DE2204904A1

DE2204904A1 - Wirbelstrom-System zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Info

Publication number: DE2204904A1
Application number: DE19722204904
Authority: DE
Inventors: William Charles Ann Arbor Mich. Wiers (V.StA.)
Original assignee: Automation Industries Inc
Current assignee: Automation Industries Inc
Priority date: 1971-02-04
Filing date: 1972-02-02
Publication date: 1972-08-17
Also published as: IT948925B; US3753096A; FR2125049A5; CA946925A; AU456533B2; AU3837472A; NL7201459A; GB1378711A

Description

PATENTANWÄLTE

DR O. DlTTMANN K. L. SCHIFF DR. A. ν. FÜNBR DIPL. ING. P. STRBHL

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN OB POSTFACH 9B0160 g MÜNCHEN ΘΟ MARIAHILPPLATZ 2 & 3

Automation Industries, Inc. telefon: (osid ab83b4

TBLEGR.: EUROMARCPAT MÜNCHEN

Unsere Akte DA-K836(A-753)

2. Februar 1972 PS/KLS/hö

Wirbelstrom-System zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung .

(Priorität: 4. Februar 19.71. U.S.A., Nr. 112 710)

Es ist häufig erwünscht, die Oberfläche eines Werkstücks auf verschiedenartige Unregelmässigkeiten wie etwa Oberflächenrisse, auf ihre metallurgische Zusammensetzung und Schwankkungen darin, auf die Wärmebehandlung und Schwankungen in der Wärmebehandlung, usv/. zu untersuchen. Eines der Mittel, um dies zu erreichen, bildet ein sogenanntes Wirbelstrom-System zur zerstörungsfreien Prüfung. Bei einem derartigen System ist.eine Untersuchungseinheit vorgesehen, die die Oberfläche des Werkstücks abtastet. Eine in der Untersuchungseinheit angeordnete Steuerspule oder -Wicklung strahlt ein magnetisches Wechselfeld aus, das an der Oberfläche Wirbelströme erzeugt.

Die Grosse, Verteilung und Phasenverschiebung der Wirbelströme sind teilweise durch die Oberflächeneigenschaften des Werkstücks bestimmt. Sind die Werkstückeigenschaften gleichmässig, so bleiben auch die Wirbelströme entsprechend gleichmässig. Tritt jedoch innerhalb des Werkstücks eine Änderung oder Unregelmässigkeit auf, so findet eine entsprechende Änderung in den Wirbelströmen statt.

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Die Wirbelströme, ihre Grosse, Verteilung, Phase usv/. werden durch Messung von Grosse, Verteilung, Phase usw. des von den Wirbelströmen zurückgestrahlten Magnetfeldes bestimmt. Dabei nimmt die erste oder Steuerspule in der Untersuchungseinheit (oder in einer alternativen Ausführungsart eine zweite oder Aufnahmespule) die von den Wirbelströmen zurückgestrahlten Felder auf und erzeugt ein entsprechendes elektrisches oder Prüfsignal.

Die Grosse der in dem Werkstück induzierten Wirbelströme und ihre Verteilung sind ferner eine Funktion der Abhub-Strecke (d.h. des Abstandes zwischen der Untersuchungseinheit und der Werkstückoberfläche). Nimmt dieser Abhub zu, so nimmt die Grosse der Wirbelströme ab, und gleichfalls verringert sich - allgemein gesagt - die Grosse des Wirbelstrommusters.

Ausserdem ist auch die Empfindlichkeit der Untersuchungseinheit gegenüber den zurückgestrahlten Feldern eine Funktion des Abhubs. Nimmt der Abhub zu, so verringern sich die Grosse des empfangenen Magnetfeldes und des resultierenden Prüfsignals. Die Schwankungen in den Ansprechkermlinien (sowohl hinsichtlich Empfindlichkeit als auch Auflösungsvermögen) sind nicht-lineare Funktionen des Abhubs. Daher können selbst sehr kleine Änderungen im Abhub Änderungen in den Signalen erzeugen, die weitaus grosser sind als das zu messende Prüfsignal.

Man hat versucht, diese Schwierigkeiten zu überwinden, und dazu verschiedene Untersuchungseinheiten und Konfigurationen der darin angeordneten Kerne und Wicklungen vorgescl-l gen. Dabei hat man festgestellt, dass bei abnehmender Länge des Kerns in dem Verhältnis zwischen der Ansprechreaktion auf einen Riss oder dergl. und der Ansprechreaktion auf Änderungen im Abhub eine Verbesserung eintritt. Man hat ebenfalls herausgefunden, dass mit abnehmendem Kerndurchmesser der Phasenwinkel zwischen einem Signal, das bei Ansprechen auf einen Fehler,

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einen Riss oder dergl., erzeugt wird,und einem Signal, -wie. es durch Ansprechen auf Änderungen im Abhub erzeugt wird, zunimmt*

Bs ist deshalb bisher üblich gewesen, Länge und Durchmesser des Kernes zu verringern, um dadurch eine Reduzierung der Abhub-Schwankungen zu erreichen und/oder Folgen der AbhubSchwankungen durch Phasenfilterung oder -diskrimination irgendwelcher Ausführungsformen zu eliminieren.

Mit abnehmender Länge und abnehmendem Durchmesser des Kerns v/erden jedoch die Ansprech- und Erapfindlichkeitscharakteristiken der gesamten Untersuchungseinheit und des Systems als solchem erheblich herabgesetzt. Es bestehen also praktische Grenzen, über die hinaus eine Verkürzung oder Durchmesserverringerung des Kerns unmöglich ist.

Die Erfindung sieht Mittel vor, die genannten Schwierigkeiten zu überwinden. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Verwendung bei einer Untersuchungseinheit für ein Wirbelstrom-System zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Untersuchungseinheit ist dabei so gebaut und angeordnet, dass ihre Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen im Abhub bzw. in dem Abstand zwischen Untersuchungseinheit und Werkstückoberfläche erheblich vermindert wird. Gleichzeitig wird die Empfindlichkeit der Untersuchungseinheit auf Unregelmässigkeiten und ihre Fähigkeit, derartige Unregelmässigkeiten aufzulösen, erheblich verbessert.

In einer Ausführungsform der im folgenden beschriebenen Untersuchungseinheit sind ein oder mehrere Wicklungen auf einem ferromagnetischen Kern angeordnet. Der Kern umfasst dabei einen sich verjüngenden Abschnitt, der-eine kleine Stirnfläche zur Auflösung kleiner Fehler bildet. Der Kern umfasst ferner einen Abschnitt mit grossem Durchmesser, so dass die Untersuchungseinheit hohe Empfindlichkeit besitzt.

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In einer anderen Ausführungsform der hier beschriebenen Untersuchungseinheit ist ein zentraler ferromagnetischer Kern innerhalb eines grösseren ferromagnetischen Kerns angeordnet und teilweise von diesem umgeben. Auf dem inneren Kern ist dabei eine kleine innere V/icklung vorgesehen, während auf dem äusseren Kern eine grosse äussere Wicklung angeordnet ist. Ein Ende des inneren Kerns ragt etwas über das Ende des äusseren Kerns heraus und bildet eine kleine Fläche, die den inneren Kern an eine kleine Oberfläche des Werkstücks zur Auflösung kleiner Fehler ankoppelt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Wirbelstrom-Systems,das mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet;

Fig. 2 eine teils perspektivische und teils im Querschnitt gezeigte Darstellung einer bekannten Wirbelstrom-Untersuchungseinheit, wie sie sich zur Verwendung mit Wirbelstrom-Systemen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eignen;

Fig. 3 eine der Fig-. 2 ähnliche, teils perspektivische und teils im Querschnitt gezeigte Darstellung einer weiteren bekannten Form für eine Wirbelstrom-Untersuchungseinheit;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Wirbelstrom-Untersuchungseinheit, die sich zur Verwendung in einem System der in Fig. 1 gezeigten Art eignet; und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer anderen erfindungsgemässen Ausführungsform für eine Wirbelstrom-Untersuchungs e inhe it.

Gemäss Fig. 1 der Zeichnungen ist die Erfindung insbesondere zur Verwendung in einem zerstörungsfrei arbeitenden

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χ. Prüfsystem 10 zur Untersuchung der Oberfläche 12 eines Werkstücks 14 auf Fehler geeignet.

Das System 10 umfasst einen Oszillator 16 zur Erzeugung eines alternierenden Signals. Dieses Signal dient zur Steuerung der Arbeitsweise des gesamten Systems 10. Seine Frequenz ist zwar nicht besonders kritisch, jedoch so ausgewählt, dass Wirbelströme erzeugt v/erden, die auf gewünschte Tiefe in das Werkstück eindringen, und dass für den interessierenden Typ von Eigenschaften oder Unregelmässigkeiten eine gute Ansprechreaktion hervorgerufen wird. Die Frequenz kann in einem Bereich von nur wenigen Hertz bis hinauf zu mehreren MHz oder darüber liegen.

Einer der Ausgänge von dem Oszillator 16 ist über einen Transformator 20 an eine Untersuchungseinheit 80 angeschlossen, die damit durch das Steuersignal aus dem Oszillator 16 ausgesteuert wird. Die Untersuchungseinheit 80 dient dazu, an der Oberfläche 12 des Werkstücks 14 Wirbelströme zu erzeugen. Die Verteilung der Wirbelströme, ihre Grosse, ihr Phasenwinkel relativ zum Steuersignal usw. sind sämtlich Funktionen der Werkstückeigenschaften. Sie sind ausserdem Funktionen des Abhubs zwischen der Untersuchungseinheit und der Werkstückoberfläche.

Die Untersuchungseinheit 80 spricht auf die von den Wirbelströmen zurückgestrahlten Felder an und erzeugt ein Prüfsignal, das diesen Wirbelströmen entspricht. Die Grosse, der Phasenwinkel und weitere Eigenschaften des Prüfsignals sind Funktionen der Wirbelströme und daher der Werkstückeigenschaften. Sie sind ebenfalls Funktionen des Abhubs zwischen der Untersuchungseinheit und der Werkstückoberfläche.

An die Untersuchungseinheit 80 ist ein Verstärker 22 angeschlossen, der die Amplitude des Prüfsignals auf einen besser verwendbaren Pegel erhöht. An den Ausgang des Verstär-

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kers 22 sind Einrichtungen angeschlossen, die auf das verstärkte Prüfsignal ansprechen und die Eigenschaften des Werkstücks 14 anzeigen. Im vorliegenden Fall dienen die verwendeten Einrichtungen dazu, das Prüfsignal in ein Paar von aufeinander senkrecht stehenden Komponenten aufzulösen und deren Amplitude und weitere Eigenschaften anzuzeigen.

Insbesondere ist ein Paar von phasenempfindlichen Gleichrichtern 24, 26 mit den Signaleingängen 28 bzw. 30 an den Ausgang des Verstärkers 22 angeschlossen, so dass das Prüfsignal diesen beiden Gleichrichtern zugeführt wird. Der Steuereingang 32 für den ersten Gleichrichter 24 ist über einen Phasenschieber 36 mit dem Oszillator 16 verbunden. Normalerweise ist dieser Phasenschieber 36 manuell einstellbar. Der Steuereingang 34 für den zweiten Gleichrichter 26 ist über einen zweiten Phasenschieber 38 mit Jeiu ersten Phasenschieber 36 verbunden. Normaler weise ist der Phasenschieber 38 so eingestellt, dass er eine Verschiebung um 90° bewirkt.

Wie ersichtlich, wird das Prüfsignal durch diese Anordnung in dem ersten Gleichrichter 24 in eine erste Komponente an dem ersten Ausgang 40 und in dem zweiten Gleichrichter 26 in eine zweite Komponente an dem zweiten Ausgang 42 zerlegt. Eine oder beide dieser Komponenten können zur Anzeige der Werkstückeigenschaften verwendet werden.

Im vorliegenden Fall sind beide Ausgänge 40 und 42 über Horizontal- bzw. Vertikal-Ablenkverstärker 50 bzw. 52 an die horizontalen Ablenkplatten 44 bzw. die vertikalen Ablenkplatten 46 einer Kathodenstrahlröhre 48 angeschlossen. Dies ergibt auf dem Schirm der Röhre 48 einen hellen Fleck. Die Lage des Flecks ist eine Funktion der beiden Komponenten in dem Prüfsignal. Dadurch, dass der Uinkel der Phasenverschiebung in dem ersten Phasenschieber 36 verändert wird, ist es möglich, eine oder

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jede der beiden Komponenten so auszuwählen, dass sie eine Funktion nur der interessierenden Eigenschaft ist.

Die konventionelle Untersuchungseinheit entspricht der in Fig. 2 oder der in Fig. 3 gezeigten. Bei der Untersuchungseinheit nach Fig. 2 handelt es sich um die absolute Variante, d.h. das Prüfsignal ist eine Funktion des Absolutwerts der Werkstückeigenschaften. Demgegenüber handelt es sich bei der Untersuchungseinheit nach Fig. 3 um die differentielle Variante, d.h. das Prüfsignal ist eine Funktion der Differenz zwischen den Werkstückeigenschaften an zwei benachbarten Punkten.

Die Untersuchungseinheit 54 der Fig. 2 ist in einem zylindrischen Gehäuse 56 untergebracht, das zum Abtasten der Oberfläche manuell geführt oder in einer Maschine montiert sein kann. Ein Ende der Untersuchungseinheit 54 dient als Stirnfläche, die nahe der Oberfläche 12 des Werkstücks 14 angeordnet wird.

In dem Gehäuse 56 ist eine erste Spule 58 angeordnet, wobei ein alternierendes Signal in der Spule 58 an der Oberfläche des Werkstücks 14 Wirbelströme induziert. Ausserdem induzieren Wirbelströme an der Oberfläche 12 des Werkstücks 14 ihrerseits ein Signal in der Spule 58. Um die Kopplung zwischen der Spule 58 und dem Werkstück 14 zu erhöhen, kann innerhalb der Spule 58 ein zylindrischer Kern 60 aus ferromagnetischem Material vorgesehen sein, der bis zur oder über die Stirnfläche der.Untersuchungseinheit 54 vorsteht. Der zylindrische Kern 60 hat einen Durchmesser, der über die gesamte Kernlänge gleichmässig ist. Der Kern 60 hat also an seiner Stirnfläche den gleichen Durchmesser wie an seinen übrigen Abschnitten.

Die Phase und Grosse der V.'irbelströme relativ zu dem

tr

Steuersignal aus dem Oszillator 16 sowie die Phase und die Grosse des in der Spule 58 induzierten Prüfsignals sind Funktionen meh-

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rerer verschiedener Faktoren, zu denen der Abstand zwischen der Stirnfläche und dem Werkstück 14 (d.h. der Abhub) und die Werkstückeigenschaften (d.h. die Leitfähigkeit, Permeabilität usw. des Materials) gehören.

Wie beschrieben kann eine einzige Spule 58 mit einem Kern 60 verwendet werden. Unter diesen Umständen ist das normalerweise in der Spule 58 erzeugte Signal jedoch sehr gross, und das interessierende Prüfsignal wird von relativ kleinen Änderungen in diesem Signal gebildet. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist eine zweite Spule 62 mit einem Kern 64 am anderen Snde des Gehäuses 56 vorgesehen. Die Spule 62 und der Kern 64 sind von dem Werkstück ausreichend weit entfernt, so dass sie im wesentlichen unabhängig davon sind.

Werden die.beiden.Spulen 58 und 62 in richtiger Weise abgeglichen, so ist das Signal aus der Untersuchungseinheit 54 in erster Linie eine Funktion der Verstimmung zwischen den beiden Spulen 58 und 62 und damit eine Funktion der Eigenschaften des Werkstücks 14. Tastet die Untersuchungseinheit über eine gleichmassige Oberfläche, so ist das Prüfsignal konstant. Wird die Untersuchungseinheit 54 jedoch über einen Riss 66 hinwegbewegt, so ändern sich die induktiven Eigenschaften der Spule 58, während sich diejenigen der Spule 62 nicht ändern. Infolgedessen ändert sich das Prüfsignal.

Ändert sich der Abhub zwischen dem Ende des Kerns und der Oberfläche 12, so tritt eine entsprechende Änderung in der Signalamplitude auf. Leider können die Signaländerungen, die sich aus einer Änderung im Abhub ergeben, diejenigen Änderungen bei weitem überwiegen, die dadurch erzeugt werden, dass die Un tersuchungseinheit über einen Riss 66 oder dergl. geführt wird.

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Ein Mittel, diesen Effekt zu kompensieren, besteht darin, den Kern 60 kurz und/oder in seinem Durchmesser klein zu machen. Mit abnehmender Länge des Kerns 60 nimmt das Verhältnis zwischen der Amplitude eines Prüfsignals und der des Abhub-Signals zu. Ein Verkürzen des Kerns verbessert also das Abhub-Verhältnis (d.h. das Verhältnis zwischen der Ansprechreaktion auf einen Fehler und der auf den Abhub).

Das durch einen Fehler, etwa einen Riss oder dergl., produzierte Prüfsignal und das durch Schwankungen in der Abhub-Strecke erzeugte Abhub-Signal haben unterschiedliche Phasenwinkel. Je geringer der Kerndurchmesser ist, desto grosser ist dieser Phasenunterschied. Durch Verkürzen des Kerndurchmessers ist es daher möglich, den Phasenwinkel-Unterschied erheblich zu verbessern. Infolgedessen können durch Verwendung eines Kerns mit kleinem Durchmesser und bei Auswahl der geeigneten Phasenverschiebung in dem Phasenschieber die Komponenten aus einem der phasenempfindlichen Gleichrichter über einen begrenzten Bereich des Abhubs praktisch unabhängig von den Auswirkungen des Abhubs gemacht werden.

Die Ansprechcharakteristiken der Untersuchungseinheit lassen sich zwar durch Reduzierung von Länge und Durchmesser des Kerns verbessern; allerdings vermindert sich dabei auch die Kopplung zwischen Spule und Werkstück. Dementsprechend werden also die Ansprechcharakteristiken (d.h. Empfindlichkeit, Auflösung usw.) der gesamten Untersuchungseinheit als solche verschlechtert.

Die bekannte Untersuchungseinheit 70 nach Fig. 3 ist der in Fig. 2 gezeigten sehr ähnlich. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Untersuchungseinheiten 54 und 70 besteht darin, dass in dem letzteren Aufbau die beiden Anordnungen von Spule 72, 74 und Kern 76, 78 nebeneinander angeordnet sind. Bei diesem

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Aufbau handelt es sich um den sogenannten Differentialtyp. Eine Untersuchungseinheit dieses Typs spricht nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Bereichen der Oberfläche 12 an, auf die die Stirnflächen der beiden Kerne 76 und 78 ausgerichtet sind.

Sind die beiden mit den Kernen 76 und 78 fluchtende Oberflächenbereiche identisch, so v/erden die beiden Spulen 72 und 74 gleichmässig belastet, und es tritt kein Differenzsignal auf. Dies gilt auch dann, wenn sich der Abhub ändert. Wird diese Untersuchungseinheit 70 auf die Fläche 12 zu und von ihr weg bewegt, so sind die Änderungen in den beiden Spulen 72 und 74 identisch. Sie bleiben daher abgeglichen, und es entsteht kein Abhub-Signal.

Wird jedoch die Untersuchungseinheit 70 aus ihrer wahren vertikalen Lage leicht geneigt, so muss eine der beider Spulen 72 oder 74 notwendigerweise einen grösseren Abhub aufweisen als die andere. Infolgedessen wird ein Signal erzeugt, das selbst bei kleiner Neigung sehr gross ißt.

Ausserdem werden bei der Untersuchungseinheit 70 des Differentialtyps dann, wenn die Stirnflächen der beiden Kerne 76 und 78 gleichzeitig über einen Riss geführt v/erden, beide Kerne im v/esentlichen gleichmässig beaufschlagt. Unter diesen Umständen wird kein Signal erzeugt, und der Riss wird nicht festgestellt.

Die in dem System,nach Fig. 1 verwendete Untersuchungseinheit 80 eliminiert die obigen Schwierigkeiten, die mit den bekannten Untersuchungseinheiten 54 und 70 notwendigerweise verbunden sind.

Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich, umfasst die Untersuchungseinheit 80 ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse

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82. In einem Ende des Gehäuses 82 sind eine erste Spule 84 und ein erster Kern 86 zum Ankoppeln an die Oberfläche 12 des Werkstücks 14 angeordnet.

Die Untersuchungseinheit 80 braucht nur diese einzige Spule 84 und einen einzigen Kern 86 aufzuweisen. Unter diesen Umständen tritt ein Signal auf, bei dem die ■Werkstückeigenschaften durch Änderungen in dem Signal wiedergegeben werden. Diese Änderungen sind prozentual relativ klein und lassen sich daher nur schwierig genau ermitteln und messen. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, kann ein Ausgleichssignal erzeugt werden, um die obigen irrelevanten Teile des Signals zu kompensieren. Dadurch ergibt sich ein sehr kleines Signal, wodurch Änderungen in dem Signal infolge von Änderungen des Werkstücks prozentual sehr gross werden.

Das Ausgleichssignal kann aus irgend einer geeigneten Quelle stammen. Im vorliegenden Fall ist jedoch innerhalb des Gehäuses 82 eine zweite Spule 88 mit Kern 90 vorgesehen. Die Spule 88 mit dem Kern 90 sind nahe dem hinteren Ende des Gehäuses angeordnet und damit von den Auswirkungen des Werkstücks 14 ferngehalten. Die elektrischen Eigenschaften der Kerne 86 und 90 und Spulen 84 und 88 sind im wesentlichen identisch, so dass das Ausgleichssignal aus der Spule 88 dem Signal aus der Spule 84 entspricht. Im vorliegenden Fall wird dies dadurch erreicht, dass die Spulen und Kerne in ihren physikalischen Eigenschaften im wesentlichen identisch gefertigt werden.

Die beiden Spulen 84 und 88 liegen in Serie miteinander und zwischen den beiden Enden der Sekundärwicklung 92 des Transformators 20. An den Eingang des Verstärkers 22 sind ein Mittelabgriff 94 der Sekundärwicklung und der Verbindungspunkt 96 zwischen den beiden Spulen 84, 88 angeschlossen.

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Wie einzusehen, bilden die beiden Spulen 84 und 88 zusammen mit den beiden Abschnitten der Sekundärwicklung 92 eine Brücke 98. Ist die Untersuchungseinheit 80 von dem Werkstück 14 entfernt, so wird keine der Spulen 84, 88 von dem Werkstück beeinflusst. Nähert sich jedoch die Stirnfläche der Untersuchungseinheit der Werkstückoberfläche oder berührt sie diese, so wird die erste Spule 84 durch das Werkstück 14 belastet, während die zweite Spule 88 von dem Werkstück unbelastet oder unbeeinflusst bleibt.

Wie einzusehen, können die beiden Spulen 84 und 88 innerhalb der Untersuchungseinheit 80 und/oder innerhalb des Systems 10 aneinander angepasst werden, wenn die Untersuchungseinheit an der Oberfläche 12 des Werkstücks 14 anliegt oder sich in bestimmtem Abstand von dieser befindet. Unter diesen Umständen ist das sich aus der Verstimmung der Brücke 98 ergebende Signal in erster Linie eine Funktion nur der Eigenschaften des Werkstücks nahe der Stirnfläche der Untersuchungseinheit.

In dem vorliegenden speziellen Ausführungsbeispiel sind die beiden Spulen 84 und 88 und die beiden Kerne 86 und 90 im wesentlichen identisch. Wie jedoch aus dem Ausführungsbei-.spiel der Fig. 5 ersichtlich, müssen sie nicht identisch sein.

Jeder der Kerne 86 und 90 umfasst einen grösseren Kopfabschnitt 100 und einen sich verjüngenden oder Konusabschnitt 102. Das Materialvolumen in dem Kern 86 ist vorzugsweise gross genug, um eine starke Kopplung zwischen dem Werkstück und der Spule 84 zu gewährleisten. Der Kopfabschnitt 100 ist normalerweise im wesentlichen zylindrisch und hat einen grossen Durchmesser.

Das grosse linde des Konus ab Schnitts 102 v/eist einen Dure"v-_:3S3c-r auf, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des

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Kopfabschnitts 100 ist. Der Durchmesser dieses Abschnitts 102 verjüngt sich von dem grossen Wert bis hinab auf eine kleine Spitze oder Stirnfläche 104. Der kleine Durchmesser dieser Spitze 104 gewährleistet, dass die Spule 84 an einen sehr kleinen Bereich der Oberfläche 12 des Werkstücks 14 angekoppelt wird.

Die genauen Abmessungen und Proportionen des Kerns 86 dürften unkritisch sein. Als Beispiel sei jedoch angegeben, dass die Spitze 104 des Kerns 86 einen Durchmesser in der Grössenordnung von 0,25 mm bis 0,63 mm hat. Infolgedessen ist der Kern 86 nur an einen sehr kleinen Bereich der Werkstückoberfläche 12 angekoppelt. Dies gewährleistet, dass die 3ρμ1β 84 sehr empfindlich gegen Unregelmässigkeiten auch der geringsten Grosse ist, so dass die Untersuchungseinheit 80 sehr kleine Unregelmässigkeiten aufzulösen imstande ist.

Der Konusabschnitt 102 läuft von dieser Spitze 104 bis zu einem Durchmesser, der dem des KopfabSchnitts 100 entspricht. Dieser grössere Durchmesser kann in der Grössenordnung des Durchmessers eines Kerns in den bekannten Untersuchungseinheiten liegen, wie sie etwa bei 54 oder 70 gezeigt sind. Als Beispiel sei angegeben, dass dieser Durchmesser im Bereich von 1,22 mm bis 1,58 mm liegt. Normalerweise hat der Konusabschnitt 102 über seine ganze Länge im wesentlichen geradlinige Mantellinien.

Es hat sich als zweckmässig erwiesen, die Länge des Konusabschnitts 102 so zu wählen, dass sie in der Grössenordnung mindestens einer Hälfte der gesamten Länge des Kerns 86, vorzugsweise etwas darüber, liegt. Beispielsweise mag die Gesamtlänge des Kerns 86 in der Grössenordnung von 2,3 mm bis 6,3 mm liegen. Unter diesen Umständen würde die Länge des Konusabschnitts 102 in der Grössenordnung von etwa 1/2 bis etwa 2/3 der Gesamtlänge liegen.

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Wie sich gezeigt hat, lässt sich durch Vergrössern des Volumens des Kerns 86, seines Durchmessers und insbesondere des Durchmessers des Kopfteils 100, der Länge des Konusabschnitts 102 und/oder der Gesamtlänge des Kerns 86 die Kopplung erhöhen, wodurch die Spule 86 über eine grössere Abhub-Strecke gegen die zurückgestrahlten Wirbelströrne empfindlicher wird. Andererseits hat sich herausgestellt, dass der Kern um so weniger empfindlich gegen den Abhub und damit das Abhub-Verhältnis um so grosser ist, je kürzer der Kern 86 ist.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Untersuchungseinheit ist in Fig. 5 mit 106 bezeichnet. Obwohl diese Untersuchungseinheit 106 einige Ähnlichkeiten mit der in Fig. 3 gezeigten Untersuchungseinheit des Differentialtyps nach dem Stand der Technik aufweisen mag, so handelt es sich doch nicht um eine Differential-Untersuchungseinheit. In Wirklichkeit gehört die Untersuchungseinheit 106 nach Fig. 5 vielmehr zum absoluten Typ.

Die Untersuchungseinheit 106 umfasst zwei Kerne 108 und 110 aus ferromagnetischem Material. Der erste Kern 108 bildet ein inneres oder zentrales Element. Dieser Kern 106 kann zylindrisch sein und über seine gesamte Länge im wesentlichen gleichmassigen Durchmesser aufweisen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es unter einigen Umständen zweckmässig ist, den Kern 108 ähnlich den Kern 86 und 90 nach Fig. 4 konisch zu formen.

Um den Kern 108 ist eine erste Spule 112 gewickelt, die den Kern aussteuert und die zurückgestrahlten Felder aufnimmt. Bei Bedarf kann auf dem Kern eine zweite Spule vorgesehen sein, wobei dann eine der Spulen zur Aussteuerung oder Induzierung der Wirbelströme verwendet wird, während die andere zum Empfang des zurückgestrahlten Feldes und zur Erzeugung des Prüfsignals dient.

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Der zweite Kern 110 bildet einen äusseren Kern und ist beträchtlich grosser als der erste oder innere Kern 108. Der Kern 110 v/eist eine Öffnung oder Bohrung 114 auf, die von seinem einen Ende aus axial nach innen verläuft. Der erste oder innere Kern 108 ist in dieser Bohrung 114 angeordnet und im wesentlichen axial dazu ausgerichtet.

Auf die Aussenseite des zweiten Kerns 110 ist eine zweite Spule 116 gewickelt. Die beiden Spulen 112 und 116 liegen in Serie miteinander parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators 20. Die Signaleingänge des Verstärkers 22 sind an den Mittelabgriff 94 der Sekundärwicklung 92 und den ■Verbindungspunkt 118 zwischen den beiden Spulen 112 und 116 angeschlossen. Dies ist alles im wesentlichen genauso wie bei der Untersuchungseinheit 70 nach Fig. 4.

Bestimmte Eigenschaften der Spule 112 auf dem inneren Kern 108 sind an bestimmte Eigenschaften der Spule 116 auf dem Aussenkern 110 eng angepasst. Dadurch ergibt sich eine Brücke, die ähnlich wie bei dem obigen Ausführungsbeispiel elektrisch abgeglichen ist.

Der grösste Aussendurchmesser des inneren Kerns ist kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung 114 in dem zweiten Kern 110. Die Differenz zwischen den beiden Durchmessern ist vorzugsweise so bemessen, dass eine ausreichende Isolation zwischen dem ersten Kern 108 und dem zweiten Kern 110 gewährleistet ist, damit die beiden Kerne 108 und 110 mit ihren Spulen 112 bzw. 116 sich getrennt auswirken können. Mit anderen Worten bilden die beiden Kerne und Spulen kein gemeinesames Element mit nur einem Magnetfeld.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, hat der zweite Kern 110 einen grossen Durchmesser und ein beträchtliches Volumen. Infolgedessen ist die zweite Spule 116 auf dem Kern

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an die Oberfläche 12 des Werkstücks 14 stark angekoppelt, selbst wenn ein wesentlicher Abstand dazwischen besteht.

Wegen des grossen Volumens und des grossen Durchmessers des Kerns 110 ist die Spule 116 ausserdem über eine ziemlich grosse Fläche an das Werkstück 14 angekoppelt. Infolgedessen ist die Spule 116 gegen Unregelmässigkeiten wie etwa Risse oder dergl. relativ unempfindlich. Dagegen spricht die Spule 116 auf Änderungen im Abhub zwischen der Stirnfläche des Kerns 110 und der Werkstückoberfläche 12 an.

Umgekehrt ist der innere Kern 108 mit seinem geringeren Durchmesser nur an einen sehr kleinen Bereich an der Oberfläche 12 des Werkstücks 14 gekoppelt. Infolgedessen ist er sehr empfindlich gegen Unregelmässigkeiten, selbst wenn diese eine Grosse haben, die der Stirnfläche 120 am Ende des Kerns 108 vergleichbar ist. Der Kern 108 ist jedoch relativ unempfindlich gegen Veränderungen im Abhub.

Durch geeigneten Ausgleich der relativen Volumen der beiden Kerne 108 und 110, ihrer Dimensionen und relativen Anordnungen kann die innere Spule 112 sehr empfindlich gegen Fehler selbst geringster Grosse gemacht werden, während die äussere Spule 116 gegen Fehler jeder Grosse relativ unempfindlich ist. Infolgedessen werden, wenn die Untersuchungseinheit 106 über einen Fehler geführt wird, die Änderungen in der inneren Spule 112 die Brücke verstimmen und ein entsprechendes Prüfsignal erzeugen·.

Gleichzeitig kann die Empfindlichkeit der beiden Spulen 112 und 116 in Abhub-Richtung im wesentlichen identisch gemacht werden. Zumindest lassen sie sich über den normalen Arbeitsbereich des Abhubs nahe aneinander anpassen. Infolgedessen v/erden die normalen Schwankungen im Abhub die Brücke

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nicht wesentlich verstimmen, noch werden sie Änderungen in den Signalen bewirken.

Der äussere Kern 110 hat ein Volumen, das beträchtlich grosser ist als das Volumen des inneren Kerns 108; infolgedessen hat er die Tendenz, die Spule 116 stärker an das Werkstück anzukoppeln. Die Nähe der Untersuchungseinheit relativ zu dem Werkstück wird daher einen grösseren Einfluss auf die äussere Spule 116 haben als auf die innere Spule 112. Um dies zu kompensieren, ragt das äussere Ende des zentralen Kerns 108 normalerweise etwas über die Stirnfläche des äusseren Kerns 110 hervor. Dies bewirkt, dass die Stirnfläche 120 des Kerns 108 sich wesentlich dichter an der Werkstückoberfläche befindet als die Stirnfläche des Kerns 110, wodurch die beiden Kopplungsfaktoren der Spule 112 bzw. der Spule 116 relativ zum Werkstück aufeinander abgestimmt werden.

Soll die Untersuchungseinheit 106 für sehr verschiedene Werkstoffe verwendet werden, so kann zweckmässigerweise eine gewisse Form einer Einstellung vorgesehen werden, durch die sich das innere Element 108 axial innerhalb des äusseren Elements 110 bewegen lässt. Dies gestattet eine Änderung des Masses, um das die Stirnfläche 120 über den Kern 110 hervorragt, und ändert dadurch das Verhältnis zwischen den Kopplungsfaktoren. Durch Einstellen des relativen axialen Abschnitts des inneren Kerns 108 ist es daher möglich, Über- oder Unterkompensationen zu vermeiden.

Die Stirnfläche des Kerns 110 kann zwar eben sein; Jedoch hat es sich herausgestellt, dass es unter gewissen Umständen zweckmässig sein kann, an der Stirnfläche des äusseren Kerns 110 einen abgeschrägten oder konischen Bereich 122 vorzusehen. Steht die Untersuchungseinheit 106 schräg oder schief auf der Oberfläche 12, so nimmt der Abstand oder Abhub auf

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einer Seite des äusseren Kerns 110 zu, während er auf der diametral entgegengesetzten Seite abnimmt. Bei Auswahl einer geeignet bemessenen Abschrägung gleicht der Effekt der Abstandszunahme auf der einen Seite die Abnahme des Abstands auf der anderen Seite aus. Infolgedessen wird die resultierende Auswirkung der Neigung vernachlässigbar, und es tritt insgesamt kein Effekt auf.

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Claims

Ansprüche

1. Mit einer Spule umwickelte ferromagnetische Kernanordnung, gekennzeichnet durch einen ersten Teil (102;108) mit einer kleinen Stirnfläche (104;120) sowie einen in Abstand von der Stirnfläche befindlichen zweiten Teil (100; 110).

2. Ferromagnetische Kernanordnung, gekennzeichnet durch einen ersten Teil (102;108) mit einer kleinen Stirnfläche (104;120) sowie einen zweiten Teil (100; 110), der ein grösseres Volumen hat als der erste Teil und in Abstand von der Stirnfläche angeordnet ist.

3· Wirbelstrom-Untersuchungseinlieit zur Werkstoffprüfung mit einer ferromagnetischen Kernanordnung, auf der eine Spule zu Induzierung von Wirbelströmen in dem Werkstück angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Kernanordnung (86;10β) einen ersten Teil (102;108), der mit einer Stirnfläche (104; 120) nahe dem V/erkstück anzuordnen ist, sowie einem zweiten Teil (100;110) umfasst, der ein grösseres Volumen hat als der erste Teil und von dem Werkstück entfernt ist. .

4. Mit einer Spule umwickelter- ferromagnetischer Kern, gekennzeichnet durch ein erstes Segment (100) mit bestimmtem Durchmesser und ein zweites Segment (102), das

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einen von dem bestimmten Durchmesser auf einen kleinen Durchmesser verlaufenden Konus auf v/eist.

5. Ferromagnetischer Kern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass das zweite Segment (102) mindestens so lang ist wie das erste Segment (100) und dass der Durchmesser des ersten Segments grosser ist als der genannte kleine Durchmesser des zweiten Segments.

6. Ferromagnetische Kernanordnung, gekennzeichnet durch zwei fluchtend miteinander angeordnete Kerne (86,90) gemäss Anspruch 4 oder 5.

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein die Kerne (86,90) umgebendes Gehäuse (82), in dem die Kerne axial fluchtend und in Abstand voneinander gehalten sind.

8. Ferromagnetische Kernanordnung, gekennzeichnet durch einen mit einer ersten Spule (116) umwickelten ersten Kern (100), der eine Öffnung (114) aufweist, sowie einen mit einer zweiten Spule (112) umwickelten zweiten Kern (108), dessen Aussendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Öffnung und der mindestens teilweise in der Öffnung angeordnet ist.

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9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass das Volumen des ersten Kerns (110) grosser ist als das des zweiten Kerns (108).

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Innendurchmesser des ersten Kerns (110) wesentlich grosser ist als der Aussendurchmesser des-zweiten Kerns (108), so dass die auf den beiden Kernen aufgebrachten Spulen (112,116) im wesentlichen unabhängig voneinander wirken.

11. Ferromagnetische Kernanordnung, gekennzeichnet durch einen mit einer ersten Spule (112) umwickelten ersten Kern (108), der länglich ist und an einem Ende eine Stirnfläche (120) aufweist, sowie einen mit einer zweiten Spule (116) umwickelten zweiten Kern (110), der mindestens einen Teil des ersten Kerns wenigstens teilweise umgibt und so angeordnet ist, dass das besagte Ende des ersten Kerns über den zweiten Kern herausragt.

12. Ferromagnetische Kernanordnung, gekennzeichnet durch einen mit einer ersten Spule (116) umwickelten ersten Kern (110) mit einer mindestens teilweise durch den Kern verlaufenden Bohrung (114) sowie einen mit einer zweiten Spule (112) umwickelten zweiten* Kern (108), der in der Bohrung und in Abstand von dem ersten Kern angeordnet ist.

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13· Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Kern (110) einen konusförmigen Endabschnitt (122) aufweist.

14. Wirbelstromsonde zur Untersuchung eines Werkstücks, mit einem ferromagnetisehen Kern, auf dem eine Wicklung zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem Werkstück sowie zur Erzeugung eines <3en Wirb el strömen entsprechenden Signals aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Kern (86;106) einen ersten Teil (102;108) mit einer in der Nähe des Werkstücks anzuordnenden Stirnfläche (104;120) von bestimmtem Durchmesser sowie einen von dem Werkstück entfernt anzuordnenden zweiten Teil (100;110) mit einem Durchmesser, der grosser ist als die besagte Stirnfläche, aufweist.

15. Wirbelstrom-Untersuchungseinheit zur Werkstoffprüfung mit einem in Axialrichtung länglichen ferromagnetisehen Kern, auf dem eine mit einer Quelle für alternierende Signale verbundene Spule aufgebracht ist, die dazu dient, in dem Werkstück Wirbelströme sowie ein diesen Wirbelströmen entsprechendes Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet , dass der Kern (86) einen ersten Abschnitt (102), der am einen Kernende eine in der Nähe des Werkstücks anzuordnende Stirnfläche (104) bildet, sowie einen zweiten Abschnitt (100) an dem von dem Werkstück entfernt anzuordnenden Ende des Kerns aufveict, wobei der Durchmesser des zweiten Abschnitts grosser ist al; der Durchmesser der Stirnfläche.

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16. Wirbelstrom-Untersuchungseinheit zur Werkstoffprüfung mit einem in Axialrichtung länglichen ferromagnetisehen Kern, auf dem eine an eine Quelle für alternierende Signale angeschlossene Wicklung aufgebracht ist, die Wirbelströme in dem Werkstück erzeugt und ein diesen Wirbelströmen entsprechendes Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (86) ein verbreitertes zylindrisches Segment (100) und ein konisches Segment (102) umfasst und dass eine Stirnfläche (104) am Ende des konischen Segments vorgesehen ist, die zur Ankopplung an das Werkstück dient.

17. Wirbelstromsond? zur Untersuchung eines Werkstücks, mit einem länglichen ferromagnetischen Kern, der an einem Ende eine in der Nähe des Werkstücks anzuordnende Stirnfläche aufweist und auf dem eine Wicklung angeordnet ist, um in dem Werkstück Wirbelströme zu erzeugen und ein diesen Wirbelströmen entsprechendes Signal abzugeben, dadurch gekennzeichnet , dass der genannte Kern (108) mindestens teilweise von einem zweiten ferromagnetischen Kern (110) umgeben ist, auf dem eine zweite Wicklung (116) angeordnet ist, und dass die Stirnfläche (120) des ersten Kerns über das Ende des zweiten Kerns herausragt.

18. Wirbelstrom-Untersuchungseinheit zur Werkstoffprüfung, gekennzeichnet durch einen ersten ferromagnetischen Kern (110) mit einer in der Uähe des Wcrkstücl.s

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anzuordnenden Stirnfläche an meinem Ende und einer iii teilweise durch den IUi]¹Ji ν er] aufenden Bohrung (1VO s flJ e in der Stirnfläche eine Öffnung bildet, einen innerha]b der Bohrung angeordneten, ländlichen zv/ei ten forroinagueti sehen Kern (108) mit einen! über die besagte Ctirnflä'che herausragonden Endabsehnitt κ ο wie auf den beiden Kernen angeordnete erste bzw. zweite "Wicklungen (116,112).

iy. Untersuchungseinheit nach Anspruch 18, dadurcli

β e ]{ e η η ζ e i c h η e t , daü.'j dar; Volumen des ersten Kerns (110) v/eaentlich ßröiiuev int al ß das Volumen dec zweiten Kerns (108) und darr; der Durchmesser der Bohrung (114) wesentlich grosser ist als der Durclimosse?¹ des zweiten Kerns, so dass die beiden Kerne und ihre jeweiligen Wicklungen (116, 112) getrennt voneinander wirken.

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