DE2142351C3 - Vorrichtung zur Verwechslungs- und Gefugeprüfung von ferromagnetischen Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwechslungs- und Gefügeprüfung von ferromagnetisehen Werkstoffen mit einer Prüfspule oder Prüfsonde, an deren Eingang eine niederfrequente Wechselspannung liegt zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes im Bereich des Prüflings, mit einem Schaltungselement zur Erzeugung einer Gegenspannung, die nach Größe und Phasenlage durch rein elektrische Mittel erzeugt wird, sowie mit einem Anzeigegerät zum Bestimmen der Differenzspannung aus Ausgangsspannung und Gegenspannung.

Bei Messungen mit Vorrichtungen dieser Art wird von der Permeabilität und dem spezifischen Widerstand des Prüflings als Kriterium für dessen Gefügezustand ausgegangen. Es wird die Erscheinung ausgenutzt, daß die Impulse einer Spule von der Permeabilität und dem spezifischen Widerstand eines in die Spule eingeführten ferromagnetischen Körpers abhängt Zu diesem Zweck werden die Prüflinge in z. B. eine Prüfspule eingeführt, deren Erregerspule mit einem Wechselstrom gespeist wird. Die hiervon in einer Sekundärspule induzierte, von der Impedanz der Spule und damit von der Permeabilitat und dem spezifischen Widerstand des Prüflings bestimmte Ausgangsspannung wird gemessen.

Es ist bekannt, bei dieser Messung nach einem Kompensationsverfahren zu arbeiten, indem man einen Teil der zu messenden Ausgangsspannung durch eine *>> Gegenspannung kompensiert, um die Skala des Anzeigeinstrumentes zu einem möglichst großen Teil für die Anzeige der Änderungen des Meßwertes ausnutzen zu können und damit eine möglichst große Anzeigeempfindlichkeit zu erhalten. Als Gegenspannung wurde häufig die Ausgangsspannung einer Spule benutzt, in welcher sich ein Prüflingsnormal befand.

In der deutschen Patentschrift 8 61 330 ist eine Prüfanordnung beschrieben und dargestellt, bei welcher das Prüflingsnormal durch eine rein elektrische Mittel enthaltende Schaltungsanordnung, ζ. B. einen Dreh- und einen Regeltransformator, ersetzt ist Die Größe und Phasenlage der damit erzeugten Gegenspannung wird zu Beginn der Messung anhand eines in die Prüfspule eingefügten Prüflingsnormals so eingestellt, daß sie nach Größe und Phasenlage möglichst weitgehend mit der vom Prüflingsnormal erzeugten Spulenausgangsspannung übereinstimmt Beim Einsetzen eines Prüflings in die Prüfspule kann sich eine Verschiebung der Phasenlage der Spulenausgangsspannung gegenüber der durch das Prüflingsnormal erzeugten ergeben, so daß vielfach eine geringe Phasenverschiebung zwischen Spulenausgangsspannung und Gegenspannung in Kauf genommen werden muß, welche zwar das Meßergebnis beeinflußt, jedoch in einem nachteiligen Sinn, weil nicht erkennbar ist ob und inwieweit eine Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Gegenspannung und/oder eine Amplitudenänderung der Ausgangsspannung zum Meßergebnis beigetragen hat. Das gilt in gleicher Weise für die anderen bekannten Verfahren. Eine unmittelbare Messung des Phasenwinkels ergibt meist keine brauchbaren Ergebnisse, weil die absoluten Änderungen so klein sind, daß sie sich nur mit unvertretbar großem Meßaufwand noch exakt darstellen lassen. Mit den bekannten Verfahren ist es daher nicht möglich, mit vertretbarem meßtechnischen Aufwand Amplituden- und Phasenänderungen der Prüfspulenausgangsspannung gleichzeitig zu erfassen.

Demzufolge werden die bekannten Verfahren der nachstehend geschilderten Problematik bei der Gefüge- und Verwechslungsprüfung nicht gerecht.

Die Priifspulenausgangsspannung wird mit zunehmender Permeabilität und mit zunehmendem spezifischen Widerstand des Werkstoffes des Prüflings größer. Es kommt nun häufig vor, daß eine höhere Permeabilität eines Werkstoffes bzw. Gefügezustandes gegenüber einem anderen gekoppelt ist mit einem geringeren spezifischen Widerstand. In diesem Fall können sich die Ausgangsspannungserhöhung durch zunehmende Permeabilität und die Ausgangsspannungs-Reduzierung durch abnehmenden spezifischen Widerstand gegenseitig aufheben, so daß die Amplitude der Ausgangsspannung trotz unterschiedlichem Prüfling u. U. gleich bleibt. Die Andersartigkeit der Prüflinge ist dann nur noch an der Änderung der Phasenverschiebung zwischen Erregerspannung und Ausgangsspannung zu erkennen. Der bei verschiedenen Prüflingen am häufigsten auftretende Fall ist eine relativ kleine Amplitudenänderung der Ausgangsspannung, verbunden mit einer Phasenverschiebung dieser Spannung gegenüber der Erregerspannung. Auch reine Amplitudenänderungen ohne Änderung der Phase können vorkommen und müssen berücksichtigt werden.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine Vorrichtung zu schaffen, welche es ermöglicht mit geringem meßtechnischen Aufwand sowohl Amplituden- als auch Phasenänderungen gleichzeitig zu erfassen, ohne daß, wie bei den bekannten Vorrichtungen, eine unmittelbare Messung des Phasenwinkels erforderlich wäre.

Die Erfindung besteht darin, daß das Schaltungsele-

ment zum Erzeugen der Gegenspannung mit der Sekundärwicklung der Prüfspule gegensinnig in Reihe geschaltet ist und daß die Größe der zur Eiregerspannung phasengleichen Gegenspannung am Schaltungselement mittels eines einstellbaren Spannungsreglers so eingestellt wird, daß eine Amplituden- und Phasenveränderung der Ausgangsspannung eine optimale Änderung der sich aus der vektoriellen Subtraktion der Gegenspannuig von der Erregerspannung ergebenden Meßspannung am an die Serienschaltung angeschalteten Anzeigegerät bewirkt

Das Schaltungselement, an dem die Gegenspannung auftritt, kann die Sekundärwicklung eines Transformators sein, dessen Primärwicklung über ein als Spannungsteiler geschaltetes Potentiometer dem Schaltungselement, dem die Erregerspannung zugeführt wird, z. B. der Primärwicklung der Prüfspule, parallel geschaltet ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert

F i g. 1 ist ein Ersatzschaltbild, welches die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Spulenimpedanz verdeutlicht;

F i g. 2a und F i g. 2b sind Vektordiagramme der Widerstände und der sich daraus ergebenden Impedanzen für die Prüfanordnung;

Fig.3a und Fig.3b sind Vektordiagramme der Impedanzen nach den Fig. 2a und 2b, in die Spannungsebene übertragen;

F i g. 4 ist ein Vektordiagramm der für eine Prüfvorrichtung maßgeblichen Spannungen für zwei gehärtete Prüflinge mit unterschiedlicher Anlaßtemperatur und

Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung für eine Prüfvorrichtung.

In Fig. 1 bedeutet Ue die an die Erregerwicklung einer Prüfspule angelegte Wechselspannung, Rs den ohmschen Widerstand dieser Erregerwicklung, R_P den gegenüber Wirbelströmen wirksamen ohmschen Widerstand im Prüfling, Us die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung der Spule bei in die Spule eingeführtem Prüfling und Erregung der Primärwicklung dieser Prüfspule mit der Wechselspannung Ue und Xi. den beiden Wicklungen gemeinsamen induktiven Widerstand sowie Als den Widerstand der Streuinduktivität Der Einfachheit halber sei angenommen, daß Erregerwicklung und Sekundärwicklung gleiche Windungszahlen aufweisen.

Mit zunehmender Permeabilität des Werkstoffes der Prüflinge ändern sich bei der Prüfanordnung nach dem Ersatzschaltbild gemäß F i g. 1 die induktiven Widerstände, und zwar wird Xl größer und Xls kleiner. F i g. 1 läßt leicht erkennen, daß damit auch die Ausgangsspannung Us ansteigt. Zunehmender spezifischer Widerstand des Prüflings und damit zunehmender ohmscher Widerstand Rp ist ebenfalls mit einem Ansteigen der Ausgangsspannung Us verbunden.

In den F i g. 2a und 2b bedeutet Z die Gi,samtimpedanz,die sich aus der vektoriellen Addition der Impedanz Zfder Parallelschaltung des ohmschen Widerstandes Rp des Prüflings und des induktiven Widerstandes Xl beider Wicklungen und der Impedanz Z_s der Serienanordnung des ohmschen Widerstandes Rs der Erregerwicklung und des Widerstandes der Streuinduktivität Xis ergibt. Die F i g. 2a und 2b beziehen sich auf die Prüfung zweier verschiedener Prüflinge, wobei die Permeabilität des Prüflings, für den die Fig.2a gilt,

geringer ist als diejenige des Prüflings, für den Fig.2b gilt und die ohmschen Widerstände in beiden Fällen praktisch gleich geblieben sind Es ist erkennbar, daß neben einer geringen Vergrößerung der Gesamtimpedanz eine größere Änderung der Phasenverschiebung φι bzw. g>2 zwischen Erregerspannung und Ausgangsspannung eintritt

In den F i g. 3a und 3b sind die Vektordiagramme für die Gesamtimpedanz Z, die Parallelanordnungs-Impedanz Zp und die Serienanordnungs-Impedanz Zs in die Spannungsebene übertragen. Die Diagramme betreffen den Sonderfall, daß sich swei verschiedenen Werkstoffen die Ausgangsspannung Us nicht der Größe, sondern nur der Phasenlage φ gegenüber der Erregerspannung t/enach ändert

F i g. 4 ist eine sich auf zwei gehärtete Prüflinge mit unterschiedlicher Anlaßtemperatur beziehendes Vektordiagramm. Die Erregerspannung Ue ist für beide Prüflinge gleich gewählt worden. Die Ausgangsspannungen U_S\ bzw. Usi ergeben sich durch vektorielle Subtraktion der Werte für h ■ Zs\ bzw. I₂ ■ Zs₂ von dem die Erregerspannung Ue wiedergebenden Vektor. Durch den Austausch der Prüflinge mit unterschiedlicher Anlaßtemperatur tritt zwischen den Ausgangsspannungen ί 'si und Us₂ eine relativ geringe Änderung der Amplitude und Phase ein, deren unmittelbare exakte Messung einen erheblichen meßtechnischen Aufwand bedingen würde. Gemäß der Erfindung wird dieser Aufwand dadurch überflüssig gemacht, daß eine Gegenspannung U& die mit der Erregerspannung U_E phasengleich ist, vektoriell von der Ausgangsspannung Us subtrahiert wird. Als Differenz ergibt sich die Spannung Um (in F i g. 4 als Um\ bzw. Uw bezeichnet), die sich mit variierendem Gefügezustand der Prüflinge relativ stark ändert und deshalb leicht und exakt ausgewertet werden kanr«.

Je nach dem Prüfproblem kann der Betriebspunkt B verlagert werden, so daß auch reine Phasenänderungen der Ausgangsspannung Us als Amplitudenänderungen der Differenzspannung Um gemessen werden können. Da letzten Endes immer eine Amplitudenänderung gemessen wird, kann die Schaltung der Prüfergebnisauswertung unabhängig von den physikalisch bedingten Änderungen der Spulensenkundärspannung Us stets gleich bleiben.

Bei der in F i g. 5 beispielsweise gezeigten Schaltungsanordnung wird die Erregerspannung Ue einerseits an die Erregerwicklung Wi- einer Prüfspule 5 mit darin einzuführendem Prüfling Γ gelegt und andererseits über ein als Spannungsteiler geschaltetes Potentiometer Pan die Primärwicklung eines Transformators M gelegt, weiche der Erregerwicklung Weder Prüfspule ^parallel geschaltet ist. Die Sekundärwicklung des Transformators Mist mit der Sekundärwicklung Wsder Prüfspule S gegensinnig in Reihe geschaltet, so daß die Spannung zwischen den beiden nicht miteinander unmittelbar verbundenen Enden der Sekundärwicklung sich durch vektorielle Subtraktion der an der Sekundärwicklung des Transformators M auftretenden Gegenspannung Uc von der Ausgangsspannung Us der Prüfspule S ergibt. Diese Differenzspannung Um wird in bekannter Weise über einen Verstärker V auf ein Anzeigegerät A gegeben. Zur Verlagerung des Betriebspunktes B kann die Gegenspannung Uo mit Hilfe des Potentiometers P variiert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verwechslungs- und Gefügeprüfung von ferromagnetischen Werkstoffen mit einer Prüfspule oder Prüfsonde, an deren Eingang eine niederfrequente Wechselspannung liegt zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes im Bereich des Prüflings, mit einem Schaltungselement zum Erzeugen einer Gegenspannung, die nach Größe und Phasenlage durch rein elektrische Mittel erzeugt wird, sowie mit einem Anzeigegerät zum Bestimmen der Differenzspannung aus Ausgangsspannung und Gegenspannung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement (M) mit der Sekundärwicklung der PrOfspule (S) is gegensinnig in Reihe geschaltet ist und daß die Große der zur Erregerspannung (Ue) phasengleichen Gegenspannung (Ug) am Schaltungselement mittels eines einstellbaren Spannungsreglers so eingestellt wird, daß eine Amplituden- und Phasenänderung der Ausgangsspannung eine optimale Änderung der sich aus der vektoriellen Substraktion der Gegenspannung (Uc) von der Erregerspannung (Ue) ergebenden Meßspannung (Um) am an die Serienschaltung angeschalteten Anzeigegerät (V, A) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement, an dem die Gegenspannung auftritt, die Sekundärwicklung eines Transformators (M) ist, dessen Primärwicklung so über ein als Spannungsteiler geschaltetes Potentiometer (Pudern Schaltungselement, dem die Erregerspannung (Ue) zugeführt wird, z. B. der Primärwicklung der Prüfspule (S), parallel geschaltet ist,

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