DE2410067A1 - Verfahren zur beruehrungslosen messung von leitfaehigkeit und/oder temperatur an metallen mittels wirbelstroeme - Google Patents

Verfahren zur beruehrungslosen messung von leitfaehigkeit und/oder temperatur an metallen mittels wirbelstroeme

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Description

Me/br
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden/Schweiz
Verfahren zur berührungslosen Messung von Leitfähigkeit und/oder Temperatur an Metallen mittels Wirbelströme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Leitfähigkeit und/oder Temperatur an Metallen mittels Wirbelströme, wobei mit Hilfe einer wechselstromgespeisten Erregerspule, deren Achse auf der Oberfläche des Prüflings senkrecht steht, ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das in die Metalloberfläche eindringt und zur induktiven Entstehung der Wirbelströme Anlass gibt, und ausser der Erregerspule zwei dazu koaxial und symmetrisch angeordnete Messpulen von gleichem Radius vorhanden sind, wobei die Länge jeder Messpule erheblich kleiner ist als die Länge
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der Erregerspule, bei welchem Verfahren die Messpulen gegeneinandergeschaltet sind und der Phasenwinkel zwischen,dem Strom in der Erregerspule und dem Strom in den Messpulen als Mass für die Messgrösse verwendet wird.
Auf dem Wirbelstromprinzip basierende Verfahren für die Messung von Leitfähigkeit und/oder Temperatur sind seit längerem bekannt. Bei einem unter der Bezeichnung "Sigmatest" auf dem Markt befindlichen Gerät wird eine einzige Prüfspule verwendet und auf die Metalloberfläche aufgesetzt. Die durch das magnetische Wechselfeld im Metall erzeugten Wirbelströme wirken wie die belastete Sekundärwicklung eines Transformators, und ihre Rückwirkung auf die Prüfspule verändert deren elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit. Zu beachten ist dabei der unerwünschte "Abhebeeffekt", der eintritt, wenn die Tastspule durch Oberflächenrauhigkeit oder Zwischenschichten (Oxid) von der metallischen Prüffläche "abgehoben" wird (Zeitschrift "Metall", Heft 1/2 (1955), Seiten 14-22).
Der Einfluss des Abhebeeffektes konnte durch zusätzliche Massnahmen weitgehend vermindert werden. Die Erregerspule wurde mit zwei Messpulen kombiniert, die in Differentialschaltung geschaltet waren. Diese Spulen sind erheblich
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kürzer als die Erregerspule und sind zur letzteren koaxial und symmetrisch angeordnet (vorzugsweise liegen die Mess-
" spulen innerhalb der Erregerspule, und zwar so, dass die vom Mittelpunkt der Gesamtanordnung gesehenen äusseren Stirnflä-
. chen der Messpulen mit den beiden Stirnflächen der Erregerspulen in einer Ebene liegen). Infolge der Gegeneinanderschaltung der Messpulen liefern sie bei Abwesenheit eines Prüflings kein Signal; nähert man sich jedoch einem metallischen Gegenstand, so erzeugt das magnetische Wechselfeld in diesem Wirbelströme, welche ihrerseits zur Bildung eines "reflektierten" magnetischen Wechselfeldes Anlass geben. Dieses reflektierte Magnetfeld beeinflusst nun nach Art eines Transformators die "vordere" Messpule, während die zweite Messpule nur wenig oder überhaupt nicht beeinflusst^ wird. Verwendet man die Amplitude der in der vorderen Messpule induzierten Wechselspannung als charakteristische, von Leitfähigkeit bzw. Temperatur (aber auch von anderen Parametern wie Dicke des Prüflings) abhängige Grosse, so ist der Einfluss des "Abhebeeffektes" immer noch beträchtlich. Wie jedoch später gefunden wurde, wird dieser Einfluss erheblich reduziert, wenn man statt der Amplitude die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal (Erregerspule) und dem Ausgangssignal (Messpulen) zugrunde legt. Dieses Verfahren ist z.B. beschrieben in.dem Artikel von Dodd und Simpson"Thickness
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Measurement Using Eddy Current Techniques" in der Zeitschrift "Materials Evaluation", Mai 1973, S. 73-84 (hier liegt der Akzent auf der Dickenmessung, doch wird auch über andere Einflüsse, so auch den der Leitfähigkeit, gesprochen, was noch "deutlicher im Aufsatz von Dodd "A Portable Phase-Sensitive Eddy Current Instrument" in "Materials Evaluation", März 1968, S. 33-36, zum Ausdruck kommt).
Die Fig. la des Artikels von Dodd und Simpson zeigt neben der elektrischen Schaltung von Erregerspule und Messpulen auch die der Praxis entsprechende geometrische Anordnung der Spulen. Daraus ergibt sich eine Koaxiallage der Messpulen innerhalb der Erregerspule mit einem relativ kleinen Radialverhältnis; der Radius der Erregerspule ist laut Figur ca. 1,5 bis 2mal grosser als der Radius der Messpulen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss des Abhebeeffekts noch weiter herabzusetzen und eine berührungslose Messung zu ermöglichen, bei welcher für den Abstand zwischen Prüfling und Messkopf ohne Beeinflussung des Messwertes erhebliche Toleranzen zugelassen werden können. Namentlich wird dabei an Messungen - z.B. Temperaturmessungen an periodisch bewegten, grossflächigen Objekten wie Rotoren u. ä. gedacht, bei welchen gewisse Durchmessertoleranzen
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unvermeidlich sind. Es wurde nun gefunden, dass bei Einhaltung bestimmter, bisher ausser acht gelassener Bedingungen für Anordnung und Dimensionierung der Messpulen der Phasenwinkel in Abhängigkeit der Distanz Messkopf-Prüfling ein Maximum durchläuft. Befindet sich der Messkopf in diesem Maximum, so ist die Distanzabhängigkeit des Phasenwinkels sehr klein und die Distanzempfindlichkeit des Systems gegenüber der bereits durch Verwendung des Phasenwinkels erreichten Verringerung noch weiter drastisch reduziert.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Radienverhältnis zwischen Erregerspule einerseits und Messpulen andererseits je nachdem, ob die Messpulen ausser- oder innerhalb der Erregerspule angeordnet sind, kleiner als y4 bzw. grosser als 4 ist und dass der Messkopf sich in einem solchen Abstand von der Prüfling-Oberfläche befindet, dass der besagte Phasenwinkel zwischen Erregerspulen-Signal und Messpulen-Signal ein Maximum aufweist.
Die Erfindung sei jetzt anhand der Figuren näher erläutert. Die Fig. la und Ib zeigen erfindungsgemässe Spulenanordnungen im Schnitt; dabei liegen bei der Variante gemäss Fig. la die Messpulen M ausserhalb, bei der Variante gemäss Fig. Ib innerhalb der Erregerspule E, Das Verhältnis ^5- der mittleren
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Radien von Erregerspule und Messpulen ist in Fig. la ^ ykt in Fig. Ib Ss 4. Der Prüfling, der hier als ebene Metallplatte 5JLi denken'ist, befindet sich in einem Abstand D von der vorderen Spulen-Stirnflächen (die ebenso wie die hinteren Stirnflächen'vorzugsweise in einer Ebene liegen). Die Messpulen M sind, wie gezeigt, mit ihren Wicklungen gegeneinandergeschaltet; die resultierende Wechselspannung wird dem einen Eingang eines Phasenwxnkelmessgerätes PM zugeführt, dessen zweiter Eingang das direkte Signal vom Oszillator OS empfängt, welcher die Erregerspule speist. L ist die Länge der Erregerspule bzw. der Abstand der äusseren Stirnflächen der Messpulen.
Wie bereits bemerkt, weist der resultierende Phasenwinkel der primären Wechselspannung und der in den Messpulen induzierten Spannung, d.h. also das am Ausgang des Phasenwinkelmessgeräts PM erscheinende Signal, bei Einhaltung der für die Radialverhältnisse zwischen Erreger- und Messpulen angegebenen Kriterien bei Aenderung des Abstandes D ein Maximum auf. Dies ist aus Fig. 2 ersichtlich, wo der resultierende Phasenwinkel cp in Abhängigkeit vondem Verhältnis -^- zwischen Abstand und Radius Rl der Erregerspule aufgetragen ist. Im Bereich des Maximums ist die Abstandsabhängxgkeit des Phasenwinkels naturgemäss nur gering. Dagegen besteht eine starke
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Abhängigkeit dieses Maximums von der Leitfähigkeit des Prüflings, und zwar sowohl hinsichtlich der Lage dieses Maximums (d.h. Entfernung von der Prüfling-Oberfläche) als auch hinsichtlich seines Wertes.
Eine Leitfähigkeitsmessung an einem Prüfling mit z.B. ebener Oberfläche kann demnach so vor sich gehen, dass für verschiedene Normale mit bekannter Leitfähigkeit eine Eichung des Anzeigeinstrumentes erfolgt, das sich am Ausgang des Phasenwinkel-Messgerätes befindet. Dazu wird für jedes Normal der an einem Stativ befestigte und durch geeignete Führungselemente in senkrechter Richtung zur Normal-Oberfläche bewegliche Messkopf vorzugsweise aus grösserer Entfernung in Richtung auf die Normal-Oberfläche zu kontinuierlich verstellt und dabei der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes beobachtet. Kommt die Zunahme des Ausschlags bei fortgesetzter Verstellung zum Stillstand, so ist das Maximum erreicht, und der Ausschlag entspricht der Leitfähigkeit des Normals. Entsprechend können die Maxima für andere Normale festgestellt und mit der entsprechenden Leitfähigkeit geeicht werden, Zwischenwerte können interpoliert werden.
Bei der Messung eines Prüflings mit unbekannter Leitfähigkeit braucht diese Prozedur nur wiederholt zu werden, d.h. der Messkopf-Abstand von der Prüfling-Oberfläche wird aus
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grösserer Entfernung so lange kontinuierlich verstellt, bis ein Zeigerstillstand bei weiterer, kleiner Verstellung eintritt. Wird zu weit verstellt, so tritt eine Umkehr der Zeigerbewegung ein; man verstellt dann etwas in der anderen Richtung, bis wieder ein Stillstand eintritt. Da die Skala geeicht ist, gibt die Zeigerstellung die Leitfähigkeit des Prüflings direkt an.
Alternativ kann bei der Leitfähigkeitsmessung an einem Prüfling auch so vorgegangen werden, dass zunächst ein Normal mit bekannter Leitfähigkeit vor dem in Richtung Normal verstellbaren Messkopf befestigt wird und der Messkopf senkrecht zur Oberfläche des Normals so lange verstellt wird, bis der Anschlag des PhasenwinkelrMessgerätes (PM) ein Maximum zeigt. In diesem Maximum wird der Kopf fixiert, der Phasenwinkel wird gemessen und der Messwert unverlierbar gespeichert. Bei Messung der unbekannten Leitfähigkeit eines Prüflings wird der letztere direkt an die Stelle des Normals gesetzt, so dass der Abstand Oberfläche - Messkopf beim Prüfling derselbe ist wie beim Normal. Anschliessend wird die Erregerfrequenz so lange verändert, bis das Phasenwinkel-Messgerät PM denselben Ausschlag aufweist wie vorher beim Prüfling. Dabei wird das Maximum des Phasenwinkels in Abhängigkeit von einer fiktiven Aenderung des Abstandes Messkopf-Prüfling automatisch erzielt, und das Verhältnis der Leitfähigkeiten von Normal und Prüfling ist - wie eine Rechnung zeigt - dem Verhältnis der beiden
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Erregerfrequenzen umgekehrt proportional, woraus die unbekannte Leitfähigkeit unmittelbar bestimmt werden kann. Da die Leitfähigkeit des Prüflings demnach umgekehrt proportional der für den vorgegebenen Phasenwinkel einzustellenden Frequenz ist und die Proportionalitätskonstante gleich dem Produkt aus der Leitfähigkeit des für die ursprüngliche Eichung verwendeten Normals und der dafür benutzten Erregerfrequenz ist, kann die Skala des Frequenzmessers beim Gerätehersteller definitiv auf Leitfähigkeitsarizeige geeicht werden. Der durch Messkopfverstellung einzustellende konstante Phasenwinkel könnte auf der Anzeigeskala des Phasenwinkel-Messgerätes PM ebenfalls vom Gerätehersteller markiert werden. Durch Anwendung elektronischer und regelungstechnischer Mittel könnte auch eine automatische Verstellung der Erregerfrequenz erzielt und bei Erreichen des vorgegebenen Phasenwinkels (eventuell digital durch Vorprogrammierung eines Zählers) ebenfalls automatisch beendet werden.
Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemässe Verfahren benutzt werden, um auf dem Umwege über die Leitfähigkeit die Temperatur von metallischen, insbesondere bewegten, Objekten zu messen. Dabei wird insbesondere an periodisch rotierende, zylinderförmige Metallkörper - wie z.B. Walzen - gedacht. Hierzu ist naturgemäss zunächst eine
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Eichung des Anzeigeinstruments erforderlich. Bei Stillstand der zu prüfenden Walze wird der Messkopf in einiger Entfernung von der Walzenoberfläche so angeordnet, dass die verlängerte Symmetrieachse der Spulen in Längsrichtung die Walzenachse schneidet, d.h. mit einem verlängerten Walzenradius zusammenfällt; in dieser Position ist der Messkopf mittels geeigneter Führung in Richtung zur Walzenachse und in umgekehrter Richtung verstellbar und kann in jeder Position fixiert werden.
An der dem Messkopf zugewandten Stelle der Walzenoberfläche wird nun die Temperatur mittels eines Kontaktthermometers, eines Thermoelementes oder anderer bekannter Vorrichtungen gemessen. Dann wird der Messkopf so
lange verstellt, bis der Zeiger des Anzeigeinstrumentes des Phasenwinkelmessgerätes PM ein Maximum erreicht. Bei dieser Zeigerstellung wird die gemessene Temperatur eingetragen. Anschliessend wird der Walzenkörper auf eine
zweite Temperatur gebracht, z.B. erwärmt, die Temperatur wird mit den besagten Mitteln gemessen und der Messkopf bis zur Erzielung einer Maximalanzeige verstellt. Diese Zeigerstellung wird auf der Skala wiederum markiert und die gemessene Temperatur aufgetragen. Im allgemeinen
genügen diese zwei Eichpunkte, um zwischen bzw. ausserhalb von ihnen die Temperaturskala aufzutragen. Diese
Skala wird als linear angenommen, was dem Temperaturgang
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des Metallwiderstandes in weiten Grenzen entspricht. Es kann natürlich zwecks grösserer Präzision noch ein dritter Eichpunkt hinzugenommen werden.
Wenn die Skala so geeicht ist, lässt man die Walze wieder auf Betriebstemperatur abkühleraind misst diese Temperatur an einer Stelle in der besagten Weise durch Verstellen des Messkopfes bis zur Erzielung des Maximums. In dieser Stellung wird der Messkopf fixiert. Dreht sich die Walze jetzt, so kann der Temperaturverlauf längs des Umfangs direkt abgelesen werden. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass bei unvermeidlichen kleinen Schwankungen des Walzendurchmessers die Messung nicht beeinflusst wird, weil - wie oben bemerkt - der "Abhebeeffekt" bzw. die Abstandsabhängigkeit der Messung bei dem beschriebenen Verfahren besonders klein ist. Die Leitfähigkeit sollte bei dieser Temperaturmessung naturgemäss keine örtlichen Schwankungen aufweisen. Umgekehrt ist bei einer Leitfähigkeitsmessung in der oben beschriebenen Weise eine Temperaturkonstanz erforderlich; bei Abweichungen der Raumtemperatur von der Temperatur, bei der die Eichung vorgenommen wurde, kann allerdings in einfacher Weise eine Umrechnung der Messwerte unter Berücksichtigung der gemessenen Raumtemperatur erfolgen.
Ein grosser Vorteil der beschriebenen Methode besteht darin,
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dass eine nicht leitende Schicht (z.B. Oxide, Papiere usw.) auf dem zu messenden Metallstück liegen darf, ohne dass die Messung verfälscht würde.
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Claims (3)

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    ί 1./ Verfahren zur berührungslosen Messung von Leitfähigkeit und/oder Temperatur an Metallen mittels Wirbelströmen, wobei mit Hilfe einer wechselstromgespeisten Erregerspule, deren Achse auf der Oberfläche des Prüflings senkrecht steht, ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das in die Metalloberfläche eindringt und zur induktiven Entstehung der Wirbelströme Anlass gibt, und ausser der Erregerspule zwei dazu koaxial und symmetrisch angeordnete Messspulen von gleichem Radius vorhanden sind, wobei die Länge jeder Messspule erheblich kleiner ist als die Länge der Erregerspule, bei welchem Verfahren die Messspulen gegeneinandergeschaltet sind, und der Phasenwinkel zwischen dem Signal in der Erregerspule . und dem Signal in den Messspulen als Mass für die Messgrösse verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Radienverhältnis zwischen Erregerspule einerseits und Messpule andererseits je nachdem, ob die Messspulen ausserhalb oder innerhalb der Erregerspule angeordnet sind, kleiner als -J- bzw. grosser als 4 ist, und dass der Messkopf sich in einem solchen Abstand von der Prüfling-Oberfläche befindet, dass der besagte Phasenwinkel zwischen Erregerspulen-Signal und Messspulen-Signal ein Maximum aufweist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel zwischen Erregerspulen-Signal und Messpulen-
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    Signal mit einem Messgerät (PM) gemessen wird, welches die jeweilige Phasendifferenz in eine proportionale Spannung umsetzt und auf einem Instrument zur Anzeige bringt, dass die Skala des Instruments in der Weise geeicht wird, dass für verschiedene Prüfling-Normale mit bekannter Leitfähigkeit eine kontinuierliche Verstellung des Abstands Messkopf - Normal bis zur Erzielung des Maximalausschlages des Instruments vorgenommen wird, wobei dieser Maximalausschlag auf der Skala markiert und mit dem betreffenden Leitfähigkeitswert versehen wird, und dass die Messung an einem Prüfling mit unbekannter Leitfähigkeit ebenfalls durch kontinuierliche Verstellung des Messkopfes in Richtung auf die Prüfling-Oberfläche zu bis zur Erreichung eines Maximalausschlags verwirklicht wird, wonach die Leitfähigkeit auf der geeichten Skala abgelesen werden kann.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Leitfähigkeit an einem Prüfling zunächst ein Normal mit bekannter Leitfähigkeit vor dem in Richtung Normal verstellbaren Messkopf befestigt und der Messkopf senkrecht zur Oberfläche des Normals so lange verstellt wird, bis· der Ausschlag des Phasenwinkel-Messgerätes (PM) ein Maximum zeigt, dass der Kopf in diesem Maximum fixiert, der Phasenwinkel gemessen und unverlierbar gespeichert wird, und dass bei Messung der unbekannten Leitfähigkeit eines
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    Prüflings der letztere direkt an die Stelle des Normals gesetzt wird, so dass der Abstand Oberfläche - Messkopf beim Prüfling derselbe ist wie beim Normal, und die Erregerfrequenz so lange verändert wird, bis das Phasenwinkel-Messgerät (PM) denselben Ausschlag aufweist wie Torher beim Prüfling, wobei das Maximum des Phasenwinkels in Abhängigkeit von einer fiktiven Aenderung des Abstandes Messkopf - Prüfling automatisch erzielt wird, und das Verhältnis der Leitfähigkeiten von Normal und Prüfling dem Verhältnis der beiden Erregerfrequenzen umgekehrt proportional ist, woraus die unbekannte Leitfähigkeit unmittelbar bestimmt wird.
    BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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