Widerstandswert 41' des Materials 1 als Schnittpunkt mit der Geraden 40.

Vorteilhaft ist es, für die Kalibrierungsgerade bzw. für die sie bestimmenden Widerstandswerte solche Materialien heraus zuziehen, deren tg²ϕ-Punkte im Diagramm der Fig. 4 weit von einanderliegen und die auch den Meßwert (tg²ϕ) des zu unter suchenden Materials einschließen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Materials (1) mittels eines Wirbelstromverfahrens, bei dem in diesem Material (1) ein Wirbelstrombereich (3) erzeugt und mit einem Detektor (12) ein Spannungssignal (V) erfaßt wird, das in einer Signalverarbeitung (20) in Real(Re)- und Imaginär(Im)-Teil zerlegt ausgewertet wird, gekennzeichnet dadurch,
daß aus Real(Re)- und Imaginär(Im)-Teil des Spannungssignals die Meßgröße tg²ϕ = [Im(V_L - V_M)/Re(V_L - V_M)]² gebildet wird, worin V_M das komplexe Spannungssignal bei Messung mit dem Detektor (12) auf dem Material (1) ist und
worin V_L das komplexe Spannungssignal ist, das mit dem Detek tor (12) bei größerem Abstand desselben vom Material (1) zu messen ist,
und dadurch, daß der zu bestimmende Widerstandswert (41') anhand einer Kalibrierungsgeraden (40) quantitativ bestimmt wird, wobei die Kalibrierungsgerade durch Meßpunkte aus wenigstens zwei Meßgrößen tg²ϕ bestimmt worden ist, die mit gleichartigen Messungen an hinsichtlich ihrer Widerstands werte bekannten Materialien (Silber, Stahl) gemessen worden sind.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet dadurch, daß als Detektor (12) eine flexible Flachspule (112) verwendet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß diese Flachspule (112) eine Dick- oder Dünn-Film-Spule auf flexibler Folie (113) (Fig. 2) ist.